NATURE COMMUNICATIONS | 肠道菌群相关代谢物生物学功能解读—色氨酸代谢

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色氨酸是人体必需氨基酸，也是唯一含有吲哚结构的氨基酸，由膳食蛋白质提供。尽管摄入的大部分蛋白质在小肠中被消化和吸收，根据摄入量高低会有大量蛋白质和氨基酸（6-18g /天）到达结肠部，并由一系列共生菌群降解。随着蛋白质摄入增加、结肠碳水化合物耗尽、结肠pH增加以及结肠排空时间延长，菌群蛋白质分解代谢将会增加。结肠近端到远端发生的碳水化合物底物逐渐消耗会诱导菌群分解代谢从糖分解转变为蛋白水解发酵。已有报道表明特异依赖蛋白水解酶细菌的生长潜力低于非特异细菌和依赖糖代谢/脂肪代谢酶细菌，这说明当快速生长生态压力降低时，依赖蛋白水解酶细菌会快速生成。色氨酸的降解并不限于蛋白水解酶或远端结肠，如小鼠胃和回肠中Lactobacilli也可以分解代谢色氨酸。已有研究报道几种菌群能够将色氨酸转化为吲哚和吲哚衍生物(Table1)。肠道菌群通过各种代谢途径产生多种色氨酸代谢产物(Fig. 2)，例如梭状芽孢杆菌将色氨酸转化为色胺、吲哚乳酸(ILA)和吲哚丙酸(IPA)；消化链球菌属（Peptostreptococcus spp.）包括P. russellii，P. anaerobius和P. stomatis可将色氨酸转化为吲哚丙烯酸（IA）和IPA；乳酸杆菌属（Lactobacilli. Lactobacillus spp.）通过芳香族氨基酸氨基转移酶（ArAT）和吲哚乳酸脱氢酶（ILDH）将色氨酸转化为吲哚醛（IAld）和ILA。由此可见不同菌种可能存在相同代谢能力，比如消化链球菌属的相同代谢功能可能是基于这些菌种拥有苯乳酸脱水酶基因簇，在Clostridium cadaveris，Clostridium botulinum和Peptostreptococcus anaerobius中也发现与它们产生IPA能力一致的同源基因簇。当然，不同菌种之间也存在一定代谢能力差异，比如几种拟杆菌属和梭菌（Clostridium bartlettii）可以产生ILA和吲哚乙酸（IAA），而双歧杆菌属（Bifidobacterium spp.）产生ILA 。

虽然几个物种能够在体外代谢色氨酸（Table1），但仍然需要将菌群种类丰度与人体中色氨酸代谢物浓度联系起来研究，以确定人体肠道中色氨酸分解产物的主要生产者，如在健康成人粪便样品中检测到吲哚和IAA，平均浓度分别为2.6mM和5μM。然而，目前尚未准确评估出人体肠道中其他色氨酸分解代谢物（IPA，ILA，IAld，色胺和IA）的浓度，有研究报告健康成人血清中IAA 、IPA、ILA平均浓度为1.3μM、1.0μM、0.15μM，而最近的一项研究报告血清IPA平均浓度为50 nM。此外，孕妇尿液中色氨酸代谢物的平均浓度为IAA（61μM），甲基-IAA（8μM），色胺（9μM）和甲基-IPA（0.5μM）。尽管报道中浓度存在差异，但它们都显示在成人人群中吲哚是最丰富的微生物色氨酸代谢产物，其次是IAA和IPA。目前测定生物样本中微生物色氨酸代谢物浓度的方法具有一定局限性，因此需要针对更多种类的色氨酸代谢物建立更好的定量分析方法以满足比较不同生物样本（粪便，血液和尿液）和不同人群之间的代谢物浓度的现实需求。

尽管近年来肠道菌群色氨酸代谢产物与宿主的相互作用受到越来越多的关注，但关于色氨酸代谢对肠道微生物自身益处的认识有限。色氨酸具有多种代谢功能，例如，它可以掺入细菌酶的多肽链中，并作为辅酶NAD前体。 然而，在肠道环境中最重要的需求可能是菌群维持体内氧化还原稳态。在肠道中，菌群通过碳水化合物的氧化发酵产生ATP，因此必须进行补偿消耗。正如最近对乳酸菌参与的食品发酵所作的综述，微生物通过多种不同的反应来寻找最终的电子受体以便在缺氧条件下保持发酵代谢平衡。类似地，在肠道中色氨酸转胺生成的吲哚丙酮酸可以作为电子受体并通过ILA脱氢酶的作用还原为ILA(Fig. 2）。 因此，这种微调反应可以平衡氧化还原电位并使微生物在肠道中具有竞争优势。另外，在人类结肠中可能发生菌群对芳香族氨基酸降解产物交叉摄食的情况，并可能在竞争激烈的肠道生态系统中为特定细菌提供生长优势。

吲哚作为细胞间信号分子可通过对芽孢形成、质粒稳定性、耐药性、生物膜形成和毒性方面发挥重要作用从而影响微生物群落。目前吲哚乙醇（IE，色醇）已被确定为真菌中的群体感应分子，该代谢物对金黄色葡萄球菌、肠道沙门氏菌和乳杆菌具有抗菌活性。此外，IE抑制嗜热细菌Geobacillus sp. E263的噬菌体复制、虾体内病毒复制和寄生原生动物的增殖。ILA具有抗青霉菌株和抗大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌等抗菌活性。总的来说，吲哚对包括细菌、真菌和病毒在内的肠道群落发挥着调节作用，然而色氨酸代谢物是否也调节哺乳动物肠道的微生物群落仍有待探索。

色氨酸代谢物包括色胺、甲基吲哚、IAA、IA、IAld和ILA可作为芳烃受体（AHR）的配体。 AHR是免疫系统中被细胞广泛表达的转录因子，许多研究表明AHR活化以配体特异性方式改变先天性和适应性免疫应答。更重要的是，色氨酸代谢物对AHR的亲和力在小鼠和人之间甚至在实验室小鼠品系中均存在差异（已知存在四个等位基因可编码不同形式的AHR）。最近研究表明人类AHR比小鼠AHR对许多色氨酸衍生物具有更高的亲和力。这些研究表明啮齿动物AHR和人类AHR表现出不同配体选择性，所以基于啮齿动物研究结果进行人类AHR配体-受体相互作用预测时要考虑到这一个因素。此外，在肠细胞系模型中发现色氨酸分解代谢物是激动剂还是拮抗剂取决于它们的分子结构。比如，吲哚诱导的AHR激活可能是菌群促进粘膜稳态的一种方式；乳酸杆菌属通过IAld介导的AHR激活调节白细胞介素（IL）-22粘膜稳态，从而保护小鼠免受粘膜念珠菌感染；补充代谢色氨酸的三种乳酸杆菌菌株可通过AHR激活减弱小鼠肠道炎症，而在AHR拮抗剂存在下这一激活作用却被消除。因此，色氨酸代谢物作为AHR配体为微生物代谢物如何影响肠道和体循环中的免疫系统提供新的见解，色氨酸代谢物通过AHR途径减轻并改善人类相关疾病成为一个有趣的研究点。

体外和体内研究表明，吲哚通过上调参与维持上皮细胞结构和功能的基因表达来增强肠上皮屏障功能。IPA通过充当异生素传感器、孕烷X受体（PXR）的配体尤其在吲哚存在的情况下调节小鼠肠屏障功能。IPA还可降低高脂肪饮食小鼠的肠道通透性，如将无菌小鼠定植野生型或fldC突变C.sporogenes（IPA生成需要完整fldC基因），结果显示定植fldC突变组小鼠表现出FITC-葡聚糖渗透性增加，与肠道IPA水平降低一致（详见Nature：通过基因操纵肠道“君”调节菌群代谢物IPA影响宿主健康）。IA可通过促进杯状细胞分化和粘液分泌来促进肠上皮屏障功能并减轻小鼠的炎症反应，这也可能是由AHR激活介导。这些研究表明色氨酸代谢物可能通过PXR和AHR信号增强肠上皮屏障功能。

吲哚作为信号分子可调节小鼠永生化和原代结肠内分泌L细胞分泌胰高血糖素样肽-1（GLP-1），GLP-1在刺激胰腺β细胞分泌胰岛素、抑制食欲和减缓胃排空方面起着关键作用，因此，肠道中吲哚水平可能会影响食欲。研究表明血清IPA浓度升高与2型糖尿病患病率降低、胰岛素分泌及胰岛素敏感性增加有关，说明吲哚可能通过L细胞诱导的GLP-1分泌调节葡萄糖代谢。不过还需要进行更多研究以阐明色氨酸分解代谢物如何调节肠内分泌系统和包括葡萄糖代谢在内的代谢稳态。

色胺（一种由C. sporogenes和Ruminococcus gnavus产生的色氨酸代谢产物）是一种β-芳胺神经递质，影响肠道健康。在肠道中，色胺通过位于粘膜表面肠嗜铬细胞诱导神经递质5-羟色胺（5-HT）的释放，5-HT通过肠神经系统神经元来刺激胃肠动力。用小鼠结肠粘膜近中段尤斯灌流发现色胺本身可诱导电流发生显著变化，证实它可以影响肠上皮细胞的离子分泌，而离子分泌在胃肠运动中起着重要作用。因此，色胺可能作为影响肠道转运时间的信号分子，且已有报道表明肠转运时间与人肠道微生物组成、多样性和代谢密切相关。肠道易激综合征通常表现为慢性腹泻或慢性便秘，目前尚不清楚细菌产生的色胺是否在其发病机制中发挥作用。其中一个特别有趣的物种是R. gnavus，它在炎症性肠病（IBD）中过表达，可以产生色胺并利用粘蛋白，表明与肠嗜铬细胞紧密共生。与无菌小鼠相比， R.gnavus单菌小鼠显示出几种参与色氨酸代谢的基因诱导作用。同时R. gnavus是大约90％成人和婴儿中常见的肠道微生物，该物种产生的色胺可能会影响人类健康。

色氨酸代谢物通过肠上皮细胞吸收进入血液从而影响宿主生理机能，然后由尿液排出体外。之前研究表明IPA是羟基自由基清除剂，也是不同组织中氧化损伤保护剂。然而，最近的一项研究发现IA在LPS激活的人外周血单核细胞（PBMCs）中通过减少IL-6和IL-1β的分泌以及NRF2-ARE途径的激活而具有抗炎和抗氧化作用，NRF2-ARE途径被认为是预防神经退行性疾病和IBD的治疗靶点。IAA和色胺以AHR依赖性方式抑制小鼠巨噬细胞和肝细胞中促炎细胞因子水平，提示色氨酸分解代谢物也可以影响肝脏炎症反应。色氨酸代谢产物对细胞因子产生的影响可能取决于AHR活化，因为已有研究表明AHR信号传导修饰人树突细胞中Toll样受体（TLR）调控应答。

吲哚衍生物似乎是有益代谢物，但硫酸吲哚（IS）是个例外，它是吲哚在肝脏中由细胞色素P450酶（包括CYP2E1和磺基转移酶）作用下产生的宿主-微生物共代谢物。该代谢物作为尿毒素积累在患有慢性肾病（CKD）的患者中，其血清浓度约为100μM，而健康成人为2μM。IS是AHR激动剂，其诱导肾小管间质纤维化、肾小球硬化、血管内皮细胞功能障碍和内皮细胞氧化应激。IS的产生依赖于共生细菌，所以在无菌小鼠中检测不到。因此，操纵肠道微生物色氨酸分解代谢可能是降低IS循环水平的一种策略，使肠内色氨酸分解代谢偏离IS是否对肾脏疾病有益还有待于今后的研究。

除此之外，据报道色氨酸分解代谢物还可能在童年阶段、炎症性肠病（IBD）、神经性疾病等方面发挥至关重要的作用。

虽然已经鉴定了几种能够产生色氨酸分解代谢产物的细菌(Table1)，同时也获得了大量粪便宏基因组学数据，但寻找肠道中色氨酸代谢主要贡献者在很大程度上仍然未知。在开始确定菌群时，建议将微生物（宏基因组学）分析与来自人类队列的粪便样品色氨酸代谢物（代谢组学）定量分析相结合。这将能够发现色氨酸代谢物和微生物物种之间的重要关联，这可以通过经典的体外培养和代谢表型来验证。由于色氨酸代谢产物也可能由细菌之外的其他微生物产生，因此我们不能只分析细菌群落，还要跨界探索人类肠道其他微生物群。其次，一旦我们确定婴儿期、成人期、老年期肠道中的相关微生物和色氨酸分解代谢物，就必须要确定每种色氨酸代谢物在宿主（病理）生理学中的确切作用，并通过动物模型和干预实验揭示其在不同肠段、细胞及组织中的确切机制(Fig. 3)。最后，需要比较不同哺乳动物中AHR物种依赖性配体对色氨酸分解代谢物的偏好以强调在人类细胞中研究色氨酸代谢物相互作用的重要性，而不仅仅是在鼠模型中进行研究。

目前，色氨酸代谢物与人类健康之间的联系仍然是探索性研究，大多数关联性数据仅来自于小鼠模型。因此，需要更全面地了解色氨酸代谢物的动力学及其从出生到老年、从健康到疾病不同生命阶段的功能。这可能会极大地扩展我们对肠道宿主-微生物在健康和疾病中交叉对话的理解。