引言
人类胃肠道栖息着一个庞大的微生物群落，即肠道微生物组，其中包括细菌、古菌、病毒和真菌，它们共生共存，在宿主稳态和代谢中扮演着关键角色。其中，共生菌是最丰富的类群，它们与宿主建立互利关系，有助于维持肠道稳态和整体健康。这些共生菌对于营养代谢、免疫调节和抵御病原体等关键生理过程至关重要。结肠拥有体内最高密度的细菌，约占人体总微生物群的约70%。主要的细菌门包括厚壁菌门（原壁菌门）和拟杆菌门，其次是放线菌门、变形菌门、梭杆菌门和疣微菌门。关键的属，如阿克曼菌属（Akkermansia）、粪杆菌属（Faecalibacterium）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、拟杆菌属（Bacteroides）和罗氏菌属（Roseburia），由于它们在健康和疾病预防中的关键作用，显示出作为下一代益生菌（NGP）的潜力。菌群失调，即微生物失衡，是一种肠道微生物组成被破坏的状况，导致宿主-微生物组相互作用异常。这种破坏会损害黏膜屏障，导致系统性微生物传播，并增加对感染和免疫失调的易感性。这些破坏与炎症性肠病（IBD）、糖尿病和癌症等疾病相关。
宿主-微生物组通讯涉及多种微生物分子，包括短链脂肪酸等代谢物、分泌蛋白、肽和细菌细胞组分。细菌细胞包膜组分是本综述的重点，因为它们位于细菌与宿主界面的战略位置。这些分子是接触的第一点，在恢复力和生长、免疫识别、黏附、肠道黏膜定植和细胞信号传导中发挥基本作用。它们作为局部宿主-微生物组识别和免疫调节的关键介质，通过与上皮细胞和免疫细胞上的模式识别受体（PRR）相互作用来实现。
细菌细胞包膜
细菌细胞包膜是一个复杂的多层结构，提供保护，调节营养物质的扩散，并介导细菌与环境的相互作用。传统上，根据包膜特征将细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌：革兰氏阳性菌具有厚的肽聚糖层，而革兰氏阴性菌则具有薄的肽聚糖层和外膜（OM）。尽管这种二分法被广泛使用，但最近的研究揭示了偏离这些类别的多样化细胞包膜组织，包括额外的层，如胞质内膜和S层，其蛋白质、脂质和其他组分的组成可变，尚待进一步探索。
细菌细胞包膜的结构多样性反映了它们对不同生态位和环境压力（包括温度、渗透压和生化条件的波动）的适应性。除了这些结构功能外，细胞包膜作为细菌与宿主及其他微生物相互作用的主要界面，在黏附、免疫识别和定植中起着核心作用。这些角色是通过广泛的分子完成的，其组成和结构在共生物种甚至菌株之间显著不同，反映了它们对不同生态位和宿主环境的适应。
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细胞包膜组织与组分
细菌细胞包膜由多层组成，包括内膜（IM）、肽聚糖（PG）层，以及在革兰氏阴性菌中的外膜（OM）。这些组分中的每一个都具有独特的结构和功能角色，有助于细菌的生存和宿主相互作用。
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内膜：内膜，也称为细胞质膜，是一个磷脂双分子层，嵌入跨膜蛋白和脂蛋白。它促进包膜生物发生、代谢、蛋白质分泌和营养运输，是细胞包膜组装的基础。
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外膜：外膜是革兰氏阴性菌独有的，是一个不对称的脂质双分子层，其外叶是脂多糖（LPS），内叶是磷脂。这种结构形成了一个强大的渗透屏障，整合了LPS、脂蛋白和孔蛋白，以调节营养扩散和环境感知。
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肽聚糖：肽聚糖层是一个由肽交联的糖链组成的网状结构，为细菌细胞提供形状和刚性。在革兰氏阴性菌中，它很薄，位于周质空间内，而在革兰氏阳性菌中，它要厚得多（厚10-30倍）并交联以提供额外的稳定性。该层对细菌生长、分裂和在环境压力下的生存至关重要。
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磷壁酸（TAs）：磷壁酸是革兰氏阳性菌独有的阴离子聚合物，它们要么共价连接到肽聚糖上（壁磷壁酸，WTAs），要么锚定在膜上（脂磷壁酸，LTAs）。这些分子有助于结构完整性、离子运输以及与宿主组织的相互作用，使其成为黏附和免疫调节的关键组分。
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表面多糖（PSA）：多糖层，包括荚膜多糖（CPS）和胞外多糖（EPS），形成细菌细胞的最外层界面。这些碳水化合物结构对黏附、生物膜形成和免疫逃避至关重要。它们的结构多样性使细菌能够适应不同的环境并介导宿主相互作用。
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菌毛和纤毛：菌毛和纤毛是蛋白质附属物，促进细菌对宿主细胞的黏附，并介导与其他细菌的聚集。这些结构有助于细菌定植和生物膜形成，在宿主相关环境中共生菌的持久性和恢复力方面发挥关键作用。
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S层：S层是蛋白质二维阵列，包裹某些革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞表面。这些层提供结构支持，介导黏附，并保护免受环境压力。虽然并非所有细菌都存在S层，但在某些共生菌中很重要，它们促进宿主定植和免疫相互作用。
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用于包膜分子识别的宿主受体
肠道腔内存活着数万亿细菌细胞，它们不断与宿主肠道黏膜相互作用，触发先天性和适应性免疫反应，这些反应可能因微生物群落而异。为了维持免疫平衡，宿主必须准确检测并响应微生物信号，这些信号由模式识别受体（PRR）识别，如Toll样受体（TLR）、NOD样受体（NLR）和C型凝集素受体（CLR）。这些受体检测保守的微生物分子模式，称为微生物相关分子模式（MAMP），包括PG、蛋白质、LTA和LPS。
PRR激活调节免疫和肠道屏障完整性，共同塑造促进对共生菌耐受的反应，同时保持准备对抗病原体的状态。尽管这些受体识别保守基序，但微生物组分和宿主因素的细微结构变异决定了结果是促炎还是抗炎反应。PRR信号传导的中断会破坏这种平衡，导致不受控制的免疫激活。PRR活性失调，通常受肠道微生物群组成改变的影响，与慢性炎症状况如IBD有关。
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Toll样受体（TLR）：TLR是跨膜免疫传感器，通过识别特定的细胞包膜组分和调节宿主反应来区分共生菌和病原体。TLR定位于细胞表面或细胞内区室，在肠上皮细胞（IEC）和先天免疫细胞内。它们包含具有负责配体结合的胞外富含亮氨酸重复序列（LRR）结构域和介导下游信号传导的胞内Toll/白细胞介素-1受体（TIR）结构域的跨膜蛋白。TLR可识别各种MAMP，包括脂蛋白、肽聚糖、LTA或糖蛋白。激活后，TLR通过各种适配分子（包括髓样分化初级反应蛋白88（MyD88））将信号传递到细胞内部。下游细胞内信号通路的激活触发免疫反应，产生炎症标志物，如细胞因子、抗菌肽（AMP）和紧密连接蛋白。
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NOD样受体（NLR）：NLR位于各种细胞类型的细胞质中，包括IEC和免疫细胞，如巨噬细胞、淋巴细胞和树突状细胞。NLR拥有一个N端相互作用结构域（可能是CARD或PYRIN结构域），其后是一个中央NOD结构域和一个C端LRR结构域。NOD有助于激活关键的免疫通路，如NF-κB和MAPK。这些受体与TLR信号传导合作，其中树突状细胞中的NOD1信号传导促进其成熟为耐受状态，产生如白细胞介素-10（IL-10）的细胞因子。IL-10促进调节性T细胞（Treg）的分化，这对防止对共生菌的过度免疫反应至关重要。
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C型凝集素受体（CLR）：CLR形成一个多样化的超家族跨膜或可溶性PRR，主要由髓系细胞表达，如树突状细胞和巨噬细胞。该家族包括如DC-SIGN、Dectin-1、Dectin-2、Dectin-3和巨噬细胞诱导性C型凝集素（Mincle）等受体。CLR包含一个或多个C型凝集素样结构域（CTLD），识别碳水化合物结构，包括β-葡聚糖、富含甘露糖的聚糖和岩藻糖，这些存在于病原体表面，以及来自自身抗原的损伤相关分子模式（DAMP）。
细菌细胞包膜分子及其宿主效应
细菌表面分子在宿主-微生物通讯中起着至关重要的作用，因为它们构成了宿主与微生物之间的初始接触点。在这种情况下，与病原体和充分表征的益生菌物种不同，共生菌细胞包膜结构的功能特性在科学文献中相对未被充分探索。
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肽聚糖（PG）在宿主相互作用中的作用
PG是细菌细胞壁中最丰富的组分之一。它有助于肠道稳态和免疫过程，包括肠-脑轴信号传导和应激反应。微生物群来源的PG被发现与先天免疫反应调节系统相关。PG及其组成小分子：胞壁酰二肽（MDP）、N-乙酰葡糖胺（NAG）和γ-D-谷氨酰-内消旋-二氨基庚二酸（iE-DAP）通过几种先天免疫受体诱导信号。PG可以在细菌表面被识别，或者其片段分子可以通过宿主肠道屏障传播，通过其识别导致从生理到致病效应的可变范围的反应。
TLR2在识别PG中的作用仍然是一个争论的话题。虽然一些研究表明PG是TLR2的配体，但其他研究表明与PG共纯化的脂蛋白或LTA才是实际的TLR2配体。支持这一点的是，PG的进一步纯化已被证明会减少TLR2激活，表明单独的PG可能不足以触发TLR2信号传导。然而，有报道称来自青霉素处理细菌的可溶性PG激活TLR2并诱导巨噬细胞产生TNF。此外，已发现胞壁酰三肽和胞壁酰四肽在体外与TLR2结合，并且来自各种革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的高度纯化的PG可以激活人单核细胞MonoMac6细胞。
与TLR2相比，NOD1和NOD2在感知PG中的作用是明确的。这些细胞质受体识别特定的PG片段以触发免疫反应。MDP已被充分记录为PG的最小免疫原性组分。NOD2配体是MDP，共价连接到L-丙氨酰-L-谷氨酸，这是PG肽交联剂的前两个残基。有趣的是，N-乙酰葡糖胺激酶（NAGK）在其C6位置的羟基上磷酸化胞壁酰肽，产生6-O-磷酸-MDP，是NOD2激活所必需的。这种NOD2配体存在于革兰氏阴性和革兰氏阳性菌的PG中。相比之下，NOD1的配体iE-DAP仅存在于革兰氏阴性菌中。相应配体与LRR结构域的结合导致自寡聚化并募集丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2（RIPK2）。这种相互作用激活两个不同的信号级联：一个通过其抑制剂IκBα的磷酸化（由抑制性κB激酶（IKK）介导）导致NF-κB激活，另一个激活促分裂原活化蛋白激酶7（MAP3K7，原名TAK1）。这两种通路都导致炎症细胞因子和趋化因子的产生，放大免疫反应。
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表面多糖（PSA）在宿主相互作用中的作用
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EPS和CPS：肠道共生菌，包括乳酸菌和双歧杆菌菌株，以及如活泼瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）和普拉梭菌（F. prausnitzii）HTF-F菌株等物种，是PSA的显著生产者，尤其是EPS。这些生物聚合物在细菌定植、肠道健康、免疫调节和与宿主细胞的相互作用中发挥关键作用，在益生作用中具有重要性。
其中，脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）产生两性离子多糖（ZPS），以其免疫调节特性而闻名。ZPS带有正电荷和负电荷，使它们能够以独特的方式与宿主免疫系统相互作用，促进免疫平衡并减少炎症。在一项体内研究中，树突状细胞（DC）将表面多糖呈递给CD4+T细胞，导致Foxp3+Treg激活、IL-10分泌和CD39表达，同时抑制促炎性Th17和Th2反应并诱导TH1细胞因子如IFN-γ。类似地，来自脆弱拟杆菌ZY-312菌株的ZPS TP2在二硝基苯磺酸（DNBS）诱导的结肠炎模型中显示出保护作用，并支持有益肠道共生菌的定植，包括粪杆菌属和瘤胃球菌科。
在IBD模型中，脆弱拟杆菌PSA显示出保护作用，需要产生IL-10的CD4+T细胞来抑制肠道免疫细胞中促炎性IL-17和TNF的产生，从而防止结肠组织中的白细胞浸润。研究进一步表明，PSA通过TLR2依赖性机制诱导细胞因子产生，强调了产生PSA的共生菌在免疫调节中的重要作用。
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LPS：尽管LPS因其促炎特性而被广泛研究，但它也参与肠道微生物群内的拮抗相互作用，影响免疫调节。共生菌，特别是拟杆菌门的物种，贡献了健康成人中近80%的LPS。这表明在正常条件下，LPS和黏膜免疫机制之间存在微妙的平衡，允许对含LPS的共生菌耐受而不过度炎症。
共生LPS免疫调节的一个关键因素是脂质A修饰。与肠杆菌LPS生产者不同，拟杆菌属物种表现出脂质A的二葡糖胺核心的低酰化和低磷酸化，减少了TLR4激活和LPS毒性。这种结构适应由酶LpxF驱动，从脂质A中去除一个磷酸基团，减少负表面电荷，从而限制AMP结合并抑制免疫刺激。
这种独特的脂质A修饰已在几种拟杆菌属物种中被描述，影响它们与免疫系统的相互作用。例如，脆弱拟杆菌LPS通过CD14/MD2依赖性TLR4通路发出信号，但不激活TLR2。相反，这种结构差异平衡了免疫反应，促进肠道稳态而非过度炎症。在另一项研究中，脆弱拟杆菌HCK-B3和卵形拟杆菌（Bacteroides ovatus）ELH-B2的免疫调节作用得到证明，它们通过减少TNF-α和增加IL-10产生来抵消LPS诱导的炎症，保护肠道屏障完整性并恢复Treg/Th-17平衡，从而防止过度免疫激活。
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脂磷壁酸（LTA）在宿主相互作用中的作用
在宿主-微生物串扰中研究最早的MAMP之一是LTA，它是革兰氏阳性菌细胞壁的主要结构组分。LTA以其诱导炎症反应的作用而闻名，它与TLR2结合并与TLR6、CD14和CD36形成异源二聚体，这些作为共受体。
尽管具有免疫刺激性质，但来自共生菌的LTA在免疫耐受中扮演重要角色。共生菌LTA激活TLR2诱导皮肤肥大细胞的抗菌活性，促进上皮屏障的宿主防御机制。考虑到肠道内容物中含有大量带有LTA的革兰氏阳性菌，人IEC已适应为对LTA无反应的细胞，这允许对这些MAMP的耐受，从而避免过度的炎症反应。这种耐受机制包括TLR2共受体的下调和Tollip的上调，后者抑制TLR2信号传导。然而，巨噬细胞仍然对LTA高度响应，其中TLR2激活在免疫调节中起关键作用。
LTA对炎症的影响在共生菌物种间有所不同，不同的乳酸菌菌株显示出对比性的免疫调节特性。
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表面蛋白在宿主相互作用中的作用
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糖酵解酶和兼职蛋白：糖酵解酶是能量代谢的核心，催化葡萄糖转化为丙酮酸，产生ATP，这是生物体中的基本过程。除了它们众所周知的代谢作用外，这些酶已被发现执行多种功能，包括转录调控、凋亡控制和细胞运动性。在肠道共生菌中，它们还参与对宿主黏膜的黏附，揭示了它们多功能性的一个有趣方面。
肠道共生菌中的糖酵解酶，特别是烯醇化酶（ENO）和甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH），参与非代谢过程，如黏附和与宿主的相互作用。这些“兼职”蛋白——最初以其细胞内功能而闻名——已在各种肠道相关细菌的细胞表面被识别，驱动代谢过程并促进肠道黏膜的定植。除了糖酵解酶，其他兼职蛋白，如延伸因子（EF-Tu和EF-G）、水解酶、伴侣蛋白、合成酶和变位酶，已被认为与宿主-微生物相互作用有关。
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菌毛：细菌细胞表面的蛋白质附属物，包括鞭毛、纤毛和菌毛，在细菌群落中广泛存在。菌毛是宿主-微生物群通讯的关键分子，因为它们的黏附和免疫调节特性。它们与巨噬细胞相互作用，被TLR2受体识别，也调节促炎和抗炎细胞因子的产生。在各种类型的菌毛中，IV型菌毛（T4P）是最丰富的之一。肠道微生物群物种的基因组分析显示，大约30-45%的测试细菌物种拥有生产T4P所需的基因。
在人类肠道细胞测定中，菌毛的存在促进了细菌附着，并与IL-8 mRNA表达减少相关，表明间接的抗炎作用。在共生菌鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）GG（LGG）中，菌毛促进对肠道细胞的附着以及与黏液层的相互作用。值得注意的是，缺乏SpaCBA菌毛系统遗传区域的菌株显示出降低的黏附能力。
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胶原结合蛋白（CBP）和S层蛋白：细菌对宿主组织的稳定附着是肠道定植和免疫调节的关键步骤。肠道共生菌使用如CBP和SLP等表面蛋白作为黏附介质，这些蛋白在它们与宿主肠道黏膜的相互作用中发挥重要作用。细胞外基质（ECM）富含如胶原蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白和黏蛋白等组分，为细菌黏附提供表面。胶原蛋白，特别是V型，在肠道黏膜中丰富，并促进细菌黏附。CBP介导与ECM组分的直接相互作用，并且与SLP一起，它们具有双重目的：它们有利于对宿主组织的黏附，并保护免受病原体侵害，从而有助于维持肠道稳态。
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黏液结合蛋白：肠道黏液层是覆盖上皮细胞的保护性基质，保护免受病原体侵害，同时支持肠道共生菌附着并在微生物群内繁衍。细菌对黏液的附着涉及非特异性相互作用和细菌表面的黏液结合蛋白（MUB）。尽管尚未完全理解，但这些蛋白质结合黏膜碳水化合物代表了细菌黏附的关键机制。
在几种乳酸菌物种中，MUB促进对黏膜基质的附着。来自嗜酸乳杆菌（L. acidophilus）NCFM的MUB蛋白附着于肠道细胞和黏蛋白。在共生菌罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）中，黏液黏附素，包括MUB和CmbA，对人单核细胞来源的树突状细胞施加免疫调节作用，因此调节抗炎和促炎细胞因子IL-10、TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-12的产生。
结论
本综述重点关注肠道共生菌细胞包膜组分的结构和功能多样性，强调了多种效应分子，突出了它们作为宿主-微生物群相互作用和维持肠道稳态介质的核心作用。这些分子作为共生菌与宿主之间的主要界面，关键地塑造了免疫和生理过程。
然而，尽管微生物群研究取得了显著进展，但对驱动宿主-微生物通讯的具体分子机制和效应分子的理解仍然有限，特别是在研究较少的共生类群中。将未来的研究重点放在如罗氏菌属和瘤胃球菌属等未充分探索的属上，可能会揭示与肠道健康和疾病预防相关的新因素和通路。此外，越来越清楚的是，共生和致病行为之间的区别高度依赖于环境。即使MAMP的细微变异也能差异性地调节宿主反应，这是未来精准微生物组研究需要解决的复杂性。
整合新兴方法，如基于CRISPR的功能基因组学、空间宏转录组学、冷冻电子显微镜和靶向诱变，将是揭示这些包膜组分（包括通常被此类表面分子覆盖的EV）的功能和结构多样性的关键。结合体内和体外模型，这些进展为合理设计具有优化免疫调节特性的NGP和未来的临床应用奠定了基础。然而，将这些发现转化为有效的疗法面临重要障碍：确保生物治疗菌株的稳定性和活力，克服生产和分销方面的挑战，通过监管批准，以及在不同的患者群体中实现一致的疗效。解决这些问题对于实现基于微生物组的干预措施在精准医学中的全部潜力至关重要。
