联接肠道多重功能的神秘嘉宾你认识它吗.docx
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这两年,除了「禁抗」之外,行业里最热的词莫过于「肠道健康」了吧!
在以前的文章中,我曾多次讲过肠道健康及它的多层功能---生理、消化吸收、免疫、微生物...(戳这里和这里)。
而联接着肠道多重功能的有一位神秘嘉宾,我们今天就来聊聊它---
它叫做「肠碱性磷酸酶」(Intestinalalkalinephosphatase,IAP)。
「肠碱性磷酸酶」是谁?
肠:
即位于肠道。
它主要存在于肠细胞刷状缘(brushborder)的顶端微绒毛中;
碱性:
顾名思义,在碱性环境下最能发挥作用。
它的最适pH为8.0-10.0;
磷酸酶:
即水解磷酸的酶---把有机分子(比如蛋白质)上的磷酸基团给去掉的酶。
这跟「激酶」(kinase)的作用恰恰相反。
激酶:
加个磷酸基团;磷酸酶:
拿掉磷酸基团
很显然,「肠碱性磷酸酶」是「碱性磷酸酶」中的一员。
碱性磷酸酶(简称ALP)并不是单一的酶,而是一组同样功能的蛋白异构体。
在人和动物体内,它主要来自肝脏,其次为肾脏、骨骼、肠道、和胎盘。
我们平常去做体检,血清ALP都是必定会被检测的一个指标,血清中的ALP主要来自于肝脏和骨骼,因此它的异常升高,也许意味着肝胆、骨骼上的疾病(比如胆汁淤积)。
而「肠碱性磷酸酶」就是肝脏ALP、骨骼ALP们来自肠道的兄弟了。
它的位置很有点战略意义---既然位于肠细胞的刷状缘上,那便等于是食物、菌群、和宿主的交叉地带。
肠道中的酶,我们比较熟悉的主要是消化酶,用于消化摄入的营养物质嘛。
但肠碱性磷酸酶明显不是消化酶,那么,它的特别之处在哪里呢?
最近几年,不少研究慢慢发现,它在肠道健康的方方面面竟然都起着重要作用。
它,是怎么做到的呢?
IAP由肠上皮细胞的顶端或基底层分泌,主要在刷状缘和肠腔内活动(图片引自Lalles,2020)
(以下简称肠碱性磷酸酶为IAP)
IAP与小肠pH
作为一名姓「肠」的酶,IAP的作用从食糜一进入小肠就开始了。
当食糜从酸酸的胃出来,紧接着进入十二指肠时,十二指肠必须要中和这些胃酸,才能让小肠壁免受灼伤、让喜欢中性碱性环境的消化酶得以开工。
而这个重任就落在了肠细胞分泌的碳酸氢盐(bicarbonate)身上。
而分泌碳酸氢盐的调节是很关键的,少了,胃酸中和不了;多了,也太碱了吧,消化酶就不喜欢了。
在这个微妙的调节过程中,IAP起着重要的作用---当十二指肠pH低的时候,IAP的活性是很低的,这时候肠细胞外ATP越积越多,从而激活细胞膜上的P2Y1受体,P2Y1直接上调碳酸氢盐的分泌。
释放了一会儿之后,IAP一看这pH调得差不多了呀,于是就上场了—-还记得IAP的主业是「去磷酸化」吧?
它一上场,哐哐几下把ATP去一个磷酸变成了ADP,没了ATP的刺激、P2Y1受体活性降低,从而减少碳酸氢盐的分泌,使小肠pH能够保持在适宜的范围内。
刚刚好!
IAP参与调节十二指肠的pH(图片引自Mizumorietal.)
IAP与肠道屏障
肠道屏障的重要性应该不必多讲啦~近些年不少数据表示IAP对肠道屏障具有保护作用,这个保护作用的机制还不是完全清楚,但我们知道,「紧密连接蛋白」是保障肠道屏障完整性的重要机制之一。
结果这几年涌出的新研究发现,IAP还真能影响紧密连接蛋白!
肠道屏障和紧密连接蛋白的图示(图片引自Chelakkotetal.,2018)
在2016年,哈佛大学的Dr.RichardHodin课题组发现了IAP参与调控紧密链接蛋白的直接证据---在他们的研究中,敲除IAP基因直接导致了诸多紧密连接蛋白(Zonulaoccludens、Claudin、Occludin)的表达下降,而上调IAP表达则提高了紧密链接蛋白的表达,同时,由细菌壁LPS导致的肠道通透性增加和炎症反应也相应降低。
这说明,IAP表达应该和紧密连接蛋白表达、肠道屏障中完整性呈正相关。
在一定范围内,IAP越高,肠道屏障完整性就越好。
这里主要指肠道屏障中的物理屏障(肠上皮细胞这一层)。
LPS攻毒降低了肠上皮细胞的跨上皮电阻(TEER),表示肠道屏障受损;而在LPS攻毒的条件下,添加IAP则几乎完全防止了肠道屏障的受损(图片引自Liuetal.,2016)
而IAP对肠道屏障的保护作用部分与它对紧密连接蛋白表达的调节有关。
图为敲除IAP基因导致诸多紧密连接蛋白的表达下降(绿色是正常、红色是敲除;图片引自Liuetal.,2016)
拓展阅读
哈佛Hodin课题组的研究:
http:
//doi.org/10.1016%2Fj.jamcollsurg.2015.12.006
IAP与炎症反应
我们知道,肠道中有好多细菌,其中革兰氏阴性细菌细胞壁中含有「脂多糖」(LPS,lipopolysaccharides)----LPS也被称为细菌内毒素,是肠道中一个不折不扣的捣蛋鬼,它一方面作为一种「病原体相关分子模式」(PAMP,pathogen-associatedmolecularpattern),会被动物免疫系统识别,在肠道中引起肠黏膜免疫系统的反应(耗能、“浪费”营养);另一方面,在肠道屏障状态不好的时候,它一旦寻着了空子钻进机体循环系统,便会引起系统性炎症(更惨!
)。
因此在动物营养学中,LPS常常也是研究者用来做攻毒模型的工具。
LPS的结构(图片引自https:
//www.macrophi.co.jp)
有意思的是,从结构图中我们可以看到,LPS有两条「类脂A」(LipidA),它们是LPS具备毒性的决定性结构。
而仔细看一看,它俩都含有磷酸基团。
那么,如果把这两个磷酸基团去掉,LPS还具备毒性吗?
答案是:
嘿,就没啦!
那么正好,IAP就可以派上用场了---它能够将LPS去磷酸化,从而降低LPS的毒性,减少炎症。
而回到上面一点,IAP通过保护肠道屏障完整性,也能减少LPS或细菌从肠腔到血液的转移,从而进一步减少炎症。
IAP通过去磷酸化来降低细菌LPS毒性,同时减少LPS的转移,从而减少机体炎症反应(图片引自Lalles,2010)
除了LSP,研究发现IAP也能降低其它细菌PAMPS的毒性(图片引自Lalle,2014)
人医们也在琢磨「IAP疗法」啦---去年底,南京大学医学院团队发现,利用IAP来做成微胶囊,可以在小鼠模型中通过保护肠屏障功能、减少炎症,来有效缓解LPS诱导的代谢综合征。
(图片引自Zhaoetal.,2021)
拓展阅读
IntestinalAlkalinePhosphataseDetoxifiesLipopolysaccharideandPreventsInflammationinResponsetotheGutMicrobiota
http:
//doi.org/10.1016%2Fj.chom.2007.10.010
Bio-inspiredintestinalscavengerfrommicrofluidicelectrosprayfordetoxifyinglipopolysaccharide
http:
//doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.11.017
IAP与肠道微生物
开头讲到,IAP处于宿主与肠道菌群交互的战略位置,这位置如此重要,自然不是白来的。
的确,除了解毒LPS等PAMPS之外,IAP在宿主与菌群的交流中也发挥着作用,而这个作用的机制也与IAP的「去磷酸化」功能相关。
这就要从肠道里的「共生菌」(commencalbaterial)说起了---这是一群好菌,它们从动物一出生、接触到外界环境开始,就逐渐形成并伴随着动物成长,所以称为“共生”,是与外界来的「致病菌」(pathogenicbateria)相反的一个概念。
当然了,在某些情况下,好菌受了刺激也会变成致病菌,所以有“条件致病菌“的存在;不过总体来说,共生菌对宿主是保护和正向作用,尤其在肠道粘液层上形成一道微生物屏障,也是维护肠道屏障完整性的重要一员。
自然,我们希望它越多越好。
多层肠道屏障(图片引自Hooper,2009)
1.00
岁月静好时的多层肠道屏障(图片引自youtube:
naturevideo)
而这些共生菌有一个天然的生长抑制剂,那便是「ATP」---是的,ATP除了是我们超级熟悉的“能量货币”之外(这部分指细胞内的ATP),肠腔内也存在着微生物或细胞分泌出来的ATP,这部分是细胞外ATP(extraceullarATP),而它们可以显著地抑制肠道内共生菌的生长(具体咋抑制的、是否有特异性还不是完全清楚)。
不光是ATP,所有的「三磷酸核苷」(就是我们熟悉的GTP/CTP/TTP/UTP这一帮DNA和RNA的结构单元)都对肠道共生菌的生长有抑制作用。
2014年,同样是哈佛大学Hodin教授课题组做了一系列体内体外实验后证实,IAP可以通过「去磷酸化」抑制肠腔内ATP以及其它三磷酸核苷的活性,于是乎促进了共生菌的生长繁殖,从而维持机体的肠道菌群平衡,并且保护肠道的多层屏障。
2014年哈佛大学的研究。
(图片引自Maloetal.,2014)
在这个图示中,作者写到:
“ThebrushborderenzymeIAPappearstoplayacentralroleinregulatingthemicrobiotathroughamechanismthatinvolvesthedephosphorylationofluminalATP.“即:
刷状缘IAP似乎在调节肠道菌群中起着中心作用,其机制涉及到肠腔ATP的去磷酸化。
拓展阅读
Intestinalalkalinephosphatasepromotesgutbacterialgrowthbyreducingthe
concentrationofluminalnucleotidetriphosphates
doi:
10.1152/ajpgi.00357.2013
Thebigpicture
可以看出,上面讲到的这几层IAP的作用与动物的营养消化、肠道免疫、肠道菌群息息相关。
总的来说,在正常范围内,IAP水平升高有益于减少肠道炎症、维护肠道健康。
回到动物生产上,这意味着什么呢?
加拿大圭尔夫大学的一项研究发现,与同龄的没断奶的兄弟姐妹相比,断奶仔猪的IAP分泌水平显著降低,这可能也是早期仔猪易于感染、肠道炎症常见的原因之一。
而早在2003年,就有研究者尝试给仔猪口服从犊牛身上提取出来的IAP,发现它可减少LPS引起的炎症反应---而这项研究的作者从事的其实是人医方向,只是用了小猪做模型来探索医学中的IAP疗法,所以似乎研究并未在畜牧届引起重视。
断奶仔猪的IAP分泌水平显著降低:
黑色代表未断奶的同龄仔猪;白色为断奶仔猪(引自Lackeyrametal.,2010)
的确,在动物营养领域,IAP的研究还并不多,我们现在还木有在饲料中可用的成熟的「IAP产品」。
而在肠道健康如此重要的今天,在畜牧动物中想办法提高IAP的分泌,也许是一个不错的思路(酶制剂的新方向吗?
)。
而IAP的分泌受摄入的营养物质的影响。
其中,「溶血磷脂」被发现能特异性地加速IAP的释放。
这里的「特异性」,指的是溶血磷脂并不影响其它肠上皮细胞刷状缘分泌的酶(比如蔗糖酶等),就专门使劲刺激IAP。
究其原因?
是因为除了上面讲到的四点作用外,IAP其实也在调节脂肪酸吸收中发挥作用,因此自然对溶血磷脂特别敏感(在脂肪消化过程中,胰脂肪酶会水解胆汁中的磷脂,生成溶血磷脂)。
而溶血磷脂---我们有呀。
哈哈,不能直达,转个车也可以到达目的地嘛!
溶血磷脂中的LysoPC超级显著地提高了IAP活性,提高幅度大于10倍(引自Nakanoetal.,2009)