综述 | Cell 子刊：肠道菌群调节色氨酸代谢影响健康和疾病的机制研究
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肠道菌群在人体生理学中起了重要作用，其中有许多作用是由肠菌的代谢产物介导的，或者来源于环境或宿主分子的转化。在这些代谢产物中，能联系宿主与肠菌的有必需芳香族氨基酸色氨酸。在肠菌直接或间接的控制之下，肠道中有三种主要的色氨酸代谢途径，其代谢产物有血清素（5-羟色胺）、犬尿氨酸和吲哚衍生物。在这篇综述中，我们收集了色氨酸代谢在健康和疾病条件下核心作用的最新研究进展。破解这些途径之间的复杂平衡将有助于更好地理解人类疾病的发病机理和创造更多的治疗机会。
论文ID
原名：Gut Microbiota Regulation of Tryptophan Metabolism in Health and Disease
译名：肠道菌群调节色氨酸代谢影响健康和疾病的机制研究
期刊：Cell Host & Microbe
IF：17.872
发表时间：2018年
通信作者：Harry Sokol
通信作者单位：INRA, UMR1319 Micalis & AgroParisTech, Jouy en Josas, France
综述内容
简介
肠道是一个复杂的生态系统，其中寄居着密集而多样的细菌群落，也称为肠道菌群，它与宿主共同进化，形成了一种共生的关系。越来越明显的是，菌群失调也即复杂生态系统中平衡的丧失与人类的许多疾病有关。肠道菌群对宿主生理功能有着重要影响，包括代谢和营养平衡，免疫系统的成熟和激活，甚至是大脑活动。这些效应是由细胞相互作用和由微生物产生或宿主分子转化得来的代谢产物介导的。肠道菌群被认为是一个真实存在的内分泌器官，其产生的分子能够与宿主的生理机能相互作用并在局部和远的层面引发反应。任何干扰宿主-肠道菌群稳态平衡的手段都可能是疾病发病机制的起始或强化因素。大量的代谢物驱动着宿主和它的菌群之间的稳态平衡。目前研究最多的三种代谢物分别为（1）由细菌酵解纤维产生的短链脂肪酸；（2）经由肝脏产生并通过肠菌转化影响宿主的胆汁酸；（3）本综述讨论的色氨酸代谢物。
本文我们纵观了肠道菌群影响色氨酸代谢的最新研究进展，特别关注了其在生理和疾病条件下的影响。除了通过肠道菌群直接将色氨酸转化为生物活性分子之外，我们还讨论了肠道菌群调控宿主在肠道内的色氨酸代谢。
色氨酸：来源和产物
色氨酸是一种必需的芳香族氨基酸，在20种常见的氨基酸中，色氨酸的分子质量最大。尽管色氨酸是蛋白质和细胞中最不丰富的氨基酸，但它是大量微生物和宿主代谢物的生物合成前体。特定细菌产生色氨酸的能力已经被我们认识了一个世纪且在工业中得到了广泛的应用。尽管一些细菌，如大肠杆菌，能够产生色氨酸，但没有数据支持细菌衍生的色氨酸在人类生理上的有重要的作用。由于动物细胞无法产生色氨酸，所以人类依赖于外源性，主要是饮食摄入。色氨酸常见的天然食物来源包括燕麦、香蕉、西梅干、牛奶、金枪鱼、奶酪、面包、家禽、花生和巧克力。世界卫生组织将推荐的色氨酸摄入量设定为每天4毫克/公斤，而且迄今为止，饮食中过量色氨酸的不良影响还未被报道过。
肠道色氨酸代谢：信号通路和生理功能
色氨酸在胃肠道的代谢主要有三个途径：（1）经由肠菌直接转化色氨酸为几种分子，包括芳基烃受体（AhR）的配体;（2）通过吲哚胺2,3-二氧合酶（IDO）1作用的免疫和上皮细胞的犬尿氨酸通路（KP）和（3）通过色氨酸羟化酶1（TpH1）作用的肠嗜铬细胞的血清素（5-羟色胺）的生产途径，图1。
图1 宿主色氨酸代谢受到肠道菌群调控
色氨酸经由肠道菌群的直接代谢
肠道内的色氨酸代谢包括经由肠菌直接转化的几种分子，如吲哚及其衍生物。许多吲哚的衍生物，如吲哚（IAld），吲哚-3-乙酸（IAA），吲哚-3-丙酸（IPA），吲哚-乙醛（IAAld）和吲哚-丙烯酸，都是AhR的配体。AhR信号被认为是屏障免疫反应的关键组成部分，因此对肠道内稳态至关重。AhR信号有助于肠上皮细胞的更新和肠粘膜屏障的完整性，并且其作用于许多种类的免疫细胞，如上皮内淋巴细胞、Th17细胞、先天性淋巴细胞、巨噬细胞、树突细胞（DCs）和中性粒细胞。AhR是由饮食分子和外源性物质直接激活的。此外，许多AhR配体受细胞色素p450家族蛋白的调控，如Cyp1A1，它是AhR转录的直接靶点。
然而，肠菌代谢作用在肠道AhR活动中占重要地位。事实上，无菌或经抗生素处理的小鼠肠道内容物缺乏AhR激动剂。只有少数能够产生AhR配体的菌种已被发现，如消化链球菌和乳酸菌，仍有许多菌种还有待被发现。色氨酸代谢途径已经在一些人的肠道菌群中被识别，如产芽胞梭状芽胞杆菌，它可以实现脱羧基从而导致神经递质色胺的产生。此外，这种菌种还拥有氧化和还原的途径，并导致了吲哚乙酸（IAA）和吲哚丙酸（IPA）的产生，这两种Trp代谢物对肠道渗透性和宿主免疫都有影响。在大肠杆菌中发现了色氨酸和吲哚的主动转运蛋白。色氨酸酶是大肠杆菌和乳酸杆菌编码的，其能将色氨酸代谢为吲哚，但是在进一步的吲哚代谢中涉及到的微生物酶途径，以及其他菌种对吲哚的影响，还有待进一步探索。吲哚也是一种菌种间的信号分子，它能够控制细菌生理的各个方面，如抗生素耐药性、孢子形成和生物膜形成。在非吲哚产生菌中，吲哚及其衍生物具有明显的抑制群体感应和调节毒性因子的作用，图2。
图2 色氨酸代谢为5-羟色胺、犬尿氨酸和吲哚/芳烃受体的途径
犬尿氨酸途径
吲哚胺2,3-双加氧酶1是犬尿氨酸代谢途径的限速酶，并将色氨酸代谢成犬尿氨酸和下游产物如喹啉酸、烟酸、腺嘌呤二核苷酸和犬尿喹啉酸。肠道菌群在提高吲哚胺2,3-双加氧酶1活性过程中的关键作用早被清楚地阐明。犬尿氨酸终产物和宿主许多生物进程密切相关，如神经传递、炎症和免疫应答。此外，一些代谢物在肠道中可以发挥特殊作用。就犬尿喹啉酸而言，它的浓度沿着胃肠道逐渐上升，具有粘膜保护和免疫调节作用，可能通过与主要表达在上皮细胞和免疫细胞的G蛋白偶联受体结合发挥效应的。色氨酸2，3-双加氧酶和吲哚胺2,3-双加氧酶2是另外两个将色氨酸代谢成犬尿氨酸的酶，但这两个酶在肠道中不表达，在这里我们也不讨论。此外，肠道细菌也可以编码一些类似真核细胞犬尿氨酸途径的酶，并产生犬尿氨酸以及具有神经毒性的下游产物如3-羟基氨基苯甲酸。
5-羟色胺途径
5-羟色胺是色氨酸通过羟化酶2产生的一种重要的神经递质。然而，超过90%的5-羟色胺是在肠道产生的，特别是由肠嗜铬细胞产生的。色氨酸通过羟化酶1产生5-羟色氨酸，并进一步代谢成5-羟色胺。在生理条件下，外周5-羟色胺不进入血脑屏障。外周5-羟色胺通过激活5-羟色胺受体，进而对宿主生理发挥广泛的作用。5-羟色胺作为一种肠道产生的重要分子可以将信号从肠道传递到外在或内在神经元并影响肠蠕动、分泌、血管舒张和营养吸收。此外，表达于肠上皮细胞和基底膜的5-羟色胺选择性再摄取转运蛋白可以像海绵一样消除肠嗜铬细胞产生的5-羟色胺。
5-羟色胺主要由肠道菌群产生，通过无菌老鼠实验可以发现5-羟色胺生成减少并且血液中的浓度降低。肠道菌群产生5-羟色胺的机制尚未明确，但一种可能的机制是短链脂肪酸刺激了羟化酶1的表达。一些次级胆汁酸如胆酸可以刺激5-羟色胺的合成。
色氨酸代谢紊乱
在过去的几十年中，肠道菌群和很多西式生活相关的疾病密切相关，如炎症性肠病、溃疡性结肠炎、肠易激综合征、代谢综合征以及相关的并发症如糖尿病、肥胖、非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗、动脉粥样硬化还有焦虑、抑郁和自闭症。许多这些疾病都受到色氨酸代谢终产物的影响，这说明肠道菌群的致病机制部分是因为色氨酸代谢失调，图3。
图3 色氨酸代谢失调导致疾病
炎症性肠病和肠道免疫
炎症性肠病的肠道菌群改变已被证实，多个重量级刊物已经明确了色氨酸代谢失调和肠道微生物有着潜在的联系。我们最近发现炎症性肠病患者肠道芳烃受体的配体的减少，并受遗传因素影响，并且肠组织的芳烃受体的表达减少。溃疡性结肠炎的血清吲哚丙酸含量减少。过度激活肠道和全身吲哚胺2,3-双加氧酶1，可能反映免疫系统激活。急性炎症性肠病患者的吲哚胺2,3-双加氧酶1的活力更强，并且血清色氨酸和C反应蛋白的水平更低。炎症性肠病患者的5-羟色胺通路的激活是有争议的，克罗恩病患者的限速酶羟化酶1和肠道5-羟色胺水平被报道上升，但绝大部分研究是相反的结果。
色氨酸代谢的改变导致了炎症性肠病。小鼠实验证明芳烃受体的缺乏可以加重T细胞转移或化学性葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎的严重程度。在这些模型中，芳烃受体的缺乏促进了结肠炎部分是因为改变了白介素22的产生，一种关于肠道稳态很重要的细胞因子。我们团队证明了缺乏一种半胱氨酸天冬氨酸酶募集结构域9的炎症性肠病易感基因且伴有肠道菌群失调的小鼠，难以催化色氨酸成为芳烃受体的配体，最终导致了白介素22的释放减少。人类实验也发现芳烃受体的激活减少了促炎因子IFN-γ的生成，并增加了炎症性肠病患者固有层单核细胞IL-22的生成。此外，葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠的血清吲哚和吲哚丙酸的含量下降，这在人类溃疡性结肠炎实验中也同样地发现了，这暗示了口服吲哚丙酸对这些模型具有保护作用。
犬尿氨酸途径的改变可能参与了炎症性肠病的发病，吲哚胺2,3-双加氧酶1缺乏的小鼠更加易感炎症性肠病，吲哚胺2,3-双加氧酶1缺乏的小鼠更加易感炎症性肠病，这种缺乏吲哚胺2,3-双加氧酶1的病例损伤和和促炎因子的激活有关，但具体机制不明。代谢通路的改变导致了缺乏抗炎代谢物，像犬尿喹啉酸可能参与了抗炎，但仍然需要进一步证明。
缺乏色氨酸羟化酶1和使用5羟色胺合成抑制剂对氯苯丙氨酸的化学诱导的结肠炎小鼠症状得到减轻。这暗示了5-羟色胺加重了肠道炎症。综上所述，这些数据表明色氨酸的改变可能在炎症性肠病中起到积极作用。微生物的能力受损使得芳烃受体激动剂不足，这也充分说明了肠道微生物直接影响宿主生理。
肠易激综合征
虽然肠易激综合征的病因尚不清楚，但至少对某些患者来说，肠道微生物群在其发病机制中的作用是值得考虑的。此外，还可能与色氨酸代谢失调有关，肠易激综合征患者血清犬尿氨酸浓度升高，外周吲哚胺2,3-双加氧酶1活性与肠易激综合征患者严重程度呈正相关。肠动力的改变与5-羟色胺代谢异常有关，其也是肠易激综合征的主要特征之一。与健康对照组相比，肠易激综合征患者直肠活检组织中羟化酶1和5-羟色胺选择性再摄取转运蛋白的表达水平降低，此外，以便秘和腹泻为主的肠易激综合征可分别降低和增加结肠5-羟色胺含量。5-羟色胺的多向作用与其受体的多样性有关，这些受体能够触发特定器官的特定功能。5-羟色胺3和5-羟色胺4亚型在胃肠道中表达最多，与内脏伤害性和运动障碍联系在一起。5-羟色胺的作用已经被开发成为治疗的靶点，使用5-羟色胺3受体拮抗剂和5-羟色胺4受体激动剂分别对腹泻型和便秘型肠易激惹综合征有一定的疗效。
然而，令人不安的中枢5-羟色胺作用可能受到肠道微生物的调节，也可能参与肠易激综合征发病过程。肠道菌群对5-羟色胺的产生和对肠道运动的影响已在小鼠身上得到证实。并提示肠易激综合征的发病机制部分与微生物对5-羟色胺产生的功能失调控制有关。
代谢综合征与肥胖
在患有代谢综合征的人类患者中，已报道2,3-双加氧酶1过度激活，血清犬尿氨酸水平升高，犬尿氨酸与色氨酸比值与肥胖、代谢综合征、体重指数和血甘油三酯相关。代谢综合征患者循环5-羟色胺水平下降，与体重指数和体脂呈负相关。
微生物群通过色氨酸转化产生的几种吲哚衍生物可能在代谢综合征的发病机制中起作用。吲哚本身可以刺激肠内分泌细胞产生胰高血糖素样肽-1，胰高血糖素样肽-1可以刺激胰腺β细胞分泌胰岛素。这种机制包括快速抑制电压门控的钾离子通道刺激胰高血糖素样肽-1的分泌，但受到ATP合成的控制。
吲哚在肝脏也被吸收并代谢成吲哚硫酸盐。在肾功能衰竭期间，这种代谢物积累，其促炎和氧化作用与动脉粥样硬化、动脉硬化、充血性心力衰竭和其他心血管并发症的发病机制有关，这些并发症在慢性肾功能衰竭患者中表现得尤为突出。硫酸吲哚盐在正常肾功能患者中的作用仍有待确定。犬尿氨酸途径也与动脉粥样硬化有关。在小鼠模型中，2,3-双加氧酶1缺乏，通过调节IL-10的产生而减少动脉粥样硬化病变的发展。
这些病理描状态下的低度慢性炎症可能导致吲哚胺2,3-双加氧酶1的激活。犬尿氨酸途径的过度激活也可能参与低度炎症状态下胰岛素抵抗的发生，如肥胖、抑郁、丙型肝炎病毒感染和心血管疾病。人类和实验数据表明，黄嘌呤酸和其他产品对胰岛素的产生和释放以及对靶组织的影响具有有害影响。
大脑中产生的5-羟色胺会引起饱腹感，但在微生物直接影响下产生的5-羟色胺不会跨越血脑屏障。然而，色氨酸和直接的5-羟色胺前体5-羟色氨酸确实穿过血脑屏障，从而间接地调节中枢5-羟色胺的产生和功能。此外，外周5-羟色胺影响宿主代谢，而不受任何中枢效应的影响：肠源性5-羟色胺能够诱饱腹感，其水平在禁食期间增加，并促进脂肪组织中的脂解和肝细胞内的糖异生，有利于控制异常血糖。随后，给予高脂肪饮食的基因小鼠通过这样的机制保护其免受肥胖、胰岛素抵抗和非酒精性脂肪肝的影响，这一机制涉及更多的热源性棕色脂肪组织的能量消耗。然而，这些结果可能不适用于棕色脂肪组织丰度较低且随年龄增长而减少的成人。此外，人类的肥胖与外周5-羟色胺减少有关，表明其在发病机制中具有复杂的作用。用小鼠模型研究了芳烃受体在代谢综合征中的作用，但尚未得到明确的结论，这可能与其在代谢综合征发病机制中所表达的多种细胞(肠细胞、肝细胞和免疫细胞)的多重效应有关。
感染性疾病
肠道微生物群产生色氨酸衍生的芳烃受体激动剂在保护粘膜念珠菌病(一种由念珠菌引起的真菌感染)方面发挥着重要作用，其潜在机制包括产生IL-22，这是真菌的定植抗药性中的一种关键细胞因子。同样，由于细胞色素P450调控失调而导致芳烃受体配体的降解以及芳烃受体的缺失，导致更容易感染柠檬酸杆菌。恢复肠道芳烃受体活性可逆转这两种病原体的易感性，突出了平衡的色氨酸代谢在肠内稳态和感染应答中的重要性。不依赖于芳烃受体配体的产生，局部色氨酸代谢可能是宿主与微生物相互作用的适应性成分。某些病原体(如细胞内细菌衣原体和利什曼原虫)引起的TRP缺陷是CD4 T通过过度激活吲哚胺-2，3-双加氧酶限制感染，限制色氨酸的犬尿氨酸通路，从而控制细菌生长。一些细菌，如结核分枝杆菌，通过在应激条件下合成自己的色氨酸来逃避CD4介导的防御。这种机制尚未在肠道中描述，但可能与病原体-微生物-宿主相互作用有关。
神经精神异常
肠道微生物群影响大脑，可能部分通过调节循环的色氨酸可利用性，参与神经精神障碍。虽然血脑屏障的选择性很强，但色氨酸和犬尿氨酸能通过血脑屏障，对神经递质的代谢有显著的影响。它们通过作用于谷氨酸受体(在记忆功能中很重要的受体)而对大脑化学产生不同的影响。事实上，这些代谢物可分别通过减少或增加细胞外谷氨酸水平发挥作用，这已被证明与焦虑和压力相关的疾病有关。在这种情况下，外周的吲哚胺-2，3-双加氧酶被激活，特别是炎症情况下，可能远程影响这些脑过程，尽管所涉及的机制尚不清楚。近年来，被认为是全球最严重的神经发育疾病之一的自闭症的发病机制涉及肠道微生物群的改变。此外，自闭症患者改变了色氨酸代谢，其特征是血浆和尿液中色氨酸水平降低、高吲哚胺-2，3-双加氧酶活性和高5-羟色胺血液水平。
一项模拟自闭症综合征小鼠的实验调查报告称，小肠和大肠粘膜5-羟色胺减少了50%，肠道转运时间和某些细菌类群的丰富程度之间存在一定的相关性。这些结果与自闭症患者经常出现的便秘是一致的。因此，如果在患有自闭症的人中证实了5-羟色胺的肠道低产量，那么在这些患者中观察到的5-羟色胺血液水平升高的来源必须在肠道外。除了5-羟色胺之外，其他的色氨酸代谢途径也可能参与其中。此外，芳烃受体信号也可能参与其中，因为编码芳烃受体核转运子的基因多态性与自闭症的严重程度有关，该基因能结合和促进芳烃受体的功能。
新出现的证据也涉及抑郁症的微生物群-肠-脑轴。脑内5-羟色胺的有效性降低是抑郁症发病机制中的一个重要特征。在吲哚胺-2，3-双加氧酶通路过度激活的情况下，例如在慢性炎症性疾病或丙型肝炎干扰素治疗的患者中，色氨酸被大量转用于犬尿氨酸的产生，导致大脑色氨酸和5-羟色胺缺乏，随后导致抑郁。对于肥胖症中的抑郁也存在类似的假设，这种情况也以慢性炎症和酶激活为特征。在因饮食摄入不足而导致色氨酸缺乏的情况下，观察到了类似的效果，这支持了色氨酸耗竭在抑郁症中的作用。
色氨酸代谢：从失调到临床机遇
由于色氨酸代谢受到病理状态的影响，可以采用色氨酸及其代谢物作为临床诊断和预后的生物标志物，例如可以使用血浆色氨酸及犬尿喹啉酸水平预测住院患者心血管不良结局事件。
除了作为生物标志物，色氨酸代谢物的生物学效应以及疾病状态下的改变提示其可能是治疗的靶点，通过色氨酸代谢物的直接作用或者靶向受体或者间接操控肠道菌群。例如，口服乳杆菌可以促进芳烃受体配体的产生，可以改善基因诱导的结肠炎的症状。同样的，罗伊乳杆菌可以通过产生吲哚-3-乳酸重新编码上皮细胞内CD4+T细胞成为免疫调节CD4+CD8aaT细胞。在吲哚胺2,3-双加氧酶过度激活的情况下，降低了胃肠道色氨酸含量导致了芳烃受体配体的减少。如DSS诱导的小鼠结肠炎中，通过补充色氨酸，恢复肠道菌群产生的芳烃受体的配体水平能减轻结肠炎的严重程度。
这种类型的手段也适用于其它炎症疾病，如多发性硬化等病症。在一个脑脊髓炎小鼠模型补充色氨酸或衍生物，显示出增强的干扰素抑制效应，并抑制中枢神经系统炎症。吲哚硫酸盐可以成为肾脏疾病中强有力的靶点，最新一项研究表明通过操控饮食和工程菌可以操控吲哚硫酸盐水平。基于肠道菌群调控吲哚胺2,3-双加氧酶1和5羟色胺通路的手段是很吸引人的，也需要进一步发展。迄今为止，大量代谢色氨酸的微生物及其相关的生化通路仍需要进一步描述，而这项任务复杂的因素包括色氨酸代谢物种类繁多，微生物的种类复杂，这些障碍可以用高灵敏度和/或高通量来解决，特别是代谢组学和宏基因组学。一旦这方面的难题被攻克，人们就可以使用天然微生物、基因工程菌、或更直接地使用微生物产物调节色氨酸代谢，可以单独或结合上述手段进行疾病的治疗。
结论
色氨酸代谢在宿主生理和病理中扮演重要角色，上述主要讨论了5-羟色胺、犬尿氨酸及芳烃受体途径，这些途径很容易受到疾病的影响。此外，色氨酸的代谢受到肠道细菌直接或间接的作用。因此，通过使用靶向特定通路的分子，或者生产调控色氨酸代谢的微生物，从治疗的角度来看，肠道色氨酸代谢已成为疾病治疗的明日之星。然而，宿主与微生物间交流以及疾病的复杂性需要进一步研究来完善靶点和干预措施。
评论
肠道微生物可通过对色氨酸的代谢发挥影响宿主生理和病理的效应。色氨酸代谢主要有三种途径，其代谢产物有5-羟色胺、犬尿氨酸和吲哚衍生，对疾病的发生发展起到了不可忽略的作用。