中大新聞網(wǎng)訊（通訊員呂娟容）傳統(tǒng)認(rèn)為，脊椎動(dòng)物區(qū)別于無(wú)脊椎動(dòng)物的標(biāo)志性特征之一，是失去了腸道幾丁質(zhì)圍食膜，這也使得脊椎動(dòng)物失去了由幾丁質(zhì)膜建立的腸道徑向分區(qū)和免疫屏障。然而近年的研究發(fā)現(xiàn)，腸道幾丁質(zhì)膜的合成能力至少延續(xù)到硬骨魚類，直至哺乳動(dòng)物才徹底失去。該發(fā)現(xiàn)引出一系列新問(wèn)題：魚類為何保留了腸道幾丁質(zhì)膜？該膜具有什么功能？保留該膜是否有助適應(yīng)水生環(huán)境？魚類的腸道生理是否更接近于無(wú)脊椎動(dòng)物而非哺乳動(dòng)物？幾丁質(zhì)膜的失去如何影響哺乳動(dòng)物的腸道結(jié)構(gòu)演化？哺乳動(dòng)物為何失去幾丁質(zhì)膜？幾丁質(zhì)膜的存在是否影響魚類作為人類腸道疾病模型的適用性？
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院徐安龍教授和黃盛豐教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專注于海洋與水生動(dòng)物的黏膜功能及其免疫防御機(jī)制。最近，他們利用斑馬魚模型，第一次對(duì)魚類腸道幾丁質(zhì)膜的在消化和免疫中的不同效用進(jìn)行了解析，發(fā)現(xiàn)相比昆蟲(chóng)等無(wú)脊椎動(dòng)物，斑馬魚幾丁質(zhì)膜的分區(qū)消化功能依然重要，但屏障免疫作用下降，且不再是存活與繁殖的必需結(jié)構(gòu)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否進(jìn)食，斑馬魚前中后腸的上皮細(xì)胞均可持續(xù)分泌幾丁質(zhì)，形成縱貫全腸的幾丁質(zhì)膜管道，構(gòu)建出持續(xù)存在的免疫屏障和徑向分區(qū)（圖1）。
接著，研究人員建立了完全缺失幾丁質(zhì)膜的斑馬魚系，發(fā)現(xiàn)缺失幾丁質(zhì)膜既不會(huì)造成外觀及其它發(fā)育缺陷，也不影響性腺成熟及繁殖周期。但是，突變魚普遍生長(zhǎng)緩慢，存活率偏低，六月齡后陸續(xù)有個(gè)體出現(xiàn)身體消瘦和腸道萎縮的現(xiàn)象，并最終死亡（圖1）。
圖1：斑馬魚腸道幾丁質(zhì)形態(tài)以及敲除前后的表型變化（A：斑馬魚成魚腸道分段示意圖；B：斑馬魚幼魚腸道分段示意圖；C，D：斑馬魚幼魚腸道幾丁質(zhì)膜染色圖，橘色為幾丁質(zhì)膜；E：一到六月齡斑馬魚生存率比較；F：三和六月齡斑馬魚體長(zhǎng)體重比較，WT=野生型，MU=突變型；G：敲除前后幼魚腸道幾丁質(zhì)膜以及消化過(guò)程對(duì)比，白色箭頭指向幾丁質(zhì)膜，紅色方框框出陷入腸絨毛間的微珠）。
研究人員采用免疫組化、活體成像和多組學(xué)分析等技術(shù)對(duì)上述宏觀表型的底層機(jī)理進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)魚類幾丁質(zhì)膜至少有如下作用（圖2）：1）為腸道建立徑向分隔，避免腸道內(nèi)容物接觸及壓迫腸道上皮；2）促進(jìn)食物的高效移動(dòng)和消化吸收；3）為腸道菌群提供不同的徑向生態(tài)位，維持菌群的多樣性和穩(wěn)定性；4）抑制腸道上皮的更新速率和炎癥反應(yīng)，維持其完整性和內(nèi)穩(wěn)態(tài)。
圖2：斑馬魚腸道萎縮的圖以及腸道微生物變化（A：六月齡不同斑馬魚對(duì)比，WT=健康野生型，MU=健康突變型，SMU=生病突變型；B – E：成魚腸道切片阿爾新藍(lán)染色圖，C為B的局部放大，E為D的局部放大；F：斑馬魚腸道微生物物種柱狀圖，QFP=濾紙對(duì)照，ENV=環(huán)境水樣對(duì)照；G：斑馬魚腸道微生物主坐標(biāo)分析圖）。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，在低月齡成魚中，幾丁質(zhì)膜缺失所引起宏觀表型不能通過(guò)添加抗生素獲得逆轉(zhuǎn)，幾丁質(zhì)膜缺失也不會(huì)直接引起適應(yīng)免疫的異常激活。此外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺失幾丁質(zhì)膜會(huì)明顯降低了腸道對(duì)急性細(xì)菌感染的抵抗力。
這一研究顯示，魚類腸道兼具無(wú)脊椎動(dòng)物和哺乳動(dòng)物腸道的特點(diǎn)，而失去幾丁質(zhì)膜的魚類腸道在結(jié)構(gòu)上更接近于哺乳動(dòng)物小腸（圖3）。與無(wú)脊椎動(dòng)物相比，魚類幾丁質(zhì)膜的免疫功能有所下降，但消化功能依舊重要。前者可能與脊椎動(dòng)物演化出高效的黏膜適應(yīng)性免疫有關(guān)，后者可能有助魚類接受低品位食物和快速轉(zhuǎn)換食性，因而有助提升魚類的主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的能力。
圖3：斑馬魚缺失幾丁質(zhì)膜后的表型變化示意圖和動(dòng)物腸道徑向結(jié)構(gòu)的演化模型（A：幾丁質(zhì)膜缺失前后腸道以及外觀變化；B：腸道徑向結(jié)構(gòu)在多個(gè)物種中的變化，PM=圍食膜，CM=幾丁質(zhì)膜）。
2023年3月2日，該成果“Differential roles of the fish chitinous membrane in gut barrier immunity and digestive compartments”為題，發(fā)表在EMBO Reports上。中山大學(xué)為該論文的第一作者單位。
