《Current Opinion in Immunology》：Antimicrobial peptides and proteins as rheostats of intestinal homeostasis and immunity
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这篇综述为读者精要梳理了抗菌肽与蛋白（AMPs）在肠道黏膜免疫中的核心角色。文章摒弃了将AMPs视为单纯杀伤性“开关”的旧观点，转而构建了一个“分子变阻器”新模型。该模型阐释了AMPs如何通过多功能机制与动态调控网络（涉及TLR、IL-22/STAT3等通路），精密地调节微生物负荷、组成与空间分布，从而在维持共生（稳态）与清除病原（感染）之间实现动态平衡。理解AMPs这一动态调控逻辑，对于深入认识肠道屏障完整性、菌群互作及相关疾病机理至关重要。
抗菌肽与蛋白作为肠道黏膜免疫的进化仲裁者
哺乳动物胃肠道面临着一个基本的免疫悖论：既要防御肠道病原体，又要与数以万亿计的共生微生物维持终身伙伴关系。这一平衡部分由抗菌肽与蛋白（AMPs）协调，它们是古老的效应分子，在动物界广泛存在于上皮-微生物界面。AMPs并非简单的开关，而是像分子变阻器一样，能够调节微生物负荷、组成和空间组织。
宿主相关的微生物群落与动物宿主共同进化出复杂的伙伴关系，以促进互利的方式校准代谢和免疫。AMPs通过双重功能实现这种共生：在低水平产生时，它们促进空间隔离和共生菌的存留；在高水平产生时，则能够清除病原体。这一概念在肠道感染期间特定AMPs的诱导中最为明显。通过将AMPs概念化为变阻器而非二元效应器，我们揭示了连接分子机制与微生物生态学的统一逻辑。
抗菌肽与蛋白机制的功能谱
杀菌和非杀菌AMPs代表了维持屏障完整性的一系列生化策略功能连续体。这种基于谱系的观点兼容了宿主中心的调控逻辑和微生物的适应性反应，它们共同决定了AMPs暴露导致的是耐受、空间排斥还是清除。这些机制共同揭示了一个简单原则：肠道上皮部署多种解决方案来限制微生物侵蚀，同时保留关键的共生伙伴。这种机制多样性引发了关于进化趋同和功能特化的根本性问题。
溶菌酶：作用于细胞壁
溶菌酶是一种溶菌酶，是肠道内产生的最丰富的AMPs之一。这种酶靶向构成细菌细胞壁的肽聚糖刚性网状结构，水解肽聚糖交替亚基之间的糖苷键，导致细胞裂解。在稳态条件下，溶菌酶与其他AMPs协调分泌。然而，在沙门氏菌感染背景下，大量溶菌酶通过一种称为分泌型自噬的明确途径被动员，以防止细菌传播。分泌型自噬途径使得在感染期间能够快速、大量地分泌溶菌酶，而无需新的转录。溶菌酶作为组成型屏障成分和诱导型病原体防御因子的这种情境依赖性动员，在单个蛋白质水平上体现了变阻器概念。
膜破坏性抗菌肽与蛋白：利用电荷不对称性
主要的杀菌策略是利用细菌膜和宿主细胞膜之间的电荷不对称性。带负电的细菌膜与中性真核细胞膜之间的区别使得关键的抗菌蛋白能够选择性靶向。REG3γ、RELMβ、α-防御素、sPLA2-IIa和SPRR2A都通过不同的机制利用这一原理。阳离子效应物REG3γ、RELMβ和α-防御素分别形成六聚体、多聚体和二聚体孔。sPLA2-IIa通过水解阴离子磷脂促进膜破坏。SPRR2A含有一系列形成高级二硫键的半胱氨酸，这对于结合带负电的脂质和随后的杀菌活性至关重要。这种基于电荷的膜破坏机制的趋同反映了对宿主细胞膜靶向的强选择性。有趣的是，这些AMPs被分区：选择性靶向革兰氏阳性菌（REG3γ、sPLA2-IIa和SPRR2A）、靶向革兰氏阴性菌（RELMβ）以及可以靶向两者的α-防御素。从机制上讲，革兰氏阴性菌外膜上的脂多糖（LPS）会抑制REG3γ、sPLA2-IIa、SPRR2A甚至溶菌酶的生化活性。有趣的是，肽YY（PYY）将膜破坏性AMP功能扩展到细菌以外的真菌，选择性杀死白色念珠菌的菌丝（致病）形式，同时保留酵母（共生）形式。这种形态型选择性通过膜透化防止真菌发病，同时保留真菌共生，说明了AMPs如何区分同一生物体的良性和有害状态，这是在微生物形态水平上运作的变阻器功能。功能的趋同，加上靶标的多样性，确保了在肠道屏障处的广泛抗菌活性，代表了协同的抗菌网络。
凝集和隔离性抗菌肽与蛋白：无需杀死的空间控制
非杀菌性AMPs通过限制而非清除来维持肠道屏障。Lypd8选择性结合细菌鞭毛并限制其运动性，防止有鞭毛的细菌穿过黏液层。ZG16通过结合肽聚糖中的N-乙酰胞壁酸来凝集细菌，防止细菌在内部黏液层定植。从微生物的角度来看，这些机制施加了选择性压力，有利于空间回避策略而非直接抵抗，使共生菌能够通过占据允许的生态位来存续，而不是直接对抗抗菌蛋白施加的压力。与SPRR2A和REG3γ一样，这两种蛋白都受到LPS的抑制，赋予了革兰氏阳性选择性。Lypd8和ZG16共同建立了空间边界，将微生物与肠上皮隔离开来，而无需直接清除。
代谢和免疫调节性抗菌肽与蛋白：间接的抗菌控制
最近的发现揭示，一些AMPs通过代谢耦合或免疫信号而非直接的抗菌作用发挥功能，扩展了“抗菌”的定义。由肠上皮细胞产生的小鼠Apol9a/b优先包被共生细菌并诱导外膜囊泡（OMV）形成。这些OMV增强上皮内淋巴细胞中的干扰素-γ信号并促进MHC II类分子的表达。显著的是，Apol9a/b的活性需要共生菌衍生的神经酰胺-1-磷酸脂质，这证明了双向代谢通讯，其中共生菌调节宿主防御程序。共生菌并非被动靶标，而是积极参与者，需要代谢上要求高的神经酰胺-1-磷酸合成来参与Apol9a/b，突显了将AMP敏感性与共生能力联系起来的分子对话。这创造了一个正反馈循环，其中代谢能力强的共生菌增强屏障免疫，可能排除无法触发Apol9a/b介导的保护的代谢缺陷病原体。人类APOL2直系同源物同样包被共生细菌以释放OMV，而人类APOL3对侵入宿主细胞的肠道病原体具有直接杀菌作用。其他AMPs是否同样依赖于共生菌衍生的辅助因子仍有待探索，但这为理解共生维持提供了一个有前景的途径。
抗菌肽与蛋白的协作：协同作用与功能冗余
新出现的证据表明，AMPs是协同而非独立发挥功能的，创造了抗菌网络，其活性超过了各个组分的总和。例如，sPLA2-IIa与膜透化因子结合时靶向革兰氏阴性菌的能力体现了这种协同作用：脂质水解可能破坏外膜的稳定性，使得REG3γ等成孔凝集素能够进入。类似地，溶菌酶对细菌细胞成分的水解可能允许α-防御素等成孔AMPs进入内膜。这种协调是主动调节还是从重叠的表达模式中产生尚不清楚，但这一原理表明，AMPs应作为集成系统而非孤立的效应器进行研究。初步证据暗示了分层部署：组成型AMPs（如溶菌酶）可能提供基线屏障维护，而诱导型AMPs（如REG3γ和SPRR2A）在感染或寄生虫挑战期间放大反应。我们推测，这种时间分层可以通过让细菌暴露于波动的免疫压力而非恒定的抗菌环境，来最小化耐药性的进化。AMPs（如REG3γ）的节律性生产进一步例证了这一点，其在昼夜周期中受控的活性爆发可能促进屏障维护，同时可能最小化微生物耐药性的发展。这一假设得到了体外研究的支持，在这些研究中，抗生素的时间脉冲降低了选择压力，其量化仅基于脉冲持续时间以及细菌对环境内波动压力的适应性。AMPs之间的功能冗余可能代表了对抗耐药性的进化保障。当病原体对一种AMP类别（例如膜破坏肽）产生耐药性时，凝集或运动限制等替代机制仍然有效。乍一看，这种功能冗余似乎与AMP家族之间观察到的机制特化相冲突。然而，这些概念可以通过区分功能冗余（重叠的生态结果，如空间排斥或生长限制）和机制特化（实现这些结果的不同生化途径）来调和。在稳态条件下，机制特化可能占主导；然而，在感染或屏障破坏期间，冗余变得有利，确保了对病原体适应或AMP耐药性的稳健性。这种特化和冗余之间的平衡进一步受到明确调控信号通路的塑造，使得AMP网络能够在空间和时间上精确调谐。
整合微生物与宿主信号的调控网络
AMP表达通过重叠的模式识别受体（PRR）通路、细胞因子回路和昼夜节律进行动态调节。除了经典的TLR-MYD88信号传导外，替代的上皮信号通路也汇聚于AMP调控。值得注意的是，肠上皮细胞（IECs）中的TNF超家族受体14（HVEM）信号促进REG3γ表达，突显了多个免疫受体系统独立地加强抗菌屏障程序。肠道上皮并非响应单个信号，而是整合多个输入以根据微生物环境校准AMP输出，这种逻辑支持了情境适当的响应。
TLR-MYD88-ILC3-IL-22轴：一个经典调控回路
宿主细胞通过PRR网络检测微生物分子模式，其中Toll样受体（TLRs）是表征最广泛的。这些跨膜受体识别保守的微生物配体，并将配体结合与下游转录程序耦合，从而诱导AMP产生和肠道屏障强化。与AMP诱导相关的TLR信号传导在肠上皮细胞和上皮下髓系细胞中都有作用。之前的研究已确定上皮细胞内TLR信号传导对REG3γ表达是必需的。除了上皮细胞内在的调节外，髓系细胞TLR依赖性信号传导在REG3γ的调节中也观察到作用。具体来说，上皮下空间髓系细胞中的TLR接合刺激IL-23释放，IL-23作用于第3组固有淋巴细胞（ILC3s）触发IL-22产生。然后IL-22结合其在上皮细胞上的受体，激活转录因子信号转导与转录激活因子（STAT3），从而驱动REG3γ表达。显著的是，定植分段丝状细菌（SFB）——一种粘附于上皮的革兰氏阳性共生菌——就足以激活这一髓系-ILC3-IL-22轴，证明细菌附着而不仅仅是微生物存在是AMP诱导的关键决定因素。除了REG3γ，RELMβ的表达也由细胞因子IL-22诱导，用IL-22处理类器官会导致RELMβ上调。最后，II型细胞因子（IL-4和IL-13）在寄生虫感染期间激活STAT6以诱导SPRR2A和RELMβ，而IFN-γ上调REG3γ、RELMβ和Lypd8。这种调控冗余确保了跨不同感染背景的稳健AMP响应。
最引人注目的是整个AMP网络中关键响应的协调。在促进II型细胞因子响应的寄生虫感染期间，SPRR2A和RELMβ的表达被诱导，而REG3γ、溶菌酶和α-防御素的表达则减少。虽然这种诱导可能仅仅是由于产生这些AMPs的杯状细胞在II型细胞因子存在下的扩张，但改变AMP表达时间模式的功能性后果仍不清楚。
肠道屏障的时空调节：调谐变阻器
AMP表达表现出显著的区域特异性。REG3γ、溶菌酶、α-防御素、sPLA2-IIa和PYY主导小肠，而RELMβ、Lypd8和ZG16则富集于大肠。尽管上游调控通路（例如IL-22/STAT3、TLR-MYD88）分布广泛，但这种空间模式依然存在，表明区域性AMP表达是由微生物生物地理学和局部免疫群体决定的。ILC2s和IL-13集中在近端结肠，驱动RELMβ，而SFB和产生IL-22的ILC3s定位于回肠远端，促进REG3γ。尽管这种区域化的生理后果尚待确定，但未来高分辨率绘制AMP时空表达图谱的工作可能揭示有序的部署策略，以在最小化耐药性选择的同时最大化屏障保护。
然而，仅靠空间模式无法解释AMP部署的精确性。小肠细菌密度相对较低，但营养可用性高且转运迅速，有利于杀菌AMPs，在短暂的营养暴露窗口期间防止病原体定植。相比之下，结肠拥有密集的细菌群落且转运较慢，有利于空间隔离策略（Lypd8、ZG16），这些策略维持物理分离而非试图大规模清除细菌。这种解剖学特化表明，AMP选择压力随局部生态限制而变化。
新出现的证据表明AMP调节也受时间控制。REG3γ表达随昼夜节律振荡，由微生物群和宿主生物钟协调。这些节律与细菌活动周期同步：REG3γ在细菌负荷激增的活跃摄食期达到峰值，然后在禁食期下降。高脂饮食会破坏这些节律，导致REG3γ表达失调和微生物群组成变化，从而促进代谢功能障碍。依赖于摄食的VIP神经元-ILC3回路进一步将营养感知与屏障调节联系起来，表明代谢状态直接调节抗菌压力。
这种时间调节可能服务于多种功能。我们在此提出几个可检验的预测，表明先天免疫功能的昼夜节律调节可能塑造宿主-微生物互作。首先，节律性AMP振荡可能通过让细菌暴露于波动的屏障压力来防止耐药性进化，这是一种类似于脉冲抗生素治疗的策略。其次，摄食期间同步的AMP诱导可能与病原体暴露高峰期重合，在脆弱性最高时最大化保护。第三，昼夜节律AMP循环可能与全身生理协调，将葡萄糖代谢和感染易感性与依赖于一天中时间的免疫能力联系起来。支持这一模型的研究报告称，在不同昼夜节律阶段感染的小鼠表现出不同的死亡率，在睡眠阶段（当REG3γ水平较低时）感染更致命。最后，节律性脉冲可能促进黏膜表面的保护，同时保留关键的微生物伙伴，因为AMPs的过度产生对微生物维持有不利后果。检验这些假设需要纵向监测AMP浓度、微生物活性和感染结果跨昼夜周期的变化。
综合：抗菌肽与蛋白变阻器模型
整合这些调控机制揭示了AMPs如何作为分子变阻器发挥作用。在稳态下，AMP表达由基础的TLR和细胞因子信号维持，强制执行空间隔离而不清除共生菌。当病原体入侵或屏障破坏（由增加的PRR激活和细胞因子释放发出信号）时，AMP的表达、产生和部署通过协调的上皮-免疫信号回路被放大。这种诱导型响应清除病原体，同时产生瞬时的抗菌压力，可能防止共生菌之间产生耐药性进化。随着感染消退，基础反馈回路占主导地位并将AMP表达拉回稳态水平，恢复共生平衡。这种动态调节由微生物密度、免疫状态、代谢状态和昼夜节律阶段调谐，使得AMP的产生与潜在威胁水平相对应，并在无需较慢的适应性免疫响应的情况下调动屏障防御。
未来方向
宿主如何在共生菌中维持抗菌肽与蛋白的敏感性？
关键AMPs的缺失通常会促进细菌对肠上皮的侵蚀并增强病原体传播，表明肠道病原体和共生菌都不是对内源性AMPs独特耐药的。因此，一个核心悖论仍未解决：共生菌如何在持续的AMP暴露下存续？这一悖论突显了微生物的主动性。共生菌不是被动靶标，而是能够感知、适应和利用波动抗菌环境的积极参与者。我们在此阐述四种假说。
首先，共同进化调谐可能选择了具有促进共生的内在敏感性的共生菌株，正如Apol9a/b的活性依赖于共生菌衍生的神经酰胺-1-磷酸。该模型预测共生菌通过保守的生物合成途径主动维持AMP敏感性，耐药性突变会带来降低竞争力的适应度成本。这一机制已在具有物种选择性的新型抗生素类别中观察到。其次，由Lypd8和ZG16等AMPs强制执行的空间隔离可能限制暴露同时维持屏障保护。驻留在外部黏液层或管腔空间的共生菌经历的AMP浓度低于那些试图侵入上皮的细菌，形成了一个允许定植同时防止突破的浓度梯度。第三，代谢耦合可能创造防止耐药性进化的反馈循环。耐药菌株可能失去产生诸如神经酰胺-1-磷酸等分子的能力，而这些分子能够实现有益的宿主-微生物互作，从而有效地将AMP敏感性与共生能力联系起来。第四，适应性免疫系统可能通过优先靶向突破AMP介导的空间边界的细菌的机制来选择性清除耐药克隆。例如，IgA包被集中在侵入内部黏液层的细菌上，而这正是AMP压力最高的地方。这表明适应性和先天免疫合作，在耐药突变体建立之前将其清除。最后，其他潜在策略包括诱导型应激反应、包膜重塑、代谢状态依赖性敏感性和黏液层内的空间重定位。值得注意的是，这些适应不需要赋予经典的耐药性；相反，它们可能使共生菌保持在可诱导宿主防御的激活阈值以下。
区分这些机制需要纵向追踪AMP缺陷和AMP正常宿主中的微生物进化，并结合空间定位和代谢活动分析。将共生菌在AMP缺陷小鼠中传代，然后重新引入AMP正常宿主的实验进化研究，可以揭示AMP敏感性是由选择主动维持的，还是由于缺乏耐药性突变而被动保留的。这些目标也可以通过涉及在关键AMPs存在下、宿主外进行细菌生长，然后将进化后的细菌重新引入AMP正常动物的实验进化策略来实现。能够控制AMP剂量的无菌系统将进一步测试共生菌在获得耐药性时是否表现出适应度成本。
昼夜节律钟是否在将抗菌肽与蛋白表达与环境暴露同步中发挥作用？
最近的研究表明，AMP表达的时空调节可能起到最小化耐药性进化同时实现快速病原体清除的作用。这提出了一个引人深思的模型：AMPs可能作为诱导型变阻器发挥作用，在感染期间放大并在稳态期间收缩，平衡病原体清除与共生菌保存。除了已描述的AMP外，其他AMP是否也表现出具有特征性上升和下降动力学的阶段性表达模式？这些模式是由摄食、昼夜节律还是微生物反馈协调的？病原体和共生菌对瞬时与持续AMP暴露的反应有何不同？解决这些问题可能揭示，决定宿主-微生物结果的是时间模式，而非绝对的AMP水平。具有可调谐表达动力学的诱导型AMP敲入系统将能够精确测试剂量-持续时间关系，而模拟脉冲AMP暴露的闭环生物反应器可以识别最小化耐药性的时间模式。
结论
抗菌蛋白与肽不仅仅是细胞内在免疫期间的防御武器，更是肠道共生的重要构建者。通过作为变阻器而非开关发挥作用，AMPs整合了宿主调控逻辑与微生物适应能力，使得共存而非灭菌成为可能。单个AMPs的缺失持续破坏屏障完整性，突显了它们集体的不可或缺性。然而，根本问题仍然存在：共生菌如何避免被AMPs根除？时间动态是否防止了耐药性？回答这些问题将需要超越对个体AMP机制的编目，转而理解它们作为一个动态调控网络的集成功能。因此，AMPs代表了一种普遍策略，宿主通过它将先天免疫转变为一种时间和空间上动态的共存语言。
