色氨酸对肠屏障免疫的调控作用研究进展

杨 刚，张云露，李思明，范志勇*

（1.湖南农业大学动物科学技术学院，饲料安全与高效利用教育部工程研究中心，湖南长沙 410128；2.湖南家禽安全生产工程技术研究中心，湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙 410128；3.江西省农业科学院畜牧兽医研究所，江西南昌 330200）

肠道是机体重要的代谢场所，机体摄食的营养物质主要在肠道内被消化、吸收，肠道内环境的稳定影响机体健康，由物理、化学、免疫和菌群4 道屏障共同维持[1]，其中免疫屏障对诱导局部及全身免疫应答反应、保护肠道免受外来抗原的破坏和异常的免疫应答至关重要。肠道屏障的免疫功能一旦受损会引起诸多疾病，如肠易激综合征、炎症性肠病、结肠直肠癌，并会造成营养功能障碍、机体内源性抗体大量损耗、肠道微生态紊乱、机体免疫力下降等负面状态[2-3]。肠道与体内多个器官密切相关，因此当肠屏障免疫受损，也会引起机体的一些相关疾病[4-5]。色氨酸经摄食进入动物体内，经3 条代谢途径以及一系列酶的催化，代谢产生犬尿氨酸、5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、吲哚等中间代谢产物。有研究发现，色氨酸的一些代谢产物能通过芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor，AhR）[6]、5-HT[7]等途径对动物肠屏障尤其是免疫屏障造成影响。本文主要就色氨酸代谢通路过程及产物、色氨酸对肠屏障的影响以及色氨酸代谢物对肠屏障免疫的调控作用做一综述。

1 色氨酸代谢通路过程及产物

作为多种动物的必需氨基酸，色氨酸在动物体内发挥着重要作用，如维持动物肠道微生物平衡、抑制炎症反应和调控肠道免疫反应[8]。色氨酸经摄食进入动物体内后，主要经2 条代谢途径被分解，犬尿氨酸代谢途径是最重要的一条代谢途径，超过95% 的色氨酸通过此条途径被代谢，其次是5-HT 代谢途径，摄入的色氨酸1%～2% 通过此途径转化[9]。另外肠道菌群可以直接利用色氨酸，这部分限制了宿主对色氨酸的利用，4%～6%的色氨酸被肠道菌群所代谢[10-11]。

1.1 犬尿氨酸代谢途径 犬尿氨酸代谢途径承担大部分的色氨酸分解工作，该途径发生在机体中的3 个部位，主要地点在肝脏，次要地点在大脑与小肠，限速酶分别为色氨酸2，3-双加氧酶（Tryptophan-2,3-Dioxygenase，TDO）和吲哚胺2，3-双加氧酶（Indoleamine-2,3-Dioxygenase，IDO）[12]。色氨酸被TDO/IDO 和一系列酶的催化产生多种代谢产物，如N-甲酰基犬尿氨酸、犬尿氨酸、3-羟基犬尿氨酸、邻氨基苯甲酸、犬尿酸、3-羟基邻氨基苯甲酸、黄尿酸、朱砂精酸、喹啉酸和吡啶甲酸，最终分解为CO2和ATP[13]。这些代谢产物被机体吸收后可通过多种途径调控肠屏障免疫，促进肠屏障免疫的稳定（图1）。

图1 犬尿氨酸代谢途径产物[6,9-12]

1.2 5-HT 代谢途径 5-HT 代谢途径主要发生在胃肠道中，其中有90%发生在胃肠道嗜铬细胞（Enterochroma ffin Cell，EC），10%在肠神经元，限速酶都为色氨酸羟 化酶（Tryptophan Hydroxylase，TPH）[14-15]。色氨酸被TPH 转化为5-羟色氨酸，经5-羟色胺脱羧酶催化为5-HT，5-HT 亦称为血清素，之后经一系列酶转化为褪黑素，进入机体循环中[16]。5-羟色胺不仅可调节机体免疫活性，亦在中枢神经系统和胃肠道之间的双向通讯系统——脑-肠轴中起着关键的神经递质的作用[17]。

1.3 微生物代谢途径 微生物群可直接和间接调节宿主内源性色氨酸代谢，色氨酸代谢的变化可对微生物增殖和微生物群多样性产生负面影响。肠道环境结构复杂，有多种细菌，且不同细菌分泌的酶不同，因此色氨酸被肠道微生物代谢会产生吲哚、吲哚-3-乙酸、吲哚丙酸、吲哚乳酸、色胺和甲基吲哚等多种代谢产物[18]。其中吲哚是主要的代谢产物，吲哚经过大肠吸收，进入门脉循环被肝脏吸收，氧化成吲哚酚后和硫酸盐结合，最终随尿液排出。

肠道中的众多微生物对色氨酸代谢有着多方面的影响，因此被认为是影响肠道色氨酸代谢的共同驱动力。一方面，微生物可通过影响5-HT 途径和犬尿氨酸途径调节色氨酸的代谢。有些共生细菌（如小鼠和人类微生物群的芽孢形成细菌）的代谢物/细胞成分可促进结肠EC 中5-羟色胺的生物合成[19]；而一些微生物组分（如脂多糖和脂磷壁酸）对Toll 样受体（Toll like receptor-4，TLR）的激活是色氨酸通过犬尿氨酸途径启动代谢的关键因素，TLR-2、TLR-3、TLR-4、TLR-7/8 和TLR-9 的激活可诱导犬尿氨酸产生[20]，微生物也可以诱导IDO1 促进免疫应答的下调和病原体的定植。另一方面，微生物也可直接代谢色氨酸，如有些共生微生物可以直接利用腔内色氨酸合成血清素。有研究表明，属于乳球菌、乳杆菌、链球菌、大肠杆菌和克雷伯氏菌的几种细菌能够通过表达色氨酸合成酶产生血清素[21]。

2 色氨酸代谢对肠屏障免疫的影响

有研究发现，色氨酸及其代谢物水平的不平衡与多种人类病理学相关，包括抑郁症、精神分裂症、自身免疫、神经退化和癌症等疾病[22]。王斌[23]、Øivind[24]研究发现，色氨酸摄入不足能够引起肠道炎症和腹泻的发生，伴随着肠道结构破坏、微生物组成紊乱以及免疫调控失衡。Chen 等[25]研究发现，色氨酸可能通过抑制NFκB-MLCK 信号通路和激 活ERK1/2 来减轻LPS 诱导的紧密连接损伤，保护和修复肠道紧密连接。Jordi[26]研究发现，色氨酸代谢物可通过AhR 活化调节肠上皮细胞上的白细胞介素-10（Interleukin-10，IL-10）的表达，而IL-10可抑制促炎介质的产生。Chen 等[27]研究发现，色氨酸通过降低苏氨酸、蛋氨酸和脯氨酸的氨基酸谱来调节血清总氨基酸谱，通过抑制白细胞介素-22（Interleukin-22，IL-22）的表达来影响肠道免疫，通过降低念珠菌、梭状芽孢杆菌和大肠杆菌的丰度来改变微生物区系。Yue 等[28]研究发现，在日粮中补充色氨酸可显著降低应激诱导的肉鸡空肠组织中5-HT 和TPH1 mRNA 水平的变化，减轻各种应激诱导的肠屏障功能障碍。Gao 等[29]研究发现，与Trp 代谢变化相关的其他因素，如衰老、压力、益生菌和疾病，可影响肠道中Trp-微生物-免疫系统的相互作用，并在调节肠道免疫中发挥作用。

3 色氨酸代谢物对肠屏障免疫的调控作用

色氨酸代谢途径及其产物对肠屏障免疫的调控作用见图2。

3.1 色氨酸-AhR 途径 AhR 是一种含有碱性螺旋-环-螺旋的转录因子，以配体依赖的方式调节基因的表达。犬尿氨酸代谢超过95% 的色氨酸，并产生一些具有AhR 亲和力的中间产物，如犬尿氨酸、犬尿酸、黄尿酸、朱砂精酸，它们都具有AhR-配体活性[30]。这些AhR 配体与AhR 结合可刺激下游靶基因的表达，如IL-22、IL-17和IL-10。IL-22是一种炎症细胞因子，在调节炎症性肠病患者的炎症反应和维持肠道菌群结构平衡方面具有多重作用，富含色氨酸的饮食可以增加AhR 的基因表达，激活AhR，并随后增加结肠IL-22基因表达。IL-17主要由辅助性T17 细胞产生，在抵御细菌真菌以及一些免疫疾病的病原体中发挥重要作用。AhR 是IL-17介导的信号传导的负调控因子，是配体激活的转录因子，在免疫系统中充当各种环境毒素的受体[31]。IL10是一种有效的抗炎细胞因子，可抑制促炎性介质的产生。IL10通过IL10受体发出信号，IL10受体在多种细胞类型中表达，包括肠上皮细胞，在肠上皮细胞中IL10受体与屏障功能的发育和维持相关[32]。在正常情况下，AhR 与免疫亲和素样蛋白（Heat shock protein 90，HSP90）、X-相关蛋 白-2（X-associated protein 2，XAP2）和HSP90& 辅助伴侣因子的复合物一起存在于细胞质中呈现休眠状态。在配体结合时，AhR 通过暴露核定位信号（Ligand Binding Domain，LBD）的构象变化被激活，并且HSP90 从复合物中释放。受体易位到细胞核中，与AhR 核转位体（Aryl Hydrocarbon Receptor，Arnt）形成异源二聚体[33]。肠上皮细胞是肠内机械屏障的结构基础，活化的AhR 通过与营养物质和肠道微生物群落的相互作用维持肠的通透性和调节肠内环境稳定[34-35]。并且，激活的Trp-AhR通路通过调节紧密连接的表达和分布，有效地增强了肠黏膜屏障，抑制肌球蛋白轻链激酶和磷酸化肌球蛋白轻链（Phosphorylated Myosin Light Chain，PMLC）信号通路的激活，减轻肿瘤坏死因子-α/干扰素-γ诱导的肠黏膜屏障功能障碍程度[13]。此外，IDO1 作为犬尿氨酸代谢途径的限速酶，在一些适应性免疫中发挥重要作用。当组织出现损伤时，IDO1 可通过调节犬尿氨酸的产生、黏膜氨基酸营养、黏膜免疫反应和肠微生物群落代谢来调控对肠黏膜的抗炎和免疫抑制作用[36]。

图2 色氨酸代谢物对肠屏障免疫的调控作用[30-47]

肠道菌群代谢色氨酸可产生多种代谢产物，而吲哚是最主要代谢产物。吲哚作为一种特殊的具有抗炎活性的信号分子，可以在肠道内保持高浓度，保证宿主的健康。有研究表明，吲哚也具有AhR-配体活性。吲哚不仅可通过AhR 途径，也可通过孕烷X 受体（Pregnane X Receptor，PXR）影响小鼠肠道屏障完整性和免疫细胞。肠道微生物群可直接影响色氨酸微生物群衍生代谢物的类型和水平，其可靶向宿主AhR，并随后通过PXR 调节黏膜免疫反应或调节黏膜完整性[37-38]。试验表明，在肠病小鼠模型中适当添加吲哚可减轻由先天免疫反应诱导的炎症，并恢复肠道菌群失调[11-12,39]。体外研究表明，添加一定浓度的吲哚可诱导肠上皮细胞紧密连接蛋白、抗炎介质IL-10的表达，并能有效降低促炎IL-8水平[40]。动物体内试验进一步证实吲哚降低了大肠杆菌的黏附能力，保持了对病原真菌的抗性并消除了炎症反应[41]。一小部分色氨酸通过肠道菌群作用代谢成吲哚酸衍生物，如吲哚3-醛、吲哚基丙酸、吲哚基丙烯酸（Indolylacrylic Acid，IAcrA）。约翰逊不动杆菌和罗伊氏乳杆菌通过吲哚丙酮酸途径可以产生吲哚3-醛，吲哚3-醛通过AhR 激活释放IL-22可以保证肠道屏障的稳定。而IAcrA 可以通过促进肠上皮屏障功能和减轻炎症反应来抑制炎症，并可以增强IL-10的产生和黏蛋白基因的表达，黏蛋白可被共生细菌用作能量来源，而IL-10可作为抗炎细胞因子[42]。

3.2 5-HT 对肠屏障免疫的调控 5-HT 途径是肠道中的核心信号途径之一，该途径产生的5-HT 是调节肠道蠕动的重要介质，在调节肠道通透性和黏膜炎症中发挥重要作用，5-HT 通过旁分泌的形式作用于黏膜下的神经从，与相应的受体结合来调节蠕动反射与分泌运动[14,43]。5-HT3 受体和5-HT4 受体是位于肠道神经回路的2 个重要5-羟色胺受体，它们是治疗胃肠道疾病药物的靶点。5-HT3 受体拮抗剂用于治疗化疗引起的恶心和呕吐，以及腹泻引起的功能性疾病。5-HT4 受体激动剂被认为对受到腔内刺激有促进胃肠动力的作用，而拮抗剂则抑制运动活性[7,44]。肠道微生物群引起的5-HT 浓度的变化可以调节宿主的免疫反应，进而影响宿主抵御病原体或疾病的应对策略。5-HT 可以促进各种黏膜感染模型的免疫和炎症，结合其对肠道生理和肠道微生物群的影响，5-HT 被认为直接和间接影响胃肠运动和免疫系统，进而影响微生物群的组成和定位[15,39,45]。而作为5-HT 途径最终代谢产物，褪黑素可以减轻大肠杆菌引起的肠道通透性增加和免疫反应，褪黑素是α7 烟碱乙酰胆碱受体（α7 nicotinic acetylcholine receptor,α7nAChr）的重要正调节因子，而α7nAChr 是脂多糖模型中的一种炎症体激活剂[46-47]。

4 小 结

综上所述，肠道屏障对保障动物肠道健康至关重要。色氨酸作为多种动物的必需氨基酸，在动物体内可通过多条途径代谢，并通过这些途径产生的代谢产物调控和保证动物肠道屏障免疫功能的稳定，从而改善机体的健康，促进动物生长。色氨酸及其代谢物水平的不平衡与多种人类病理学相关，因此通过对色氨酸的研究，或许可将其涉及的调控节点作为疾病干预和治疗的有效的新靶点。