色氨酸及其代謝物調(diào)控肌肉生長(zhǎng)發(fā)育的研究進(jìn)展

林 俊，杜 蕾，齊仁立,3*

（1.重慶市農(nóng)業(yè)學(xué)校，重慶 401329；2.重慶市畜牧科學(xué)院，重慶 402460；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部養(yǎng)豬科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 402460）

我國(guó)是畜牧生產(chǎn)大國(guó)和畜禽產(chǎn)品消費(fèi)大國(guó)，近幾年我國(guó)畜禽肉類年消費(fèi)量超過(guò)8 800 萬(wàn)t，人均消費(fèi)量50.3 kg，其中約66% 為豬肉，21% 為禽肉。創(chuàng)制和利用精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)來(lái)提高畜禽產(chǎn)肉性能和改善肉品質(zhì)符合我國(guó)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。色氨酸（Tryptophan）是一種中性氨基酸，帶有芳香族的側(cè)鏈，是人和動(dòng)物的必需氨基酸之一，主要通過(guò)食物攝入。色氨酸在調(diào)節(jié)宿主生長(zhǎng)、行為、免疫機(jī)能、抗應(yīng)激等發(fā)面發(fā)揮重要作用。近年來(lái)，一些研究指出色氨酸及其代謝物還能夠直接影響和調(diào)控動(dòng)物肌肉生長(zhǎng)、發(fā)育?；诖耍疚膶?duì)色氨酸及其不同代謝物對(duì)肌肉生長(zhǎng)和生理的差異影響、在畜牧生產(chǎn)中潛在的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述，以期為畜禽肉品質(zhì)改良相關(guān)的靶向營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)開(kāi)發(fā)提供理論參考。

1 色氨酸的不同代謝途徑

食物中的大部分色氨酸在動(dòng)物小腸被吸收進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，少量未被吸收的色氨酸進(jìn)入后腸并被腸道微生物代謝利用。進(jìn)入機(jī)體的色氨酸只有約1%被用于合成蛋白質(zhì)，其他都被分解代謝。如圖1 所示，色氨酸在動(dòng)物體內(nèi)主要有3 條代謝途徑：①犬尿氨酸（Kynurenine，KYN）途徑；②5-羥色胺（5-Hydroxyt ryptamine，5-HT）途徑；③腸道細(xì)菌代謝途徑。KYN途徑是色氨酸主要代謝途徑，約占色氨酸總量95%。KYN 的產(chǎn)生主要在肝臟，少量在腦中樞。色氨酸在吲哚胺-2,3-雙加氧酶（Indoleamine2，3-Dioxygenase，IDO）或色氨酸-2,3-雙加氧酶（Tryptophan-2，3-Dioxyg enase，TDO）的作用下生成KYN，然后經(jīng)過(guò)多級(jí)酶促反應(yīng)生成喹啉酸、吡啶羧酸類及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NAD）和磷酸NAD（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADP）等。約有1%～2% 的色氨酸進(jìn)入5-HT 代謝途徑。色氨酸被腸嗜鉻細(xì)胞中的色氨酸羥化酶1（TPH1）轉(zhuǎn)化產(chǎn)生5-羥色氨酸（5-Hydroxytryptophan，5-HTP），或者被中樞神經(jīng)元中的TPH2 轉(zhuǎn)化為5-HTP。5-HTP 隨后脫羧形成5-HT（5-Hydroxytryptamine，也稱血清素）。約有2%～4%的色氨酸在雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌、消化鏈球菌等攜帶芳香族氨基酸轉(zhuǎn)氨酶（Aromatic Amino Acid Aminotransferase，ArAT）和色氨酸脫羧酶（Tryptophan Decarboxylase，TrD）的腸道細(xì)菌的作用下通過(guò)脫氨和脫羧作用代謝生成色胺、吲哚和多種吲哚衍生物，如吲哚乙酸（Indole-3-Acetic acid，IAA）、吲哚丙酸（Indole-Propionic Acid，IPA）、吲哚丙酮酸（Indole-3-Pyruvic Acid，IPyA）、吲哚乳酸（Indole-Lactic Acid，ILA）和糞臭素等。

圖1 色氨酸的主要分解途徑及代謝產(chǎn)物

色氨酸的3 種代謝途徑的相對(duì)比例是動(dòng)態(tài)變化的?？股靥幚頃?huì)顯著減少動(dòng)物血液和糞便中吲哚和吲哚衍生物含量，并增加犬尿氨酸（KYN）含量。補(bǔ)充益生菌或者提高細(xì)菌多樣性能夠增強(qiáng)細(xì)菌代謝途徑，減少KYN/色氨酸的比例。富含膳食纖維的食物也能夠顯著提高動(dòng)物體內(nèi)色氨酸細(xì)菌代謝物的含量。顯然，腸道菌群的組成和多樣性與色氨酸代謝類型和代謝強(qiáng)度密切相關(guān)。

2 色氨酸及其代謝物對(duì)肌肉生長(zhǎng)發(fā)育的影響

關(guān)于色氨酸生理調(diào)控功能的研究主要集中在生長(zhǎng)維持、免疫調(diào)節(jié)和抗炎癥等方面，色氨酸及其代謝物對(duì)于肌肉生長(zhǎng)和生理功能的影響近年來(lái)才逐漸被研究和認(rèn)識(shí)。

2.1 色氨酸調(diào)控肌肉生長(zhǎng) 基于人的臨床研究，補(bǔ)充色氨酸可以有效對(duì)抗衰老引起的肌肉減少和萎縮，表明色氨酸與肌肉生長(zhǎng)有直接聯(lián)系。早期的動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加高水平（1.3～2.0 g/kg）的色氨酸能夠促進(jìn)豬的生長(zhǎng)，提高飼料利用率；深入分析發(fā)現(xiàn)，肌細(xì)胞的核糖體活性與色氨酸水平緊密相關(guān)，說(shuō)明色氨酸能夠促進(jìn)肌肉組織的蛋白合成。日糧中添加瘤胃保護(hù)性氨基酸可以顯著增加牛的肌肉塊重量，并提高骨骼肌對(duì)于脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和利用能力。長(zhǎng)期缺乏色氨酸會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物肌纖維萎縮，肌肉塊減小。飼喂無(wú)色氨酸飼糧的試驗(yàn)小鼠，其脛骨前肌纖維直徑比飼喂標(biāo)準(zhǔn)飼糧的小鼠明顯更小?；诩∪饨M織的靶向代謝組分析表明，色氨酸的缺乏削弱了骨骼肌的糖酵解反應(yīng)，并上調(diào)肌肉中與三羧酸循環(huán)有關(guān)的氨基酸濃度，如脯氨酸、蘇氨酸、精氨酸等。此外，低水平色氨酸和高水平的犬尿氨酸（KYN）處理都會(huì)抑制體外培養(yǎng)的C2C12 肌細(xì)胞的增殖和分化，減少肌管的數(shù)量和長(zhǎng)度。在另一項(xiàng)研究中，Sanfilippo 等在雌性大鼠妊娠期給予無(wú)色氨酸日糧發(fā)現(xiàn)，其子代出生后的發(fā)育狀況明顯落后于對(duì)照鼠，主要體現(xiàn)在體尺寸小、運(yùn)動(dòng)能力弱、下丘腦-垂體功能受損。通過(guò)組織形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)鼠的肌肉纖維萎縮和肌肉退行性病變，這可能是由于血液中的生長(zhǎng)激素濃度不足造成的。可以看出，色氨酸的缺乏明顯限制了動(dòng)物早期的肌肉快速生長(zhǎng)和發(fā)育。在低蛋白日糧（8%蛋白含量）的基礎(chǔ)上額外補(bǔ)充色氨酸（1.5 mmol/L）也能夠增加小鼠的肌肉率（肌肉/體重），降低體脂率（脂肪/體重），提高小鼠血液中胰高血糖素生長(zhǎng)因子（IGF1）、瘦素（Leptin）和卵泡抑制素（肌肉生長(zhǎng)抑制素MSTN的拮抗物）含量；基于基因芯片的分析顯示小鼠肌肉中mTOR/eif4/p70s6k 信號(hào)通路的相關(guān)分子表達(dá)水平明顯上調(diào)，而該通路能夠刺激蛋白合成和肌肉生長(zhǎng)。

顯然，適量補(bǔ)充色氨酸對(duì)于動(dòng)物的骨骼肌生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝具有積極的影響，具體作用途徑可能是多方面的：色氨酸通過(guò)IGF1/mTOR 通路直接靶向肌細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控分子，如和；通過(guò)調(diào)控糖代謝影響肌肉能量穩(wěn)態(tài)；通過(guò)改變肌肉氨基酸組成平衡影響蛋白合成與降解；影響中樞和外周激素的分泌并作用到肌肉組織。

2.2 犬尿氨酸和犬尿酸對(duì)肌肉的影響 作為色氨酸最主要的代謝物，犬尿氨酸（KYN）對(duì)肌肉的生長(zhǎng)具有明顯的負(fù)面影響。人和動(dòng)物血液中的KYN 含量隨著衰老而顯著增多，KYN 能夠增加肌細(xì)胞中活性氧（ROS）含量，并導(dǎo)致肌肉萎縮。通過(guò)腹膜注射KYN 處理年輕小鼠同樣會(huì)導(dǎo)致肌纖維尺寸減小，骨骼肌萎縮并促進(jìn)肌肉中的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)。反之，使用KYN 的關(guān)鍵代謝酶IDO 的特異性抑制劑1-mDT 處理老年小鼠，則能夠顯著減少KYN 的產(chǎn)生并恢復(fù)肌肉的生長(zhǎng)。通過(guò)蛋白組分析發(fā)現(xiàn)，衰老引起的循環(huán)系統(tǒng)KYN 濃度升高導(dǎo)致了肌肉中線粒體脂質(zhì)過(guò)氧化酶線粒體脂質(zhì)過(guò)氧化酶（VLCADm）的表達(dá)水平顯著增加，這會(huì)產(chǎn)生大量HO，進(jìn)而引起肌肉的過(guò)氧化損傷；而1-mDT 則可以降低VLCADm 的表達(dá)水平。KYN 通過(guò)改變VLCADm影響肌肉萎縮的潛在機(jī)制見(jiàn)圖2。

圖2 KYN 導(dǎo)致肌肉萎縮的潛在機(jī)制[17]

此外，不同的體外及體內(nèi)試驗(yàn)都表明，色氨酸和KYN 在骨骼肌上的調(diào)控作用部分是經(jīng)由IGF1/Akt/mTOR 信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的，該通路對(duì)于維護(hù)骨骼肌的完整性（蛋白合成、干細(xì)胞定向分化、肌肉再生等）具有重要影響。

鍛煉和運(yùn)動(dòng)可以提高骨骼肌犬尿氨酸轉(zhuǎn)氨酶（Kynurenine Aminotransferase，KAT）表達(dá)，促進(jìn)肌肉組織中的KYN 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)神經(jīng)毒性的犬尿酸（Kynurenic Acid，KA），進(jìn)而減小KYN 對(duì)肌肉、大腦等組織的損傷。KA 對(duì)于動(dòng)物的能量穩(wěn)態(tài)平衡表現(xiàn)出重要的調(diào)節(jié)作用。近期的研究指出，KA 能夠通過(guò)G 蛋白偶聯(lián)受體35（G Protein-Coupled Receptor 35，Gpr35）調(diào)控能量穩(wěn)態(tài)、脂肪代謝和炎癥。伴隨著運(yùn)動(dòng)，骨骼肌產(chǎn)生的大量 KA 進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)并激活脂肪等組織的Gpr35，后者可以上調(diào)等產(chǎn)熱基因和等抗炎基因的表達(dá)，進(jìn)而刺激脂質(zhì)代謝、增加能量消耗、減少細(xì)胞炎癥反應(yīng)，這能夠有效幫助動(dòng)物對(duì)抗高脂日糧引起的肥胖，并提高糖耐受能力。通過(guò)體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，KA 還能夠通過(guò)Gpr35/AMPK 和SIRT6 途徑減輕棕櫚酸誘導(dǎo)的C2C12 肌細(xì)胞和3T3-L1 脂肪細(xì)胞的炎癥與胰島素抵抗。肌肉中KAT 的表達(dá)主要受到過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子1（PGC-1）的控制，運(yùn)動(dòng)使肌肉中PGC-11-PPAR途徑持續(xù)激活，增加了骨骼肌KAT 的表達(dá)，可促進(jìn)KYN 向KA 的轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，氧化型肌纖維中KAT 的不同亞型表達(dá)水平均顯著高于酵解型肌纖維，表明肌肉中KYN 向KA 的轉(zhuǎn)化和代謝具有纖維類型的特異性。顯然，合理的運(yùn)動(dòng)或者通過(guò)其他生理生化途徑提高動(dòng)物體內(nèi)KAT 的表達(dá)，可促進(jìn)KYN 向KA 的轉(zhuǎn)化，能夠逆轉(zhuǎn)KYN 對(duì)肌肉的負(fù)面影響。

2.3 5-羥色胺和褪黑素對(duì)肌肉的影響 色氨酸的另外一類重要代謝物，5-羥色胺（5-HT）能夠刺激多種平滑肌細(xì)胞增殖，但有關(guān)5-HT 對(duì)于骨骼肌的影響機(jī)制還不完全清楚。5-HT2A 是5-HT 在骨骼肌細(xì)胞中的主要受體，隨著肌前體細(xì)胞向成熟肌管的分化，5-HT2A 蛋白豐度增加約3 倍。激活5-HT2A 可能有助于生肌基因的表達(dá)，但是具體的機(jī)制還不清楚。在體外培養(yǎng)的L6肌細(xì)胞和大鼠骨骼肌原代細(xì)胞上，使用5-HT 處理都能夠使細(xì)胞的葡萄糖吸收轉(zhuǎn)運(yùn)增加約50%。使用選擇性激動(dòng)劑m-HT 激活5-HT2A 同樣能夠增強(qiáng)肌肉對(duì)葡萄糖的吸收，并提高葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Glut2 和Glut4 在肌細(xì)胞膜中的表達(dá)量。還有研究指出，5-HT 能夠通過(guò)磷脂酶C（PLC）提高動(dòng)物骨骼肌中6-磷酸果糖-1-激酶（PFK）活性，促進(jìn)肌肉組織的糖酵解反應(yīng)，提高肌肉對(duì)葡萄糖的利用效率。這些結(jié)果表明5-HT 及其受體主要在肌肉組織的糖代謝中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

此外，5-HT 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的褪黑素（Melatonin）能夠影響到肌肉生長(zhǎng)和再生修復(fù)。使用褪黑素處理去勢(shì)雄性大鼠中可以減慢肌肉萎縮，發(fā)揮類似睪丸激素的作用?？诜屎谒乜梢跃徑馑ダ弦鸬募∪馑p和肌細(xì)胞自噬。褪黑素在不同類型的細(xì)胞中都可以通過(guò)減少自由基的產(chǎn)生，刺激抗氧化酶的產(chǎn)生（如谷胱甘肽還原酶），發(fā)揮強(qiáng)力抗氧化作用，而且褪黑素還可以提高線粒體電子傳遞鏈的效率。褪黑素的這些作用有助于減少肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡，加速骨骼肌的損傷修復(fù)，促進(jìn)肌肉再生。體外試驗(yàn)中，褪黑素可以經(jīng)由線粒體途徑保護(hù)骨骼肌細(xì)胞對(duì)抗過(guò)氧化氫、SNAP 等多種化學(xué)藥物誘導(dǎo)的凋亡和氧化損傷。也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，褪黑素可促進(jìn)肌前體細(xì)胞增殖，但也會(huì)抑制C2C12 細(xì)胞和鼠原代成肌細(xì)胞的分化與多核肌管的形成，這涉及Wnt/-catenin 信號(hào)的改變。

2.4 色氨酸細(xì)菌代謝物對(duì)肌肉的影響 目前，關(guān)于色氨酸經(jīng)腸道細(xì)菌產(chǎn)生的初級(jí)和次級(jí)代謝物吲哚和吲哚乙酸（IAA）、吲哚丙酸（IPA）、吲哚乳酸（ILA）等吲哚衍生物是否能夠直接調(diào)控肌肉生長(zhǎng)和生理功能還不清楚。但是色胺、吲哚、吲哚衍生物等可以作為配體激活多種細(xì)胞胞漿內(nèi)的芳烴受體（Aryl Hydrocarbon Receptor，AhR），活化的AhR 進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)與ARNT（Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator）蛋白形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，調(diào)控基因表達(dá)，進(jìn)而發(fā)揮抗炎癥和清除氧化自由基等多種生理作用。顯然，吲哚衍生物的這些抗氧化和抗炎癥作用對(duì)于肌肉的健康生長(zhǎng)十分有利?；诨蚯贸∈蟮难芯勘砻鳎珹hR-/-小鼠骨骼肌組織的代謝組發(fā)生了明顯變化，肌肉中糖酵解代謝受到影響，AhR-/-小鼠能夠?qū)垢咧占Z引起的葡萄糖不耐受。有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣中的污染物苯并（a）芘 [Benzo（a）Pyrene]可以激活肌肉中的并經(jīng)由Akt/NF-kB 途徑抑制肌肉生成。所以，推測(cè)色氨酸的腸道細(xì)菌代謝物可能經(jīng)由AhR/ARNT 在肌肉生長(zhǎng)、代謝和炎癥損傷修復(fù)發(fā)揮一定的調(diào)控作用，但是具體靶位點(diǎn)和作用途徑還有待探明。進(jìn)一步通過(guò)無(wú)菌動(dòng)物、悉生動(dòng)物等模型來(lái)研究色氨酸的腸道細(xì)菌代謝物對(duì)肌肉生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝的調(diào)控影響有助于闡明微生物-腸-肌軸對(duì)話交流機(jī)制，深入詮釋色氨酸的生理調(diào)控作用。

3 小結(jié)和展望

進(jìn)入體內(nèi)的色氨酸一方面通過(guò)合成代謝用于蛋白合成和沉積，是肌肉等組織器官生長(zhǎng)發(fā)育的必需物質(zhì)；另一方面，色氨酸分解代謝產(chǎn)生的KYN、KA、5-HTP、5-HT、褪黑素、吲哚和吲哚衍生物等多種不同代謝物能夠正向或者負(fù)向調(diào)控肌肉生長(zhǎng)和發(fā)育，涉及多種不同的途徑和機(jī)制。但是關(guān)于色氨酸及其代謝物對(duì)動(dòng)物肌肉調(diào)控影響的認(rèn)識(shí)還不夠充分和完整，揭示相關(guān)作用機(jī)制也將是下一步的研究目標(biāo) 。

綜合當(dāng)前的研究認(rèn)為，在畜牧生產(chǎn)上通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控或者腸道菌群干預(yù)（益生菌或者菌群移植等），適度提高色氨酸的5-HT 代謝途徑和腸道細(xì)菌代謝途徑占比，減少KYN 含量對(duì)于肌肉組織的生長(zhǎng)和生理穩(wěn)態(tài)是有益的。針對(duì)性地開(kāi)發(fā)色氨酸及其功能性代謝物產(chǎn)品，用于提高和改善畜禽產(chǎn)肉性能和肉品質(zhì)也具有現(xiàn)實(shí)的可行性。