色氨酸對腸屏障免疫的調控作用研究進展

楊 剛，張云露，李思明，范志勇*

（1.湖南農業大學動物科學技術學院，飼料安全與高效利用教育部工程研究中心，湖南長沙 410128；2.湖南家禽安全生產工程技術研究中心，湖南畜禽安全生產協同創新中心，湖南長沙 410128；3.江西省農業科學院畜牧獸醫研究所，江西南昌 330200）

腸道是機體重要的代謝場所，機體攝食的營養物質主要在腸道內被消化、吸收，腸道內環境的穩定影響機體健康，由物理、化學、免疫和菌群4 道屏障共同維持[1]，其中免疫屏障對誘導局部及全身免疫應答反應、保護腸道免受外來抗原的破壞和異常的免疫應答至關重要。腸道屏障的免疫功能一旦受損會引起諸多疾病，如腸易激綜合征、炎癥性腸病、結腸直腸癌，并會造成營養功能障礙、機體內源性抗體大量損耗、腸道微生態紊亂、機體免疫力下降等負面狀態[2-3]。腸道與體內多個器官密切相關，因此當腸屏障免疫受損，也會引起機體的一些相關疾病[4-5]。色氨酸經攝食進入動物體內，經3 條代謝途徑以及一系列酶的催化，代謝產生犬尿氨酸、5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、吲哚等中間代謝產物。有研究發現，色氨酸的一些代謝產物能通過芳香烴受體（Aryl Hydrocarbon Receptor，AhR）[6]、5-HT[7]等途徑對動物腸屏障尤其是免疫屏障造成影響。本文主要就色氨酸代謝通路過程及產物、色氨酸對腸屏障的影響以及色氨酸代謝物對腸屏障免疫的調控作用做一綜述。

1 色氨酸代謝通路過程及產物

作為多種動物的必需氨基酸，色氨酸在動物體內發揮著重要作用，如維持動物腸道微生物平衡、抑制炎癥反應和調控腸道免疫反應[8]。色氨酸經攝食進入動物體內后，主要經2 條代謝途徑被分解，犬尿氨酸代謝途徑是最重要的一條代謝途徑，超過95% 的色氨酸通過此條途徑被代謝，其次是5-HT 代謝途徑，攝入的色氨酸1%～2% 通過此途徑轉化[9]。另外腸道菌群可以直接利用色氨酸，這部分限制了宿主對色氨酸的利用，4%～6%的色氨酸被腸道菌群所代謝[10-11]。

1.1 犬尿氨酸代謝途徑 犬尿氨酸代謝途徑承擔大部分的色氨酸分解工作，該途徑發生在機體中的3 個部位，主要地點在肝臟，次要地點在大腦與小腸，限速酶分別為色氨酸2，3-雙加氧酶（Tryptophan-2,3-Dioxygenase，TDO）和吲哚胺2，3-雙加氧酶（Indoleamine-2,3-Dioxygenase，IDO）[12]。色氨酸被TDO/IDO 和一系列酶的催化產生多種代謝產物，如N-甲酰基犬尿氨酸、犬尿氨酸、3-羥基犬尿氨酸、鄰氨基苯甲酸、犬尿酸、3-羥基鄰氨基苯甲酸、黃尿酸、朱砂精酸、喹啉酸和吡啶甲酸，最終分解為CO2和ATP[13]。這些代謝產物被機體吸收后可通過多種途徑調控腸屏障免疫，促進腸屏障免疫的穩定（圖1）。

圖1 犬尿氨酸代謝途徑產物[6,9-12]

1.2 5-HT 代謝途徑 5-HT 代謝途徑主要發生在胃腸道中，其中有90%發生在胃腸道嗜鉻細胞（Enterochroma ffin Cell，EC），10%在腸神經元，限速酶都為色氨酸羥 化酶（Tryptophan Hydroxylase，TPH）[14-15]。色氨酸被TPH 轉化為5-羥色氨酸，經5-羥色胺脫羧酶催化為5-HT，5-HT 亦稱為血清素，之后經一系列酶轉化為褪黑素，進入機體循環中[16]。5-羥色胺不僅可調節機體免疫活性，亦在中樞神經系統和胃腸道之間的雙向通訊系統——腦-腸軸中起著關鍵的神經遞質的作用[17]。

1.3 微生物代謝途徑 微生物群可直接和間接調節宿主內源性色氨酸代謝，色氨酸代謝的變化可對微生物增殖和微生物群多樣性產生負面影響。腸道環境結構復雜，有多種細菌，且不同細菌分泌的酶不同，因此色氨酸被腸道微生物代謝會產生吲哚、吲哚-3-乙酸、吲哚丙酸、吲哚乳酸、色胺和甲基吲哚等多種代謝產物[18]。其中吲哚是主要的代謝產物，吲哚經過大腸吸收，進入門脈循環被肝臟吸收，氧化成吲哚酚后和硫酸鹽結合，最終隨尿液排出。

腸道中的眾多微生物對色氨酸代謝有著多方面的影響，因此被認為是影響腸道色氨酸代謝的共同驅動力。一方面，微生物可通過影響5-HT 途徑和犬尿氨酸途徑調節色氨酸的代謝。有些共生細菌（如小鼠和人類微生物群的芽孢形成細菌）的代謝物/細胞成分可促進結腸EC 中5-羥色胺的生物合成[19]；而一些微生物組分（如脂多糖和脂磷壁酸）對Toll 樣受體（Toll like receptor-4，TLR）的激活是色氨酸通過犬尿氨酸途徑啟動代謝的關鍵因素，TLR-2、TLR-3、TLR-4、TLR-7/8 和TLR-9 的激活可誘導犬尿氨酸產生[20]，微生物也可以誘導IDO1 促進免疫應答的下調和病原體的定植。另一方面，微生物也可直接代謝色氨酸，如有些共生微生物可以直接利用腔內色氨酸合成血清素。有研究表明，屬于乳球菌、乳桿菌、鏈球菌、大腸桿菌和克雷伯氏菌的幾種細菌能夠通過表達色氨酸合成酶產生血清素[21]。

2 色氨酸代謝對腸屏障免疫的影響

有研究發現，色氨酸及其代謝物水平的不平衡與多種人類病理學相關，包括抑郁癥、精神分裂癥、自身免疫、神經退化和癌癥等疾病[22]。王斌[23]、?ivind[24]研究發現，色氨酸攝入不足能夠引起腸道炎癥和腹瀉的發生，伴隨著腸道結構破壞、微生物組成紊亂以及免疫調控失衡。Chen 等[25]研究發現，色氨酸可能通過抑制NFκB-MLCK 信號通路和激 活ERK1/2 來減輕LPS 誘導的緊密連接損傷，保護和修復腸道緊密連接。Jordi[26]研究發現，色氨酸代謝物可通過AhR 活化調節腸上皮細胞上的白細胞介素-10（Interleukin-10，IL-10）的表達，而IL-10可抑制促炎介質的產生。Chen 等[27]研究發現，色氨酸通過降低蘇氨酸、蛋氨酸和脯氨酸的氨基酸譜來調節血清總氨基酸譜，通過抑制白細胞介素-22（Interleukin-22，IL-22）的表達來影響腸道免疫，通過降低念珠菌、梭狀芽孢桿菌和大腸桿菌的豐度來改變微生物區系。Yue 等[28]研究發現，在日糧中補充色氨酸可顯著降低應激誘導的肉雞空腸組織中5-HT 和TPH1 mRNA 水平的變化，減輕各種應激誘導的腸屏障功能障礙。Gao 等[29]研究發現，與Trp 代謝變化相關的其他因素，如衰老、壓力、益生菌和疾病，可影響腸道中Trp-微生物-免疫系統的相互作用，并在調節腸道免疫中發揮作用。

3 色氨酸代謝物對腸屏障免疫的調控作用

色氨酸代謝途徑及其產物對腸屏障免疫的調控作用見圖2。

3.1 色氨酸-AhR 途徑 AhR 是一種含有堿性螺旋-環-螺旋的轉錄因子，以配體依賴的方式調節基因的表達。犬尿氨酸代謝超過95% 的色氨酸，并產生一些具有AhR 親和力的中間產物，如犬尿氨酸、犬尿酸、黃尿酸、朱砂精酸，它們都具有AhR-配體活性[30]。這些AhR 配體與AhR 結合可刺激下游靶基因的表達，如IL-22、IL-17和IL-10。IL-22是一種炎癥細胞因子，在調節炎癥性腸病患者的炎癥反應和維持腸道菌群結構平衡方面具有多重作用，富含色氨酸的飲食可以增加AhR 的基因表達，激活AhR，并隨后增加結腸IL-22基因表達。IL-17主要由輔助性T17 細胞產生，在抵御細菌真菌以及一些免疫疾病的病原體中發揮重要作用。AhR 是IL-17介導的信號傳導的負調控因子，是配體激活的轉錄因子，在免疫系統中充當各種環境毒素的受體[31]。IL10是一種有效的抗炎細胞因子，可抑制促炎性介質的產生。IL10通過IL10受體發出信號，IL10受體在多種細胞類型中表達，包括腸上皮細胞，在腸上皮細胞中IL10受體與屏障功能的發育和維持相關[32]。在正常情況下，AhR 與免疫親和素樣蛋白（Heat shock protein 90，HSP90）、X-相關蛋 白-2（X-associated protein 2，XAP2）和HSP90& 輔助伴侶因子的復合物一起存在于細胞質中呈現休眠狀態。在配體結合時，AhR 通過暴露核定位信號（Ligand Binding Domain，LBD）的構象變化被激活，并且HSP90 從復合物中釋放。受體易位到細胞核中，與AhR 核轉位體（Aryl Hydrocarbon Receptor，Arnt）形成異源二聚體[33]。腸上皮細胞是腸內機械屏障的結構基礎，活化的AhR 通過與營養物質和腸道微生物群落的相互作用維持腸的通透性和調節腸內環境穩定[34-35]。并且，激活的Trp-AhR通路通過調節緊密連接的表達和分布，有效地增強了腸黏膜屏障，抑制肌球蛋白輕鏈激酶和磷酸化肌球蛋白輕鏈（Phosphorylated Myosin Light Chain，PMLC）信號通路的激活，減輕腫瘤壞死因子-α/干擾素-γ誘導的腸黏膜屏障功能障礙程度[13]。此外，IDO1 作為犬尿氨酸代謝途徑的限速酶，在一些適應性免疫中發揮重要作用。當組織出現損傷時，IDO1 可通過調節犬尿氨酸的產生、黏膜氨基酸營養、黏膜免疫反應和腸微生物群落代謝來調控對腸黏膜的抗炎和免疫抑制作用[36]。

圖2 色氨酸代謝物對腸屏障免疫的調控作用[30-47]

腸道菌群代謝色氨酸可產生多種代謝產物，而吲哚是最主要代謝產物。吲哚作為一種特殊的具有抗炎活性的信號分子，可以在腸道內保持高濃度，保證宿主的健康。有研究表明，吲哚也具有AhR-配體活性。吲哚不僅可通過AhR 途徑，也可通過孕烷X 受體（Pregnane X Receptor，PXR）影響小鼠腸道屏障完整性和免疫細胞。腸道微生物群可直接影響色氨酸微生物群衍生代謝物的類型和水平，其可靶向宿主AhR，并隨后通過PXR 調節黏膜免疫反應或調節黏膜完整性[37-38]。試驗表明，在腸病小鼠模型中適當添加吲哚可減輕由先天免疫反應誘導的炎癥，并恢復腸道菌群失調[11-12,39]。體外研究表明，添加一定濃度的吲哚可誘導腸上皮細胞緊密連接蛋白、抗炎介質IL-10的表達，并能有效降低促炎IL-8水平[40]。動物體內試驗進一步證實吲哚降低了大腸桿菌的黏附能力，保持了對病原真菌的抗性并消除了炎癥反應[41]。一小部分色氨酸通過腸道菌群作用代謝成吲哚酸衍生物，如吲哚3-醛、吲哚基丙酸、吲哚基丙烯酸（Indolylacrylic Acid，IAcrA）。約翰遜不動桿菌和羅伊氏乳桿菌通過吲哚丙酮酸途徑可以產生吲哚3-醛，吲哚3-醛通過AhR 激活釋放IL-22可以保證腸道屏障的穩定。而IAcrA 可以通過促進腸上皮屏障功能和減輕炎癥反應來抑制炎癥，并可以增強IL-10的產生和黏蛋白基因的表達，黏蛋白可被共生細菌用作能量來源，而IL-10可作為抗炎細胞因子[42]。

3.2 5-HT 對腸屏障免疫的調控 5-HT 途徑是腸道中的核心信號途徑之一，該途徑產生的5-HT 是調節腸道蠕動的重要介質，在調節腸道通透性和黏膜炎癥中發揮重要作用，5-HT 通過旁分泌的形式作用于黏膜下的神經從，與相應的受體結合來調節蠕動反射與分泌運動[14,43]。5-HT3 受體和5-HT4 受體是位于腸道神經回路的2 個重要5-羥色胺受體，它們是治療胃腸道疾病藥物的靶點。5-HT3 受體拮抗劑用于治療化療引起的惡心和嘔吐，以及腹瀉引起的功能性疾病。5-HT4 受體激動劑被認為對受到腔內刺激有促進胃腸動力的作用，而拮抗劑則抑制運動活性[7,44]。腸道微生物群引起的5-HT 濃度的變化可以調節宿主的免疫反應，進而影響宿主抵御病原體或疾病的應對策略。5-HT 可以促進各種黏膜感染模型的免疫和炎癥，結合其對腸道生理和腸道微生物群的影響，5-HT 被認為直接和間接影響胃腸運動和免疫系統，進而影響微生物群的組成和定位[15,39,45]。而作為5-HT 途徑最終代謝產物，褪黑素可以減輕大腸桿菌引起的腸道通透性增加和免疫反應，褪黑素是α7 煙堿乙酰膽堿受體（α7 nicotinic acetylcholine receptor,α7nAChr）的重要正調節因子，而α7nAChr 是脂多糖模型中的一種炎癥體激活劑[46-47]。

4 小 結

綜上所述，腸道屏障對保障動物腸道健康至關重要。色氨酸作為多種動物的必需氨基酸，在動物體內可通過多條途徑代謝，并通過這些途徑產生的代謝產物調控和保證動物腸道屏障免疫功能的穩定，從而改善機體的健康，促進動物生長。色氨酸及其代謝物水平的不平衡與多種人類病理學相關，因此通過對色氨酸的研究，或許可將其涉及的調控節點作為疾病干預和治療的有效的新靶點。