动物肠黏膜上皮细胞与病原菌的铁竞争机制.pdf

书书书动物营养学报 ，（）：动物肠黏膜上皮细胞与病原菌的铁竞争机制王进波初佳丽韩菲杨静齐莉莉（浙江大学宁波理工学院，宁波 ）摘要：铁（）是生物有机体的必需营养素，病原菌从宿主体内获取生长、繁殖必需的 是其侵染宿主的前提。本文总结了宿主和肠道病原菌的 摄取方式及竞争机制，阐述了 对肠道微生物的影响，旨在为仔猪生产合理补 提供新依据。关键词：肠道；铁；摄取；竞争机制中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自 然 科 学 基 金 项目（，）；宁 波 市自 然科学基金项 目（）；宁波市农业攻关重点项目（）作者简介：王进波（），男，山东潍坊人，副教授，博士，主要从事肠道微生物方向研究。：通讯作者：齐莉莉，讲师，：铁（）是生命有机体的必需营养素，在能量代谢、复制、氧的运输、抗体生成、肝脏解毒及保护机体免受氧化应激等诸多生理过程中发挥着重要作用 。微生物也不例外，参与微生物的电子传递、糖酵解、合成及对抗自由基损伤等诸多生理代谢过程，对微生物的正常生长、增殖具有重要意义 。从宿主体内获取生长、繁殖所必需的 ，是病原菌侵染宿主的前提。因此，控制病原菌的 摄取在机体抵抗病原菌侵染中发挥着关键作用。哺乳动物的 代谢哺乳动物细胞摄取 的方式主要有 种 （图 ）：）细胞通过膜上的转铁蛋白受体（，）与血液中的转铁蛋白结合摄取 ；）肠腔中游离的 经十二脂肠细胞色素 还 原 酶（，）还原成 后，通过小肠黏膜细胞刷状缘上的二价金属转运载体 （，）转入胞内；）血红素铁（血红蛋白或结合珠蛋白形式）可通过巨噬细胞膜上的血红蛋白清道夫受体 分化抗原簇 （，）进入胞内。进入胞内后，有的进入线粒体，用以合成血红素、铁硫簇（）等，进而参与机体氧的转运及电子传递等代谢过程；有的以铁蛋白的形式存在于胞内；还有部分 经转运进入血液循环系统，参与机体多种生理机能。肠上皮细胞内 的转出主要由肠绒毛上皮细胞膜上的铁转运蛋白（，）完成，转出的 在血浆铜蓝蛋白或小肠细胞膜铁转运辅助蛋白作用下成为 。此过程受肝脏分泌的铁调激素调控，当体内 浓度增高时，铁调激素表达量增加，诱导 降解，抑制胞内 转出，同时抑制 吸收当体内 浓度低时，铁调激素表达量减少，将胞内 转出进入循环系统，同时增加肠黏膜 的吸收率 。病原菌的 摄取 在微生物的生长、繁殖、代谢过程中具有很重要的作用。研究指出，病原菌在 浓度极低的环境中亦能正常生长，并感染宿主。这是由于这些病原菌具有高效的 摄取机制，能够从周围环境中摄取 ，满足自身需要 。目前已知的 种病原菌 摄取机制为：嗜铁素系统、血红素获取系统和转铁蛋白 乳铁蛋白受体 （图 ）。嗜铁素与 的结合常数超过 ，使细菌能够高效获取环境中的 。负载 的嗜铁素能与细菌表面的受体共价结合，将 嗜铁素复合物摄入细动物营养学报 卷胞内，然后再释放出游离 作为细菌的营养物质。血红素获取系统主要通过细菌表面的血红素结合蛋白受体，从血红蛋白中获取血红素，转运进入细菌胞内，然后在血红素氧化酶或逆铁螯合酶的作用下，将 从血红素上解离下来。有些细菌具有转铁蛋白和乳铁蛋白受体，可以直接识别宿主转 铁 蛋 白 和 乳 铁 蛋 白，从 宿 主 细 胞 中 获 取 。：转铁蛋白；：转铁蛋白受体 ；：转铁蛋白受体 ；：二价金属转运载体 ；：十二指肠细胞色素 还原酶；：血红蛋白；：分化抗原簇 ；：结合珠蛋白；：内体；：铁蛋白；：储存；：解毒；：线粒体；：血红素合成；：铁硫簇生物合成；：铁转运蛋白；：血浆铜蓝蛋白；：膜铁转运辅助蛋白；：其他 利用途径。图 宿主的 代谢 宿主与病原菌间的 竞争正常生理条件下，哺乳动物体内游离 的浓度很低，使体内细菌处于 饥饿状态，从而抑制其生长、繁殖，防止感染的发生，这是机体对抗病原菌侵染的第 道防线 。为了从宿主体内获取生长、繁殖、代谢所需要的 ，细菌进化出了高效的 摄取系统。对此，动物机体也有一些竞争机制，限制细菌对 的摄取，从而抑制细菌（尤其是病原菌）的增殖。因此，宿主与病原菌之间 的竞争是机体对抗病原菌侵染的重要方式，对机体健康具有重要意义。动物机体参与 竞争的蛋白因子有多种，二价金属转运载体、细胞色素 、遗传性血色病蛋白、铁调节蛋白、铁蛋白、等参与机体 平衡代谢的蛋白因子均参与 竞争。感染发生时，机体会上调 摄入相关蛋白的表达，下调 等 转出相关蛋白的表达，将体内 大量转入胞内，与铁蛋白形成复合物贮存起来，降低细胞外液中 的浓度，抑制病原菌摄取 ，从而抑制感染的发生。脂质运载蛋白 （，）是研究较为广泛的一种参与 竞争的蛋白因子，该蛋白因子又称噬铁蛋白、等。等 运用基因芯片筛选技术首次发现小鼠 可与负载 的大肠杆菌嗜铁素结合，抑制大肠杆菌对 的摄取，从而发挥抗菌作用。等 利用 基因缺陷型小鼠研究发现，病原菌感染后，机体通过 样受体信号通路激活 表达，抑制胞内 的释放，防止结核分枝杆菌对肺泡上皮细胞的感染。等 研究发现，能够显著抑制硫酸铁（）刺激的小鼠胞内肺炎期王进波等：动物肠黏膜上皮细胞与病原菌的铁竞争机制衣原体（）增殖，这也说明了 可能通过抑制病原菌摄取 的方式来发挥抑菌作用；该研究还发现白细胞介素 也可以促进胞内铁蛋白的合成，降低 的释放，进而发挥抑菌作用。亦在宿主对抗寄生虫感染过程中发挥重要作用。等 对禽致病性大肠杆菌的研究证明，鸡 同源蛋白 能显著抑制大肠杆菌 的摄取，提示 是鸡体内重要的 竞争蛋白，该蛋白通过与致病菌竞争 ，抑 制 病 原 菌 的 生 长 与 增 殖。等 和 等 研究发现，能刺激疟原虫的增殖，加快感染周期。在疟原虫感染初期，会抑制肠、肝、脾等的贮存 向血液中释放，从而抑制疟原虫的生长与增殖；同时，还会刺激单核细胞和巨噬细胞分裂，激活机体天然免疫系统，发挥抗寄生虫作用。等 研究发现，小鼠 自身并无 结合能力，只有与嗜铁素结合后才能与 结合；而哺乳动物细胞自身也能产生类似细菌嗜铁素的成分，帮助细胞结合环境中的 。：细菌；：铁蛋白；：血红素载体；：血红蛋白；：结合珠蛋白；：血液结合素；：乳铁蛋白；：嗜铁素；：噬铁蛋白；：未知嗜铁素；：转铁蛋白；：血红素；：血红素蛋白受体；：乳铁蛋白受体；：血红素载体受体；：嗜铁素受体；：转铁蛋白受体。图 病原菌的 摄取机制 近年来的研究发现，铁调激素也在机体与病原菌的 竞争中发挥重要作用。绿脓杆菌、链球菌和伯氏疏螺旋体等病原菌均能刺激动物肝脏、脾脏产生分泌铁调激素，该激素进一步诱导肠黏膜细胞、肝细胞、脾细胞 降解，显著降低释放入血的 总量；铁调激素还会抑制肠黏膜 的吸收，从而抑制侵染进入血液、内脏器官的病原菌摄取 。等 和 等 研究发现，在疟原虫感染过程中，肝脏铁调激素的表达量显著上升，血清 水平显著下降，从而抑制血液中疟原虫的生长繁殖，这对机体对抗疟疾发挥重要作用。机体 代谢因子在免疫应答反应中发挥重要的调节作用。研究发现，基因缺陷型小鼠的铁调激素水平显著下降，导致巨噬细胞 的表达量显著上升，这会引起肿瘤坏死因子 、白细胞介素 等因子的水平显著下降，从而导致胞内伤寒沙门氏菌的数量显著增加 。进一步研究发现，代谢主要影响 样受体（，）介导的细胞免疫反应 。大多数微生物通过高效的 摄取系统，从 浓度极低的宿主体内获取足够的 ，满足自身生长、繁殖、代谢等的需要嗜铁素在细菌 竞争动物营养学报 卷中的作用极其重要 。大肠杆菌嗜铁素与 的解离常数（）为 ，而转铁蛋白与 的 则为 ，嗜铁素螯合 的能力远强于哺乳动物的转铁蛋白。宿主肝脏细胞产生的 能够与嗜铁素竞争 ，阻碍细菌摄取 。为了逃避宿主 的竞争，有些细菌的嗜铁素发生糖基化修饰或分子线性化，改变分子构象，避免被 识别、结合，但其 螯合能力并未减弱 。此外，细菌还通过 转运蛋白 （，）、结合盒（，）转运蛋白、乳铁蛋白 转铁蛋白 血红素铁转运系统等竞争性摄取内环境中的 ，维持自身需要 ，。细菌具有极为精细的 感知系统，通过铁吸收调节因子（，）参与细菌 代谢相关基因的表达调控。当 含量丰富时，会结合到铁调节相关基因的上游，抑制这些基因的表达；而当 缺乏时，对铁调节相关基因的阻遏作用解除，铁调节相关基因开始表达，帮助细菌摄取 ，这一机制在细菌 竞争中具有重要作用 。还可通过 的反义作用，调节细菌利用 相关基因的表达 。对肠道微生物的影响动物肠道中生存的大量微生物多数是益生菌，在营养物质消化吸收、免疫机能调节以及防止病原微生物感染等过程中发挥着重要作用 ；同时，动物肠道中也存在少量的致病菌或条件性致病菌，在正常生理状况下，它们不会引起感染性疾病，但在肠道应激、机体免疫机能降低、饲粮改变等条件下会引起感染。许多研究表明，饲粮 水平对肠道微生物组成和肠道健康有显著影响，对幼龄动物的影响尤为明显 。等 临床调查研究发现，口服 会导致肠道感染几率显著增加，这是由于高浓度未被吸收的 会引起结肠菌群结构发生变化，导致致病菌数量显著增加，从而诱发感染。等 分别以不同 水平的饲粮饲喂小鼠，结果发现低 饲粮（或无 饲粮）使鼠肠道益生菌数量增加，而致病菌的数量显著下降。腹泻是全球范围内儿童最为重要的肠道疾病，世界卫生组织（，）和美国国立卫生研究院（，）均已就 对肠道感染的影响开展相关研究，为儿童合理补 提供科学依据 。等 研究指出，预防性补 会导致儿童肠道病原菌（如沙门氏菌）数量增加，诱发肠道疾病。等 利用 和 基因缺陷型小鼠进行研究，发现 吸收代谢相关基因缺陷会导致小鼠肠道微生物区系发生显著变化，进一步证明了宿主 吸收代谢与肠道菌群之间的关系。饲粮 影响肠道微生物的机制尚不清楚。某些益生菌 如植物乳杆菌（）的生长繁殖并不严格依赖 ，在缺 或低 环境中仍能较好生长繁殖，而致病菌几乎都要依赖 才能大量繁殖 。多数益生菌与致病菌一样，需通过摄取环境中的 以满足自身需要。等 研究发现，与致病性大肠杆菌类似，益生菌 株也产生系列嗜铁素，获取宿主肠道中的 ，但其不具有致病菌的毒力因子，不会致病。摄取代谢系统与致病菌的毒力密切相关。沙门氏菌 与 结合后，能够激活 （）蛋白的表达，进而激活其毒力相关蛋白沙门菌毒力岛 （，）的表达，通过型分泌系统增加细菌毒力，侵染宿主细胞 。小结贫血与腹泻是影响仔猪健康的两大重要疾病，而且这 种疾病经常同时发生，对养猪生产的危害极大。为预防仔猪贫血，生产中常通过注射 或饲粮添加 的方式给仔猪补 ，然而，不合理地补 可能导致仔猪肠道菌群改变，弱化仔猪 竞争机制，从而导致病原菌感染发生。因此，本文针对 对仔猪肠道菌群组成的影响、宿主细胞与细菌的 竞争机制、益生菌与致病菌在 摄取过程中的异同点等问题进行研究，为仔猪生产中合理补 提供科学依据。参考文献：，（）：，（）：，期王进波等：动物肠黏膜上皮细胞与病原菌的铁竞争机制 ：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：?，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，动物营养学报 卷 ，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：（编辑陈燕）（，）：（），（）：；