我们最熟悉的是从鼻子滴下的黏稠液体，以及患病气道咳出的黏稠变色的黏液。但它的作用远不止于此。黏液覆盖在肠道、眼睛、口腔、鼻腔和耳朵的表面，发挥着一系列重要的生理作用——保湿、清洁、支持有益微生物和抵御外来入侵者。
“我喜欢称之为身体的无名英雄——它对我们的健康有如此强大的影响，”麻省理工学院的生物物理学家凯瑟琳娜·里贝克（Katharina Ribbeck）说，她与同事在2018年《细胞与发育生物学年度评论》中概述了黏液的多种作用。这些功能大多来自该物质中5%的非水成分：各种盐、脂质和蛋白质，其中最值得注意的是黏蛋白，它赋予黏液凝胶状特性——被共价结合的糖链（称为聚糖）覆盖的长而线状的多肽。
科学家们已经发现了黏蛋白发挥作用以保持身体表面清洁和受保护的许多方式，并且正在继续解析这些分子与微生物之间的复杂相互作用。以下是他们迄今为止学到的一些知识，以及研究的未来方向。
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多种黏蛋白
身体各处的黏膜覆盖层差异很大，这与所需的功能相一致。例如，眼睛覆盖着一层薄薄的、粘度不高的黏液，足以保持眼睛湿润。相比之下，结肠内部有一层厚厚的、黏糊糊的覆盖层，可阻止细菌渗透。
这些物理特性的关键在于黏蛋白本身。它们由排列在身体腔和表面的组织中的特殊细胞产生，是我们制造的一些最大的分子，主要有两种类型：分泌型黏蛋白，它们被分泌出来形成大的、网状结构；和系留型黏蛋白，它们仍然附着在细胞上。
黏蛋白的制造会随着地点和情况而变化。“有很多细胞特异性，”北卡罗来纳大学医学院的生物物理学家布莱恩·巴顿（Brian Button）说。例如，保持呼吸道清洁的凝胶状黏液由分泌型黏蛋白MUC5B和MUC5AC组成。通常，MUC5B占主导地位——2017年在《新英格兰医学杂志》上发表的一项分析发现，例如，它的含量比MUC5AC高出约10倍。但在感染和某些其他医疗状况期间，MUC5AC的水平会急剧上升，从而产生一种更顽固、更粘稠的黏液，更难从气道中清除。
更多的MUC5AC可能是有益的，因为更粘稠的黏液可以防止细菌粘附到身体细胞并造成伤害，巴顿说。但在哮喘、囊性纤维化和慢性阻塞性肺病等疾病中，MUC5AC的过度产生会导致气道中黏液的有害堆积。
在身体的其他部位，例如胃部，高水平的MUC5AC是标准配置，有助于保护内壁免受酸性消化液的侵害。在肠道中，另一种黏蛋白——MUC2——是主要参与者。在结肠中，MUC2形成两层黏液——一层松散的外层，容纳细菌；一层紧密堆积的内层，可防止这些微生物渗透到下面的组织细胞中。与气道不同，“在肠道中，你真的不会遇到太多的问题，”瑞典哥德堡大学的黏蛋白生物学家古纳尔·汉松（Gunnar Hansson）说。“你宁愿太多，也不愿太少。”
资料来源：《知晓》杂志
以黏液为食
如今，人们越来越认识到生活在我们肠道中的数万亿微生物——肠道微生物群——在健康和疾病中起着至关重要的作用。它们住在哪里？在滋养黏液层中。事实上，很明显，许多这些共生细菌将黏蛋白分子上的聚糖用作主要的能量来源。为此，它们的基因组携带可以切割这些碳水化合物并消化它们的酶的密码。
细菌还会释放代谢物，例如短链脂肪酸丁酸盐，肠道细胞利用丁酸盐来促进更多黏蛋白的产生。“它们正在利用能量来喂养自己，但它们也正在产生能量，然后将其输送给我们……并使我们有可能制造大量的黏蛋白，”汉松说。“它们从中受益，我们也从中受益。”
与我们肠道中的天然居民不同，细菌病原体往往缺乏利用黏蛋白上的聚糖所需的机制，并且已经开发出其他方法来扩大它们的种群。
管理微生物行为
黏蛋白不仅仅充当物理屏障和微生物食物。科学家们发现，装饰这些分子表面的聚糖可以影响病原微生物的行为和生理机能，并降低它们传播和造成伤害的能力。
例如，在2012年发表于《当代生物学》的一项研究中，里贝克和她的同事在试管实验中发现，黏蛋白可以阻止细菌铜绿假单胞菌（许多危险的医院获得性感染的病因）形成生物膜——难以根除的紧密结合的微生物群落。里贝克的实验室后来表明，黏蛋白可以阻止其他病原体的生物膜形成，包括导致蛀牙的细菌变形链球菌。
除了控制外来入侵者之外，黏蛋白还可以帮助控制我们身体中的常驻微生物。里贝克的团队发现，这些分子可以抑制白色念珠菌（一种通常在健康微生物群中和平共处的真菌）向致病形式的转变。他们通过抑制念珠菌形成菌丝的能力，附着在表面并发展其他使其能够造成伤害的特性来实现这一目标。
黏蛋白还可以充当诱饵以防止感染。2009年，澳大利亚墨尔本大学的分子生物学家迈克·麦加金（Mike McGuckin）和他的同事在《PLOS病原体》上报告说，当幽门螺杆菌（一种可引起消化性溃疡和胃癌的细菌）试图结合在胃表面的细胞时，黏蛋白可以反而附着到病原体上。然后，黏蛋白从细胞膜上脱落，并将潜在的入侵者带入酸性的胃液中。“许多细菌和病毒会识别细胞表面的某些糖，这就是它们知道如何到达细胞的原因，”巴顿解释说。“黏蛋白可以复制那些糖基化模式，并起到分子诱饵的作用。”
资料来源：《知晓》杂志
但是一些致病细菌会利用黏蛋白。在另一项研究中，麦加金和他的同事证明，空肠弯曲菌（一种无害地生活在鸡体内但在人类中会引起食物中毒的微生物）会识别人类黏蛋白，并利用它们的存在作为提示来增强参与致病性的基因的活性。
“有很多例子表明，一种细菌在一种物种中是非致病的，但在另一种物种中可能是致病的——这很大程度上与黏蛋白有关，”麦加金说。“病毒也是如此。”
制造合成黏蛋白
科学家们希望有一天能创造出用于研究和治疗的合成黏蛋白，并且已经在开发用于其生产的组织培养方面投入了大量工作。但丹佛科罗拉多大学的分子生物学家克里斯托弗·埃文斯（Christopher Evans）说，在合成替代品成为临床现实之前，需要更好地了解分子的结构和生物物理特性，他正在与同事一起努力弄清其中的一些细节。
一旦完成，合成黏蛋白就可以用于实验室研究，并最终用于医疗保健应用，例如控制有问题的病原体、修复受损或有缺陷的黏液衬里，以及通过创建可以绕过黏膜屏障的涂层来改善药物递送。
里贝克认为还有更多的潜在用途：例如，合成黏蛋白可以取代动物饲料中的抗生素，或管理微生物群落以帮助作物生长。“应用范围可能远远超出医疗保健，”她说。
10.1146/knowable-062619-1