重磅綜述丨Cell Host Microbe腸道菌群與色氨酸代謝
腸道是一個復雜的生態系統，擁有密集且多樣的微生物群體，我們稱之為腸道菌群，與宿主共同演化產生共生關系。腸道菌群對宿主的生理功能有十分重要的影響，比如代謝與營養穩態、免疫系統成熟與激活甚至腦活動。這些影響大部分是通過代謝物實現的，它們或由菌群產生，或來源于環境和宿主分子的轉化。色氨酸就是腸道微生物與宿主相互影響的代謝物之一。來自法國國家農業科學研究院的科學家Allison Agus、Julien Planchais和Harry Sokol，于2018年6月共同在Cell Host & Microbe發表綜述文章，文章標題為“Gut Microbiota Regulation of Tryptophan Metabolism in Health and Disease”，總結了腸道菌群在色氨酸代謝過程中扮演的重要角色，尤其關注其對生理和疾病的影響；另外，除了直接將色氨酸轉化為生物活性分子，作者還討論了腸道菌群在腸道中對宿主色氨酸代謝的調控。原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.003。
1.色氨酸的來源與產生
色氨酸是芳香族必需氨基酸，在20種常見氨基酸中，色氨酸是分子量最大的，但在蛋白質組成和細胞中，色氨酸卻是含量最低的氨基酸，同時也是很多微生物和宿主代謝物的生物合成前體。早在一個世紀前，人們就知曉了某些細菌（比如大腸桿菌）可以產生色氨酸，并且在工業生產中進行大量應用，但細菌產生的色氨酸對人體生理的影響并未得到論證。由于動物細胞不能合成色氨酸，人體主要依賴外源的食物攝入。色氨酸的常見食物來源包括燕麥、香蕉、梅干、牛奶、金槍魚、奶酪、面包、禽肉、花生和巧克力。世界健康組織推薦色氨酸的攝入量是每天每公斤體重4 mg，目前未發現過量攝入色氨酸產生的不利影響。
2.腸道色氨酸代謝通路及生理功能
胃腸道中主要有三條色氨酸代謝通路（圖1）。
2.1吲哚途徑
腸道微生物可以將色氨酸直接轉化為包括芳烴受體（AhR）配體在內的一些分子，比如吲哚及其衍生物，包括吲哚甲醛（IAld）、吲哚乙酸（IAA）、吲哚丙酸（IPA）、吲哚乙醛（IAAld）和吲哚丙烯酸等。AhR信號是屏障處免疫應答的重要組成部分，通過促進上皮細胞恢復、保持屏障完整性以及一些免疫細胞的功能來維持腸道穩態。AhR可以直接被食物中的分子和外源性物質激活。然而，微生物代謝對腸道AhR活性有重要影響。事實上，無菌或生態失調的小鼠腸道是缺乏AhR激動劑的。目前的研究只描述了少數幾種可以產生AhR配體的共生菌，比如乳桿菌屬。色氨酸代謝通路存在于一些人體腸道細菌中，比如產芽胞梭狀芽胞桿菌可以脫去色氨酸的羧基，產生神經遞質色胺，該菌種的氧化還原通路還能夠生成IAA和IPA，從而影響腸道通透性以及宿主免疫。大腸桿菌和乳酸桿菌還表達色氨酸酶，將色氨酸轉化為吲哚，然而，吲哚進一步加工涉及的酶催化通路，以及在其他共生菌種中的活性，還尚未知曉。另外，吲哚也是菌種間的信號分子，能夠控制包括抗生素耐藥性、孢子形成和菌膜形成在內的細菌生理過程。但是，這些復雜的現象在腸道系統中重要性仍有待研究。
圖1.腸道菌群調控的色氨酸代謝
2.2犬尿氨酸途徑
在免疫細胞和上皮細胞中，色氨酸通過吲哚胺2，3雙加氧酶（IDO）1進入KP，并生成犬尿氨酸（Kyn）及其下游產物，比如喹啉酸（QA）、煙酸、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和犬尿酸（Kna）。有研究證明腸道菌群對激活IDO1具有重要作用。KP末端代謝產物有可能參與了一系列宿主生物過程的調控，包括神經傳遞、炎癥反應及免疫應答。Kna具有保護粘膜和調控免疫的作用，其功能的發揮很有可能是通過上皮細胞和免疫細胞中表達的G蛋白偶聯受體GPR35實現的。另外，一些腸道細菌也可以編碼與真核生物KP同源的酶，產生Kyn和下游代謝物，比如具有神經毒性的3-羥基氨基苯甲酸。
2.3血清素途徑
神經遞質5-羥色胺（5-HT）在腦組織內由色氨酸羥化酶2（TpH2）生成，但是身體內超過90%的5-HT是在腸道中由TpH1產生的。在生理條件下，外周環境中的5-HT并不能透過血腦屏障，而是通過激活特異性的5-HT受體在腸道中發揮重要的功能。比如，5-HT可以將信號從腸道傳遞至內源或外源神經元處，影響腸道運動、分泌、血管舒張以及對營養物質的吸收。在小腸上皮細胞頂端和底端表達的血清素選擇性重吸收轉運蛋白（SERT，由SLC6A4基因編碼）可以將間隙中的5-HT移除，該局部調節5-HT濃度的分子也負責5-HT在大腦中的重吸收。腸道菌群在腸道5-HT的生成中扮演重要角色，但其機制尚未完全知曉。另外，一些次級膽汁酸，比如膽酸鹽的微生物轉化產物脫氧膽酸鹽，也可以刺激5-HT的生物合成。
圖2.色氨酸通過5-HT、Kyn和Indole/AhR途徑的代謝
3.色氨酸代謝的干擾
過去幾十年的研究表明，腸道菌群與西方生活方式有關的疾病息息相關，比如炎性腸病（IBD）、腸易激綜合征（IBS）、代謝綜合征及并發癥以及神經精神病特征。這些疾病中的很多都受到了色氨酸末端代謝產物的影響，說明腸道菌群的作用至少部分是通過色氨酸代謝缺陷實現的。
3.1 IBD和腸道免疫
科學家最近發現，IBD病人受遺傳因素的影響，體內微生物群產生的AhR配體數量減少，而AhR在腸道組織中的表達與健康人群相比也有所下降。另外，潰瘍性結腸炎病人的血清IPA水平降低。IDO1的過度激活在腸道和整個系統中均有出現，極有可能是免疫系統激活的表現。支持性證據有：1）IDO1在IBD活躍病人的體內活性更高；2）血清中色氨酸的水平與炎癥應答生物標志物——C反應蛋白的水平呈負相關。5-HT途徑在IBD中的狀態是有爭議的，限速酶TpH1的表達上調和腸道5-HT水平的上升在克羅恩病中是有報道的，但大部分針對潰瘍性結腸炎的研究發現了相反的結果。
色氨酸代謝的改變在IBD病理中有重要意義。在小鼠中，AhR缺陷增加了由T細胞轉移或葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的結腸炎的嚴重程度。研究表明，IBD易感基因Card9缺失的小鼠，其腸道菌群的失調使得色氨酸無法轉變為AhR配體，導致細胞因子IL-22的釋放減弱，增加DSS誘導產生結腸炎的概率。在人體中，AhR的藥物激活也可以降低促炎細胞因子IFNγ的生成，并促進IBD病人固有膜單核細胞中IL-22的產生。另外，與潰瘍性結腸炎病人類似，DSS誘導結腸炎的小鼠血清中，IPA和吲哚的水平有所下降，然而，口服IPA能起到一定的保護作用。
KP的改變也有可能是IBD病理機制之一。IDO1的缺陷可以導致促炎細胞因子的激活和結腸中CD4+ Foxp3+調控的T細胞數量減少，具體的機制和涉及到的代謝物暫不清楚。Kyn是眾所周知的AhR激動劑，但是，在肝癌細胞中，激活AhR所需的濃度讓人們開始懷疑Kyn在生理條件下激活AhR的可能性。IBD中菌群失調的信號可能會使KP偏離正常軌道。
3.2腸易激綜合征IBS
盡管我們對IBS的病因還知之甚少，但至少對于部分病人來說，腸道菌群的失調非常有可能是原因之一，色氨酸代謝的削弱也可能與之有關聯。IBS病人血清中的Kyn水平下降，且外周IDO1的活性與IBS嚴重程度呈正相關。IBS特點之一——腸道運動性的改變與5-HT的代謝障礙有關。與健康人相比，IBS病人直腸活檢切片中TpH1和SERT的表達量下降。另外，5-HT在結腸中的含量降低，而在以便秘和腹瀉為主的IBS中升高。5-HT受體的多樣性決定了其在不同器官發揮特定的功能。在腸道中5-HT3和5-HT4亞型表達最為豐富，將5-HT與內臟痛覺和運動障礙聯系起來。5-HT3受體拮抗劑和5-HT4受體激活劑分別對腹瀉和便秘為主的IBS有一定療效。另外，腸道菌群導致的中樞系統的血清素功能異常也可以參與IBS的病理過程。
3.3代謝綜合征和肥胖
在代謝綜合征病人中，IDO1過渡激活，血清Kyn水平升高，Kyn/Trp比值與肥胖、代謝綜合征、BMI和甘油三酯成正相關。肥胖病人的脂肪組織中，IDO1和KP下游酶（KYNU、KAT和KMO）（圖2）均表達上調。但是，代謝綜合征病人血液中5-HT水平降低，并與BMI和體脂含量呈負相關。腸道菌群參與色氨酸代謝生成的吲哚衍生物有可能參與代謝綜合征的病理過程。
腦組織中產生的血清素可以誘導飽腹感，但是腸道中產生的5-HT不能透過血腦屏障。而色氨酸和5-HTP卻可以通過血腦屏障從而間接影響中樞神經系統的5-HT生成和功能。另外，外周的5-HT可以繞過中樞效應來誘導飽腹感從而調控宿主代謝。
3.4感染性疾病
色氨酸代謝生成的AhR激活劑IAId對真菌感染導致的粘膜念珠菌病具有保護作用，Cyp1A1紊亂導致的AhR配體降解和AhR敲除會導致對酸桿菌易感性增加。這些結果表明色氨酸代謝的平衡在腸道穩態和感染應答中的重要作用。除了生成AhR配體，色氨酸代謝是宿主和微生物相互作用調控的重要部分。
3.5神經精神疾病
腸道菌群影響大腦，可能與神經精神疾病相關，潛在的機制之一就是調控色氨酸的穩態。色氨酸和Kyn可以通過血腦屏障，對神經遞質的代謝具有重大影響。腦組織使用色氨酸或者Kyn生成的Kna和QA通過作用于谷氨酸受體影響腦化學，對記憶功能至關重要。Kan和QA可以分別降低或升高細胞外谷氨酸水平，這與焦慮和應激相關疾病相關。最近研究表明自閉癥譜系障礙（ASD）也與腸道菌群相關，ASD病人血液和尿液中色氨酸降低，IDO1活性升高，血液中5-HT水平升高。
實驗研究表明自閉癥模型小鼠的腸道粘膜5-HT降低50%，5-HT水平與小腸轉運時間和腸道中某些菌群的豐度有一定的相關性。除了5-HT，其他色氨酸代謝途徑也可能參與自閉癥的形成。KP代謝物皮考琳酸是一種神經保護性代謝物，其在ASD病人內的水平是降低的。另外，AhR信號通路也可能參與其中，因為AhR核內轉運蛋白的基因多態性與ASD的嚴重程度相關。
近來研究表明微生物-腸-腦軸也參與抑郁的形成。腦內5-HT缺乏是抑郁的重要病理特征。當IDO1途徑過度激活時，色氨酸會被用于大量生成Kyn，導致腦組織內色氨酸缺乏，5-HT合成減少，最后導致抑郁。飲食攝入色氨酸過少時也會導致抑郁，進一步支持了色氨酸缺乏在抑郁中的重要作用
圖3.色氨酸代謝在疾病中的改變
4.色氨酸代謝：從平衡紊亂到臨床機遇
由于色氨酸代謝在病理條件下受到影響，因此色氨酸和其代謝物作為生物標志物用于輔助診斷、預后和選擇治療手段非常具有吸引力。比如，血漿中色氨酸和Kna水平預測急性心肌梗死病人的心血管不良事件。此方法可以擴展應用到其他相關疾病。
除了作為生物標志物，色氨酸代謝物的生物學效應和其在疾病中發生的改變表明它們可以作為治療的靶點。這可以通過使用色氨酸代謝物或者靶向他們的受體，亦或者間接通過改變腸道菌群來實現。
當IDO過度激活時，腸道內可利用色氨酸的減少可能導致腸道菌群產生的AhR激活劑降低。飲食添加色氨酸可以減輕DSS誘導小鼠結腸炎的癥狀，其機制主要是通過腸道菌群恢復AhR配體的生成。同樣的方法可以應用于其他炎癥，比如多發性硬化，其血液中AhR激動劑水平降低。在小鼠腦脊髓炎模型中，色氨酸或者色氨酸衍生的AhR激動劑可以增強IFN的抑制效應，來限制中樞神經系統炎癥的發展。最近一項研究表明吲哚硫酸鹽在腎臟疾病中的功能也可能是治療靶點。通過基于腸道菌群的方法調控IDO1和5-HT途徑非常有前景，但是對相關微生物和機制的認知還有待于深入研究。
直至目前，大部分色氨酸代謝微生物和其相關生化途徑仍有待深入研究。其研究的難點包括色氨酸衍生生物活性分子的多樣性、參與轉化的微生物的多樣性以及微生物和宿主代謝途徑的部分重合。持續發展的高靈敏度和高通量方法有望解決上述難題。不同方法的有機結合，比如代謝組學與宏基因組學和宏轉錄組學的結合，看起來非常有可能鑒定參與色氨酸代謝的微生物和微生物基因。一旦鑒定出來，就可以使用天然微生物、基因工程菌或者微生物產物調節色氨酸代謝來治療疾病。類似的干預方法可以單獨使用，亦可以與其他方法結合使用。
5.結語
色氨酸代謝在生理和病理生理過程中均發揮重要的作用。上述的主要途徑，尤其是5-HT、Kyn和AhR途徑，在疾病中受到不同的影響，但是又緊密相連。另外，腸道色氨酸代謝還受腸道菌群調控（圖3）。因此，從治療角度來看，靶向相關代謝途徑的小分子、利用操縱色氨酸代謝的微生物和益生菌都是調控腸道色氨酸代謝可行的方法。但是，由于腸道菌群和宿主相互作用以及研究疾病和模型的復雜性，科學家們迫切需要進一步的深入研究來細化干預靶點和治療措施。
