Chemical Reviews | 脂多糖知多少

脂多糖是大多数革兰氏阴性菌外膜的组成部分之一，在保护细菌免受应激、机体产生免疫反应等过程中起着重要作用。在过去的几十年间，人们对脂多糖有了更深入的认识。在本篇综述中将介绍脂多糖的功能结构、免疫系统相关生理功能以及讨论脂多糖的未来研究方向。

01脂多糖的历史

1.起源

脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）的故事起源于1888年科学家将热死亡的细菌注射到动物体内，观察到动物出现发热的现象。1892年，兼任德国医生与细菌学家的Richard Pfeiffer在研究霍乱弧菌时提出“内毒素”概念。1894年，意大利病理学家Eugenio Centanni利用复杂的实验手段首次分离出内毒素，证实了来自细菌裂解液致使动物发热的物质真实存在。他发现，革兰氏阴性菌均能够产生此类热稳定性强的物质，并推测其可能不是蛋白质。此时的内毒素仍是犹抱琵琶半遮面，人们为其苦恼不已。

2.发展

1935年，Andre Boivin与Lydia Mesrobeanu首次实现了内毒素的化学表征：内毒素是一种由糖与脂质组成的分子。脂多糖的概念是由Murray J. Shear在1943年正式提出的，用于描述一种能够诱导肿瘤出血的化学物质（结合在磷脂上的多糖分子）。LPS高效纯化方式提出后，关于LPS的研究爆炸式增长。部分物种来源的LPS完整结构解析、基因解码、生物合成与免疫学等相关研究为人们解开LPS的神秘面纱。1998年，诺贝尔生理学或医学奖得主Bruce Beutler发现Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）能够作为免疫感受器响应脂多糖。这份工作打开了LPS与先天性免疫系统的研究窗口，大量研究人员为此前赴后继，不断探索LPS未知的故事。

图1 脂多糖（LPS）的研究时间线

3.未来

截至目前，人们对LPS的研究工作已持续了两个多世纪。但仍有许多谜题尚未解开：

①参与识别并发挥生理功能的LPS关键原子是什么？LPS的核心寡糖区域与O-抗原能否参与识别过程？

②能够识别并结合LPS的蛋白质受体如何与LPS进行相互作用，其作用产生的下游生理功能如何影响机体。

③LPS与宿主之间的相互作用对彼此产生的影响程度仍是该领域的争议问题。

④肠道菌群中 “无害”的LPS是否参与并影响微生物感染过程或者人类疾病的发生发展。

⑤还有许多类型细菌的LPS的结构未得到解析。

针对上述科学问题，需要多学科交叉的共同合作开拓LPS的新研究方向，从多方面阐释LPS在生命世界中扮演的角色。人们深入了解LPS与疾病的联系，才能更好地开发相关疾病的诊断、治疗策略来帮助患者。在本篇综述中，作者将带领大家进入LPS的科研世界，介绍LPS的化学结构，解释细菌内毒素对科学领域产生的重大影响。

图2 脂多糖的现在与未来

02LPS的结构与组分

1. LPS的结构简介

（1）LPS结构对革兰氏阴性菌的影响

两亲性的LPS分子，由脂质A区域共价锚定在革兰氏阴性菌的外膜（outer membrane, OM)上。OM是革兰氏阴性菌高度结构化的生理屏障，主要原因是LPS紧密地通过共价锚定排列在OM上以及较强的静电相互作用。而且，邻近富集带有负电荷的磷酸盐与LPS分子表面的二价阳离子产生的离子相互作用，也极大增强了OM的屏障作用。由此可见，LPS是革兰氏阴性菌固有免疫的重要组成部分。

除了发挥重要的保护作用，LPS的结构也会影响革兰氏阴性菌菌落的表观形态。通常表现为光滑的细菌中LPS的类型主要为S型LPS（S-LPS）；通常表现为粗糙的细菌中LPS的类型主要为R型LPS（R-LPS）

（2）LPS的结构分析（图2）

S型LPS（S-LPS）：S-LPS由三部分组分组成：①脂质A（Lipid A）；②核心寡糖链（core OS region）；③O-抗原（O-antigen）。

R型LPS（R-LPS）： R-LPS仅由脂质A与核心寡糖链组成，而缺少O-抗原部分。

图3 S-LPS与R-LPS的结构分析

（3）研究LPS结构的方法

由于LPS在单株菌落通常表现为复杂多分子集合，从细菌提取到解析某种细菌LPS的结构通常需要分离纯化、分析结构组成元素以及推测LPS在细菌外膜的空间排列情况。本综述对此部分内容进行了详细展开，研究LPS结构方法的开发需要多学科技术的交叉，可帮助研究人员去理解LPS结构组成与生理功能之间的联系。对此感兴趣的读者可回到原文仔细阅读。

2.LPS的组分

（1）O-抗原（O-antigen）

O-抗原区域具有单糖的性质，再加上其糖苷键的位置、立体化学性质以及可修饰性（表格1），使之成为LPS可变性最高的部分。该区域的高度可变性决定了细菌的抗原特性，可保护细菌免受抗生素的毒害作用以及抵抗补体系统的溶解作用。此外，O-抗原还可参与细菌-细菌之间、细菌-噬菌体之间的相互作用。

（2）核心寡糖链（core OS region）

与O-抗原相比，核心寡糖链区域的结构变化较小，可进一步分为内核心寡糖与外核心寡糖。通常，内核心寡糖区域的特征单糖为Kdop，外核心寡糖区域的可变性高于内核心寡糖区域。核心寡糖链也可以被其他化学基团取代修饰（表格1），这些修饰与LPS表面的二价阳离子密切相关，也可能影响LPS在细菌外膜的折叠与组装以及生理作用。

（3）脂质A（Lipid A）

作为LPS的生物活性中心，脂质A通常由两个D-GlcpN单位组成：两个葡萄胺、磷酸盐和一定量的脂肪酸。疏水性的脂质A由酮苷键与内核心寡糖链相连，另外可将LPS锚定在细菌外膜上。虽然脂质A的结构高度保守，但微小的结构变化将影响脂质A的免疫刺激特性，这些变化可能来自环境对细菌的选择压力，细菌的自适应以及外部刺激等因素。

表格1 革兰氏阴性菌的LPS非糖基取代基结构

03LPS与先天性免疫

人们初识LPS的生理作用，是由TLR4蛋白质的发现展开的。TLR4蛋白质是一种能够结合LPS的跨膜受体蛋白质，多表达于单核细胞、巨噬细胞。接下来，将向大家介绍LPS与TLR4蛋白质的识别与相关细胞信号通路。

1.胞外LPS的呈递

当细菌在机体内释放外源性LPS后，LPS首先与脂多糖结合蛋白（LBP）的N端进行物理结合。随后LBP将LPS从N端转移至C端，并转运到免疫细胞膜表面的膜受体CD14。细胞膜表面受体CD14接过LPS后，又将LPS转运至TLR4蛋白质，最终完成胞外LPS到细胞膜表面的运输过程（图4）。

图4 胞外LPS抵达细胞膜表面

2.胞外LPS-TLR4相互识别与结合

胞外LPS与细胞膜表面结合后，MD-2蛋白将与细胞膜表面的TLR4蛋白质结合，两个MD-2/ TLR4形成二聚体。在MD-2蛋白的辅助下，TLR4蛋白质的胞外结构域识别并结合LPS，进而引起膜内结构域发生构象变化，由此产生的下游信号将激活细胞内的激活髓样分化因子88（Myeloid Differentiation factor 88，MyD88）、IL-1R相关蛋白激酶（interleukin recep-tor-associated kinase，IRAK）与IRAK2和肿瘤坏死因子受体活化因子6等信号因子参与的细胞信号通路。这一过程产生的效应将会激活机体的免疫系统，形成炎症反应（图5）。

图5 胞外LPS-TLR4细胞信号通路

04LPS与逃逸策略、共生策略

1.致病性细菌的逃逸策略：

为了躲避宿主免疫系统的追杀，细菌通常采用两种逃逸策略，一种是伪装细菌表面的免疫刺激组分，使宿主难以监测；第二种则是抑制免疫系统的激活，避免致命的免疫反应。LPS作为细菌的保护屏障，其三个主要组分均参与了细菌逃逸免疫系统的过程。首先，细菌的脂质A部分会发生两种修饰帮助细菌逃避免疫识别：①通过除去磷酸盐或者添加修饰基团改变细菌表面的总电荷，增强对先天性免疫系统的抗性；②脂质A结构发生酰化修饰，帮助细菌避免宿主免疫系统监测。另外，细菌发生抗原变异也可以帮助细菌逃避免疫识别。躲过一劫的细菌在宿主内释放LPS后，将会导致宿主体内环境处于紊乱状态，引起炎症疾病。

2.肠道菌群的共生策略：

当宿主的肠道菌群中生活着大量有益细菌，那么免疫系统又如何区分能与之共生和致病性的脂多糖，保持生理稳态？近期普遍的观点认为，宿主体内的免疫系统已经进化到能够准确识别、抑制并耐受其共生细菌群落的脂多糖。从宿主的角度分析，宿主在保持对致病性LPS警惕的同时，会通过下调TLR4蛋白质的表达帮助共生细菌躲避免疫系统的误杀。从共生细菌的角度分析，共生细菌可能会选择免疫刺激性较差的LPS作为保护屏障，来避免宿主体内的免疫反应。

05总结

本篇综述的作者总结了LPS的最新研究进展，为大家提供了一篇学习与了解LPS的综述性文章。回望LPS过往的发展，作者认为，尽管LPS不再神秘，但关于LPS在生命王国中所扮演的角色仍需要进一步探索：LPS结构的全面揭秘将对解析其生物学功能具有重要意义。强烈建议对该领域感兴趣的读者阅读原文，了解更多内容！

参考文献：

[1] Flaviana Di Lorenzo, Katarzyna A. Duda and Antonio Molinaro et al. A Journey from Structure to Function of Bacterial Lipopolysaccharides. [J]. Chem. Rev.2022,122, 15767−15821.

作者：刘姥姥进大观园

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