阿克曼菌外膜蛋白Amuc_1100研究进展

付晶晶 韦芳 蓝秋灵 孙健

【关键词】阿克曼菌；Amuc_1100；生物活性；药物潜力

中图分类号：R37文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2024.05.013

近年来，人们在对肠道微生物进行研究的过程中，发现了一种与肠道黏液层息息相关的微生物，名为阿克曼菌（Akkermansiamuciniphila）。阿克曼菌是十多年前首次被分离出来的、定植于肠黏膜黏液层的一种细菌，它是疣微菌门、疣微菌纲、疣微菌目、疣微菌科被培养出来的第一株细菌［1］，占健康成人粪便中细菌总数的1%～3%［2］，具有分解黏蛋白的特征，可以以黏蛋白作为唯一的碳源和氮源进行生长。越来越多的研究发现阿克曼菌与肥胖、炎症性肠病（IBD）等疾病之间关系密切，多项动物及人体试验均证实体重和炎性反应标志物等水平与阿克曼菌的丰度呈负相关，且这种作用在细菌被巴氏杀菌后依然存在［3］。PatriceDCani团队在阐明阿克曼菌的作用机制过程中首次发现，阿克曼菌的菌毛样外膜蛋白Amuc_1100能够独立发挥部分减脂和维护肠道屏障功能的作用。现就阿克曼菌外膜蛋白Amuc_1100研究进展综述如下。

1Amuc_1100的发现和结构

来自鲁汶大学、瓦赫宁根大学、赫尔辛基大学的联合研究小组在研究阿克曼菌外膜蛋白时发现了一些由特定Ⅳ型菌毛基因簇编码的蛋白质，其中一个分子量为32kDa的高含量蛋白被命名为Amuc_1100，属于细菌外膜蛋白［4］。后续研究证实，Amuc_1100参与了阿克曼菌通过Toll样受体2（TLR2）信号通路对抗肥胖、胰岛素抵抗和肠道屏障改变的作用。该蛋白在70℃下具有稳定的结构，表明巴氏杀菌后的阿克曼菌可能仍能发挥减肥作用，这与Amuc_1100密切相关［5］。

Amuc_1100膜外结构域的晶体结构由一个四股反平行β-折叠和四个α-螺旋组成。两个C端螺旋和四条反平行β-折叠形成两个“αββ”基序，构成核心结构域。该核心结构域与Ⅳ型菌毛蛋白和Ⅱ型分泌系统蛋白具有相似的折叠。N端α1螺旋的消除会导致Amuc_1100发生二聚化，这表明Amuc_1100的寡聚状态是可变的，可能受到α1的影响［6］。在对其全长序列进行结构分析时，由于结晶困难，因此通过添加0.01mg·mL-1胰蛋白酶使Amuc_1100结晶，并在2.1A°分辨率下求解并细化了Amuc_1100可结晶部分的结构，发现其包含了6个螺旋和4个β-折叠［7］。

2Amuc_1100的信号传递方式

作为一种与菌毛形成相关基因簇上的外膜蛋白，Amuc_1100很可能参与了与宿主的某种交互。体外实验证明了Amuc_1100可以通过细胞表面的TLR2激活细胞内报告基因NF-κB的表达［5］，Amuc_1100蛋白对TLR2信号通路也有激活作用［4，8］。生物层干涉技术在体外直接测量到Amuc_1100的膜外结构域与hTLR2的结合［6］。这些结果表明Amuc_1100可能是TLR2的一种新的配体。因此，TLR2/MyD88/NF-κB很可能是Amuc_1100的一个重要代谢途径，值得进一步研究。此外，目前的学术研究普遍认为，Amuc_1100通过AC3/PKA/HSL途径加速脂肪分解，这条途径是通过Amuc_1100激活G蛋白偶联受体，催化ATP环化为cAMP来启动的。这些研究结果表明Amuc_1100向细胞内传递信号的方式并不唯一，可能在细胞膜上存在多样的受体。

3Amuc_1100的活性

3.1Amuc_1100与肥胖

Amuc_1100缓解肥胖的活性最早被研究。在寻找阿克曼菌减少脂肪堆积和肥胖发生的机制时，外膜蛋白Amuc_1100被筛选出来。Amuc_1100具有热稳定性，可在小鼠模型中预防饮食诱导的肥胖［5］。但研究并没有明确Amuc_1100在抑制肥胖中的具体机制。在最新的一项针对Amuc_1100减肥机制的研究中，研究人员发现在小鼠体内，Amuc_1100可以缓解肥胖，促进白色脂肪褐变；且Amuc_1100可抑制前脂肪细胞3T3-L1中脂肪生成和脂质积累的能力，改善3T3-L1细胞中的产热和脂解基因表达，促进白色脂肪细胞向棕色脂肪细胞的转化；Amuc_1100通过AC3/PKA/HSL途径加速脂肪分解，并在Ser660处磷酸化HSL，进而促进脂肪分解［9］。国内也有研究者通过高脂饮食联合链脲佐菌素注射模拟大鼠T2DM的发生，发现低剂量Amuc_1100蛋白干预可显著降低高脂饮食导致的胰岛素升高，证实Amuc_1100蛋白可以有效改善高脂饮食引起的代谢紊乱［10］。WADE等还发现Amuc_1100可以上调CREBH［11］，而通过在小鼠的肝脏中特异性表达CREBH（cAMP-responsiveelement-bindingproteinH），发现可以有效抑制代谢性炎症，并以此来影响胰岛素抵抗及因高脂饮食带来的肥胖［12］，因此这也可能是Amuc_1100抑制肥胖的机制之一。

3.2Amuc_1100与炎症性肠病

IBD是一种慢性非特异性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，是导致结直肠癌（CAC）的危险因素。IBD的致病机制尚不明确，可能涉及遗传因素、免疫、肠道菌群改变以及环境因素。肠道菌群在溃疡性结肠炎病程的发展中起了关键作用。实验证实，在CAC患者和结肠炎小鼠中，阿克曼菌的丰度显著降低［13］。Amuc_1100通过调节机体代谢、炎症因子和免疫反应等方式缓解IBD和CAC。GU等［14］的研究发现，活的阿克曼菌、巴氏灭菌的阿克曼菌和Amuc_1100均可上调芳香烃受体（AhR）的靶基因，包括CYP1A1、IL-10和IL-22，从而改善结肠炎。另一项研究显示［15］，口服灭菌后的阿克曼菌或Amuc_1100，可显著减轻以葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎小鼠模型的结肠缩短，结肠病理损伤，结肠组织中cleaved-caspase3、TNF-α、IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-18、IL-33等炎症因子的表达，并减少CAC模型小鼠肿瘤数目与面积、结肠癌变进程以及结肠组织中γ-H2AX、cleaved-caspase3、Ki67的表达。同时抑制两种模型鼠巨噬细胞和细胞毒T淋巴细胞（CTL）的结肠浸润。WADE等进一步的研究［11］发现阿克曼菌及其外膜蛋白Amuc_1100可通过上调CREBH及miR-143/145，保护肠道上皮屏障功能，并抑制肠道炎症应激，同时促进肠道上皮愈合。这些研究均表明，阿克曼菌和Amuc_1100在IBD和CAC中具有抗炎作用。这为IBD的治疗提供了新的思路，但它们的不同作用机制仍需进一步阐明，只有通过更广泛的研究才能更好地将它们运用于临床。

3.3Amuc-1100与牙周炎

牙周炎是由口腔微生物稳态破坏引起的慢性炎症性疾病，可引起牙槽骨丢失、牙周溢脓等严重影响口腔健康。研究表明，健康个体口腔中存在阿克曼菌，而严重牙周炎患者的微生物组却不含阿克曼菌［16］。可见，阿克曼菌与牙周炎发生可能相关。HUCK等的研究证实了阿克曼菌可通过减少炎症浸润和牙槽骨破坏改善牙周炎［17］，其效果可能由外膜蛋白Amuc_1100介导。MULHALL等发现，阿克曼菌或Amuc_1100可提高M2巨噬细胞数量，降低M1/M2比值，增加抗炎细胞因子IL-10在mRNA和蛋白水平的表达，从而减轻牙龈卟啉单胞菌诱导的牙槽骨丢失。此外，Amuc_1100还可增加T细胞化学引诱物CXCL10表达，促进Th1T细胞聚集到牙龈组织，增加细菌清除，从而缓解牙周的炎症［18］。因此，Amuc_1100可能成为牙周炎治疗的新方向，但其具体机制仍需进一步研究。

3.4Amuc-1100与五羟色胺、神经系统疾病

5-羟色胺（5-HT）是一种神经递质，它在调节情绪、睡眠、食欲和疼痛感觉等方面起着重要作用，大部分来自肠黏膜层上的嗜铬细胞。研究表明，作为肠道益生菌，阿克曼菌丰度与5-羟色胺的水平密切相关［19］。进一步的研究发现，WANG等指出Amuc_1100通过直接作用于TLR2，促进5-HT合成限速酶（Tph1）的表达，并减少5-羟色胺再摄取转运蛋白（SERT）的表达，从而提高5-HT的生物合成和细胞外利用率［8］。该研究推测，阿克曼菌可能通过其外膜蛋白Amuc_1100作用于TLR2来调节体内5-HT浓度，进而改善实验动物胃肠道疾病和代谢紊乱。另外，CHENG等也发现Amuc_1100能够通过TLR2调节肠道5-HT水平，改善慢性应激小鼠的肠道菌群，从而减轻小鼠抑郁样行为［20］。最新的研究显示，阿克曼菌和Amuc_1100可以上调抗生素诱导小鼠海马中5-HT的水平，可能通过影响BDNF/TrkB信号通路来恢复海马和皮质中的BDNF和TrkB水平、降低星形胶质细胞的密度并促进神经元激活，从而改善小鼠的焦虑和抑郁样行为［21］。此外，阿克曼菌和Amuc_1100也可能参与HPA轴和海马糖皮质激素受体通路，降低cort水平，起到减轻抑郁症状的作用［21］。Amuc_1100Δ80是缺乏前80个N-末端氨基酸的Amuc_1100的截短形式，并且与野生型蛋白相比具有更高的TLR2亲和力。CHENG等进一步研究发现Amuc_1100Δ80在改善小鼠慢性应激诱导的抑郁样行为方面具有比Amuc_1100更好的抗抑郁效应。Amuc_1100Δ80可能通过与TLR2相互作用和改变肠道微生物组成来影响5-HT水平和下游的5-HTR1A-CREB-BDNF信号通路。同时，Amuc_1100Δ80对炎症和高度激活的HPA轴的下调作用与CUMS小鼠抑郁样症状的改善密切相关［22］。总之，Amuc_1100对精神疾病可能具有潜在的治疗作用，对Amuc_1100抗抑郁活性的研究可能为抑郁症新药开发指明新方向。

4Amuc_1100作为药物的潜力分析

到目前为止，已经发现Amuc_1100具有众多活性，例如代谢调节、肠道屏障保护、抑制肠道炎症、抗抑郁等，可以利用这些功能将Amuc_1100开发为具有治疗或保健功能的药物。然而，由于Amuc_1100本质上是一种肠道微生物表达的膜蛋白，想要将其开发为药物存在以下问题：一是需大量表达具有天然构象的Amuc_1100蛋白质；二是Amuc_1100药物如何保存，如何抵抗胃酸的低pH，以天然构象形式进入肠道；三是Amuc_1100是否像其他蛋白类或多肽类药物一样，需要克服肠道屏障以进入体内。

首先，Amuc_1100来源于革兰氏阴性厌氧细菌，因此通过原核表达可使其具有天然构象。目前，大量用于科研的高纯度Amuc_1100是通过原核表达系统进行体外表达［23］。因此，利用发酵罐即可实现大量表达天然构象的Amuc_1100蛋白质。其次，Amuc_1100表现出非常好的热稳定性，已在许多研究中得到证实。这为Amuc_1100保健食品的开发提供了便利条件，产品不需要低温保存，可以常温加工、运输及保存，并且仍具有生物活性。为了确保含Amuc_1100保健产品中的蛋白质不受胃部低pH和蛋白酶的影响，可采用肠溶胶囊、肠溶片或水凝胶等形式进行递送，使产品在进入肠道后释放，从而显著提高产品在胃肠道中的稳定性和口服生物利用度。最后，与其他口服功能性蛋白或多肽相比，Amuc_1100主要发挥作用于肠道，因此无需考虑如何跨越肠道屏障［24］。

5总结

自发现以来，对阿克曼菌的外膜蛋白Amuc_1100进行了大量研究，重点关注其可能的代谢调节通路和活性。目前的研究表明，TLR2是Amuc_1100的识别靶点，与其众多生物活性密切相关。最新研究还发现，Amuc_1100可以与G蛋白偶联受体相互识别。已确认Amuc_1100具有多种生物活性，包括调节代谢、调节肠道屏障、抑制炎症性肠炎和口腔炎症、调节5-羟色胺以及抗抑郁作用。未来研究应深入探讨这些生物活性产生的具体机制，并加大药物开发投入。

参考文献

［1］DERRIENM，VAUGHANEE，PLUGGECM，etal.Akkermansiamuciniphilagen.nov.，sp.nov.，ahumanintestinalmucin-degradingbacterium［J］.IntJSystEvolMicrobiol，2004，54（5）：1469-1476.

［2］FALONYG，JOOSSENSM，VIEIRA-SILVAS，etal.Population-levelanalysisofgutmicrobiomevariation［J］.Science，2016，352（6285）：560-564.

［3］CANIPD，DEVOSWM.Next-generationbeneficialmicrobes：thecaseofAkkermansiamuciniphila［J］.FrontMicrobiol，2017，8：1765.

［4］OTTMANN，REUNANENJ，MEIJERINKM，etal.Pili-likeproteinsofAkkermansiamuciniphilamodulatehostimmuneresponsesandgutbarrierfunction［J］.PLoSOne，2017，12（3）：e0173004.

［5］PLOVIERH，EVERARDA，DRUARTC，etal.ApurifiedmembraneproteinfromAkkermansiamuciniphilaorthepasteurizedbacteriumimprovesmetabolisminobeseanddiabeticmice［J］.NatMed，2017，23（1）：107-113.

［6］WANGJC，XIANGR，WANGRJ，etal.ThevariableoligomericstateofAmuc_1100fromAkkermansiamuciniphila［J］.JStructBiol，2020，212（1）：107593.

［7］MOULQ，PENGX，CHENY，etal.CrystalstructureofmonomericAmuc_1100fromAkkermansiamuciniphila［J］.ActaCrystallogrFStructBiolCommun，2020，76（Pt4）：168-174.

［8］WANGJC，XUWJ，WANGRJ，etal.TheoutermembraneproteinAmuc_1100ofAkkermansiamuciniphilapromotesintestinal5-HTbiosynthesisandextracellularavailabilitythroughTLR2signalling［J］.FoodFunct，2021，12（8）：3597-3610.

［9］ZHENGXF，HUANGWT，LIQB，etal.MembraneproteinAmuc_1100derivedfromAkkermansiamuciniphilafacilitateslipolysisandbrowningviaactivatingtheAC3/PKA/HSLpathway［J］.MicrobiolSpectr，2023，11（2）：e0432322.

［10］邓思思，陈静，刘雪，等.嗜黏蛋白阿克曼菌及Amuc＿1100对高脂饮食联合链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的保护作用［J］.四川大学学报（医学版），2022，53（1）：83-91.

［11］WADEH，PANKC，DUANQH，etal.AkkermansiamuciniphilaanditsmembraneproteinamelioratesintestinalinflammatorystressandpromotesepithelialwoundhealingviaCREBHandmiR-143/145［J］.JBiomedSci，2023，30（1）：38.

［12］SATOHA，HANSI，ARAKIM，etal.CREBHimprovesdiet-inducedobesity，insulinresistance，andmetabolicdisturbancesbyFGF21-dependentandFGF21-independentmechanisms［J］.iScience，2020，23（3）：100930.

［13］BIANXY，WUWR，YANGLY，etal.AdministrationofAkkermansiamuciniphilaamelioratesdextransulfatesodium-inducedulcerativecolitisinmice［J］.FrontMicrobiol，2019，10：2259.

［14］GUZY，PEIWL，SHENYH，etal.AkkermansiamuciniphilaanditsouterproteinAmuc_1100regulatestryptophanmetabolismincolitis［J］.FoodFunct，2021，12（20）：10184-10195.

［15］WANGLJ，TANGL，FENGYM，etal.ApurifiedmembraneproteinfromAkkermansiamuciniphilaorthepasteurisedbacteriumbluntscolitisassociatedtumourigenesisbymodulationofCD8+Tcellsinmice［J］.Gut，2020，69（11）：1988-1997.

［16］CORETTIL，CUOMOM，FLORIOE，etal.Subgingivaldysbiosisinsmokerandnon-smokerpatientswithchronicperiodontitis［J］.MolMedRep，2017，15（4）：2007-2014.

［17］HUCKO，MULHALLH，RUBING，etal.AkkermansiamuciniphilareducesPorphyromonasgingivalis-inducedinflammationandperiodontalbonedestruction［J］.JClinPeriodontol，2020，47（2）：202-212.

［18］MULHALLH，DICHIARAJM，DERAGONM，etal.Akkermansiamuciniphilaanditspili-likeproteinAmuc_1100modulatemacrophagepolarizationinexperimentalperiodontitis［J］.InfectImmun，2020，89（1）：e00500-e00520.

［19］DINGY，BUF，CHENT，etal.Anext-generationprobiotic：Akkermansiamuciniphilaameliorateschronicstress-induceddepressive-likebehaviorinmicebyregulatinggutmicrobiotaandmetabolites［J］.ApplMicrobiolBiotechnol，2021，105（21/22）：8411-8426.

［20］CHENGRR，XUWJ，WANGJC，etal.TheoutermembraneproteinAmuc_1100ofAkkermansiamuciniphilaalleviatesthedepression-likebehaviorofdepressedmiceinducedbychronicstress［J］.BiochemBiophysResCommun，2021，566：170-176.

［21］SUNY，ZHUHY，CHENGRR，etal.OutermembraneproteinAmuc_1100ofAkkermansiamuciniphilaalleviatesantibiotic-inducedanxietyanddepression-likebehaviorinmice［J］.PhysiolBehav，2023，258：114023.

［22］CHENGRR，ZHUHY，SUNY，etal.ThemodifiedoutermembraneproteinAmuc_1100ofAkkermansiamuciniphilaimproveschronicstress-inducedanxietyanddepression-likebehaviorinmice［J］.FoodFunct，2022，13（20）：10748-10758.

［23］梁晓华.一种肠道益生菌外膜蛋白的表达、纯化及活性研究［D］.苏州：苏州大学，2019.

［24］TWAROGC，FATTAHS，HEADEJ，etal.Intestinalpermeationenhancersfororaldeliveryofmacromolecules：acomparisonbetweensalcaprozatesodium（SNAC）andsodiumcaprate（C（10））［J］.Pharmaceutics，2019，11（2）：78.