《Gut Microbes》：Glycosylation in gut-brain communication: from the intestinal barrier and microbiota to immune and neural signaling
肠脑轴是连接胃肠道与中枢神经系统的复杂双向通讯网络，其失调与多种胃肠道、代谢及神经精神疾病密切相关。糖基化作为蛋白质和脂质中最普遍且结构最具多样性的翻译后修饰之一，日益被认为是肠脑轴内多个过程的调节因子。本综述总结了糖基化影响肠脑通讯多个环节的证据，包括肠道屏障功能、微生物聚糖代谢、免疫信号传导、肠神经及迷走神经通路、血脑屏障完整性以及神经反应。研究人员区分了直接机制性发现与关联性观察，并讨论了脑至肠道方向调节肠道糖基化的相对有限的证据。此外，研究人员还探讨了以糖基化为靶点的营养和基于微生物群的干预措施的潜力，并强调了将糖组学与其他组学方法整合以解析肠脑轴复杂调控网络的新兴机遇。总之，阐明糖基化如何塑造肠脑轴信号传导，可能为理解疾病发病机制和开发靶向治疗策略开辟新途径。
1. 引言：肠脑轴中的糖基化
糖基化是由酶催化的聚糖与蛋白质或脂质的共价连接。作为一种主要的翻译后修饰，它主要发生于内质网和高尔基体中，产生种类繁多的糖蛋白和糖脂。通过调节蛋白质折叠、稳定性和分子相互作用，糖基化参与包括细胞识别、信号转导和免疫应答在内的基本生物学过程。在结构和生物合成层面，糖基化主要分为天冬酰胺残基上的N-连接糖基化和修饰丝氨酸或苏氨酸残基的O-连接糖基化。在生物合成过程中，聚糖可进一步延伸并进行末端修饰，如唾液酸化和岩藻糖基化，从而产生高度的结构多样性。这一精细调控的动态过程由高度特异的糖基转移酶和糖苷酶的协同作用所协调。
肠脑轴包含肠上皮屏障、肠道微生物群、局部和全身免疫系统以及中枢神经系统之间的复杂相互作用。越来越多的证据表明，糖基化影响宿主-微生物相互作用并调节免疫和神经相关信号通路，表明糖基化可能通过多种相互作用的途径参与肠脑轴的信号调节。在肠脑轴中，糖基化在多个水平上调节信号传导，肠道是其主要作用部位之一。肠道杯状细胞分泌的高度O-糖基化黏蛋白形成黏液层，这是将管腔微生物与上皮分开的关键物理屏障。与此同时，肠上皮细胞的糖基化与屏障通透性和选择性密切相关。除结构作用外，黏蛋白糖基化通过调节微生物定植和代谢活性参与肠道稳态的维持。糖基化结构，如黏蛋白O-聚糖和人乳寡糖，不仅增强屏障功能，还作为肠道微生物的主要营养来源和黏附底物，从而塑造肠道生态系统的组成和功能。反过来，肠道微生物表达特异性糖苷酶来降解这些聚糖，产生包括短链脂肪酸和次级胆汁酸在内的信号代谢物。这些微生物来源的分子可能通过免疫、内分泌和迷走神经途径直接或间接影响脑功能。此外，新兴证据表明，中枢神经系统状态，如心理应激，可以反过来影响肠道糖基化和微生物代谢环境，突出了肠脑轴内的双向调节成分。为了综合概述这些双向相互作用，图1总结了参与肠脑双向通讯的代表性糖基化相关过程。
2. 糖基化与肠道屏障稳态：结构和防御的分子基础
肠道屏障是糖基化影响肠脑通讯的早期作用位点。通过维持黏液组织和上皮完整性，糖基化限制微生物产物的易位，并调节肠道来源代谢物和炎症介质对全身的暴露。本章首先描述糖基化的局部屏障功能，然后评估屏障破坏与远端脑改变的关联。
2.1 黏蛋白糖基化在维持肠道黏液屏障中的作用
肠道杯状细胞分泌的黏蛋白，如黏蛋白2，是肠道黏液层的主要成分。丝氨酸和苏氨酸残基上的密集O-连接糖基化对于黏蛋白的正确折叠、延伸和高度有序三维结构的形成至关重要。除了塑造黏液层的物理特性外，这些聚糖修饰直接有助于其防御功能。具体而言，位点特异性O-聚糖可以保护MUC2蛋白骨架免受细菌蛋白酶切割，从而增强黏液层对微生物酶降解的抵抗力。从生物合成角度看，黏蛋白O-聚糖结构异质性高，可从不同的核心结构起始，赋予黏液层巨大的分子多样性。其中，核心3和核心4衍生的O-聚糖在肠上皮中高度富集，尤其是在结肠中，表现出显著的组织特异性。这一分布表明特定核心结构可能在维持结肠黏液屏障功能中具有特化作用。核心3 O-聚糖由核心3 β1,3-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶合成，由B3GNT6基因编码。遗传研究表明，C3GnT缺失显著改变结肠黏蛋白的O-糖基化谱并破坏黏液层的超分子组织。相应地，C3GnT
-/-小鼠表现出更薄且紊乱的结肠黏液层、肠道通透性增加、对病原菌侵袭的易感性增强，以及在化学诱导的结肠炎和结直肠癌模型中易感性增加。虽然O-糖基化是塑造黏蛋白结构的主要修饰，但N-聚糖修饰也参与黏蛋白调节。例如，由α1,6-岩藻糖基转移酶介导的核心岩藻糖基化已被证明可控制分泌黏蛋白的数量和组成，从而在肠道炎症背景下影响黏液黏弹性和上皮屏障特性。这些研究共同表明，O-聚糖核心结构和N-聚糖修饰都对黏蛋白的理化性质有所贡献。这些糖基化依赖性特征对于维持肠道黏液屏障的结构完整性和保护功能至关重要，突出了糖基化作为肠道第一道防线的关键组成部分。
2.2 岩藻糖基化在肠上皮应激反应中的调节作用
肠上皮细胞中的糖基化不仅仅是一种结构特征，还是一个高度动态的应激反应系统，其中岩藻糖基化发挥突出的调节作用。α1,2-岩藻糖基转移酶催化末端岩藻糖残基添加到肠上皮细胞和分泌黏蛋白的聚糖上。FUT2的表达和活性在炎症、感染或物理损伤期间表现出显著的可塑性，使岩藻糖基化能够响应特定的免疫和代谢信号，参与局部屏障保护和修复。例如，3型固有淋巴样细胞响应组织损伤分泌白细胞介素-22，直接诱导肠上皮细胞中Fut2表达并促进上皮岩藻糖基化。饮食因素也可参与该调节轴。香菇多糖激活巨噬细胞上的树突状细胞相关C型凝集素-1受体，刺激IL-22产生，从而间接驱动上皮岩藻糖基化以加速屏障修复。此外，外源性L-岩藻糖补充进一步增强FUT2介导的岩藻糖基化，减轻葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎并保持紧密连接完整性。机制上，这些效应涉及芳烃受体/IL-22通路的激活以促进肠干细胞增殖和分化，以及稳定缺氧上调蛋白1的FUT2依赖性岩藻糖基化，保护其在炎症条件下免于异常降解。除局部炎症和饮食信号外，肠上皮岩藻糖基化还可响应心理应激。慢性社交挫败应激显著降低远端小肠中Fut1和Fut2的表达及α1,2-岩藻糖基化，表明宿主应激状态可以重塑肠道聚糖环境。大规模遗传研究也确定FUT2是胃肠道和神经精神疾病的共享易感位点。尽管这些遗传关联并未确定肠脑通讯的方向或机制，但它们支持FUT2与涉及肠道和神经系统的表型的相关性。这些发现表明，肠上皮细胞中FUT2介导的α1,2-岩藻糖基化受局部炎症、感染、物理和饮食刺激的动态调节，也可被心理应激改变。局部肠道刺激通过相对明确的免疫和代谢途径调节FUT2表达，而与应激相关的肠道岩藻糖基化变化的上游介质仍不清楚。
2.3 跨屏障信号传导与远端效应：肠道屏障功能障碍与脑改变的关联
肠道屏障的糖基化状态与局部稳态密切相关，并可能与包括脑在内的远端器官的改变相关。来自C3GnT
-/-小鼠模型的证据支持这一关联。这些小鼠表现出明显的肠道屏障完整性缺陷和盲肠内容物微生物代谢物谱的显著改变。其中几种改变的代谢物，包括二甲基甘氨酸和N-乙酰酪氨酸，已知与脑功能和神经递质代谢相关。除代谢变化外，脑中也观察到结构改变。在与学习和记忆密切相关的海马齿状回中，C3GnT
-/-小鼠表现出PSA-NCAM阳性未成熟颗粒神经元的异常形态。这些细胞的特征是树突突起缩短且紊乱，同时细胞数量呈减少趋势。这些改变伴随物体识别记忆受损。总之，这些观察结果支持肠道糖基化缺陷与"渗漏肠"表型之间的潜在联系。屏障功能受损促进微生物及其代谢物跨上皮层的易位，这可能放大局部和全身低度炎症。屏障破坏可能增加微生物产物、代谢物和炎症介质的全身暴露。这些信号可能通过循环免疫和代谢途径或通过神经途径影响中枢神经系统。此类机制最初在动物模型中定义，也为炎症性肠病常伴随焦虑和抑郁症状的临床观察，以及神经退行性疾病发病前出现胃肠道功能障碍提供了合理化的解释。在这种背景下，肠道糖基化为宿主-微生物相互作用提供了分子基础，并可能有助于肠脑轴上屏障功能障碍与脑改变之间的关联。肠道糖基化也对全身代谢状况敏感。高血糖条件抑制肠上皮细胞中整体N-聚糖生物合成途径，损害屏障完整性，并伴有全身和中枢炎症反应增强。相反，植物多酚衍生代谢物尿石素A恢复上皮N-糖基化，改善肠道屏障功能，同时减轻神经炎症和认知障碍。然而，尚不清楚这些效应是间接通过肠道介导，还是反映尿石素A对脑的直接全身作用。这些发现提示，靶向糖基化通路可能是改善与代谢疾病相关的肠脑轴功能障碍的有前景策略。
3. 糖基化与肠道微生物群在肠脑轴调节中的作用：机制和功能基础
肠道微生物群是肠脑轴的核心功能组成部分，而通过糖基化产生的宿主来源聚糖结构形成了宿主-微生物相互作用的关键分子界面。这些聚糖不仅作为肠道微生物的营养来源和黏附底物，还通过选择性地支持或限制特定分类群来塑造微生物群落结构和免疫张力。
3.1 宿主聚糖在微生物营养利用和肠道定植中的作用
宿主来源的聚糖，特别是黏蛋白O-聚糖和不可消化的膳食聚糖如人乳寡糖，是肠道微生物的主要碳源，尤其是专性厌氧共生菌。这些复杂聚糖在很大程度上抵抗宿主消化，但可以被特定细菌类群有效代谢，从而在肠道生态系统中建立高度分化的营养生态位。黏蛋白聚糖上的末端单糖残基，包括岩藻糖、唾液酸和N-乙酰氨基葡萄糖，是细菌糖苷酶的常见靶标。这些酶可以表达在细菌细胞表面或分泌到黏液层中。释放的糖随后被用作碳源、氮源和能量来源。重要的是，利用宿主聚糖的能力在不同细菌类群甚至菌株之间存在显著差异，这种代谢异质性被认为构成肠道微生物多样性和群落稳定性的基础。在拟杆菌属中的奠基性研究表明，宿主聚糖的利用通过多糖利用位点协调，这些位点介导底物特异性聚糖感知和分解代谢。在多形拟杆菌中，黏蛋白O-聚糖是体内使用的主要宿主来源底物，同时删除参与黏蛋白O-聚糖利用的五个胞质外功能σ因子损害了肠道持久性和母-婴传播。这些发现将黏膜聚糖觅食不仅与营养获取联系起来，还涉及微生物适应性和定植。聚糖依赖性定植还涉及细菌表面修饰，因为脆弱拟杆菌表面L-岩藻糖基化的丧失损害了竞争性肠道定植。与此同时，某些活泼瘤胃球菌菌株已进化出特化的黏蛋白聚糖利用策略。例如，ATCC 29149菌株拥有独特的唾液酸分解代谢途径。该途径使细菌能够在唾液酸化底物上生长，并在黏蛋白或岩藻糖基化聚糖上生长时支持丙酸盐和其他发酵终产物的产生。相比之下，婴儿相关的长双歧杆菌婴儿亚种包含一个高度组织的基因簇，编码多种专门用于摄取和代谢复杂HMOs的糖苷酶和转运蛋白。这些特征赋予其在母乳喂养婴儿肠道中的竞争优势。除营养作用外，聚糖结构还通过黏蛋白聚糖的利用影响肠道上皮内的空间分布。宿主肠道糖基化的遗传变异进一步调节这些相互作用。例如，FUT2基因的功能丧失变异产生"非分泌者"表型，其特征是上皮细胞和黏液中α1,2-岩藻糖基化减少。这种减少限制了宿主来源岩藻糖的可用性，改变了微生物岩藻糖代谢，并与肠道炎症易感性增加相关。值得注意的是，这种生态塑造并非完全由宿主驱动。用活泼瘤胃球菌ATCC 29149单定植的无菌小鼠研究显示肠道黏蛋白唾液酸化模式可检测到变化，表明微生物代谢活动可以反过来影响局部宿主糖基化。多形拟杆菌中也已证明类似的双向调节。其岩藻糖响应调节因子FucR协调细菌L-岩藻糖分解代谢与调节肠上皮细胞产生岩藻糖基化聚糖的独立细菌位点。在悉生大鼠中，多形拟杆菌还增加了杯状细胞分化和唾液酸化与硫酸化黏蛋白的比例，而与粪杆菌共定植则减弱了这些效应。这些双向相互作用对于维持肠道微生物稳态至关重要，当受到干扰时，可能使宿主易患菌群失调和肠道炎症。总之，宿主聚糖通过提供营养资源和定植生态位来塑造肠道微生物群落的组成和代谢输出。微生物对HMOs和黏蛋白O-聚糖的利用支持交叉喂养和微生物定植，并产生与脑功能潜在相关的代谢物和其他肠道来源产物。
3.2 人乳寡糖：益生元、抗黏附剂和肠脑信号分子的前体
HMOs是宿主糖基化如何塑造肠道微生物群的一个特征明确的例子，并说明了糖码如何在生命早期发育过程中发挥作用。HMOs对婴儿肠道生态系统发挥多种功能上不同的效应。首先，作为高度选择性的益生元，HMOs促进有益细菌的生长，包括双歧杆菌和乳杆菌属物种。例如，2′-岩藻糖基乳糖上调双歧杆菌中黏附相关基因，从而增强细菌定植能力。此外，不同的双歧杆菌菌株已进化出合作策略，使HMO降解过程中产生的中间产物得以共享，导致微生物群落内的代谢分工。其次，HMOs通过充当分子诱饵发挥有效的抗黏附剂作用。通过模拟宿主上皮聚糖受体，如组织血型抗原，HMOs竞争性抑制肠道病原体（包括轮状病毒和空肠弯曲杆菌）的附着，从而提供一种先天性抗微生物保护形式。除这些作用外，HMOs还作为与肠脑通讯相关的肠道来源信号分子产生的关键前体。在HMOs的微生物发酵过程中，特别是通过双歧杆菌属物种，L-岩藻糖等单糖被释放并通过交叉喂养相互作用随后代谢。这些过程最终产生SCFAs，包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，以及1,2-丙二醇。降解黏蛋白的细菌也可以利用2′-FL从聚糖底物中释放岩藻糖。这些微生物代谢物具有生物活性。SCFAs，特别是丁酸盐，作为结肠上皮细胞的主要能量来源，并通过包括组蛋白去乙酰化酶抑制和G蛋白偶联受体激活在内的机制调节免疫平衡和屏障完整性。相比之下，1,2-PD可以被吸收进入门脉循环，在血液和脑组织中均可检测到，并可能直接作为肠脑信号分子发挥作用。值得注意的是，据报道，婴儿相关双歧杆菌菌株在2′-FL发酵过程中产生的确定代谢谱可在体外系统中增加脑源性神经营养因子的释放。这些发现将HMOs及其微生物产物确定为与神经发育潜在相关的候选肠道来源信号。
3.3 聚糖相关肠脑信号传导中的肠神经系统和迷走神经通路
对完整岩藻糖基化HMOs的研究提供了急性、结构相关调节神经元依赖性肠道运动活动的实验证据。在离体小鼠结肠制剂中，2′-FL和3′-岩藻糖基乳糖以浓度依赖方式减少神经元依赖性迁移运动收缩，而3′-唾液酸乳糖、6′-唾液酸乳糖、乳糖-N-新四糖和低聚半乳糖未显示可检测效应。游离L-岩藻糖也降低收缩性，但效果远低于完整的岩藻糖基化HMOs，与完整寡糖环境对其更高生物活性的贡献一致。在另一个束缚应激模型中，腔内2′-FL部分正常化分离的空肠和结肠节段中应激诱导的传播收缩活动异常。在神经元活动被河豚毒素沉默后，2′-FL对残余肌源性收缩的速度或频率没有显著影响，支持肠神经系统依赖性效应而非对肠道平滑肌的直接作用。在这些离体制备中观察到的快速反应排除了对微生物生长的长期益生元效应作为主要解释。然而，两项研究均未确定相关的肠道传感器或检查这些肠神经效应是否与脑结局相关。一项在大鼠中的饮食干预研究检查了迷走神经完整性对2′-FL影响海马可塑性和学习的贡献。膳食2′-FL增强海马CA3-CA1长时程增强并改善操作性条件反射表现，而双侧膈下迷走神经切断术阻止了2′-FL相关的这些结局的增强。等摩尔剂量的游离L-岩藻糖饮食未增强海马LTP，表明岩藻糖部分单独不足以重现2′-FL的电生理效应。这些发现支持迷走神经依赖性贡献于膳食2′-FL的选定神经效应。其他管腔信号的研究提供了肠内分泌-神经通讯的额外例子。细菌色氨酸代谢物激活瞬时受体电位锚蛋白1阳性肠内分泌细胞，随后通过5-羟色胺释放刺激肠和迷走神经元。总的来说，完整的岩藻糖基化HMOs可以急性修饰ENS依赖性肠道运动活动，并且膳食2′-FL的选定神经效应需要完整的迷走神经。
3.4 微生物聚糖代谢作为疾病状态的功能指标和治疗靶点
基因组和宏基因组分析揭示了肠道微生物群的聚糖代谢能力。这种能力包括生物合成和降解途径，与肠脑轴功能密切相关。在不同的疾病背景下，这些途径的改变表现出可重复的疾病特异性模式。在神经退行性疾病中，如阿尔茨海默病和轻度认知障碍，与聚糖生物合成和代谢相关的肠道微生物途径普遍上调。相比之下，帕金森病患者表现出黏蛋白和宿主来源聚糖降解能力的普遍增强。在以代谢或炎症失调为特征的疾病中也观察到不同模式。然而，大多数当前证据反映关联而非直接因果作用。膳食补充，如益生元或特定多糖，已被用于调节微生物聚糖代谢。基于微生物群的干预措施，包括益生菌，也显示出类似效应。补充2′-FL重塑微生物群落结构并增强SCFAs和其他有益微生物代谢物的产生，从而赋予对实验性结肠炎的保护。半乳寡糖和2′-FL的联合给药进一步增强SCFAs和AhR配体的产生，有助于肠道内的免疫调节。此外，补充特定益生菌菌株，如乳杆菌属物种，在劳力性中暑小鼠模型中恢复受损的微生物聚糖代谢，并伴有认知表现和肠脑轴信号传导的改善。植物来源多糖也显示出调节潜力。微生物聚糖代谢反映了肠脑轴的功能状态，并可能为神经精神疾病的治疗干预提供切入点。应注意，当前大部分证据来自啮齿动物模型，啮齿动物与人类之间微生物群组成和免疫反应的显著差异可能限制这些发现的直接转化。此外，将特定代谢改变与微生物代谢物谱和脑功能变化直接联系的证据仍然有限。
3.5 从微生物聚糖代谢到脑糖蛋白组重塑
前述部分表明，宿主糖基化模式和膳食聚糖通过间接机制影响肠脑轴上的脑功能。在这一背景下，最近一项采用深度定量糖蛋白组学的研究在中枢神经系统内提供了分子尺度的证据，证明肠道微生物状态与脑中位点特异性蛋白质糖基化之间存在系统性关联。在该研究中，分别分析了成年无菌小鼠、单定植多形拟杆菌的小鼠和定植八成员微生物群落的小鼠的脑糖蛋白组。不同定植状态观察到不同的糖基化谱，表明肠道微生物定植与脑糖蛋白组的整体架构密切相关。在可定量的糖肽中，大量N-连接糖肽表现出显著丰度变化，而相应总蛋白水平的变化相对有限。这些发现表明微生物定植主要重塑翻译后水平的糖基化，而非改变蛋白质表达本身。进一步分析揭示，对微生物状态敏感的糖基化事件在与神经功能已确立作用的蛋白质中富集。这些包括参与轴突导向和细胞骨架调节的蛋白质、神经递质受体如谷氨酸和γ-氨基丁酸受体，以及涉及阿尔茨海默病的蛋白质。值得注意的是，这些糖基化变化伴随蛋白质热稳定性、溶解度或构象特性的改变，暗示糖基化变化可能影响蛋白质功能状态。然而，无菌模型与深刻的发育和免疫学改变相关，这可能混淆糖基化变化的解释。因此尚不清楚观察到的效应在多大程度上直接归因于微生物信号而非继发于宿主发育或免疫状态改变。
4. 糖基化在肠脑轴免疫调节和神经炎症中的分子机制
免疫通路是肠道信号影响脑的重要途径。通过修饰免疫受体、配体和免疫球蛋白，糖基化塑造局部和全身免疫应答，并可能由此影响神经炎症。
4.1 微生物聚糖的免疫调节效应
源自肠道微生物群的特定聚糖日益被认为是连接肠道微环境与宿主免疫调节的关键信号分子。某些微生物聚糖，如脆弱拟杆菌产生的多糖A，激活树突状细胞上的Toll样受体2并促进CD39
+调节性CD4
+ T细胞的扩增和组织特异性迁移。除了在肠道内维持免疫稳态外，这些Tregs可以迁移到中枢神经系统，在实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中抑制脱髓鞘和炎症损伤。这些发现表明，在确定的免疫学背景下，微生物来源聚糖可以通过诱导调节性免疫应答来减轻远端部位的神经炎症。相比之下，肠道微生物群组成性释放的肽聚糖片段可以慢性激活模式识别受体核苷酸结合寡聚化结构域1，从而刺激中性粒细胞等固有免疫细胞。在持续或异常暴露条件下，该信号通路被认为增强促炎免疫张力，这可能影响脑中的神经炎症状态并与行为改变相关。总之，当前证据表明结构不同的微生物聚糖通过参与不同的模式识别受体和下游信号通路引发不同的免疫结果。然而，这些免疫信号如何在全身水平整合并转化为特定的神经炎症结果仍知之甚少。
4.2 宿主糖基化在免疫应答中的作用及其对肠脑轴的潜在影响
宿主糖基化是在微生物影响下帮助引导免疫应答朝向耐受或炎症的关键机制。唾液酸化是一种常见的糖基化修饰，参与这一过程。研究表明唾液酸化通过不同途径调节黏膜免疫。例如，分泌型IgA的唾液酸化对其被肠道M细胞摄取至关重要，这一过程影响抗原递呈和免疫应答。另外，产生α2,6-唾液酸连接的酶ST6GAL1塑造肠道环境。St6gal1缺乏改变肠道微生物组组成，这种改变的微生物组可以驱动黏膜中促炎性T辅助17细胞应答。这些发现强调了蛋白质唾液酸化在维持肠道免疫平衡中的作用。鉴于黏膜免疫应答塑造全身炎症的能力，肠道唾液酸化也可能影响肠道以外的免疫信号传导。在体液免疫方面，免疫球蛋白G的Fc区N-聚糖组成被广泛认为是抗体效应子功能的关键决定因素。多项研究报道IBD患者血清中半乳糖缺失的IgG显著增加，这种聚糖特征与增强的抗体依赖性吞噬作用和组织炎症相关。此外，克罗恩病和溃疡性结肠炎患者血浆中IgG糖基化水平普遍降低，与疾病活动度和临床结局相关。值得注意的是，改变的IgG糖基化也与中枢神经系统的炎症变化相关。在COVID-19患者脑脊液中，IgG岩藻糖基化和唾液酸化的改变与小胶质细胞活化和神经炎症增加相关。在缺氧缺血性脑病儿童、视神经脊髓炎谱系疾病患者和部分儿童癫痫病例中也报道了异常IgG N-糖基化与全身或中枢炎症状态之间的类似关联。这些观察表明IgG糖基化可能代表连接外周免疫状态与神经炎症过程的分子界面，尽管这种关系的因果性质仍有待澄清。在细胞免疫水平上，由FUT8催化的T细胞受体复合物的核心岩藻糖基化对于有效的TCR信号转导和炎症细胞因子的产生至关重要。结肠炎实验模型表明TCR核心岩藻糖基化是启动肠道炎症的关键分子要求。相应地，在IBD患者中观察到T细胞上核心岩藻糖基化水平增加。
4.3 核心岩藻糖基化：连接外周代谢与神经炎症
在讨论宿主糖基化如何调节免疫细胞功能和全身炎症张力的基础上，近期证据开始确定可能影响神经炎症反应的特定糖基化通路。其中，核心岩藻糖基化提供了一个机制上明确的例子，说明糖基化如何以可能与肠脑轴相关的方式调节神经免疫信号传导。除了其在TCR信号传导和炎症应答中的既定作用外，新兴证据表明核心岩藻糖基化的改变可以直接影响神经炎症通路。在慢性不可预知应激模型中，Fut8杂合小鼠表现出抑郁样行为的加速发作并伴有增强的神经炎症。机制上，核心岩藻糖基化减少促进糖蛋白130/白细胞介素-6受体复合物的形成，导致Janus激酶2/信号转导和转录激活因子3信号通路的持续激活和炎症反应的放大。重要的是，L-岩藻糖补充恢复gp130的核心岩藻糖基化并减弱下游炎症信号传导，从而改善行为表型。从肠脑轴的角度来看，这一机制表明外周岩藻糖代谢可能有助于中枢糖基化。L-岩藻糖可以在肠道中岩藻糖基化聚糖的微生物降解过程中释放。虽然游离L-岩藻糖本身对BBB的渗透性有限，但口服给药已被证明通过补救途径增加脑GDP-岩藻糖水平，提示外周代谢状态可能影响脑中糖基化的潜在途径。
4.4 凝集素和神经糖基化在肠脑轴神经免疫调节中的作用
除了上述免疫调节和神经炎症机制外，糖基化还通过塑造外周免疫信号在中枢神经系统内的整合方式来促进神经免疫调节。内源性凝集素，如半乳凝素，通过识别特定聚糖结构介导肠道免疫屏障与中枢神经系统之间的功能连接。半乳凝素-4提供了一个代表性例子。其在肠上皮细胞中的表达通过与细菌表面聚糖的相互作用促进肠道微生物组成和空间组织的调节。在相关动物模型中，半乳凝素-4缺陷不仅导致肠道微生物失调，还伴随海马突触可塑性受损和记忆表现缺陷。这些发现表明半乳凝素-4可能通过调节微生物群组成和相关的免疫环境来影响肠脑通讯。在神经免疫水平上，糖基化修饰同样参与小胶质细胞功能状态的调节。神经氨酸酶1调节小胶质细胞受体髓样细胞触发受体2的唾液酸化状态，从而影响下游信号传导、吞噬活性和炎症表型，实现促炎和抗炎状态之间的动态平衡。此外，中枢神经系统炎症模型揭示了脑组织中N-糖基化模式的广泛重塑，其特征是唾液酸化和核心岩藻糖基化的整体降低。临床研究进一步表明这种N-糖基化模式本身可能作为神经炎症性疾病的潜在诊断或分层生物标志物，包括多发性硬化症。
5. 糖基化在脑功能中的作用：从血脑屏障到认知和行为
在肠脑通讯的脑端，糖基化有助于BBB完整性、神经发育、突触可塑性和行为。BBB糖萼可能影响神经组织对循环信号的暴露，而神经蛋白的糖基化调节脑内的细胞应答。
5.1 糖基化维持血脑屏障结构和功能
BBB对于维持中枢神经系统稳态至关重要，其完整性与糖基化密切相关。脑微血管内皮细胞的管腔表面覆盖着一层致密的富含多糖的糖萼，主要由高度O-和N-糖基化的跨膜黏蛋白样蛋白组成，包括足萼蛋白，以及蛋白聚糖如多配体蛋白聚糖和各种糖脂。这种带负电荷的糖萼形成物理和静电屏障，限制大分子和循环细胞的非特异性黏附和迁移，同时还参与剪切应力感知、血管张力调节和炎症信号传导。在生理性衰老过程中以及帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病中，已观察到内皮糖萼的显著降解或组成性重塑，其中核心1 O-聚糖结构受到特别影响。这些变化与BBB通透性增加、神经炎症加剧和认知能力下降相关。值得注意的是，使用腺相关病毒介导的基因递送在老龄小鼠中内皮特异性恢复核心1 O-聚糖生物合成可显著改善BBB完整性、减轻神经炎症并挽救认知表现，强调了特定O-糖基化通路在BBB维持中的功能重要性。BBB成熟还需要星形胶质细胞终足的协调作用。蛋白聚糖牙本质基质蛋白1在星形胶质细胞中高表达，其Ser89残基上的O-糖基化对于正确的星形胶质细胞极化和BBB的最终形成与维持至关重要。该位点的突变破坏星形胶质细胞功能，降低紧密连接蛋白ZO-1和基底膜层粘连蛋白的表达，导致严重的BBB损伤。总之，这些发现表明特定的O-糖基化事件，包括核心1 O-聚糖和DMP1-PG的O-糖基化，对于BBB发育、稳态和衰老过程中的功能维持至关重要。
5.2 生命早期营养性糖基化与神经发育
生命早期的外源性糖基化相关营养对脑发育产生深远影响，并可能有助于长期功能结局。人乳，特别是其丰富的HMOs和糖蛋白，是一个突出的例子。流行病学研究表明，人乳中总岩藻糖基化和唾液酸化寡糖水平较高与婴儿后期语言和认知评分呈正相关。相应地，与配方奶喂养的婴儿相比，母乳喂养的婴儿脑中神经节苷脂和蛋白质结合唾液酸水平更高。唾液酸化乳寡糖可能有助于新生儿唾液酸可用性并影响脑代谢，特别是在内源性合成有限的时期。动物研究表明，生命早期提供的膳食唾液酸可以被吸收并可能通过全身循环影响脑糖基化。唾液酸补充增加参与唾液酸代谢和多聚唾液酸合成的基因表达。它还升高海马BDNF水平并增强PSA-NCAM修饰。这些分子变化伴随着树突棘形成增加和突触可塑性改善。功能上，这些效应转化为学习和记忆表现的增强以及海马LTP的加强。生命早期补充2′-FL同样赋予持久的神经行为益处，增强成年期的学习、记忆和海马LTP。相比之下，生命早期特定唾液酸化HMOs的缺乏导致社交行为和认知的持续损害。在小鼠模型中，母体高血糖和高脂喂养改变了乳中唾液酸化寡糖和唾液酸的浓度，而母体唾液酸补充增加了后代脑唾液酸水平并改善了认知表现。总之，这些研究表明通过生命早期营养获得的糖基化相关营养可能通过调节肠道微生物组成、提供代谢底物或改变宿主信号通路来影响神经发育。
5.3 糖基化在神经可塑性和行为中的作用
在成年脑中，糖基化保持高度动态，并在调节神经可塑性和行为中发挥重要作用。PSA-NCAM在海马和嗅球等神经发生区域高表达。其高度带负电的多聚唾液酸链减少细胞间黏附，促进轴突生长、突触重塑以及新生神经元的迁移和整合，从而在学习记忆过程中发挥核心作用。3′-SL通过调节肠道微生物群组成和宿主唾液酸代谢增强海马PSA-NCAM表达，导致学习和记忆表现改善。特定HMOs，包括3′-SL和2′-FL，也诱导中脑边缘多巴胺能系统内基因表达和功能的长期变化，并具有明显的性别依赖性效应。除这些机制外，细胞内糖基化也参与神经发生调节。在成人神经干细胞/祖细胞中，由O-GlcNAc转移酶催化的O-GlcNAc糖基化通过修饰Notch的跨膜和胞内结构域来调节细胞周期进程、神经发生和神经元分化。Ogt缺失减少aNSPCs池并扰乱正常神经发生。这种细胞缺陷在体内伴随认知损害。在突触水平上，突触囊泡释放蛋白如突触结合蛋白1的N-糖基化在钙依赖性神经递质释放中发挥必要作用，其特征是高岩藻糖基化和末端半乳糖基化。核心岩藻糖基化也有助于突触可塑性。FUT8缺失损害海马LTP并改变AMPA受体转运，突出了核心岩藻糖基化在学习记忆过程中的关键作用。HMOs，特别是2′-FL，在调节行为表型方面显示出相当大的潜力。在实验模型中，2′-FL通过迷走神经依赖性机制增强脑功能，包括情境恐惧记忆的改善。此外，2′-FL改善母体免疫激活模型后代的社交行为和认知灵活性，这一效应与微生物群-胆汁酸代谢轴的调节相关。在生命早期应激条件下，2′-FL减轻小鼠的焦虑样行为和杏仁核过度活跃，在注意缺陷/多动障碍大鼠模型中，2′-FL或双歧杆菌合生元治疗的生命早期干预改善了学习、记忆和多动症状。临床研究为这些观察提供了初步支持。补充2′-FL增加肠道双歧杆菌丰度，并与老年人视觉记忆改善相关。含有2′-FL的益生元制剂也与工作人群压力相关症状减轻相关，尽管已报道了显著的个体间差异。除HMOs外，其他聚糖相关化合物也显示出沿肠脑轴的调节潜力。例如，糖基化黄酮类化合物α-糖基异槲皮苷通过肠脑轴调节认知和情绪行为。
6. 脑至肠道调节肠道糖基化的证据和候选通路
与肠道至脑信号传导相比，脑至肠道对肠道糖基化的调节研究较少。当前研究表明心理应激可以改变上皮α1,2-岩藻糖基化、黏蛋白O-聚糖结构和黏膜糖蛋白丰度。
6.1 心理应激与肠道糖基化
心理应激可以改变肠上皮糖基化。CSDS降低远端小肠中Fut1和Fut2的表达以及几种岩藻糖特异性凝集素的反应性。这种变化的区域分布表明肠道糖基化并非对心理应激均匀响应。然而，该研究未确定导致上皮岩藻糖基化减少的神经、内分泌或免疫信号。除上皮岩藻糖基化外，心理应激可以改变肠道黏蛋白携带的O-聚糖结构。在水回避应激模型中，质谱分析揭示了肠道黏蛋白O-聚糖的显著变化，包括含多聚乳糖胺的延伸结构的出现。这些变化在没有杯状细胞数量或Muc2表达可检测改变的情况下发生，并伴有黏液 cohesiveness 降低、肠道通透性增加和内脏超敏反应。益生菌治疗既防止了O-糖基化变化也防止了黏液性质损害。该研究提供了心理应激可以在不依赖黏蛋白丰度的情况下修饰肠道黏蛋白糖基化的直接结构证据。
6.2 应激相关的肠道黏蛋白调节
心理应激也可能通过调节高度糖基化黏膜蛋白的丰度来改变肠道黏液屏障。在慢性应激模型中，跨膜黏蛋白MUC13在肠上皮中选择性减少。这种减少部分由肝细胞核因子4转录因子家族介导。此外，Muc13缺失足以诱导类似于应激后观察到的微生物组变化并促进绝望样行为。这些发现表明应激诱导的上皮黏蛋白变化可以导致微生物失调和行为异常。然而，该研究检查了Muc13表达而非MUC13携带的O-聚糖结构。
6.3 潜在调节机制和未解决问题
IL-22-FUT2通路为应激相关的肠道岩藻糖基化变化提供了一种可能的解释。心理应激诱导糖皮质激素依赖性的参与IL-22产生的肠道CD45
+ CD90
+细胞丧失，而糖皮质激素受体阻断或重组IL-22恢复黏膜免疫和上皮Fut2表达。然而，最终的α1,2-岩藻糖基化聚糖结构未被直接测量。神经活动也可以直接
