王荣蛟，莫 苏（MOE MOE SWE），袁再美，和世春，和少英，郭太情，刘 萍，毛华明*

（1.云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明 650201；2.攀枝花市农林科学研究院，四川攀枝花 617000；3.昆明市动物疫病预防控制中心，云南昆明 650033）

动物胃肠道中栖息着种类繁多的微生物，它们参与宿主营养代谢并形成一系列产物。肠道微生物产生的代谢物作为重要交换因子，参与调控肠道微生态平衡和免疫功能。代谢组学分析表明，肠道细菌通过包括色氨酸代谢物在内的多种代谢物影响宿主的代谢和免疫。其中，色氨酸代谢产物作为哺乳动物肠道健康的免疫调节因子受到研究人员广泛关注。色氨酸代谢是发生在宿主及其肠道共生微生物群中一个多途径的、复杂的过程。研究发现，动物肠道中的细菌、真菌和原虫等微生物有助于色氨酸关键代谢物形成，如微生物群落中合成代谢的-色氨酸、真菌合成的小肽、吲哚及其衍生物。这些代谢物参与维持动物肠道稳态，并对宿主健康有直接影响。黏膜表面通过对微生物代谢产物的识别和反应来激发先天和适应性免疫保护，构成肠道防御的第1 道屏障。例如，通过刺激细胞因子的产生，促进肠上皮细胞抗菌蛋白的合成和分泌，或促进免疫细胞的分化，其中受微生物代谢产物影响特征明显的是固有层CD4T 细胞和先天淋巴细胞（ILCs）。消化道内共生微生物产生的色氨酸代谢物通过激发被动保护、调整肠道微生态平衡等方式对宿主的生理产生影响。本文综述了肠道微生物与色氨酸代谢的特点及其在宿主免疫调节和肠炎性疾病中的作用，为进一步认识色氨酸代谢产物对肠道健康的影响提供参考。

1 肠道细菌、真菌、原虫与色氨酸代谢

动物的肠道中存在丰富多样的微生物群落，如细菌、真菌、原生动物、病毒、古细菌等。除了病毒和古生菌外，大多数细菌、真菌、原生动物可以通过不同途径代谢色氨酸，并产生影响宿主健康的生物活性分子。病毒只能从宿主获得基因并维持其基因以支持宿主代谢，如核质大DNA 病毒介导的宿主重编程可能是一种重要方式，以增加病毒的繁殖能力，但其自身没有代谢能力。因此，这些来自肠道细菌、真菌、原生动物的色氨酸代谢产物的研究结果更具有代表性。

1.1 细菌与色氨酸代谢 肠道细菌产生的相同色氨酸代谢产物是吲哚衍生物。大部分相同类型的色氨酸代谢物主要来源仍然未知。因此，在探究其代谢产物的生理功能之前，需要认识不同微生物色氨酸代谢特性。肠道微生物直接将色氨酸转化为多种生物活性分子，执行肠道健康的多重功能。肠道细菌会代谢过量的膳食色氨酸，产生代谢产物，如吲哚乙酸（IAA）、吲哚硫酸（ISA）、吲哚- 3 -乙醛（IAAld）、吲哚-丙烯酸（IA）、吲哚- 3 -醛（IAld）和色胺（图1），这些代谢物大部分是芳香烃受体激动剂。罗伊氏乳杆菌提供-色氨酸的吲哚衍生物（如ILA），可激活芳香烃受体（AhR），导致基因家族下调，并将CD4上皮淋巴细胞（CD4IELs）细胞重编程为双阳上皮性淋巴细胞（DP IELs）细胞，其他吲哚衍生物可能也有类似效果。细菌介导的色氨酸代谢物含有吲哚生物活性，如ISA 和抗氧化剂吲哚-3-丙酸（IPYA）。其中IYPA 的产生完全依赖于肠道菌群的存在，并且可以促进产孢梭状芽孢杆菌定植。细菌衍生代谢物能够通过特定药理靶点对宿主生理产生直接影响，细菌代谢色氨酸产生的色胺作为肠上皮GPCR 5-HT4 受体的配体调节胃肠蠕动。

图1 细菌、真菌和原生动物的色氨酸代谢产物[15]

1.2 真菌与色氨酸代谢 肠道菌群由多界微生物群落组成。细菌作为宿主生理发展的重要参与者其作用已经确定，但真菌的作用仍有待确定。因为真菌在肠道微生物群中所占比例低于1%。真菌的作用和重要性长期被忽视。肠道真菌定植诱导肠外淋巴组织中生发中心（GC）依赖的B 细胞扩张，并产生系统性抗体，对播散性白色念珠菌或耳念珠菌感染提供保护。研究发现，转录因子Umе6 是丝状结构的主要调节因子，它抑制肠道定植是通过激活菌丝特异性促炎症分泌蛋白酶Sap6 和菌丝细胞表面黏附素Hyr1 的表达，而不是通过影响细胞形状。与细菌类似，许多真菌（如藤枯菌、增殖镰刀菌、尖孢镰刀菌、黄萎病镰刀菌、f. sp.等）通过吲哚乙酰胺和吲哚丙酮酸（IPYA）途径参与吲哚乙酸（IAA）的生物合成。IAA 的合成存在2 种途径，色氨酸代谢途径和不依赖色氨酸途径。不依赖色氨酸的途径合成IAA 的生物合成机制仍未被探明。

1.3 原虫与色氨酸代谢 原虫是动物肠道中十分普遍的原生生物被认为是寄生虫，且对宿主存在不利影响。然而，肠道内的真核生物通常是共生微生物，它们与宿主相互作用而不影响宿主，部分原虫甚至有益于肠道微生态系统的稳定。隐孢子虫、内阿米巴原虫、芽囊原虫、蠕虫广泛存在于肠道中。鞭毛虫（）是一种变形虫，获得了一种细菌基因，并被进化为产生对甲酚来执行抑菌活性；此外，肠道中真核生物对哺乳动物宿主存在有益影响。肠道寄生虫和某些细菌微生物群都被认为具有强大的免疫调节作用。最近的研究表明，蠕虫感染改变了细菌肠道微生物群组成，而细菌微生物群落的存在和组成影响蠕虫在哺乳动物宿主中的定居和持续生存。部分寄生虫因具有有益的免疫调节作用而备受关注，这些作用还与色氨酸代谢紊乱和色氨酸消耗增加有关。鞭毛虫可通过TnaA 活性产生大量的吲哚，布氏锥虫（）促进色氨酸代谢产生大量的IPYA 和吲哚乳酸。

微生物和寄生虫在与哺乳动物宿主协同进化中，通过与宿主共生和协同的途径引起宿主免疫调节，促进自己的生存。相对于寄生或病原生物体物种，共生的微生物与其区别在于生存方式不同以及自我调节的改变。在菌群进行自我调节中，共生菌群在很大程度上是以对宿主的最小伤害来调节环境。肠道微生物系统的稳态对于维持肠道健康至关重要，共生菌群的调节方式、活性代谢产物相互作用，并与宿主先天和适应性免疫系统相互作用以维持肠道健康。肠道微生物之间是如何与宿主免疫系统形成沟通应答，以及它们之间通过哪些信号来维持肠道的健康，甚至色氨酸的微生物代谢物是否在这种沟通中发挥重要作用仍然不清楚。

2 色氨酸代谢产物在宿主免疫调节中的作用

大量微生物产生的色氨酸代谢物对芳香烃受体（AhR）具有激活潜能，AhR 的激活进而刺激靶基因表达、与营养物质和肠道微生物群落的相互作用共同影响肠道稳态。针对肠道菌群代谢色氨酸并产生特定的代谢物等方面已开展大量研究，但微生物色氨酸衍生物的特性仍然不清楚。因此，发现有价值的生物标志物，并更好地理解其在复杂条件下的作用机制，了解和选择具有代表性的肠道微生物色氨酸代谢物是一个重要的研究方向。

肠道微生物色氨酸代谢产物对肠道黏膜免疫存在影响。黏膜免疫系统是机体内结构完整且调控完善的免疫系统，能够对外界病原性抗原产生强烈的免疫应答，并保持对非病原性抗原的免疫耐受。肠道微生物色氨酸代谢产物对黏膜免疫系统的调控包括肠道上皮屏障功能、肠道上皮内分泌细胞、肠道微生物相互作用以及诱导受体或细胞因子在肠道固有免疫细胞上表达。

肠道微生物色氨酸代谢物可以通过靶向特定的宿主受体和通路来调节宿主防御机制（图2）。IPYA 是由肠道菌群产生的一种抗结核分枝杆菌活性物质。肠道中的IPYA 由数种细菌（包括产孢梭菌）的芳香族氨基酸产生，IPYA 其作为单一的细菌衍生色氨酸衍生物，能够改善小鼠的肠道屏障功能、调节黏膜免疫并表现出神经保护作用。色氨酸代谢产物通过维持顶端连接复合体（AJC）来抑制肌动蛋白调控肠上皮通透性的激活。由于AhR 参与调节厌食激素的分泌以及葡萄糖和胰岛素调节的代谢，肠道微生物色氨酸代谢产物在代谢综合症中大多表现出有益作用。有研究表明，IA 诱导了CYP1A1.95 的表达，CYP1A1 编码基因属于CYP450酶家族，分布在许多肝外组织，主要分布在胃肠道参与毒性代谢。色氨酸通过蛋白合成、直接转化及犬尿氨酸和5-羟色胺途径，产生NAD等衍生物，其中吲哚可激活芳香烃受体调节免疫反应。5-羟色胺作为G-蛋白偶联受体（GPCR）在结肠上皮中特异表达，并介导色胺的生物学效应，包括上皮分泌、肠道运动和免疫调节。色胺刺激肠嗜铬细胞（ECs）分泌5 -羟色胺并刺激胃肠道运动，但5 -羟色胺不介导色胺的作用。肠道中5 -羟色胺的过度释放会导致局部运动增强，导致腹泻，扰乱肠道免疫系统平衡，影响上皮内淋巴细胞（IELs）水平、CD4/CD8T 淋巴细胞和B 淋巴细胞增殖分泌性免疫球蛋白A 和细胞因子的分泌。有研究表明，5-羟色胺是肠道中重要的细菌代谢物，正常的5-羟色胺水平有助于肠道内健康的微环境，从而平衡细胞因子的水平。这证明了细菌代谢物可调控宿主的生理健康。

图2 色氨酸代谢的途径[15]

3 色氨酸代谢产物在宿主炎症性肠病中的作用

微生物色氨酸代谢产物可能是控制肠道炎症的关键活性物质。已有的研究指出色氨酸代谢产物对减缓肠道炎症甚至修复存在促进作用。肠道微生物群和宿主炎症反应之间的相互作用可能是由共同的色氨酸代谢网络介导。例如，在吲哚作用下促炎细胞因子和抗炎细胞因子的表达可促进肠道健康和调节肠道稳态的协调变化。有研究表明，降低乳酸菌、梭菌和拟杆菌特异表达的葡聚糖硫酸钠水平，可提高微生物色氨酸代谢调节IAA、IPYA 和IA 水平，最终通过触发AhR 信号通路调控紧密连接蛋白来保护肠道屏障功能。小檗碱通过调节肠道微生物相关色氨酸代谢物激活AhR 来治疗葡聚糖硫酸钠诱导的大鼠结肠炎，从而大大改善受损的肠道屏障功能。Shin 等通过16S rRNA 基因测序的微生物组分析发现，吲哚胺2,3-加双氧酶（Ido1）缺乏时，增加了产生吲哚类化合物的肠道细菌对色氨酸的消耗；Ido1/小鼠对肠道菌源吲哚代谢产物——硫酸3-吲哚酚的排尿量显著高于Ido1/小鼠，来自Ido1/小鼠的细菌可以直接减轻葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎的严重程度。IAA 作为色氨酸的特异性微生物代谢物，参与宿主基因调节肠道炎症的过程，与微生物来源的AhR配体一起激活IL-22 通路，促进结肠炎的恢复。

宿主基因可影响肠道微生物群的组成和功能，并改变微生物代谢产物的产生和肠道炎症。许多发酵乳制品含有的乳酸菌（LAB）和双歧杆菌，其中一些已被定性为益生菌，可以改变肠道微生物群。目前，可以使用针对特定通路的分子或利用微生物作为益生菌操纵色氨酸代谢从而调节宿主健康。

4 小结及展望

色氨酸代谢物作为宿主和微生物相互作用的关键物质，在宿主生命健康过程中发挥着重要作用。细菌、真菌、原生动物三类肠道微生物有助于色氨酸关键代谢物形成，其中细菌的重要作用已确定；真菌和原虫作为宿主生理发展的重要参与者以及其免疫调节作用而受到关注。肠道微生物的色氨酸代谢产物通过刺激靶基因表达、调控黏膜免疫系统、靶向作用于特定受体等方式来影响宿主的生理健康。微生物色氨酸代谢产物通过影响促炎细胞因子和抗炎细胞因子的表达、触发AhR 信号通路、调控紧密连接蛋白来减轻结肠炎程度和促进结肠炎恢复。

肠道微生物的色氨酸代谢是一个复杂过程，涉及动物及其肠道中多种共生微生物的相互作用。肠道微生物之间相互作用、微生物与宿主免疫系统应答机制以及它们之间通过哪些信号来维持肠道的健康等，仍然需要进一步研究。探究各类肠道微生物色氨酸代谢物产生来源、代谢途径、作用机制对于利用肠道微生物调控色氨酸代谢物，进而调控肠道健康以及机体健康十分重要。