中大新聞網訊（通訊員呂娟容）傳統(tǒng)認為，脊椎動物區(qū)別于無脊椎動物的標志性特征之一，是失去了腸道幾丁質圍食膜，這也使得脊椎動物失去了由幾丁質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)，腸道幾丁質膜的合成能力至少延續(xù)到硬骨魚類，直至哺乳動物才徹底失去。該發(fā)現(xiàn)引出一系列新問題：魚類為何保留了腸道幾丁質膜？該膜具有什么功能？保留該膜是否有助適應水生環(huán)境？魚類的腸道生理是否更接近于無脊椎動物而非哺乳動物？幾丁質膜的失去如何影響哺乳動物的腸道結構演化？哺乳動物為何失去幾丁質膜？幾丁質膜的存在是否影響魚類作為人類腸道疾病模型的適用性？
中山大學生命科學學院徐安龍教授和黃盛豐教授團隊長期專注于海洋與水生動物的黏膜功能及其免疫防御機制。最近，他們利用斑馬魚模型，第一次對魚類腸道幾丁質膜的在消化和免疫中的不同效用進行了解析，發(fā)現(xiàn)相比昆蟲等無脊椎動物，斑馬魚幾丁質膜的分區(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構。
研究人員發(fā)現(xiàn)，無論是否進食，斑馬魚前中后腸的上皮細胞均可持續(xù)分泌幾丁質，形成縱貫全腸的幾丁質膜管道，構建出持續(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膜的斑馬魚系，發(fā)現(xiàn)缺失幾丁質膜既不會造成外觀及其它發(fā)育缺陷，也不影響性腺成熟及繁殖周期。但是，突變魚普遍生長緩慢，存活率偏低，六月齡后陸續(xù)有個體出現(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膜染色圖，橘色為幾丁質膜；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體重比較，WT=野生型，MU=突變型；G：敲除前后幼魚腸道幾丁質膜以及消化過程對比，白色箭頭指向幾丁質膜，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、活體成像和多組學分析等技術對上述宏觀表型的底層機理進行深入分析，發(fā)現(xiàn)魚類幾丁質膜至少有如下作用（圖2）：1）為腸道建立徑向分隔，避免腸道內容物接觸及壓迫腸道上皮；2）促進食物的高效移動和消化吸收；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，維持其完整性和內穩(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=濾紙對照，ENV=環(huán)境水樣對照；G：斑馬魚腸道微生物主坐標分析圖）。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，在低月齡成魚中，幾丁質膜缺失所引起宏觀表型不能通過添加抗生素獲得逆轉，幾丁質膜缺失也不會直接引起適應免疫的異常激活。此外，沒有發(fā)現(xiàn)缺失幾丁質膜會明顯降低了腸道對急性細菌感染的抵抗力。
這一研究顯示，魚類腸道兼具無脊椎動物和哺乳動物腸道的特點，而失去幾丁質膜的魚類腸道在結構上更接近于哺乳動物小腸（圖3）。與無脊椎動物相比，魚類幾丁質膜的免疫功能有所下降，但消化功能依舊重要。前者可能與脊椎動物演化出高效的黏膜適應性免疫有關，后者可能有助魚類接受低品位食物和快速轉換食性，因而有助提升魚類的主動適應環(huán)境的能力。
圖3：斑馬魚缺失幾丁質膜后的表型變化示意圖和動物腸道徑向結構的演化模型（A：幾丁質膜缺失前后腸道以及外觀變化；B：腸道徑向結構在多個物種中的變化，PM=圍食膜，CM=幾丁質膜）。
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。中山大學為該論文的第一作者單位。
