關(guān)于我們
文獻(xiàn)分享丨JPR三甲胺和氧化三甲胺的生物學(xué)功能追溯
2022年3月，澳大利亞莫道克大學(xué)的Jeremy K. Nicholson和Elain Holmes團(tuán)隊(duì)在Journal of Proteome Research上發(fā)表了綜述文章“Balancing the Equation: A Natural History of Trimethylamine and Trimethylamine- N-oxide”，總結(jié)了TMA和TMAO的檢測(cè)分析方法以及其在系統(tǒng)生物學(xué)中的重要功能。
三甲胺（Trimethylamine, TMA）和它的氮氧化物氧化三甲胺（TMAO）廣泛存在于生物界和自然環(huán)境中，具有重要的生物學(xué)功能，比如細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。血清和尿液中的TMAO作為心血管疾病的危險(xiǎn)因素已經(jīng)引起越來(lái)越多的重視，然而這只是TMA/TMAO在眾多生物過(guò)程中發(fā)揮作用中的冰山一角。
1、生物學(xué)中的甲胺
甲胺在生物界中廣泛存在，由原核生物和真核生物通過(guò)特定的代謝通路合成，一部分甲胺也可以通過(guò)非生物過(guò)程合成 （Figure 1）。甲胺的廣泛存在也預(yù)示著其在演化生物學(xué)中的重要作用。本綜述相對(duì)全面地總結(jié)了TMA和TMAO的生物學(xué)功能，主要強(qiáng)調(diào)了其對(duì)人類生理和病理過(guò)程的影響。可以從頭合成TMA的微生物廣泛存在于多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，包括海洋沉積物、淡水和海水中的藻類群落和哺乳動(dòng)物的腸道。腸道中TMA主要來(lái)源是膽堿和甜菜堿的微生物降解或者由食物中的TMAO被腸道微生物還原產(chǎn)生。
Figure 1. (A) Overview of an abiotic formation of methylamine and (B) the four main microbial pathways of TMA metabolism including methanogenesis (green), anaerobic TMA dehydrogenase (pale blue), and aerobic TMA oxidation (brown) and acetogenesis (black).
由于TMA和TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展相關(guān)，因此目前受到了大量關(guān)注，而它們的其他生物學(xué)功能則很少被提起，多年前的有關(guān)TMA的古老文獻(xiàn)大多被遺忘。Chhibber-Goel等人的綜述詳細(xì)總結(jié)了一些鮮為人知的有關(guān)TMA的研究歷史。雖然化學(xué)結(jié)構(gòu)上TMA和TMAO有相關(guān)性，但是它們卻具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)功能。TMA通常被認(rèn)為是信息素或者化學(xué)信號(hào)劑；取決于細(xì)胞所處的化學(xué)環(huán)境，TMAO既可以保護(hù)細(xì)胞也可以破壞細(xì)胞。TMA最顯著的特性就是強(qiáng)烈的魚腥味，鑒于此，它在很的物種中既可以充當(dāng)化學(xué)引誘劑又可以充當(dāng)驅(qū)避劑。在大多數(shù)脊椎動(dòng)物中，TMA在肝臟黃素單加氧酶3（FMO3）作用下生成沒(méi)有氣味的TMAO。TMAO在一些魚類中可以作為滲透劑行使功能，防止尿素和其他變性作用對(duì)細(xì)胞蛋白功能的影響，在一些海洋生物和脊椎動(dòng)物中，TMAO可以充當(dāng)滲透壓、低溫和高靜水壓力刺激的保護(hù)劑。然而，有關(guān)TMAO穩(wěn)定蛋白的機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議。基于紅外研究和分子動(dòng)力學(xué)模擬，TMAO具有通過(guò)增強(qiáng)水的氫鍵相互作用來(lái)削弱肽-水相互作用的功能。詳細(xì)的有關(guān)TMA和TMAO生物學(xué)功能的總結(jié)見(jiàn)Figure 2.
Figure 2. Summary of exemplar biological functions of TMA and TMAO on various prokaryotic and eukaryotic organisms.
2、甲胺的分析測(cè)量
三甲胺TMA最早由Hofmann在1852年正式分離和鑒定出來(lái)。與其他胺類物質(zhì)相似，TMA具有強(qiáng)烈的刺激性氣味。TMA的有機(jī)/水分配系數(shù)很低（氯仿 logP 0.54）；pKa 為9.8；密度為空氣的兩倍。由于其密度較高，所以在產(chǎn)生TMA的生物周圍具有持久的氣味。TMA的沸點(diǎn)較低（3 ℃），蒸氣壓較高（25 ℃時(shí)為1610 mmHg ）。TMA可以由有機(jī)物、污水和食物殘?jiān)ㄌ貏e是來(lái)自食品漁業(yè)工業(yè)）分解產(chǎn)生，所以其在環(huán)境中廣泛存在。早在1900年就發(fā)現(xiàn)人體組織和體液，比如尿液、血液、糞便、膽汁和精液中也存在TMA。與此同時(shí)，發(fā)展了大量的生物樣品中甲胺及其相關(guān)化合物（膽堿、甜菜堿等）的檢測(cè)方法。環(huán)境中的TMA和其他甲胺類物質(zhì)的檢測(cè)也使用類似的方法。光譜學(xué)技術(shù)包括NMR、LC-MS和GC-MS是使用最為廣泛的方法。很多LC-MS方法采用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）模式選擇性地檢測(cè)特定類型的甲胺類物質(zhì)。TMAO和TMA的檢測(cè)通常可以采用高通量模式完成，因?yàn)槠錁悠分苽溥^(guò)程簡(jiǎn)單，分析時(shí)間較短（GC-MS除外，因?yàn)槠湫枰瘜W(xué)衍生化）。TMAO在尿液和血液中相對(duì)穩(wěn)定，多次凍融并不會(huì)顯著影響其濃度。
3、TMA和TMAO在細(xì)菌中的生物學(xué)功能
TMA和TMAO可以作為大量生活在海洋、淡水和哺乳動(dòng)物腸道中細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。甲胺類物質(zhì)與細(xì)菌的關(guān)系可以使用基因組技術(shù)來(lái)研究，可以鑒定出細(xì)菌中能夠合成或者代謝TMA/TMAO的基因，或者將TMA/TMAO濃度與細(xì)菌的類別和種屬做相關(guān)分析。
3.1海洋和淡水細(xì)菌中的TMA代謝
在海洋環(huán)境中，特別是來(lái)自于SAR11和Roseobacter進(jìn)化枝的異養(yǎng)細(xì)菌能夠產(chǎn)生TMA以及氧化TMA。SAR11 α變形菌門為海洋中豐度最高的異養(yǎng)微生物，它的基因組相對(duì)較小（1308759 bp），編碼了一碳化合物和帶有甲基基團(tuán)化合物，比如甲醇、甲醛、甲胺、甜菜堿、TMA、TMAO和二甲基磺基丙酸酯的氧化途徑相關(guān)酶。因此，TMA和TMAO是海洋中氮碳循環(huán)的重要組成部分。
TMAO為細(xì)菌厭氧呼吸的底物，在細(xì)菌將TMAO還原成TMA時(shí)作為呼吸傳遞鏈的末端電子受體。將TMAO還原成TMA也是細(xì)菌的特征性代謝。西太平洋深海沉積物中屬于γ變形菌門的海洋細(xì)菌Shewanella在厭氧生長(zhǎng)時(shí)使用TMAO、硝酸鹽和硫酸二甲酯作為電子受體。
宏基因組分析海洋沉積物發(fā)現(xiàn)主要有三種酶參與將TMAO還原成TMA， 它們分別是膽堿-TMA裂解酶（CutC; 主要存在于厭氧海洋沉積物）、TMAO還原酶（TorA; 主要存在于海洋沉積物和開放海域）和甘氨酸甜菜堿還原酶（GrdH; 低豐度）。微生物代謝TMA的四條通路包括乙酸生成、甲烷生成、脫氫和有氧氧化，因此在海洋環(huán)境中，TMA代謝的主要產(chǎn)物是乙酸、甲烷、氨和甲醛（Figure 1B）。
細(xì)菌的酶要適應(yīng)其所在的環(huán)境條件。比如，靜水壓力增大會(huì)導(dǎo)致海洋細(xì)菌TMAO還原酶活性增強(qiáng)，這與適應(yīng)深海環(huán)境中高濃度的TMAO相符。Lidbury等發(fā)現(xiàn)在一些海洋細(xì)菌中，TMAO的吸收需要特異性的轉(zhuǎn)運(yùn)體，并且鑒定了一個(gè)獨(dú)特的三磷酸腺苷結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)體（TmoXWV）。
3.2 哺乳動(dòng)物中TMA和TMAO的代謝
在哺乳動(dòng)物中，腸道細(xì)菌將食物中的膽堿和肉堿轉(zhuǎn)換成TMA。Falony等已經(jīng)詳細(xì)地總結(jié)了與TMA產(chǎn)生相關(guān)的腸道細(xì)菌的基因和種屬，與海洋中產(chǎn)生TMA的細(xì)菌具有很多相似之處（Figure 1）。在哺乳動(dòng)物中能夠產(chǎn)生TMA的腸道細(xì)菌基因包括CutC、肉堿單加氧酶（CntA/B）和GrdH。與海洋環(huán)境類似，TMAO還原酶通路在人的腸道中最活躍，主要來(lái)自于變形菌門中的克雷伯氏菌和大腸桿菌屬，而CutC和GrdH主要來(lái)自于厚壁菌門。
腸桿菌科的某些成員也可以將TMAO逆向轉(zhuǎn)化成TMA，在TMAO的循環(huán)中也起了重要作用。糞便體外發(fā)酵研究表明TMA和雙歧桿菌、梭狀芽胞桿菌和球形菌相關(guān)，因此腸道中TMAO可以促進(jìn)腸桿菌屬的生長(zhǎng)。
在人體中，肉食和雜食者比素食者生成TMA和TMAO的能力要強(qiáng)，這與觀察所得的食草動(dòng)物體內(nèi)不存在產(chǎn)生TMA的細(xì)菌酶CntA/B或者低表達(dá)CutC以及循環(huán)中TMAO水平較低一致。食物中添加肉堿會(huì)導(dǎo)致血漿TMAO濃度升高，但是此效應(yīng)可以被抗生素?cái)z入所抵消，進(jìn)一步表明微生物在將肉堿代謝成TMA和TMAO過(guò)程中的重要作用。大量研究也表明無(wú)菌和抗生素抑制的嚙齒動(dòng)物不能產(chǎn)生TMAO。無(wú)菌大鼠暴露于正常實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，尿液中TMAO濃度逐漸上升，在大約21天后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在傳統(tǒng)小鼠模型中，補(bǔ)充肉堿可以導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)中TMA和TMAO升高，同時(shí)也導(dǎo)致糞便中Anaeroplasma、Prevotella和 Mucispirillum豐度升高。然而，補(bǔ)充TMA的前體物質(zhì)γ-丁甜菜堿與升高的Staphylococcus spp.、Akkermansia、 Parasutterella、Prevotella和Bacteroides豐度相關(guān)。微生物與TMA和TMAO產(chǎn)生之間的關(guān)系在細(xì)胞保護(hù)以及心臟代謝和其他慢性疾病中的作用也有很多深入研究。
4、TMAO在海洋和陸地環(huán)境中作為滲透劑和細(xì)胞保護(hù)劑
所有的生物都有應(yīng)對(duì)細(xì)胞周圍溶液滲透壓變化的方法。海洋中鹽度的變化、細(xì)胞中代謝廢物的累積、高溫和細(xì)胞外低溫冷凍都可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分的凈流出。滲透劑就是細(xì)胞內(nèi)能夠抵抗?jié)B透壓影響的分子。無(wú)機(jī)離子比如鉀離子或者不穩(wěn)定溶質(zhì)比如尿素可以調(diào)節(jié)水環(huán)境，同時(shí)也可能破壞細(xì)胞中的蛋白。破壞溶質(zhì)穩(wěn)定性的滲透劑有乙醇、尿素和精氨酸等，它們與蛋白表面發(fā)生相互作用進(jìn)而降低自由能，利于蛋白形成非折疊態(tài)。尿素可以直接與蛋白骨架中的極性基團(tuán)比如肽鍵相互作用從而使蛋白表面分子間相互作用減弱，破壞蛋白的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。它也可以間接地與溶液環(huán)境相互作用，改變疏水分子基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和水的動(dòng)力學(xué)來(lái)提高溶劑化能力。大多數(shù)生物體通過(guò)積累相容性的滲透劑來(lái)調(diào)節(jié)滲透壓，它們通常是不帶電或者兩性有機(jī)小分子，通過(guò)氫鍵與蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)相互作用來(lái)穩(wěn)定蛋白的結(jié)構(gòu)。溶液穩(wěn)定型滲透劑通過(guò)提升蛋白非折疊狀態(tài)的自由能來(lái)使蛋白易于形成折疊態(tài)。它們被生物體廣泛地用于抵抗破壞性滲透劑導(dǎo)致的不良效應(yīng)，保護(hù)生命體免于脫水、高鹽和極端溫度帶來(lái)的傷害。海洋軟體動(dòng)物、甲殼類動(dòng)物和魚類在海水的高滲透壓環(huán)境中就利用TMAO來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞體積。Yancey等闡明在海洋生物中TMAO是比甘氨酸甜菜堿和甘油更好的滲透劑。在一些海洋生物中，比如甲殼類動(dòng)物和某些鰓類動(dòng)物，TMAO是主要的滲透調(diào)節(jié)劑，其濃度可以高達(dá)0.2 M。在哺乳動(dòng)物和其他生物中，甲胺同樣作為無(wú)害性滲透劑和細(xì)胞保護(hù)劑，其可以積累在腎皮質(zhì)和髓質(zhì)中以防止脫水和抵消尿素和其他毒素對(duì)腎單位的有害影響。TMAO被認(rèn)為是腎臟的細(xì)胞保護(hù)劑，因?yàn)樗梢阅孓D(zhuǎn)NaCl和尿素高滲透壓導(dǎo)致的茚三酮陽(yáng)性物質(zhì)的積累，腎毒素比如溴乙胺和丙烯亞胺等的攝入會(huì)導(dǎo)致嚙齒動(dòng)物腎皮質(zhì)內(nèi)TMAO積累，同時(shí)尿液中排泄的TMAO降低， 但是在腎髓質(zhì)中TMAO的濃度通常很低。
雖然有很多研究使用多種方法來(lái)研究TMAO穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)的機(jī)制，但是其詳細(xì)機(jī)制仍然有爭(zhēng)議，目前提出的潛在機(jī)制主要如下：
1）降低蛋白和水之間氫鍵的強(qiáng)度：
在生理pH值條件下，TMAO是高度親水性的，傾向于與水形成氫鍵。
這增強(qiáng)了水氫鍵網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度從而減弱了水和蛋白極性基團(tuán)直接氫鍵的作用強(qiáng)度，導(dǎo)致優(yōu)先排斥蛋白表面的TMAO復(fù)合物。
這種氫鍵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的水稱為“冰山水”，使蛋白骨架蛋白的羰基脫水從而不易形成非折疊結(jié)構(gòu)。
在這種情況下，TMAO作為助溶劑，其通過(guò)與水相互作用來(lái)增加細(xì)胞蛋白和水的混溶性，而并不需要直接與蛋白發(fā)生相互作用。
除此之外，在不同壓力下的分子模擬和溶解度實(shí)驗(yàn)表明TMAO可以通過(guò)減弱水氫鍵和蛋白骨架的相互作用來(lái)間接穩(wěn)定蛋白內(nèi)氫鍵結(jié)構(gòu)。
2）分子擁擠：
TMAO被蛋白表面排斥，證據(jù)為發(fā)現(xiàn)蛋白周圍存在水分子擁擠環(huán)境，影響了蛋白周圍水分子結(jié)構(gòu)從而穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)。
一項(xiàng)最近的分子動(dòng)力學(xué)研究表明TMAO可以提高脂膜上的液/膠轉(zhuǎn)換溫度，增強(qiáng)脂分子的排列順序從而導(dǎo)致更大的堆積密度。
3）肽-尿素溶劑效應(yīng)的改變：
尿素與蛋白骨架相互作用導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)展開。
TMAO可以與尿素的氨基直接作用，從而降低尿素與蛋白的相互作用。
實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明TMAO可以提高溶解溫度，增強(qiáng)熱穩(wěn)定和增加蛋白展開自由能。
因此，TMAO可以穩(wěn)定折疊狀態(tài)蛋白的結(jié)構(gòu)或者逆轉(zhuǎn)錯(cuò)誤折疊和變性的蛋白，比如乳酸脫氫酶。
與以上提出的這些穩(wěn)定機(jī)制不同，Liao等人采用X射線拉曼散射光譜表明其他的滲透劑比TMAO對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響更強(qiáng)烈。因此，他們推測(cè)其機(jī)制是TMAO作為折疊蛋白的極性和非極性表面交界處的表面活性劑，而與分子擁擠和氫鍵并沒(méi)有關(guān)系。
作為細(xì)胞保護(hù)劑，TMAO以多種方式發(fā)揮作用。在海洋環(huán)境中，TMAO還可以保護(hù)蛋白免于壓力變化導(dǎo)致的變性。比如，硬骨魚肌肉和血漿中TMAO濃度與其生活的深度呈線性相關(guān)，暗示TMAO積累與壓力相關(guān)。在功能方面，升高的TMAO濃度可以降低靜水壓導(dǎo)致的某些酶的失活，比如乳酸脫氫酶和丙酮酸激酶。滲透劑在哺乳動(dòng)物腎中的作用與TMAO在海洋生物中作為蛋白穩(wěn)定劑的作用相似。當(dāng)腎臟由于脫水、高尿酸和其他毒素濃度導(dǎo)致滲透壓增大時(shí)，腎髓質(zhì)TMAO濃度會(huì)增加從而降低酶的解離速度。與此相反，Rani等人發(fā)現(xiàn)TMAO可以作為細(xì)胞破壞劑。當(dāng)TMAO處于高濃度時(shí)，TMAO可以與蛋白表面甚至整個(gè)疏水口袋直接發(fā)生相互作用，這會(huì)降低蛋白處于展開態(tài)的自由能，使平衡向變性方向偏移。
另一個(gè)TMAO作為細(xì)胞保護(hù)劑的例子是其在暴露腎毒素動(dòng)物的腎組織中累積，提示它可能在組織內(nèi)積累作為毒素誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激的一種響應(yīng)。在植物界，TMAO在植物中作為滲透保護(hù)劑和非生物脅迫誘導(dǎo)基因表達(dá)的激活劑，可以提升植物對(duì)干旱、高鹽和低溫環(huán)境的抵抗能力。TMAO還被證明能促進(jìn)微管多聚化，其是真核生物中有絲分裂和胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的必要結(jié)構(gòu)，由微管蛋白和其他蛋白形成的螺旋聚合物組成。甲胺中只有TMAO還可以保護(hù)由尿素和低溫刺激導(dǎo)致的微管解聚。如討論所述，TMAO不直接與蛋白相互作用，而是引起氫鍵增加導(dǎo)致蛋白水和化從而降低蛋白的暴露表面積。然而，即使TMAO在腎臟中濃度很高，但是抵抗尿素導(dǎo)致的微管蛋白不穩(wěn)定的效應(yīng)不能完全歸于TMAO, 它應(yīng)該是一個(gè)其他非破壞性滲透劑也參與的復(fù)合效應(yīng)。
雖然TMAO的主要作用看起來(lái)是細(xì)胞保護(hù)劑，但是它還有一些其他的用途 （Figure 2），比如一些海洋生物使用TMAO來(lái)控制浮力。Withers等人使用分子量和偏摩爾體積計(jì)算了血漿和肌肉中的溶質(zhì)組成，發(fā)現(xiàn)TAMO可以提供1.7 g/L的正向升力，密度比大多數(shù)溶質(zhì)比如鈉鉀離子都要低。另外，在盲鰻受到威脅時(shí)會(huì)排出大量的由五顏六色粘液團(tuán)來(lái)堵塞捕食者的鰓。這些粘液團(tuán)通過(guò)一種粘附作用而不容易分散，因?yàn)槠浜懈邼舛鹊募装罚渲芯陀蠺MAO、二甲基甘氨酸和甜菜堿。
5、TMAO作為細(xì)胞破壞劑
雖然像TMAO這樣的滲透劑通常可以穩(wěn)定蛋白來(lái)保護(hù)細(xì)胞和組織，但是Yancey發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有細(xì)胞破壞劑的情況下，穩(wěn)定蛋白可能會(huì)帶來(lái)不利影響。因此，“化學(xué)伴侶”或者“抵消溶質(zhì)”的概念比“相容溶質(zhì)”更加準(zhǔn)確。TMAO能夠增強(qiáng)蛋白質(zhì)和配體結(jié)合的穩(wěn)定性從而抵消很多細(xì)胞和組織中的尿素效應(yīng)，同時(shí)它也可以過(guò)度穩(wěn)定失去功能的蛋白聚合物，比如β樣淀粉蛋白。有一些研究表明TMAO既可以作為酶的激活劑也可以作為抑制劑，它也不總是能抵消尿素效應(yīng)。比如，尿素抑制乙醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、黃嘌呤氧化酶和過(guò)氧化氫酶；TMAO激活乙醇脫氫酶和乳酸脫氫酶，對(duì)黃嘌呤氧化酶有弱抑制作用，增強(qiáng)過(guò)氧化氫酶的熱穩(wěn)定性。這表明TMAO不總是抵抗尿素效應(yīng)。Mashino等人的研究表明當(dāng)TMAO選擇性穩(wěn)定催化循環(huán)的基態(tài)時(shí)，會(huì)抑制酶的活性；當(dāng)TMAO選擇性穩(wěn)定催化循環(huán)的過(guò)渡態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)酶有激活作用。TMAO對(duì)蛋白穩(wěn)定性的影響部分取決于所處化學(xué)環(huán)境的pH值。有一些蛋白，比如朊病毒、溶菌酶、核糖核酸酶A和載脂蛋白-α乳白蛋白，TMAO在pH高于其pKa時(shí)增強(qiáng)其熱穩(wěn)定性，低于其pKa時(shí)降低其熱穩(wěn)定性。另外一個(gè)決定TMAO對(duì)蛋白穩(wěn)定性影響的因素是蛋白折疊的動(dòng)力學(xué)。Kumari等人的研究表明恢復(fù)突變蛋白的折疊發(fā)生在快速折疊的蛋白中，比如朊病毒蛋白，但是不會(huì)發(fā)生在慢折疊蛋白，比如碳酸酐酶、辣根過(guò)氧化物酶和膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶，因?yàn)檫@些蛋白含有很多脯氨酸殘基，TMAO可以穩(wěn)定中間體并且降低完全折疊蛋白形成的速度。進(jìn)一步研究表明在碳酸酐酶的慢速重折疊階段，TMAO抑制了脯氨酸殘基的順?lè)串悩?gòu)，這一效應(yīng)是TMAO特有的，在其他滲透劑中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。TMAO處理HeLa細(xì)胞會(huì)抑制細(xì)胞活力，使處于有絲分裂S期的細(xì)胞增多。
因此，TMAO與蛋白之間的相互作用比較復(fù)雜，有關(guān)其對(duì)蛋白生理功能的正面和負(fù)面的影響均有報(bào)道。當(dāng)閱讀文獻(xiàn)時(shí)，必須要清楚體外實(shí)驗(yàn)環(huán)境與正常生理環(huán)境并不一致，比如物質(zhì)濃度、pH、溫度，在解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)要加以考慮。
6、TMA的信使功能
TMAO的功能可以寬泛地總結(jié)為穩(wěn)定蛋白，但是TMA的主要功能則是作為化學(xué)信號(hào)。現(xiàn)有研究已經(jīng)表明TMA既可以作為化學(xué)引誘劑也可以作為化學(xué)趨避劑。但是，不同的物種演化出不同的功能，比如信息素的檢測(cè)、吸引腐爛的食物來(lái)源，或者避免捕食者。雖然痕量胺受體的組織分布并不廣泛，但是作為嗅覺(jué)系統(tǒng)的一部分其可以誘導(dǎo)先天的動(dòng)物行為反應(yīng)，存在于所有哺乳動(dòng)物中。TMA對(duì)人類和大鼠是趨避劑，但是對(duì)小鼠、蒼蠅、蚊子和魚類卻是引誘劑，一些植物則使用TMA對(duì)食草動(dòng)物發(fā)出威懾。TMA在各種植物、動(dòng)物甚至某些真菌的生殖結(jié)構(gòu)中積累，對(duì)動(dòng)物的荷爾蒙和行為模式影響深遠(yuǎn)，包括一些兩棲動(dòng)物和魚類的求偶行為。小鼠尿液TMA的排泄已經(jīng)演化作為它們行為信號(hào)模式的一部分，這也一定程度上解釋了為什么小鼠尿液中TMA的濃度比大鼠的高。TMA在其他哺乳動(dòng)物比如牛中也作為化學(xué)引誘劑，在發(fā)情期奶牛的陰道液中的TMA可以引誘公牛的交配行為。小鼠和一些水生生物比如黑頭鰷魚分泌TMA作為一種領(lǐng)土信號(hào)分子。蛇分泌的TMA被認(rèn)為可以防止天敵捕食。
TMA在水中和脂類溶劑中都可溶，因此可以快速擴(kuò)散分布至全身。除此之外，它可以透過(guò)皮膚，在皮膚表面與空氣接觸，形成約2.86 atm的蒸氣壓，使它很容易揮發(fā)。但是，因?yàn)門MA密度是空氣的兩倍，在空氣中擴(kuò)散的速度并不快，這就使得分泌TMA的生物可以長(zhǎng)期帶有TMA，成為合適的化學(xué)信使。
TMA對(duì)小鼠的引誘性依賴于痕量胺相關(guān)受體5（TAAR5），在TAAR5敲除小鼠中，其引誘效果消失。TAAR5在多個(gè)腦區(qū)均有表達(dá)，預(yù)示其除了感受氣味和調(diào)節(jié)情緒行為還可能 有其他功能。Espinoza等人研究表明TAAR5敲除小鼠不容易焦慮，并且血清素代謝受到影響，表現(xiàn)為海馬中5-羥色胺和5-羥基吲哚乙酸水平降低。
TMAO作為細(xì)胞保護(hù)劑、TMA作為化學(xué)信使的具體生理功能在研究它們對(duì)心血管疾病和其他疾病中的貢獻(xiàn)時(shí)經(jīng)常被忽視。在理解TMAO對(duì)心血管疾病和其它疾病的影響時(shí)，全面了解飲食和血液中濃度變化與正常生理水平和節(jié)律的關(guān)系至關(guān)重要。
7、TMA和TMAO的自然變化和生物節(jié)律
體液和組織中TMA和TMAO的濃度以及其在人體內(nèi)的變化受年齡、性別、激素水平、生物節(jié)律、飲食和腸道菌群的影響。在健康成年人中，尿液中TMA和TMAO的濃度也會(huì)有變化，大多數(shù)研究報(bào)道的尿液TMAO濃度在6.8-181.2 μmol/mmol 相對(duì)肌酐，比TMA的濃度（0.21-0.98 μmol/mmol 相對(duì)肌酐）要高出好多倍，在吃了魚肉后TMAO/TMA的比值還會(huì)進(jìn)一步升高。在尿液中TMA和TMAO隨時(shí)間的穩(wěn)定性方面，Li等人發(fā)現(xiàn)樣品在-20℃放置30天并不會(huì)有任何變化，反復(fù)凍融5次也不會(huì)影響TMA和TMAO的濃度。健康的西方飲食人群空腹血漿中TMAO濃度為3.4-4.5 mM, 在12個(gè)月內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)受飲食、生活方式或者是日常生化分析影響。盡管腸道菌群與TMAO相關(guān)，但有關(guān)正常糞便中TMA和TMAO的濃度信息還不清楚。Fiori等人報(bào)道在兩個(gè)健康志愿者中，TMA的糞便濃度為0.080-0.146 μmol/g, TMAO的濃度為0.015-0.058 μmol/g。
7.1 年齡
人類與腸道微生物在演化過(guò)程中共同發(fā)展，與TMA/TMAO合成的關(guān)系非常明顯，這些化學(xué)物的濃度會(huì)隨著年齡變化。TMA和TMAO 的產(chǎn)生主要由微生物將飲食中的膽堿轉(zhuǎn)化而來(lái)，大量研究表明抗生素處理會(huì)顯著降低尿液和血漿中的TMAO含量。TMAO會(huì)由嬰兒的尿液中排出，濃度會(huì)在三到四歲時(shí)逐漸下降，提示早期嬰兒的腸道微生物可以處理母乳中含量較高的膽堿。一項(xiàng)研究表明早產(chǎn)兒TMAO、牛磺酸和肌醇對(duì)肌酐的平均比值比足月兒分別高14.1、4.3和10.1倍，提示TMAO可能作為滲透劑來(lái)平衡腎單位生理發(fā)育的不完全。
在成年人中，尿液中TMAO會(huì)隨著年齡增加。一項(xiàng)研究表明，小于45歲的健康成年人TMAO和二甲胺的平均濃度分別為62.5 ± 59.0 mmol/mol 相對(duì)肌酐和34.0 ± 6.5 mmol/mol 相對(duì)肌酐，大于45歲組分別為81.5 ± 66.8 mmol/mol肌酐和40.5 ± 10.6 mmol/mol肌酐。因?yàn)镕MO3的表達(dá)豐度并不受年齡影響，所以年齡和TMAO和TMA排泄的增加之間的相關(guān)性很可能反應(yīng)了隨著年齡的增長(zhǎng)腎過(guò)濾系統(tǒng)的效率下降或者與年齡相關(guān)腸道微生物的改變從而影響TMA的產(chǎn)生。
7.2 性別和激素的影響
尿液中TMAO和TMA的濃度在不同性別動(dòng)物之間具有顯著差異。在脊椎動(dòng)物中，TMA在雄性動(dòng)物的尿液中更高。一個(gè)可能的解釋是TMAO作為一種信息素發(fā)揮功能。與此不同，TMAO的濃度在雌性大鼠、小鼠和人類中更高。這一發(fā)現(xiàn)與女性肝臟中FMO3的表達(dá)豐度更高一致。然而也有研究表明TMAO的分泌不受性別影響。激素對(duì)性別差異導(dǎo)致的TMAO和TMA濃度不同的影響還不清楚，但是在人類中發(fā)現(xiàn)TMAO水平在月經(jīng)和更年期更高，雌性大鼠發(fā)情期TMAO濃度也較高。相反在男性群體，睪酮的水平與FMO3表達(dá)成負(fù)相關(guān)，這可能是在男性中TMA與TMAO的比值偏高的原因。
懷孕期間孕婦的血液和尿液中TMAO水平的升高也進(jìn)一步提示激素影響TMAO和TMA。血液中TMAO升高與先兆子癇、全身炎癥、內(nèi)皮功能障礙和血清脂多糖增加相關(guān)，這與腸道微生物和腸道屏障完整性的改變一致。血漿TMAO的水平和妊娠糖尿病的關(guān)系還存有爭(zhēng)議，而TMA的水平與不良妊娠事件包括妊娠糖尿病和胎兒發(fā)育遲緩相關(guān)。雖然TMA與胎兒生長(zhǎng)之間的相關(guān)性重復(fù)性不好，但是在動(dòng)物模型中比較清楚，給懷孕小鼠攝入0.75 mM TMA導(dǎo)致胚胎發(fā)育減緩約30%，并且73%的胚胎具有神經(jīng)管發(fā)育缺陷。通常情況下，當(dāng)在培養(yǎng)的胚胎中加入乙胺時(shí)，會(huì)看到明顯的毒性效應(yīng)，比如胚胎存活、大小以及DNA和RNA含量均有不良影響，TMA、DMA和單甲胺（MMA）毒性依次降低。
7.3 種族
雖然有關(guān)不同人群體液中TMA和TMAO濃度差異的報(bào)道，但是這些差異更多的是由飲食差異導(dǎo)致的，與種族本身關(guān)系不大。比如，瑞典和日本人的尿液中TMAO濃度比英國(guó)人要高，主要是因?yàn)樗麄兂粤烁嗟聂~肉。
7.4 晝夜節(jié)律
一些證據(jù)表明TMAO和TMA的排泄受晝夜節(jié)律影響。在小鼠模型中，早晨收集的樣品中TMA濃度較高，而TMAO濃度則比較低。在人類中，血液中TMAO濃度晚上比早上要高。睡眠剝奪也會(huì)導(dǎo)致尿液中TMAO和其他微生物相關(guān)代謝物濃度升高。
8、 飲食與TMAO濃度的相關(guān)性
TMA和TMAO的主要飲食來(lái)源前體物質(zhì)是膽堿和肉堿，三甲基賴氨酸和麥角硫氨酸對(duì)飲食中的TMA也有少量貢獻(xiàn)（Figure 2）。尿液和血漿中甲胺濃度均可以反應(yīng)飲食攝取的魚肉、紅肉、雞蛋、奶制品、豆制品、豆類和一些綠葉蔬菜。但是在考慮飲食對(duì)血液和分泌TMAO的影響時(shí)，應(yīng)該要清楚不同飲食之間的比較非常困難，因?yàn)槿鄙賹⒉煌嬍硜?lái)源TMAO標(biāo)準(zhǔn)化的方法，比如具體食用了哪種魚類以及采樣的時(shí)間點(diǎn)等。飲食干預(yù)后個(gè)體間的TMAO差異可以高達(dá)10倍，這表明除了腎功能和FMO3基因多態(tài)性，腸道微生物的組成在個(gè)體間存在較大差異。
海魚的攝入對(duì)尿液和血漿中TMA和TMAO的濃度具有強(qiáng)烈的影響，并且與魚的TMAO含量和種類以及環(huán)境都有關(guān)系。攝食后TMAO可以升高4.72-50倍，TMA也類似。血漿甲胺濃度在進(jìn)食15分鐘后開始上升，2小時(shí)后達(dá)到峰值，高水平的甲胺濃度至少可以保持6小時(shí)。第二大TMAO飲食來(lái)源是肉制品，尤其諸如牛肉等紅肉，其含有豐富的肉堿。Wang等人發(fā)現(xiàn)空腹尿液和血漿中TMAO濃度在攝取紅肉4周后會(huì)升高，而同等熱量的白肉或者植物蛋白對(duì)TMAO水平則無(wú)明顯影響，這與血液中TMA和TMAO與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)一致。直接在飲食中添加1.5 g/天劑量的肉堿，持續(xù)24周后會(huì)導(dǎo)致血漿中TMA濃度升高10倍，但是這與炎性標(biāo)志物，比如C反應(yīng)蛋白、腫瘤壞死因子α或者白介素6的變化無(wú)關(guān)。
飲食中蛋類和奶制品也可以提供少量的膽堿和肉堿，但是比魚肉和紅肉要少的多。有關(guān)奶制品對(duì)TMA/TMAO水平的影響結(jié)果并不一致。一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)攝食奶制品與血漿TMAO濃度正相關(guān)，而另一個(gè)研究則報(bào)道攝入奶制品后餐后血漿和尿液TMAO水平降低。這些研究也從側(cè)面表明比較飲食研究結(jié)果的困難，因?yàn)榉椒ā⒀芯咳巳汉蜆悠凡杉茈y做到協(xié)調(diào)一致。與奶制品類似，蛋類攝入對(duì)TMAO濃度的影響，有些研究發(fā)現(xiàn)其可以提高血液和尿液中TMAO的濃度，而有些研究則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著差別。為數(shù)不多的研究表明素食食物中抗性淀粉與血液中TMAO濃度升高相關(guān)。
全膳食對(duì)全身和排泄TMAO水平影響的詳細(xì)評(píng)估表明高蛋白飲食可以導(dǎo)致TMAO水平升高，與魚肉和紅肉相關(guān)研究一致。一些研究也表明，雜食動(dòng)物的尿液和血漿中TMAO含量比素食主義者要高。高脂飲食對(duì)TMAO的影響結(jié)果頗具爭(zhēng)議，僅有一項(xiàng)報(bào)道在5天的干預(yù)期內(nèi)，血液中TMA濃度僅在進(jìn)餐后的4小時(shí)有一過(guò)性升高。有研究表明減肥飲食可以降低血漿中TMAO濃度，一項(xiàng)研究表明血清TMAO濃度降低與膽堿TMA-裂解酶編碼屬，比如瘤胃球菌屬、副擬桿菌屬和擬桿菌屬相關(guān)。但是，如果不考慮飲食中膽堿和肉醬含量的影響，很難從上述實(shí)驗(yàn)中得到可靠的結(jié)論。
9、疾病狀態(tài)和紊亂
血液和尿液中TMAO和TMA的濃度與多種病理狀況直接正相關(guān)，包括心血管疾病、糖尿病、癌癥、自身免疫性疾病、多囊性卵巢綜合征和自閉癥；與其他疾病比如癡呆和炎癥性腸病負(fù)相關(guān)。但是，有關(guān)這些疾病的文獻(xiàn)結(jié)果并不一致，反映了人體與腸道微生物相互作用的復(fù)雜性。研究最多的與TMAO相關(guān)的慢性病包括心血管疾病、糖尿病和腎病，尤其是血漿TMAO濃度和心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)直接的關(guān)系。TMAO在心血管疾病發(fā)生中的作用仍然存有爭(zhēng)議，雖然絕大多數(shù)研究認(rèn)為TMAO和心血管疾病的發(fā)生有因果關(guān)系，但是一些研究組提議TMAO在人類病理中的作用需要更加全面和綜合的考量。TMA/TMAO與心血管疾病方面的研究已經(jīng)有比較全面的綜述，我們?cè)诖酥缓?jiǎn)要的總結(jié)一下TMAO和TMA與各種疾病的關(guān)系，主要關(guān)注在原核生物和動(dòng)物界保守的代謝，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)細(xì)菌通過(guò)TMA和TMAO代謝介導(dǎo)的對(duì)哺乳動(dòng)物病理過(guò)程。
9.1 魚腥味綜合征（原發(fā)性三甲胺尿癥）和一過(guò)性三甲胺尿
尿液、汗液和呼吸時(shí)分泌過(guò)多的TMA會(huì)導(dǎo)致身體有腐爛的魚一樣的味道，被稱為原發(fā)性三甲胺尿癥（TMAU, OMIM 602079）。這種代謝紊亂由Humbert在 1970年發(fā)現(xiàn)，由FMO3突變導(dǎo)致，F(xiàn)MO3突變使得TMA被氧化成TMAO的活性降低。目前已經(jīng)有超過(guò)40個(gè)突變會(huì)嚴(yán)重降低FMO3的活性。這種病的診斷主要通過(guò)遺傳篩選和測(cè)量TMAO/TMA比值，一個(gè)人如果TMA/(TMA+TMAO)的比值大于10%很可能得了魚腥味綜合征。TMUA患者的TMA水平通常會(huì)升高300倍，而TMAO水平也會(huì)有輕微升高。
英國(guó)白人雜合子的攜帶率為0.5-1.0%，其他人群攜帶率可能更高。TMUA的癥狀通常在出生時(shí)就出現(xiàn)了，在青春期和女性月經(jīng)期會(huì)加重。雖然TMUA沒(méi)有身體上的不適，但是難聞的氣味可能導(dǎo)致心理和社會(huì)問(wèn)題。TMUA病人攝入的TMA，70%會(huì)以原型排出。雖然抗生素治療和核黃素補(bǔ)充劑可以用于降低TMA水平，但是目前TMUA患者主要通過(guò)飲食限制TMA和TMA前體物質(zhì)，包括膽堿、卵磷脂和TMAO來(lái)治療，同時(shí)建議病人少吃牛奶、雞蛋、肝臟、腎臟、豆類、蕓苔屬植物和魚以及海鮮類食物。
9.2 心臟代謝疾病和腸道菌群的作用
9.2.1. 心血管疾病
TMAO已被確立為心血管疾病的危險(xiǎn)因素和病因之一，在多篇綜述中都有所介紹。總的來(lái)說(shuō)，血液中TMAO的濃度與心力衰竭、心肌梗塞、心臟性腎病死亡率、外周動(dòng)脈疾病和中風(fēng)相關(guān)，并獨(dú)立于其他傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素。其中一些研究表明血液中TMAO的濃度與下游死亡率相關(guān)。兩個(gè)大的隊(duì)列分析，共收錄了超過(guò)一萬(wàn)名參與者，發(fā)現(xiàn)血漿TMAO濃度升高使不良心血管事件發(fā)生率升高23-58%，全因死亡率增加55%。
目前，關(guān)于TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展的潛在機(jī)制有兩個(gè)假設(shè)：第一個(gè)是TMAO可以作為疾病的標(biāo)志物，反映心血管疾病和動(dòng)脈粥樣硬化性腎動(dòng)脈狹窄，因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致尿液中TMAO降低，同時(shí)伴有血漿中濃度升高；第二個(gè)是TMAO在疾病發(fā)展中起到了決定性作用，因?yàn)樗梢源龠M(jìn)泡沫細(xì)胞的累積，從而抑制膽固醇反向轉(zhuǎn)運(yùn)，影響膽汁酸和固醇代謝導(dǎo)致血小板活性升高來(lái)促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成。作為支持這一因果關(guān)系的證據(jù)，Zhu等人發(fā)現(xiàn)直接將血小板暴露于TMAO可以增強(qiáng)刺激依賴性血小板激活。腸道菌群在TMAO與心血管疾病發(fā)生的因果關(guān)系中起了至關(guān)重要的作用，因?yàn)門MAO的產(chǎn)生依賴于腸道微生物將飲食來(lái)源的膽堿和磷脂酰膽堿轉(zhuǎn)化成TMA。無(wú)菌小鼠不用利用飲食來(lái)源產(chǎn)生TMAO，也不會(huì)形成動(dòng)脈硬化粥樣斑塊。與此相似，通過(guò)口服抗生素來(lái)抑制腸道菌群既可以抑制TMAO的產(chǎn)生也可以抑制動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成。將高具有濃度血漿TMAO的促血栓形成小鼠的腸道菌群移植給無(wú)菌小鼠也導(dǎo)致被移植小鼠血液中TMAO水平升高，血栓形成的可能性增大。
TMAO可以通過(guò)促進(jìn)NLRP3炎性體來(lái)影響血管炎癥，導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子白介素1β和白介素18的釋放，抑制一氧化氮的產(chǎn)生。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了腸道菌群在TMAO促進(jìn)心血管疾病中的重要作用。但是，也有一些研究發(fā)現(xiàn)血漿TMAO與炎性標(biāo)志物比如C反應(yīng)蛋白并無(wú)相關(guān)性。轉(zhuǎn)錄因子FoxO1是代謝疾病的重要驅(qū)動(dòng)因子，可以結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激酶PERK。TMAO可以誘導(dǎo)FoxO1表達(dá)，通過(guò)腸道菌群來(lái)降低TMAO水平可以降低PERK激活和肝臟FoxO1水平，進(jìn)一步表明宿主與腸道菌群相互作用的重要性。
顯然，TMAO參與動(dòng)脈粥樣硬化形成，涉及飲食、微生物和宿主信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程之間的復(fù)雜相互作用。飲食作為血液中TMAO的來(lái)源已經(jīng)被廣泛討論過(guò)，與越來(lái)越多的證據(jù)表明TMAO與冠心病直接相關(guān)相反，攝入富含TMAO的魚肉長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為與降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。一些研究報(bào)道TMAO的前體物比如肉堿、膽堿或者甜菜堿與主要心血管事件相關(guān)，同時(shí)也有報(bào)道并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)性，另外還有研究表明心血管疾病危險(xiǎn)因素主要是TMA介導(dǎo)的，而不是TMAO。例如，在大鼠模型中，TMA可以導(dǎo)致平均動(dòng)脈血壓升高，而TMAO則沒(méi)有任何影響。已經(jīng)有綜述文章指出了關(guān)于TMAO和它在心血管疾病中作用的理論并不一致。Ufanl等人認(rèn)為TMAO和心血管疾病的關(guān)聯(lián)在于對(duì)心臟功能不全導(dǎo)致的心臟和腎臟靜水壓和滲透壓升高的補(bǔ)償反應(yīng)。
9.2.2. 肥胖
肥胖是心血管疾病和2型糖尿病的危險(xiǎn)因素，炎癥在病程發(fā)展過(guò)程中起了重要作用。很多研究報(bào)道了體重指數(shù)與血液中TMAO的濃度存在相關(guān)，但是也有陰性結(jié)果的報(bào)道。血清中TMAO與衡量肥胖的其他標(biāo)準(zhǔn)，比如臟器肥胖指數(shù)和脂肪肝指數(shù)相關(guān)，而尿液中TMA則直接與肥胖相關(guān)。
幾乎沒(méi)有研究在排除混雜因素比如飲食影響的健康人群中研究BMI和TMA/TMAO的關(guān)系。動(dòng)物模型是常用的替代研究對(duì)象，用來(lái)幫助我們理解肥胖-腸道微生物-炎癥軸，但是產(chǎn)生的結(jié)果喜憂參半。ob/ob肥胖小鼠尿液中TMA水平比對(duì)照組要低，db/db肥胖小鼠模型結(jié)果也類似。這一結(jié)果與在人群中發(fā)現(xiàn)的TMA與肥胖程正相關(guān)相反。血清和尿液中TMAO水平在Zucker大鼠肥胖/糖尿病模型和肥胖豬模型中均降低。更進(jìn)一步，在高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠肥胖模型中，飲食添加TMAO可以顯著降低動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)。
因?yàn)榉逝质翘悄虿『托难芗膊〉淖畲笪ｋU(xiǎn)因素，所以從代謝改善以及后續(xù)炎癥反應(yīng)降低和促進(jìn)代謝健康等方面對(duì)減肥策略進(jìn)行了評(píng)估。一系列飲食干預(yù)和減肥試驗(yàn)已經(jīng)表明減肥與降低血液中TMAO和心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)以及內(nèi)臟脂肪相關(guān)。雖然Lin等發(fā)現(xiàn)血清中TMAO水平與骨礦物質(zhì)密度呈負(fù)相關(guān)，但是Zhou等人發(fā)現(xiàn)TMAO可以保護(hù)減肥時(shí)骨礦物質(zhì)密度降低，這與飲食類型無(wú)關(guān)，提示TMAO可能具有預(yù)防骨質(zhì)疏松的作用。當(dāng)考慮TMA/TMAO在減肥中這些不一致的結(jié)果時(shí)，需要清楚很多發(fā)表的減肥研究并沒(méi)有考慮飲食中的TMAO，而涉及長(zhǎng)期給予TMA前體的研究通常劑量都超過(guò)正常飲食或者治療補(bǔ)充劑中的劑量，從而導(dǎo)致TMAO在心臟代謝疾病中的作用并不明確。
當(dāng)飲食和運(yùn)動(dòng)減肥失敗后，減肥手術(shù)是一種治療個(gè)體病態(tài)肥胖的策略。減肥手術(shù)的重要特點(diǎn)之一是腸道微生物組成和代謝在術(shù)后都會(huì)發(fā)生顯著變化，通常在體重減輕之前就發(fā)生了。大鼠進(jìn)行胃繞道手術(shù)后，糞便中升高的甲胺（MMA和TMA）濃度與糞漿的細(xì)胞毒性正相關(guān)。在人和動(dòng)物減肥手術(shù)研究中有一項(xiàng)觀察到的結(jié)果比較一致，就是術(shù)后TMAO排泄增加，這與以厚壁菌門和擬桿菌們?yōu)橹鞯哪c道菌群向伽馬變形桿菌轉(zhuǎn)變有關(guān)，尤其是腸桿菌科。這也與腸桿菌是產(chǎn)生TMA的主要細(xì)菌相符合。雖然有血液中TMAO與冠心病相關(guān)的假設(shè)，但是減肥手術(shù)可以降低冠心病風(fēng)險(xiǎn)，看起來(lái)TMAO的故事很復(fù)雜，千頭萬(wàn)緒。
9.2.3. 2型糖尿病
胰島素抵抗和2型糖尿病與血液中TMAO升高相關(guān)。血清中TMAO水平與糖尿病病程、腸道通透性標(biāo)志物、脂多糖內(nèi)毒素和產(chǎn)生TMA的細(xì)菌均相關(guān)，TMAO誘導(dǎo)的脂肪組織炎癥破壞胰島素信號(hào)通路被認(rèn)為是背后的可能機(jī)制。對(duì)于糖尿病患者，TMAO是心血管事件發(fā)生的高危險(xiǎn)因素標(biāo)志物。在高脂飲食小鼠模型中，0.2%TMAO處理3周引起空腹胰島素水平升高，糖耐量加重，促炎因子MCP-1升高，抗炎因子白介素10降低。
9.3. 腎病
多種不同腎病，包括慢性腎病（CKD）、間質(zhì)性腎炎和腎乳頭壞死，都可以導(dǎo)致尿液和血液中TMAO異常。尿毒癥是指通常經(jīng)過(guò)腎臟排泄的溶質(zhì)在腎細(xì)胞和組織中累積，對(duì)內(nèi)源性分子功能產(chǎn)生不利影響。TMA以及其他甲胺類物質(zhì)，包括TMAO、DMA、二甲基甘氨酸和MMA，都被歸入尿毒癥毒素。血液中TMAO水平過(guò)高提示尿毒癥，但是過(guò)低也可能意味著其他類型的腎功能受損。Gessner等人發(fā)現(xiàn)腎小球?yàn)V過(guò)率每升高1 mL/min，血漿logTMAO值降低0.005（0.3%）。
CKD是全世界增長(zhǎng)第二快的導(dǎo)致死亡的病因，同時(shí)也是心血管疾病的主要危險(xiǎn)因素。研究發(fā)現(xiàn)血液透析病人的血清TMAO濃度比正常人高10-20倍。CKD病人血液中TMAO濃度為~30 μmol/L，與血清肌酐和尿素含量正相關(guān)。腎透析是腎衰竭病人去除腎毒素的主要方法，透析后血液中TMA和TMAO的濃度會(huì)降低，但是仍然比正常人要高。與非透析人不同，透析病人血漿TMAO濃度并不能預(yù)測(cè)住院和全因死亡率，提示盡管血液中TMAO水平比正常人高好幾倍，但是CKD導(dǎo)致的血管內(nèi)皮損傷程度掩蓋了心血管疾病的結(jié)果。與透析相似，腎移植成功后，血漿TMAO水平回歸正常。CKD通常伴有腸道菌群異常，表現(xiàn)為腸桿菌、鹵單胞菌、假單胞菌、莫拉菌和短桿菌豐度升高，乳桿菌和普氏菌降低。這其中的很多細(xì)菌與TMA產(chǎn)生相關(guān)。尿液中TMA和DMA排泄是腎小球腎病的特征。因?yàn)門MAO在腎細(xì)胞中作為滲透劑，所以腎臟損傷會(huì)導(dǎo)致TMAO水平發(fā)生顯著改變。例如，在大鼠腎移植 缺血性腎再灌注損傷，腎功能受損導(dǎo)致血漿中TMAO濃度升高3-5倍，而單側(cè)輸尿管梗阻性腎間質(zhì)纖維化與血清中高濃度TMAO相關(guān)，發(fā)展到后期TMAO水平則相對(duì)比較低。尿液中TMAO升高與腎皮質(zhì)或髓質(zhì)細(xì)胞損傷直接相關(guān)，而尿液排泄TMAO過(guò)低也可能提示非甾體類抗炎藥物如消炎痛引起的腎乳頭壞死。
9.4．癌癥
癌癥是全球人類最重要的死亡病因之一，其病因與遺傳和環(huán)境因素包括飲食、肥胖、環(huán)境污染物、壓力和腸道微生物都有關(guān)系。有關(guān)腸道微生物與癌癥風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果基本一致，通常癌癥病人尿液TMAO水平降低。比如，乳腺癌和肝細(xì)胞肝癌病人的尿液中TMAO水平均降低。移植人胃腺癌的小鼠，其尿液中TMAO濃度在植入后五天明顯下降，而TMA水平則升高。抗癌藥阿霉素處理可以恢復(fù)TMAO和TMA的水平。
血液中TMAO水平與癌癥之間的關(guān)系取決于癌癥類型。低血清TMAO濃度見(jiàn)于鼻咽癌和腎細(xì)胞癌患者，腎切除后水平升高。與此相反，血液中TMAO濃度在原發(fā)性肝癌、口腔鱗狀細(xì)胞癌和結(jié)直腸癌患者則較高。對(duì)于胰腺癌病人，有兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)果，一個(gè)發(fā)現(xiàn)病人血清TMAO降低，另一個(gè)則發(fā)現(xiàn)其濃度升高。
TMAO和癌癥之間關(guān)系的機(jī)制還不清楚。體外實(shí)驗(yàn)表明TMAO可以通過(guò)激活TXNIP-NLRP3炎癥信號(hào)通路來(lái)刺激細(xì)胞產(chǎn)生活性氧。TMAO也可以通過(guò)保護(hù)蛋白折疊或者糾正突變蛋白的折疊錯(cuò)誤來(lái)抑制癌癥發(fā)生。與上述假設(shè)相反，TMAO被發(fā)現(xiàn)可以破壞α酪蛋白功能，而α酪蛋白是蛋白伴侶和腫瘤抑制因子，可以幫助對(duì)抗乳腺癌。對(duì)于胰腺癌、肝癌和結(jié)直腸癌，腸道菌群在疾病病理過(guò)程中起了重要作用，這三種癌癥都引起腸道微生物紊亂。
在腦腫瘤和腎癌中，腫瘤組織內(nèi)具有高濃度的TMAO和山梨糖醇。特別是膠質(zhì)腦瘤中，TMA可以作為腫瘤生長(zhǎng)的標(biāo)志物，在高級(jí)別腫瘤中TMA濃度比低級(jí)別腫瘤高。雖然一些體內(nèi)NMR研究認(rèn)為TMA是潛在的癌癥生物標(biāo)志物，但是有時(shí)候報(bào)道的化學(xué)位移看起來(lái)更像是TMAO。
當(dāng)考慮甲胺在癌癥中的作用時(shí)，甲胺的直接毒性效應(yīng)不能被忽略。有人提出，膳食中高濃度的胺和酰胺，比如TMAO，可以被轉(zhuǎn)化成TMA和DMA， 而后兩者是致癌物二甲基亞硝胺的前體物質(zhì)。因此，含有高濃度甲胺的海鮮（比如魷魚、鯊魚和鱈魚等）以及發(fā)酵的豆制品所含的DMA和TMA可能在體內(nèi)形成N-亞硝基化合物。因?yàn)楦缓憠A和肉堿的食物（比如紅肉）可以被代謝成TMAO，所以TMAO與結(jié)腸癌相關(guān)也并不奇怪。大多數(shù)研究得到的證據(jù)并不充分，因此系統(tǒng)地研究TMA/TMAO水平與癌癥類型和分級(jí)的臨床診斷之間的關(guān)系非常有必要。
10 、結(jié)論
演化壓力導(dǎo)致TMA和TMAO在多種水生和陸生生物中廣泛存在。非生物過(guò)程和原核以及真核生物產(chǎn)生的甲胺在生物界無(wú)處不在，并發(fā)揮重要功能，提示這些簡(jiǎn)單的化合物參與演化早期基礎(chǔ)的化學(xué)和生理過(guò)程。雖然TMAO直接依賴于細(xì)菌產(chǎn)生的TMA，但是二者生物學(xué)功能并不相同。TMAO主要功能是蛋白質(zhì)穩(wěn)定劑或者破壞劑，而TMA則是一種信號(hào)素或者荷爾蒙信號(hào)。
最近TMAO已經(jīng)被歸為心臟代謝疾病的不利因素，一些實(shí)驗(yàn)表明其是潛在的病因，但是也有一些結(jié)果在不同實(shí)驗(yàn)中并不一致。將TMAO和TMA完全歸為有害分子是不合適的，毫無(wú)疑問(wèn)二者具有重要的生理功能。與很多生化系統(tǒng)類似，分布模式和濃度最終決定了總體的物理效應(yīng)。TMAO和TMA的代謝起源來(lái)于腸道微生物，腸道微生物與人類宿主共同演化，然而大量研究評(píng)估TMAO濃度時(shí)并沒(méi)有考慮它的微生物代謝前體TMA。其他現(xiàn)有研究的缺陷是沒(méi)有考慮飲食對(duì)TMAO產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，并且一些實(shí)驗(yàn)在檢測(cè)前已經(jīng)將TMA變成TMAO。還有很多常見(jiàn)的有違直覺(jué)的現(xiàn)象無(wú)法解釋，比如為什么日本人飲食中含有大量的TMAO，但是他們心血管疾病的發(fā)病率并不高；為什么減肥手術(shù)可以降低心血管疾病發(fā)生率，但是顯著增加TMAO的排泄。
TMAO和TMA在多個(gè)不同演化尺度的生物系統(tǒng)中發(fā)揮復(fù)雜的功能，直覺(jué)上告訴我們它們是大多數(shù)生命形式所必需的。它們的調(diào)控基于廣泛而復(fù)雜的遺傳和環(huán)境因素相互作用，表明很有必要在系統(tǒng)水平深入研究TMAO和TMA的化學(xué)和生物性質(zhì)。盡管如此，TMAO/TMA代謝異常與大量人類疾病相關(guān)，了解這些過(guò)程可能是理解各種疾病病理的基礎(chǔ)。
