腸道菌群對(duì)色氨酸代謝的影響研究進(jìn)展

王麗群龐日朝胡曉敏葉佳美張安仁

(1.成都中醫(yī)藥大學(xué)養(yǎng)生康復(fù)學(xué)院,成都 610075； 2.西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,成都 610083；3.同濟(jì)大學(xué)附屬上海市第四人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,上海 200434)

腸道是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng),擁有一個(gè)密集而多樣的微生物群落,稱為腸道菌群,該菌群與宿主共同進(jìn)化以建立相互關(guān)系。 腸道菌群被認(rèn)為是一種虛擬內(nèi)分泌器官,產(chǎn)生的分子能夠與宿主生理相互作用并觸發(fā)局部和全身反應(yīng),宿主-微生物群的生物串?dāng)_是疾病發(fā)病機(jī)理的主要因素[1-2]。 研究表明,大量的代謝物能夠驅(qū)動(dòng)宿主與其微生物組之間的串?dāng)_。 色氨酸(tryptophan,TRP)是一種必需氨基酸,必須從飲食中獲取。 飲食中缺乏TRP 會(huì)損害腸道免疫力并改變腸道微生物群落[3],TRP 代謝對(duì)腸道菌群起著重要的調(diào)節(jié)作用,因此TRP 作為宿主微生物串?dāng)_中的關(guān)鍵必需氨基酸,受到越來(lái)越多的關(guān)注。 同時(shí),腸道菌群也會(huì)對(duì)TRP 的代謝產(chǎn)生重要影響,表明腸道菌群與TRP 代謝之間的相互作用影響宿主的全身穩(wěn)態(tài)。 本文主要闡述了腸道菌群的分類和功能,腸道菌群對(duì)TRP 代謝影響及相關(guān)疾病的研究,為疾病發(fā)病機(jī)制和治療等臨床研究提供新的視角。

1 腸道菌群的分類和功能

腸道菌群是個(gè)龐大復(fù)雜的群體,種類達(dá)500 種,細(xì)菌總數(shù)達(dá)100 萬(wàn)億。 腸道菌群主要是由厭氧兼性厭氧菌和需氧菌組成,其中厭氧菌占99%以上[4]。在人體腸道微生物群落中,目前已發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌有9個(gè)門, 包 括 厚 壁 菌 門(Firmicutes)、 擬 桿 菌 門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)、螺旋體門(Spirochaeates)和VadinBE97 菌門,其中最主要的是厚壁菌門和擬桿菌門。 腸道是細(xì)菌最佳的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,正常情況下,腸道菌群、宿主與外部環(huán)境建立起一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,腸道菌群的種類和數(shù)量是相對(duì)穩(wěn)定的,但會(huì)受到年齡、性別、藥物、飲食等多種因素的影響而發(fā)生改變,引起腸道菌群失調(diào)。 腸道微生物群在免疫發(fā)育和活動(dòng)、代謝和營(yíng)養(yǎng)穩(wěn)態(tài)、大腦功能和行為等多個(gè)方面對(duì)宿主具有重要意義[5]。其中對(duì)胃腸道代謝物的合成、消化、發(fā)酵和次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)是腸道微生物群的基本功能之一。 大量與腸道微生物相關(guān)的胃腸道代謝物具有生物活性并影響宿主細(xì)胞的分化、遷移、增殖和凋亡過(guò)程,從而對(duì)宿主產(chǎn)生多種生理或病理作用,表明代謝物能夠驅(qū)動(dòng)宿主與其微生物組之間的串?dāng)_[6]。 目前研究主要涉及宿主-微生物群相互作用的代謝物有:一,短鏈脂肪酸,由纖維發(fā)酵產(chǎn)生的細(xì)菌產(chǎn)生；二,膽汁酸,在影響宿主之前被腸道微生物轉(zhuǎn)化；三,色氨酸代謝。 其中色氨酸代謝是本文闡述的重點(diǎn),色氨酸代謝產(chǎn)物胃腸道和外周中都發(fā)揮著重要作用,而腸道菌群影響著色氨酸代謝。

2 色氨酸的代謝途徑

TRP 除了在體內(nèi)被用于合成蛋白質(zhì)之外,在胃腸道中主要遵循三種代謝途徑:犬尿氨酸途徑、5-羥色胺途徑和微生物代謝途徑。

2.1 犬尿氨酸途徑

機(jī)體內(nèi)約有95%的TRP 通過(guò)犬尿氨酸途徑被代謝為犬尿氨酸(kynurenine,KYN)[7]。 KYN 的產(chǎn)生依賴于肝細(xì)胞中的色氨酸2, 3-雙加氧酶(tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO)和存在于其他細(xì)胞中的引哚胺2,3-雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)[8]。 TDO 可以由糖皮質(zhì)激素或TRP 本身誘導(dǎo),而IDO 受某些炎癥因子刺激的影響,如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、干擾素g(interferon-g,IFN-g)、干擾素γ(interferon gamma,IFN-γ),其中IFN-γ 是最有效的誘導(dǎo)劑[9]。 KYN 一旦產(chǎn)生,便會(huì)通過(guò)兩種不同的途徑進(jìn)一步代謝:犬尿酸途徑和喹啉酸途徑。 KYN 在犬尿酸途徑中被犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶催化轉(zhuǎn)氨生成犬尿酸并隨尿排出。 在喹啉酸途徑中,KYN 首先被犬尿氨酸羥化酶羥化生成3-羥基犬尿氨酸,進(jìn)而被3-羥基鄰氨基苯甲酸3,4-雙氧化酶催化形成喹啉酸或吡啶甲酸等代謝物[10]。 喹啉酸被認(rèn)為是一種興奮性N-甲基D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體激動(dòng)劑,具有神經(jīng)毒性,而犬尿酸則是一種神經(jīng)保護(hù)性NMDA 拮抗劑和a7 煙堿膽堿能激動(dòng)劑[11]。

2.2 5-羥色胺途徑

5-羥色胺(serotonin,5-HT)又名血清素,因此TRP 代謝的5-羥色胺途徑又被稱為血清素途徑。大約1%～2%的TRP 在色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase,TPH)的作用下被羥化生成5-羥色氨酸(5-Hydroxytryptophan,5-HTP)[12],TPH 主要以兩種亞型存在:色氨酸羥化酶1(tryptophan hydroxylase 1,TPH1)和色氨酸羥化酶2(tryptophan hydroxylase 2,TPH2),TPH1 主要存在于腸道腸嗜鉻細(xì)胞、脾臟、松果體和胸腺中,TPH2 完全存在于神經(jīng)元細(xì)胞中[13]。 5-HTP 進(jìn)而在芳香羧酸脫羧酶的作用下脫羧后形成5-HT,5-HT 通過(guò)單胺氧化酶和醛脫氫酶轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物5-羥吲哚乙酸(5-hydroxyindolacetic acid,5-HIAA),可在尿液中迅速排出[14]。 5-HT 主要由胃腸道中的腸嗜鉻細(xì)胞產(chǎn)生,是一種重要的胃腸道信號(hào)分子,它將信號(hào)從腸道傳遞到內(nèi)在或外在的神經(jīng)元,并影響腸道蠕動(dòng)和運(yùn)動(dòng)、分泌、血管擴(kuò)張和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[15]。

2.3 微生物代謝途徑

雖然大多數(shù)TRP 都在小腸中被消化吸收,但是部分TRP 仍可以到達(dá)結(jié)腸,并被結(jié)腸中的多種共生菌群降解。 吲哚是TRP 的主要細(xì)菌分解產(chǎn)物,在色氨酸酶的分解下形成。 色氨酸酶在大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌、霍亂弧菌、變形桿菌、志賀氏菌和糞腸球菌等多種腸道微生物中均有表達(dá)[16]。 吲哚吸收后被氧化成吲哚基,與硫酸鹽偶聯(lián)形成吲哚酚硫酸鹽,并以尿的形式排出體外[17]。 腸道微生物通過(guò)其他各 種 途 徑 將 TRP 轉(zhuǎn) 化 色 胺、 吲 哚-3-丙 酸( indolepropionic-3- acid, IPA )、 吲 哚 乳 酸(indolelactic acid,ILA)、吲哚-3-乙酸(indoleacetic-3- acid,IAA)、吲哚-3-醛(indole-3-aldehyde,IAld)、吲哚丙烯酸(indoleacrylic acid,IA)和糞臭素等。

3 腸道菌群對(duì)色氨酸代謝及其相關(guān)疾病的影響

3.1 犬尿氨酸途徑

越來(lái)越多的研究報(bào)告了腸道菌群對(duì)色氨酸犬尿氨酸代謝途徑及其相關(guān)疾病的影響。 在沒(méi)有腸道菌群或菌群失調(diào)的情況下,血漿中TRP 的濃度會(huì)增加,犬尿氨酸途徑代謝減少,從而導(dǎo)致犬尿氨酸/色氨酸含量(KYN/TRP)比值降低,但在菌群移植后會(huì)使血漿中的TRP 和犬尿氨酸途徑的代謝正常化,從而對(duì)各種疾病產(chǎn)生重要影響。

研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者的腸道菌群會(huì)發(fā)生改變,血漿中TRP 濃度降低,這與IDO 活性增強(qiáng)有關(guān),神經(jīng)毒性喹啉酸增加和神經(jīng)保護(hù)性犬尿酸減少,KYN/TRP 比值的增加,而益生菌可重塑抑郁癥患者的腸道菌群并影響犬尿氨酸代謝途徑。 Desbonnet 等[18]使用嬰兒雙歧桿菌治療抑郁癥大鼠14 d 后,顯著增加了血漿TRP 濃度和犬尿酸/犬尿氨酸比值,降低了KYN/TRP 比值和IDO 活性,同時(shí)還導(dǎo)致額葉皮層中5-HIAA 濃度的降低,表明雙歧桿菌使犬尿氨酸途徑中IDO 活性降低,血漿TRP 的可用性增加,在該途徑下游進(jìn)一步產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)性犬尿酸的趨勢(shì)增加。 最近,Rudzki 等[19]將60 名重度抑郁癥患者隨機(jī)分配到一項(xiàng)干預(yù)8 周的安慰劑對(duì)照試驗(yàn)中,30 名患者接受益生菌植物乳桿菌229v(LP299v)治療,另外30 名患者接受安慰劑治療,結(jié)果顯示益生菌LP299v 降低了重度抑郁癥患者血漿中的KYN 濃度和增加了3-羥基犬尿氨酸/犬尿氨酸比值,并且益生菌LP299v 改善了患者的認(rèn)知能力。 Kazemi等[20]對(duì)抑郁癥患者進(jìn)行益生菌(瑞士乳桿菌和長(zhǎng)雙歧桿菌)和安慰劑干預(yù)8 周后也得到類似結(jié)果,與安慰劑組相比,益生菌組的KYN/TRP 比值顯著降低,并且抑郁癥狀得到緩解。

神經(jīng)退行性疾病中犬尿氨酸代謝途徑的激活導(dǎo)致犬尿氨酸失衡,進(jìn)而產(chǎn)生神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物,神經(jīng)毒性和神經(jīng)變性的升高,而腸道菌群會(huì)影響犬尿氨酸代謝途徑。 多發(fā)性硬化癥(MS)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自身免疫性疾病,與脫髓鞘和神經(jīng)元丟失有關(guān),犬尿氨酸途徑產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)性和神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物(如喹啉酸)可影響MS。 在MS 研究進(jìn)展中,犬尿氨酸途徑的激活很可能是由于促炎細(xì)胞因子(如TNF-α 和IFN-g)從而促進(jìn)IDO-1 表達(dá)。 在MS 的實(shí)驗(yàn)性變態(tài)反應(yīng)性腦脊髓炎(EAE)模型中,觀察到大鼠血清中喹啉酸和KYN/TRP 比值的水平顯著升高,并且這些水平與疾病嚴(yán)重程度的增加相關(guān)[21]。阿爾茨海默氏病(AD)也與犬尿氨酸途徑有關(guān),特別是與喹啉酸相關(guān)的炎癥因子導(dǎo)致IDO-1 和TDO的表達(dá)增加,進(jìn)而導(dǎo)致犬尿氨酸代謝途徑激活和喹啉酸的積累[22]。 研究發(fā)現(xiàn),腸道微生物群可以影響神經(jīng)細(xì)胞小膠質(zhì)細(xì)胞以調(diào)節(jié)喹啉酸產(chǎn)生[23],喹啉酸是興奮毒性NMDA 受體激動(dòng)劑,而NMDA 受體的表達(dá)也受腸道微生物群的調(diào)節(jié),表明腸道微生物群可能潛在地影響犬尿氨酸代謝途徑并影響相關(guān)神經(jīng)退行性疾病。

3.2 腸道菌群對(duì)5-HT 途徑的影響

腸道菌群對(duì)5-HT 的TRP 代謝也具有重要影響。 很多細(xì)菌菌株都能在體外從TRP 中產(chǎn)生5-HT,這些菌株包括大腸桿菌、植物乳桿菌(FI8595)、嗜熱鏈球菌、摩根桿菌、肺炎克雷伯氏菌和哈夫尼亞菌等[24-25]。 5-HT 主要在腸道中合成,腸道微生物群是腸道5-HT 產(chǎn)生的主要參與者,這已在GF 小鼠中得到證實(shí),與常規(guī)SPF 小鼠相比,GF 小鼠的結(jié)腸和血清中的5-HT 含量顯著降低,并且在整個(gè)遠(yuǎn)端結(jié)腸和近端結(jié)腸中均可觀察到,而在小腸中則沒(méi)有,這表明微生物群在調(diào)節(jié)結(jié)腸5-HT 中具有特殊作用[26]。 同時(shí),5-HT 參與情緒、行為和認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)。

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一種慢性反復(fù)發(fā)作的腸道疾病,5-HT 在調(diào)節(jié)腸胃蠕動(dòng)、分泌和感覺(jué)中起著關(guān)鍵作用,有證據(jù)表明,IBS與腸道5-羥色胺能神經(jīng)元信號(hào)不足有關(guān)[27]。Jalanka-Tuovinen 等[28]研究表明IBS 患者的腸道菌群多樣性發(fā)生了改變,并顯示出健康對(duì)照者和IBS患者之間以及IBS 患者亞組之間的微生物群組成差異。 盡管IBS 的病因?qū)W尚不清楚,但至少在某些亞組患者中,懷疑致病菌腸道菌群在IBS 發(fā)病機(jī)理中的作用。 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,5-HT 參與情緒、行為和認(rèn)知功能和精神疾病。 使用急性色氨酸耗竭技術(shù)研究5-HT 對(duì)情緒的影響,其中降低飲食中色氨酸的水平會(huì)導(dǎo)致腦部5-HT 水平的降低,從而可以分析5-HT 依賴性行為[29]。 同時(shí),腸道菌群影響焦慮和抑郁相關(guān)的行為。 Bravo 等[30]研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照喂養(yǎng)的小鼠相比,鼠李糖乳桿菌的慢性治療誘導(dǎo)了皮質(zhì)海馬和杏仁核中GABA 受體的改變,同時(shí)還降低了應(yīng)激誘導(dǎo)的皮質(zhì)酮水平以及與焦慮和抑郁相關(guān)的行為。 腸道菌群對(duì)焦慮和抑郁相關(guān)行為的影響越來(lái)越明顯,對(duì)TRP 和5-HT 代謝影響的也越來(lái)越重要,提示腸道菌群可能通過(guò)調(diào)節(jié)TRP 和5-HT 對(duì)焦慮和抑郁產(chǎn)生影響。

3.3 微生物代謝途徑

腸道菌群能夠直接代謝色氨酸并改變其宿主中色氨酸的可用性。 腸道菌群可以將TRP 直接代謝為色胺、糞臭素、IPA、IAA、IAd 和ILA 等代謝產(chǎn)物,這些細(xì)菌色氨酸分解代謝物是芳香烴受體(AHR)的配體,AHR 與AHR 配體結(jié)合可以刺激下游靶基因的表達(dá),促使腸道菌群中的有益菌勝過(guò)致病菌,從而調(diào)節(jié)宿主腸內(nèi)和全身穩(wěn)態(tài),進(jìn)而對(duì)MS 和炎性腸病等疾病產(chǎn)生影響。

Rothhammer 等[31]在MS 患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)病變中檢測(cè)到了星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)I 型干擾素(type I interferons,IFN-I)的轉(zhuǎn)錄反應(yīng),AHR 激動(dòng)劑的循環(huán)水平降低。 他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)補(bǔ)充色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚、硫酸吲哚酚、IPA 和IAld,可減輕經(jīng)抗生素治療的EAE 模型小鼠的CNS炎癥。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的IFN-I 信號(hào)傳導(dǎo)通過(guò)配體激活的轉(zhuǎn)錄因子AHR 和細(xì)胞因子信號(hào)傳導(dǎo)抑制因子減少炎癥和EAE 評(píng)分。 這些發(fā)現(xiàn)表明,CNS 中產(chǎn)生的IFN-I 與來(lái)自色氨酸的腸道菌群代謝產(chǎn)物結(jié)合,可以激活星形膠質(zhì)細(xì)胞中的AHR 信號(hào)傳導(dǎo)并抑制CNS 炎癥。 Lamas 等[32]在患有炎性腸病的小鼠的微生物群中也觀察到AHR 配體數(shù)量降低,尤其是在缺乏炎性腸病易感基因CARD9 的小鼠中。CARD9 通過(guò)增加炎癥因子IL-22的產(chǎn)生來(lái)促進(jìn)結(jié)腸炎的恢復(fù),而Card9-/-小鼠更易患結(jié)腸炎。Card9-/-小鼠中的微生物群發(fā)生了改變,并且微生物群從Card9-/-小鼠轉(zhuǎn)移至野生型小鼠,Card9-/-小鼠無(wú)法將色氨酸代謝為可充當(dāng)AHR配體的代謝物。 用能夠代謝色氨酸的乳桿菌菌株或用AHR 激動(dòng)劑治療小鼠后,腸道炎癥減弱。

4 腸道菌群調(diào)節(jié)色氨酸代謝的潛在作用機(jī)制

4.1 腸道菌群通過(guò)影響IDO 調(diào)節(jié)犬尿氨酸途徑

雖然腸道菌群對(duì)色氨酸犬尿氨酸代謝途徑機(jī)制尚不清楚,但腸微生物群主要是通過(guò)多種途徑調(diào)節(jié)犬尿氨酸代謝中IDO 的表達(dá)和活性。 腸道菌群可以影響犬尿氨酸途徑中酶的活性。 相比于具有正常腸道菌群的小鼠,無(wú)菌(germ-free,GF)小鼠腸道的IDO 表達(dá)不足[33]。 Harrington 等[34]對(duì)IFN-γ基因敲除小鼠和GF 小鼠的實(shí)驗(yàn)表明,IFN-γ 基因上調(diào)依賴于正常的共生菌群,由于IFN-γ 是IDO 最有效的誘導(dǎo)劑,因此在小鼠腸道菌群的定植后IDO 表達(dá)的增加。 Clarke 等[35]發(fā)現(xiàn)GF 小鼠的血漿中KYN/TRP 比值降低,但是將斷奶(3 周齡)后的GF小鼠從GF 設(shè)施中移出,然后在飼養(yǎng)常規(guī)小鼠的籠子中生長(zhǎng)至8 ～9 周齡,以達(dá)到定植正常菌群的目的,結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌群定植小鼠的KYN/TRP 比值可恢復(fù)至正常水平。 其他學(xué)者報(bào)道了小鼠菌群定植后的第4 天和第30 天血漿[36]KYN 濃度和KYN/TRP比值都有相似程度的增加。 然而,并非所有細(xì)菌均能促進(jìn)IDO 活性的活性。 有研究團(tuán)隊(duì)對(duì)自發(fā)性自身免疫性糖尿病( BioBreeding diabetes-prone,BBDP)大鼠喂養(yǎng)約翰遜氏乳桿菌后發(fā)現(xiàn),約翰遜氏乳桿菌抑制了IDO 的活性,同時(shí)BBDP 大鼠的血清KYN 濃度降低,該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為約翰遜氏乳桿菌讓回腸中過(guò)氧化氫(H2O2)濃度升高可能是抑制IDO活性的原因[37]。 這與Gao 等人[38]的報(bào)告一致,約翰遜氏菌定植后IDO 活性降低的主要機(jī)制是回腸腔內(nèi)H2O2的產(chǎn)生增多,H2O2充當(dāng)信號(hào)分子,并通過(guò)影響宿主-菌群共生相互作用來(lái)抑制IDO 的活性。另一項(xiàng)研究[39]發(fā)現(xiàn)H2O2可以通過(guò)激活過(guò)氧化物酶以誘導(dǎo)蛋白質(zhì)氧化并抑制IDO 活性。 Moloney 等[40]通過(guò)比較常規(guī)小鼠、GF 小鼠和菌群移植小鼠海馬體中的miRNA,顯示微生物群調(diào)節(jié)與犬尿氨酸途徑代謝相關(guān)的miRNA 的表達(dá),并證明腸道菌群調(diào)節(jié)海馬體中犬尿氨酸途徑基因的表達(dá)。 REGA3 是胃腸道內(nèi)的一種抗菌蛋白,它能夠影響腸道菌群的組成,從而增加乳酸桿菌的數(shù)量。 最近,有研究報(bào)道[41],由REGA3 增加的乳酸桿菌可能通過(guò)產(chǎn)生鳥(niǎo)氨酸上調(diào)腸道上皮細(xì)胞中的IDO1 以產(chǎn)生KYN。

4.2 腸道菌群通過(guò)影響TPH 調(diào)節(jié)5-HT 途徑

研究報(bào)告了腸道微生物群調(diào)節(jié)5-HT 的潛在機(jī)制,腸道菌群可能通過(guò)TPH 影響5-羥色胺途徑。 研究發(fā)現(xiàn),相比于無(wú)特定病原體(specific pathogen free,SPF)小鼠,GF 小鼠的腸道腸嗜鉻細(xì)胞在形態(tài)上更大,提示腸道微生物可能會(huì)影響腸嗜鉻細(xì)胞的發(fā)育和功能[42],而腸嗜鉻細(xì)胞主要表達(dá)TPH1,因此腸道菌群可能通過(guò)調(diào)節(jié)腸嗜鉻細(xì)胞中TPH1 的表達(dá)來(lái)響應(yīng)細(xì)菌起源的各種生化物質(zhì),從而影響5-HT的合成。 Sj?gren 等[43]發(fā)現(xiàn),盡管結(jié)腸和血清中5-HT 水平不足,但GF 小鼠糞便和血清中的TRP(TPH1 的底物)水平顯著增加,這表明宿主TPH1表達(dá)的中斷導(dǎo)致了TRP 的積累。 Yano 等[26]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),口服TPH1 的產(chǎn)物5-羥色氨酸(5-HTP)可充分緩解GF 小鼠結(jié)腸和血清5-HT 表達(dá)的不足,而補(bǔ)充TPH1 的底物TRP 則無(wú)恢復(fù)5-HT 的表達(dá),表明微生物群通過(guò)提高結(jié)腸腸嗜鉻細(xì)胞中TPH1 的表達(dá)來(lái)促進(jìn)5-HT 的合成。 為進(jìn)一步研究腸道菌群影響5-HT 產(chǎn)生的機(jī)制,研究者將GF 小鼠結(jié)腸中脫氧膽酸的腔內(nèi)濃度提高到SPF 小鼠的水平,發(fā)現(xiàn)可以增加結(jié)腸和血清中的5-HT,因此他們認(rèn)為腸道微生物通過(guò)將肝臟分泌的膽酸轉(zhuǎn)化為脫氧膽酸進(jìn)而促進(jìn)5-HT 的產(chǎn)生。 此外,有研究報(bào)道[44],TPH1 缺陷型(TPH1-/-)小鼠腸道中的5-HT 含量顯著降低。Kwon 等人[45]觀察到同窩TPH1-/-和TPH1+/-小鼠之間的腸道微生物組成有顯著差異,他們利用離體共生的體外系統(tǒng)評(píng)估發(fā)現(xiàn),5-HT 在體外以濃度依賴性和物種特異性的方式直接調(diào)節(jié)共生細(xì)菌的生長(zhǎng)。另一項(xiàng)研究[46]通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR 和蛋白質(zhì)免疫印跡比較GF 小鼠、常規(guī)飼養(yǎng)小鼠和定植了人類腸道菌群(HM) 小鼠的近端結(jié)腸節(jié)段中TPH1 mRNA 和蛋白的表達(dá),發(fā)現(xiàn)HM 小鼠的TPH1 mRNA和蛋白表達(dá)均明顯高于GF 小鼠,同時(shí)GF 小鼠結(jié)腸中5-HT 的含量顯著低于HM 小鼠。 為了確定TPH1 mRNA 和蛋白的表達(dá)是否對(duì)人類腸道腸道菌群具有特異性,還評(píng)估了常規(guī)飼養(yǎng)小鼠TPH1 mRNA 和蛋白的表達(dá),發(fā)現(xiàn)其TPH1 mRNA 表達(dá)的增加與HM 小鼠類似。 這些研究結(jié)果表明,微生物群的缺乏與結(jié)腸TPH1 表達(dá)的降低有關(guān),人體和小鼠腸道微生物群都可以影響5-HT 的生物合成途徑。 該研究還在體外人腸嗜鉻細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn),由遠(yuǎn)端腸道微生物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(丁酸和乙酸)能顯著提高TPH1 mRNA 表達(dá),提示腸道微生物通過(guò)短鏈脂肪酸影響腸嗜鉻細(xì)胞和TPH1,進(jìn)而促進(jìn)結(jié)腸中5-HT 的產(chǎn)生。

腸道菌群還可能通過(guò)5-羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(serotonin transporter,SERT)影響TRP 代謝產(chǎn)生5-HT。 SERT 可以促進(jìn)5-HT 被細(xì)胞內(nèi)的單胺氧化酶降解,并維持在體內(nèi)的正常水平,而在SERT-/-小鼠的血漿中缺乏5-HT[47]。 最近,Singhal 等[48]評(píng)估了SERT+/+和SERT-/-小鼠的糞便和盲腸微生物的組成,發(fā)現(xiàn)與SERT+/+小鼠相比,SERT-/-小鼠的微生物組群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。SERT+/+小鼠具有更多的腸道微生物共存菌群網(wǎng)絡(luò),而SERT-/-小鼠的微生物組則由不連續(xù)的子網(wǎng)絡(luò)組成,這表明SERT-/-小鼠的腸道細(xì)菌之間的相互作用喪失,SERT 缺乏改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。 Golubeva 等[49]評(píng)估了孤獨(dú)癥譜系障礙的BTBR小鼠模型和C57BL/6小鼠的結(jié)腸和回腸組織中5-HT 的可用性,相比于C57BL/6 小鼠,BTBR小鼠結(jié)腸和回腸組織中的5-HT 水平降低了50%,且BTBR 小鼠的TPH1 表達(dá)下調(diào)和SERT 基因表達(dá)上調(diào)。 由于TPH 的活性決定了TRP 產(chǎn)生的5-HT 的量,而SERT基因控制著5-HT 的攝取和分解,因此研究結(jié)果表明5-HT 合成的減少和分解的增加,導(dǎo)致BTBR小鼠結(jié)腸和回腸中5-HT 的生物利用度降低。 同時(shí),他們發(fā)現(xiàn)5-HT 在結(jié)腸和回腸組織中濃度和可用性與梭狀芽孢桿菌屬的相對(duì)豐度密切相關(guān),而且芽孢桿菌屬與TPH1和SERT基因表達(dá)水平之間也存在很強(qiáng)的相關(guān)性,這證實(shí)了梭狀芽胞桿菌細(xì)菌在TRP 產(chǎn)生5-HT 中的重要性。

此外,Hata 等[50]發(fā)現(xiàn),在GF 小鼠的盲腸和結(jié)腸腔內(nèi)的5-HT 水平顯著低于SPF 小鼠,而且在SPF小鼠中,大多數(shù)5-HT 是非結(jié)合的游離形式,而在GF小鼠中,大約有50%的5-HT 以葡萄糖醛酸結(jié)合形式存在,說(shuō)明腸道菌群對(duì)葡萄糖醛酸結(jié)合的5-HT的去共軛過(guò)程可能有助于促進(jìn)腸腔內(nèi)游離5-HT 的產(chǎn)生。 另外有研究報(bào)道[51],腸道菌群可以通過(guò)調(diào)節(jié)肌間神經(jīng)叢中的神經(jīng)元釋放5-HT 和激活5-HT4受體。

4.3 腸道菌群直接代謝TRP 并改變其宿主中TRP 的可用性

研究表明,腸道菌群能夠直接代謝TRP 并改變其宿主中TRP 的可用性。 腸道菌群可以將TRP 直接代謝為色胺、糞臭素、IPA、IAA、IAd 和ILA 等代謝產(chǎn)物。 研究發(fā)現(xiàn),萎縮芽孢桿菌C89 中非核糖體肽合成酶基因簇之后最下游的芳族L-氨基酸脫羧酶與TRP 脫羧形成色胺有關(guān)[52]。 同時(shí),嗜線蟲(chóng)致病桿菌也能代謝TRP 產(chǎn)生色胺[53]。 值得注意的是,Williams 等[54]研究發(fā)現(xiàn)生孢梭菌能夠通過(guò)特定的色氨酸脫羧酶將TRP 脫羧成色胺。 Wikoff 等[55]研究發(fā)現(xiàn)生孢梭菌在培養(yǎng)物中可以產(chǎn)生IPA,于是用生孢梭菌ATCC15579 菌株對(duì)GF 小鼠進(jìn)行定植,并在定植后每隔一段時(shí)間采集血樣。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在引入微生物后不久的樣品中未檢測(cè)到IPA,在定植后第5 天首次在血清中觀察到IPA,在第10 天達(dá)到與正常養(yǎng)殖小鼠相當(dāng)?shù)乃?這表明將體內(nèi)能夠產(chǎn)生IPA 的生孢梭菌定植于胃腸道可以將IPA 引入宿主的血液中。 有學(xué)者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[56],通過(guò)基因工程阻斷生孢梭菌降解TRP 的功能后,小鼠血液中的IPA 水平降低。 羅伊氏乳桿菌可以將TRP 轉(zhuǎn)化為IAA[57]。 Wilck 等[58]通過(guò)16SrDNA 基因測(cè)序分析了來(lái)自正常鹽飲食和高鹽飲食喂養(yǎng)的小鼠的糞便,發(fā)現(xiàn)高鹽飲食會(huì)改變小鼠的糞便微生物組并消耗乳酸桿菌,同時(shí)顯著降低糞便中IAA 和ILA 的含量,而IAld 的含量沒(méi)有發(fā)生變化。 他們進(jìn)一步分離小鼠糞便發(fā)現(xiàn)上述乳酸桿菌為鼠李糖乳桿菌,并且在用鼠李糖乳桿菌分離物單克隆的小鼠糞便中檢測(cè)到ILA、IAA 和IAld,而在GF 小鼠糞便中則沒(méi)有,表明鼠李糖乳桿菌具有產(chǎn)生ILA,IAA 和IAld 的能力。 最初研究表明,腸道微生物(乳桿菌屬、普雷沃菌屬,梭菌屬,放線菌屬和巨球藻屬等)能通過(guò)最接近糞臭素的前體IAA 的脫羧作用進(jìn)行合成糞臭素[59]。 隨著研究的進(jìn)一步深入,發(fā)現(xiàn)腸道微生物能夠直接代謝TRP 合成糞臭素。 Whitehead 等[60]在培養(yǎng)德雷克氏梭菌和糞味梭菌的常規(guī)培養(yǎng)基中補(bǔ)充TRP,到48 h 觀察到糞臭素和IAA 的產(chǎn)生,表明這兩種細(xì)菌均可降解色氨酸形成IAA 和糞臭素。

5 總結(jié)

腸道微生物群對(duì)TRP 的犬尿氨酸、5-HT 和微生物代謝途徑具有重要影響。 越來(lái)越多的研究表明的TRP 代謝許多疾病有關(guān),例如炎癥性腸病、腸易激綜合征、神經(jīng)退行性疾病和精神障礙(焦慮、抑郁、孤獨(dú)癥等)[61-62]。 色氨酸代謝物是疾病病理的,因此可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相關(guān)藥物,如使用抑制劑來(lái)阻止某些途徑中的酶,降低神經(jīng)毒性代謝物水平,同時(shí)提高神經(jīng)保護(hù)性代謝產(chǎn)物,進(jìn)而達(dá)到治療相關(guān)疾病的作用。 同時(shí),腸道菌群在這些疾病中也具有重要作用,表明腸道微生物的作用可能部分地由TRP 代謝介導(dǎo)。 TRP 代謝物直接或間接地被腸道菌群控制,表明可以通過(guò)多種研究方法來(lái)幫助確定腸道菌群對(duì)各種疾病的影響,包括使用缺乏菌群的無(wú)菌動(dòng)物、益生菌補(bǔ)充劑、抗生素管理和糞便移植研究。通過(guò)益生菌影響腸道菌群的組成來(lái)調(diào)節(jié)TRP 代謝可能是一種潛在和有效的治療方法。 因此,本文通過(guò)系統(tǒng)闡述腸道菌群對(duì)TRP 代謝途徑及其相關(guān)疾病的影響,可以對(duì)疾病發(fā)病機(jī)制和治療等臨床提供新的視角。 然而,由于腸道微生物群-宿主之間相互作用的復(fù)雜性以及疾病和模型的復(fù)雜性,而且目前大多數(shù)研究都是基礎(chǔ)研究,因此對(duì)腸道菌群通過(guò)TRP 代謝影響宿主健康的研究仍需進(jìn)一步深入。