重磅综述丨Cell Host Microbe肠道菌群与色氨酸代谢
肠道是一个复杂的生态系统，拥有密集且多样的微生物群体，我们称之为肠道菌群，与宿主共同演化产生共生关系。肠道菌群对宿主的生理功能有十分重要的影响，比如代谢与营养稳态、免疫系统成熟与激活甚至脑活动。这些影响大部分是通过代谢物实现的，它们或由菌群产生，或来源于环境和宿主分子的转化。色氨酸就是肠道微生物与宿主相互影响的代谢物之一。来自法国国家农业科学研究院的科学家Allison Agus、Julien Planchais和Harry Sokol，于2018年6月共同在Cell Host & Microbe发表综述文章，文章标题为“Gut Microbiota Regulation of Tryptophan Metabolism in Health and Disease”，总结了肠道菌群在色氨酸代谢过程中扮演的重要角色，尤其关注其对生理和疾病的影响；另外，除了直接将色氨酸转化为生物活性分子，作者还讨论了肠道菌群在肠道中对宿主色氨酸代谢的调控。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.003。
1.色氨酸的来源与产生
色氨酸是芳香族必需氨基酸，在20种常见氨基酸中，色氨酸是分子量最大的，但在蛋白质组成和细胞中，色氨酸却是含量最低的氨基酸，同时也是很多微生物和宿主代谢物的生物合成前体。早在一个世纪前，人们就知晓了某些细菌（比如大肠杆菌）可以产生色氨酸，并且在工业生产中进行大量应用，但细菌产生的色氨酸对人体生理的影响并未得到论证。由于动物细胞不能合成色氨酸，人体主要依赖外源的食物摄入。色氨酸的常见食物来源包括燕麦、香蕉、梅干、牛奶、金枪鱼、奶酪、面包、禽肉、花生和巧克力。世界健康组织推荐色氨酸的摄入量是每天每公斤体重4 mg，目前未发现过量摄入色氨酸产生的不利影响。
2.肠道色氨酸代谢通路及生理功能
胃肠道中主要有三条色氨酸代谢通路（图1）。
2.1吲哚途径
肠道微生物可以将色氨酸直接转化为包括芳烃受体（AhR）配体在内的一些分子，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信号是屏障处免疫应答的重要组成部分，通过促进上皮细胞恢复、保持屏障完整性以及一些免疫细胞的功能来维持肠道稳态。AhR可以直接被食物中的分子和外源性物质激活。然而，微生物代谢对肠道AhR活性有重要影响。事实上，无菌或生态失调的小鼠肠道是缺乏AhR激动剂的。目前的研究只描述了少数几种可以产生AhR配体的共生菌，比如乳杆菌属。色氨酸代谢通路存在于一些人体肠道细菌中，比如产芽胞梭状芽胞杆菌可以脱去色氨酸的羧基，产生神经递质色胺，该菌种的氧化还原通路还能够生成IAA和IPA，从而影响肠道通透性以及宿主免疫。大肠杆菌和乳酸杆菌还表达色氨酸酶，将色氨酸转化为吲哚，然而，吲哚进一步加工涉及的酶催化通路，以及在其他共生菌种中的活性，还尚未知晓。另外，吲哚也是菌种间的信号分子，能够控制包括抗生素耐药性、孢子形成和菌膜形成在内的细菌生理过程。但是，这些复杂的现象在肠道系统中重要性仍有待研究。
图1.肠道菌群调控的色氨酸代谢
2.2犬尿氨酸途径
在免疫细胞和上皮细胞中，色氨酸通过吲哚胺2，3双加氧酶（IDO）1进入KP，并生成犬尿氨酸（Kyn）及其下游产物，比如喹啉酸（QA）、烟酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和犬尿酸（Kna）。有研究证明肠道菌群对激活IDO1具有重要作用。KP末端代谢产物有可能参与了一系列宿主生物过程的调控，包括神经传递、炎症反应及免疫应答。Kna具有保护粘膜和调控免疫的作用，其功能的发挥很有可能是通过上皮细胞和免疫细胞中表达的G蛋白偶联受体GPR35实现的。另外，一些肠道细菌也可以编码与真核生物KP同源的酶，产生Kyn和下游代谢物，比如具有神经毒性的3-羟基氨基苯甲酸。
2.3血清素途径
神经递质5-羟色胺（5-HT）在脑组织内由色氨酸羟化酶2（TpH2）生成，但是身体内超过90%的5-HT是在肠道中由TpH1产生的。在生理条件下，外周环境中的5-HT并不能透过血脑屏障，而是通过激活特异性的5-HT受体在肠道中发挥重要的功能。比如，5-HT可以将信号从肠道传递至内源或外源神经元处，影响肠道运动、分泌、血管舒张以及对营养物质的吸收。在小肠上皮细胞顶端和底端表达的血清素选择性重吸收转运蛋白（SERT，由SLC6A4基因编码）可以将间隙中的5-HT移除，该局部调节5-HT浓度的分子也负责5-HT在大脑中的重吸收。肠道菌群在肠道5-HT的生成中扮演重要角色，但其机制尚未完全知晓。另外，一些次级胆汁酸，比如胆酸盐的微生物转化产物脱氧胆酸盐，也可以刺激5-HT的生物合成。
图2.色氨酸通过5-HT、Kyn和Indole/AhR途径的代谢
3.色氨酸代谢的干扰
过去几十年的研究表明，肠道菌群与西方生活方式有关的疾病息息相关，比如炎性肠病（IBD）、肠易激综合征（IBS）、代谢综合征及并发症以及神经精神病特征。这些疾病中的很多都受到了色氨酸末端代谢产物的影响，说明肠道菌群的作用至少部分是通过色氨酸代谢缺陷实现的。
3.1 IBD和肠道免疫
科学家最近发现，IBD病人受遗传因素的影响，体内微生物群产生的AhR配体数量减少，而AhR在肠道组织中的表达与健康人群相比也有所下降。另外，溃疡性结肠炎病人的血清IPA水平降低。IDO1的过度激活在肠道和整个系统中均有出现，极有可能是免疫系统激活的表现。支持性证据有：1）IDO1在IBD活跃病人的体内活性更高；2）血清中色氨酸的水平与炎症应答生物标志物——C反应蛋白的水平呈负相关。5-HT途径在IBD中的状态是有争议的，限速酶TpH1的表达上调和肠道5-HT水平的上升在克罗恩病中是有报道的，但大部分针对溃疡性结肠炎的研究发现了相反的结果。
色氨酸代谢的改变在IBD病理中有重要意义。在小鼠中，AhR缺陷增加了由T细胞转移或葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎的严重程度。研究表明，IBD易感基因Card9缺失的小鼠，其肠道菌群的失调使得色氨酸无法转变为AhR配体，导致细胞因子IL-22的释放减弱，增加DSS诱导产生结肠炎的概率。在人体中，AhR的药物激活也可以降低促炎细胞因子IFNγ的生成，并促进IBD病人固有膜单核细胞中IL-22的产生。另外，与溃疡性结肠炎病人类似，DSS诱导结肠炎的小鼠血清中，IPA和吲哚的水平有所下降，然而，口服IPA能起到一定的保护作用。
KP的改变也有可能是IBD病理机制之一。IDO1的缺陷可以导致促炎细胞因子的激活和结肠中CD4+ Foxp3+调控的T细胞数量减少，具体的机制和涉及到的代谢物暂不清楚。Kyn是众所周知的AhR激动剂，但是，在肝癌细胞中，激活AhR所需的浓度让人们开始怀疑Kyn在生理条件下激活AhR的可能性。IBD中菌群失调的信号可能会使KP偏离正常轨道。
3.2肠易激综合征IBS
尽管我们对IBS的病因还知之甚少，但至少对于部分病人来说，肠道菌群的失调非常有可能是原因之一，色氨酸代谢的削弱也可能与之有关联。IBS病人血清中的Kyn水平下降，且外周IDO1的活性与IBS严重程度呈正相关。IBS特点之一——肠道运动性的改变与5-HT的代谢障碍有关。与健康人相比，IBS病人直肠活检切片中TpH1和SERT的表达量下降。另外，5-HT在结肠中的含量降低，而在以便秘和腹泻为主的IBS中升高。5-HT受体的多样性决定了其在不同器官发挥特定的功能。在肠道中5-HT3和5-HT4亚型表达最为丰富，将5-HT与内脏痛觉和运动障碍联系起来。5-HT3受体拮抗剂和5-HT4受体激活剂分别对腹泻和便秘为主的IBS有一定疗效。另外，肠道菌群导致的中枢系统的血清素功能异常也可以参与IBS的病理过程。
3.3代谢综合征和肥胖
在代谢综合征病人中，IDO1过渡激活，血清Kyn水平升高，Kyn/Trp比值与肥胖、代谢综合征、BMI和甘油三酯成正相关。肥胖病人的脂肪组织中，IDO1和KP下游酶（KYNU、KAT和KMO）（图2）均表达上调。但是，代谢综合征病人血液中5-HT水平降低，并与BMI和体脂含量呈负相关。肠道菌群参与色氨酸代谢生成的吲哚衍生物有可能参与代谢综合征的病理过程。
脑组织中产生的血清素可以诱导饱腹感，但是肠道中产生的5-HT不能透过血脑屏障。而色氨酸和5-HTP却可以通过血脑屏障从而间接影响中枢神经系统的5-HT生成和功能。另外，外周的5-HT可以绕过中枢效应来诱导饱腹感从而调控宿主代谢。
3.4感染性疾病
色氨酸代谢生成的AhR激活剂IAId对真菌感染导致的粘膜念珠菌病具有保护作用，Cyp1A1紊乱导致的AhR配体降解和AhR敲除会导致对酸杆菌易感性增加。这些结果表明色氨酸代谢的平衡在肠道稳态和感染应答中的重要作用。除了生成AhR配体，色氨酸代谢是宿主和微生物相互作用调控的重要部分。
3.5神经精神疾病
肠道菌群影响大脑，可能与神经精神疾病相关，潜在的机制之一就是调控色氨酸的稳态。色氨酸和Kyn可以通过血脑屏障，对神经递质的代谢具有重大影响。脑组织使用色氨酸或者Kyn生成的Kna和QA通过作用于谷氨酸受体影响脑化学，对记忆功能至关重要。Kan和QA可以分别降低或升高细胞外谷氨酸水平，这与焦虑和应激相关疾病相关。最近研究表明自闭症谱系障碍（ASD）也与肠道菌群相关，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。
实验研究表明自闭症模型小鼠的肠道粘膜5-HT降低50%，5-HT水平与小肠转运时间和肠道中某些菌群的丰度有一定的相关性。除了5-HT，其他色氨酸代谢途径也可能参与自闭症的形成。KP代谢物皮考琳酸是一种神经保护性代谢物，其在ASD病人内的水平是降低的。另外，AhR信号通路也可能参与其中，因为AhR核内转运蛋白的基因多态性与ASD的严重程度相关。
近来研究表明微生物-肠-脑轴也参与抑郁的形成。脑内5-HT缺乏是抑郁的重要病理特征。当IDO1途径过度激活时，色氨酸会被用于大量生成Kyn，导致脑组织内色氨酸缺乏，5-HT合成减少，最后导致抑郁。饮食摄入色氨酸过少时也会导致抑郁，进一步支持了色氨酸缺乏在抑郁中的重要作用
图3.色氨酸代谢在疾病中的改变
4.色氨酸代谢：从平衡紊乱到临床机遇
由于色氨酸代谢在病理条件下受到影响，因此色氨酸和其代谢物作为生物标志物用于辅助诊断、预后和选择治疗手段非常具有吸引力。比如，血浆中色氨酸和Kna水平预测急性心肌梗死病人的心血管不良事件。此方法可以扩展应用到其他相关疾病。
除了作为生物标志物，色氨酸代谢物的生物学效应和其在疾病中发生的改变表明它们可以作为治疗的靶点。这可以通过使用色氨酸代谢物或者靶向他们的受体，亦或者间接通过改变肠道菌群来实现。
当IDO过度激活时，肠道内可利用色氨酸的减少可能导致肠道菌群产生的AhR激活剂降低。饮食添加色氨酸可以减轻DSS诱导小鼠结肠炎的症状，其机制主要是通过肠道菌群恢复AhR配体的生成。同样的方法可以应用于其他炎症，比如多发性硬化，其血液中AhR激动剂水平降低。在小鼠脑脊髓炎模型中，色氨酸或者色氨酸衍生的AhR激动剂可以增强IFN的抑制效应，来限制中枢神经系统炎症的发展。最近一项研究表明吲哚硫酸盐在肾脏疾病中的功能也可能是治疗靶点。通过基于肠道菌群的方法调控IDO1和5-HT途径非常有前景，但是对相关微生物和机制的认知还有待于深入研究。
直至目前，大部分色氨酸代谢微生物和其相关生化途径仍有待深入研究。其研究的难点包括色氨酸衍生生物活性分子的多样性、参与转化的微生物的多样性以及微生物和宿主代谢途径的部分重合。持续发展的高灵敏度和高通量方法有望解决上述难题。不同方法的有机结合，比如代谢组学与宏基因组学和宏转录组学的结合，看起来非常有可能鉴定参与色氨酸代谢的微生物和微生物基因。一旦鉴定出来，就可以使用天然微生物、基因工程菌或者微生物产物调节色氨酸代谢来治疗疾病。类似的干预方法可以单独使用，亦可以与其他方法结合使用。
5.结语
色氨酸代谢在生理和病理生理过程中均发挥重要的作用。上述的主要途径，尤其是5-HT、Kyn和AhR途径，在疾病中受到不同的影响，但是又紧密相连。另外，肠道色氨酸代谢还受肠道菌群调控（图3）。因此，从治疗角度来看，靶向相关代谢途径的小分子、利用操纵色氨酸代谢的微生物和益生菌都是调控肠道色氨酸代谢可行的方法。但是，由于肠道菌群和宿主相互作用以及研究疾病和模型的复杂性，科学家们迫切需要进一步的深入研究来细化干预靶点和治疗措施。
