腸道微生物的色氨酸代謝物對宿主腸道健康影響的研究進(jìn)展

王榮蛟，莫 蘇（MOE MOE SWE），袁再美，和世春，和少英，郭太情，劉 萍，毛華明*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201；2.攀枝花市農(nóng)林科學(xué)研究院，四川攀枝花 617000；3.昆明市動物疫病預(yù)防控制中心，云南昆明 650033）

動物胃腸道中棲息著種類繁多的微生物，它們參與宿主營養(yǎng)代謝并形成一系列產(chǎn)物。腸道微生物產(chǎn)生的代謝物作為重要交換因子，參與調(diào)控腸道微生態(tài)平衡和免疫功能。代謝組學(xué)分析表明，腸道細(xì)菌通過包括色氨酸代謝物在內(nèi)的多種代謝物影響宿主的代謝和免疫。其中，色氨酸代謝產(chǎn)物作為哺乳動物腸道健康的免疫調(diào)節(jié)因子受到研究人員廣泛關(guān)注。色氨酸代謝是發(fā)生在宿主及其腸道共生微生物群中一個多途徑的、復(fù)雜的過程。研究發(fā)現(xiàn)，動物腸道中的細(xì)菌、真菌和原蟲等微生物有助于色氨酸關(guān)鍵代謝物形成，如微生物群落中合成代謝的-色氨酸、真菌合成的小肽、吲哚及其衍生物。這些代謝物參與維持動物腸道穩(wěn)態(tài)，并對宿主健康有直接影響。黏膜表面通過對微生物代謝產(chǎn)物的識別和反應(yīng)來激發(fā)先天和適應(yīng)性免疫保護(hù)，構(gòu)成腸道防御的第1 道屏障。例如，通過刺激細(xì)胞因子的產(chǎn)生，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞抗菌蛋白的合成和分泌，或促進(jìn)免疫細(xì)胞的分化，其中受微生物代謝產(chǎn)物影響特征明顯的是固有層CD4T 細(xì)胞和先天淋巴細(xì)胞（ILCs）。消化道內(nèi)共生微生物產(chǎn)生的色氨酸代謝物通過激發(fā)被動保護(hù)、調(diào)整腸道微生態(tài)平衡等方式對宿主的生理產(chǎn)生影響。本文綜述了腸道微生物與色氨酸代謝的特點(diǎn)及其在宿主免疫調(diào)節(jié)和腸炎性疾病中的作用，為進(jìn)一步認(rèn)識色氨酸代謝產(chǎn)物對腸道健康的影響提供參考。

1 腸道細(xì)菌、真菌、原蟲與色氨酸代謝

動物的腸道中存在豐富多樣的微生物群落，如細(xì)菌、真菌、原生動物、病毒、古細(xì)菌等。除了病毒和古生菌外，大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動物可以通過不同途徑代謝色氨酸，并產(chǎn)生影響宿主健康的生物活性分子。病毒只能從宿主獲得基因并維持其基因以支持宿主代謝，如核質(zhì)大DNA 病毒介導(dǎo)的宿主重編程可能是一種重要方式，以增加病毒的繁殖能力，但其自身沒有代謝能力。因此，這些來自腸道細(xì)菌、真菌、原生動物的色氨酸代謝產(chǎn)物的研究結(jié)果更具有代表性。

1.1 細(xì)菌與色氨酸代謝 腸道細(xì)菌產(chǎn)生的相同色氨酸代謝產(chǎn)物是吲哚衍生物。大部分相同類型的色氨酸代謝物主要來源仍然未知。因此，在探究其代謝產(chǎn)物的生理功能之前，需要認(rèn)識不同微生物色氨酸代謝特性。腸道微生物直接將色氨酸轉(zhuǎn)化為多種生物活性分子，執(zhí)行腸道健康的多重功能。腸道細(xì)菌會代謝過量的膳食色氨酸，產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，如吲哚乙酸（IAA）、吲哚硫酸（ISA）、吲哚- 3 -乙醛（IAAld）、吲哚-丙烯酸（IA）、吲哚- 3 -醛（IAld）和色胺（圖1），這些代謝物大部分是芳香烴受體激動劑。羅伊氏乳桿菌提供-色氨酸的吲哚衍生物（如ILA），可激活芳香烴受體（AhR），導(dǎo)致基因家族下調(diào)，并將CD4上皮淋巴細(xì)胞（CD4IELs）細(xì)胞重編程為雙陽上皮性淋巴細(xì)胞（DP IELs）細(xì)胞，其他吲哚衍生物可能也有類似效果。細(xì)菌介導(dǎo)的色氨酸代謝物含有吲哚生物活性，如ISA 和抗氧化劑吲哚-3-丙酸（IPYA）。其中IYPA 的產(chǎn)生完全依賴于腸道菌群的存在，并且可以促進(jìn)產(chǎn)孢梭狀芽孢桿菌定植。細(xì)菌衍生代謝物能夠通過特定藥理靶點(diǎn)對宿主生理產(chǎn)生直接影響，細(xì)菌代謝色氨酸產(chǎn)生的色胺作為腸上皮GPCR 5-HT4 受體的配體調(diào)節(jié)胃腸蠕動。

圖1 細(xì)菌、真菌和原生動物的色氨酸代謝產(chǎn)物[15]

1.2 真菌與色氨酸代謝 腸道菌群由多界微生物群落組成。細(xì)菌作為宿主生理發(fā)展的重要參與者其作用已經(jīng)確定，但真菌的作用仍有待確定。因?yàn)檎婢谀c道微生物群中所占比例低于1%。真菌的作用和重要性長期被忽視。腸道真菌定植誘導(dǎo)腸外淋巴組織中生發(fā)中心（GC）依賴的B 細(xì)胞擴(kuò)張，并產(chǎn)生系統(tǒng)性抗體，對播散性白色念珠菌或耳念珠菌感染提供保護(hù)。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子Umе6 是絲狀結(jié)構(gòu)的主要調(diào)節(jié)因子，它抑制腸道定植是通過激活菌絲特異性促炎癥分泌蛋白酶Sap6 和菌絲細(xì)胞表面黏附素Hyr1 的表達(dá)，而不是通過影響細(xì)胞形狀。與細(xì)菌類似，許多真菌（如藤枯菌、增殖鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、黃萎病鐮刀菌、f. sp.等）通過吲哚乙酰胺和吲哚丙酮酸（IPYA）途徑參與吲哚乙酸（IAA）的生物合成。IAA 的合成存在2 種途徑，色氨酸代謝途徑和不依賴色氨酸途徑。不依賴色氨酸的途徑合成IAA 的生物合成機(jī)制仍未被探明。

1.3 原蟲與色氨酸代謝 原蟲是動物腸道中十分普遍的原生生物被認(rèn)為是寄生蟲，且對宿主存在不利影響。然而，腸道內(nèi)的真核生物通常是共生微生物，它們與宿主相互作用而不影響宿主，部分原蟲甚至有益于腸道微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。隱孢子蟲、內(nèi)阿米巴原蟲、芽囊原蟲、蠕蟲廣泛存在于腸道中。鞭毛蟲（）是一種變形蟲，獲得了一種細(xì)菌基因，并被進(jìn)化為產(chǎn)生對甲酚來執(zhí)行抑菌活性；此外，腸道中真核生物對哺乳動物宿主存在有益影響。腸道寄生蟲和某些細(xì)菌微生物群都被認(rèn)為具有強(qiáng)大的免疫調(diào)節(jié)作用。最近的研究表明，蠕蟲感染改變了細(xì)菌腸道微生物群組成，而細(xì)菌微生物群落的存在和組成影響蠕蟲在哺乳動物宿主中的定居和持續(xù)生存。部分寄生蟲因具有有益的免疫調(diào)節(jié)作用而備受關(guān)注，這些作用還與色氨酸代謝紊亂和色氨酸消耗增加有關(guān)。鞭毛蟲可通過TnaA 活性產(chǎn)生大量的吲哚，布氏錐蟲（）促進(jìn)色氨酸代謝產(chǎn)生大量的IPYA 和吲哚乳酸。

微生物和寄生蟲在與哺乳動物宿主協(xié)同進(jìn)化中，通過與宿主共生和協(xié)同的途徑引起宿主免疫調(diào)節(jié)，促進(jìn)自己的生存。相對于寄生或病原生物體物種，共生的微生物與其區(qū)別在于生存方式不同以及自我調(diào)節(jié)的改變。在菌群進(jìn)行自我調(diào)節(jié)中，共生菌群在很大程度上是以對宿主的最小傷害來調(diào)節(jié)環(huán)境。腸道微生物系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)對于維持腸道健康至關(guān)重要，共生菌群的調(diào)節(jié)方式、活性代謝產(chǎn)物相互作用，并與宿主先天和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)相互作用以維持腸道健康。腸道微生物之間是如何與宿主免疫系統(tǒng)形成溝通應(yīng)答，以及它們之間通過哪些信號來維持腸道的健康，甚至色氨酸的微生物代謝物是否在這種溝通中發(fā)揮重要作用仍然不清楚。

2 色氨酸代謝產(chǎn)物在宿主免疫調(diào)節(jié)中的作用

大量微生物產(chǎn)生的色氨酸代謝物對芳香烴受體（AhR）具有激活潛能，AhR 的激活進(jìn)而刺激靶基因表達(dá)、與營養(yǎng)物質(zhì)和腸道微生物群落的相互作用共同影響腸道穩(wěn)態(tài)。針對腸道菌群代謝色氨酸并產(chǎn)生特定的代謝物等方面已開展大量研究，但微生物色氨酸衍生物的特性仍然不清楚。因此，發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的生物標(biāo)志物，并更好地理解其在復(fù)雜條件下的作用機(jī)制，了解和選擇具有代表性的腸道微生物色氨酸代謝物是一個重要的研究方向。

腸道微生物色氨酸代謝產(chǎn)物對腸道黏膜免疫存在影響。黏膜免疫系統(tǒng)是機(jī)體內(nèi)結(jié)構(gòu)完整且調(diào)控完善的免疫系統(tǒng)，能夠?qū)ν饨绮≡钥乖a(chǎn)生強(qiáng)烈的免疫應(yīng)答，并保持對非病原性抗原的免疫耐受。腸道微生物色氨酸代謝產(chǎn)物對黏膜免疫系統(tǒng)的調(diào)控包括腸道上皮屏障功能、腸道上皮內(nèi)分泌細(xì)胞、腸道微生物相互作用以及誘導(dǎo)受體或細(xì)胞因子在腸道固有免疫細(xì)胞上表達(dá)。

腸道微生物色氨酸代謝物可以通過靶向特定的宿主受體和通路來調(diào)節(jié)宿主防御機(jī)制（圖2）。IPYA 是由腸道菌群產(chǎn)生的一種抗結(jié)核分枝桿菌活性物質(zhì)。腸道中的IPYA 由數(shù)種細(xì)菌（包括產(chǎn)孢梭菌）的芳香族氨基酸產(chǎn)生，IPYA 其作為單一的細(xì)菌衍生色氨酸衍生物，能夠改善小鼠的腸道屏障功能、調(diào)節(jié)黏膜免疫并表現(xiàn)出神經(jīng)保護(hù)作用。色氨酸代謝產(chǎn)物通過維持頂端連接復(fù)合體（AJC）來抑制肌動蛋白調(diào)控腸上皮通透性的激活。由于AhR 參與調(diào)節(jié)厭食激素的分泌以及葡萄糖和胰島素調(diào)節(jié)的代謝，腸道微生物色氨酸代謝產(chǎn)物在代謝綜合癥中大多表現(xiàn)出有益作用。有研究表明，IA 誘導(dǎo)了CYP1A1.95 的表達(dá)，CYP1A1 編碼基因?qū)儆贑YP450酶家族，分布在許多肝外組織，主要分布在胃腸道參與毒性代謝。色氨酸通過蛋白合成、直接轉(zhuǎn)化及犬尿氨酸和5-羥色胺途徑，產(chǎn)生NAD等衍生物，其中吲哚可激活芳香烴受體調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。5-羥色胺作為G-蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）在結(jié)腸上皮中特異表達(dá)，并介導(dǎo)色胺的生物學(xué)效應(yīng)，包括上皮分泌、腸道運(yùn)動和免疫調(diào)節(jié)。色胺刺激腸嗜鉻細(xì)胞（ECs）分泌5 -羥色胺并刺激胃腸道運(yùn)動，但5 -羥色胺不介導(dǎo)色胺的作用。腸道中5 -羥色胺的過度釋放會導(dǎo)致局部運(yùn)動增強(qiáng)，導(dǎo)致腹瀉，擾亂腸道免疫系統(tǒng)平衡，影響上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（IELs）水平、CD4/CD8T 淋巴細(xì)胞和B 淋巴細(xì)胞增殖分泌性免疫球蛋白A 和細(xì)胞因子的分泌。有研究表明，5-羥色胺是腸道中重要的細(xì)菌代謝物，正常的5-羥色胺水平有助于腸道內(nèi)健康的微環(huán)境，從而平衡細(xì)胞因子的水平。這證明了細(xì)菌代謝物可調(diào)控宿主的生理健康。

圖2 色氨酸代謝的途徑[15]

3 色氨酸代謝產(chǎn)物在宿主炎癥性腸病中的作用

微生物色氨酸代謝產(chǎn)物可能是控制腸道炎癥的關(guān)鍵活性物質(zhì)。已有的研究指出色氨酸代謝產(chǎn)物對減緩腸道炎癥甚至修復(fù)存在促進(jìn)作用。腸道微生物群和宿主炎癥反應(yīng)之間的相互作用可能是由共同的色氨酸代謝網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)。例如，在吲哚作用下促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子的表達(dá)可促進(jìn)腸道健康和調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)的協(xié)調(diào)變化。有研究表明，降低乳酸菌、梭菌和擬桿菌特異表達(dá)的葡聚糖硫酸鈉水平，可提高微生物色氨酸代謝調(diào)節(jié)IAA、IPYA 和IA 水平，最終通過觸發(fā)AhR 信號通路調(diào)控緊密連接蛋白來保護(hù)腸道屏障功能。小檗堿通過調(diào)節(jié)腸道微生物相關(guān)色氨酸代謝物激活A(yù)hR 來治療葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的大鼠結(jié)腸炎，從而大大改善受損的腸道屏障功能。Shin 等通過16S rRNA 基因測序的微生物組分析發(fā)現(xiàn)，吲哚胺2,3-加雙氧酶（Ido1）缺乏時，增加了產(chǎn)生吲哚類化合物的腸道細(xì)菌對色氨酸的消耗；Ido1/小鼠對腸道菌源吲哚代謝產(chǎn)物——硫酸3-吲哚酚的排尿量顯著高于Ido1/小鼠，來自Ido1/小鼠的細(xì)菌可以直接減輕葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度。IAA 作為色氨酸的特異性微生物代謝物，參與宿主基因調(diào)節(jié)腸道炎癥的過程，與微生物來源的AhR配體一起激活I(lǐng)L-22 通路，促進(jìn)結(jié)腸炎的恢復(fù)。

宿主基因可影響腸道微生物群的組成和功能，并改變微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生和腸道炎癥。許多發(fā)酵乳制品含有的乳酸菌（LAB）和雙歧桿菌，其中一些已被定性為益生菌，可以改變腸道微生物群。目前，可以使用針對特定通路的分子或利用微生物作為益生菌操縱色氨酸代謝從而調(diào)節(jié)宿主健康。

4 小結(jié)及展望

色氨酸代謝物作為宿主和微生物相互作用的關(guān)鍵物質(zhì)，在宿主生命健康過程中發(fā)揮著重要作用。細(xì)菌、真菌、原生動物三類腸道微生物有助于色氨酸關(guān)鍵代謝物形成，其中細(xì)菌的重要作用已確定；真菌和原蟲作為宿主生理發(fā)展的重要參與者以及其免疫調(diào)節(jié)作用而受到關(guān)注。腸道微生物的色氨酸代謝產(chǎn)物通過刺激靶基因表達(dá)、調(diào)控黏膜免疫系統(tǒng)、靶向作用于特定受體等方式來影響宿主的生理健康。微生物色氨酸代謝產(chǎn)物通過影響促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子的表達(dá)、觸發(fā)AhR 信號通路、調(diào)控緊密連接蛋白來減輕結(jié)腸炎程度和促進(jìn)結(jié)腸炎恢復(fù)。

腸道微生物的色氨酸代謝是一個復(fù)雜過程，涉及動物及其腸道中多種共生微生物的相互作用。腸道微生物之間相互作用、微生物與宿主免疫系統(tǒng)應(yīng)答機(jī)制以及它們之間通過哪些信號來維持腸道的健康等，仍然需要進(jìn)一步研究。探究各類腸道微生物色氨酸代謝物產(chǎn)生來源、代謝途徑、作用機(jī)制對于利用腸道微生物調(diào)控色氨酸代謝物，進(jìn)而調(diào)控腸道健康以及機(jī)體健康十分重要。