色氨酸及其代谢产物在动物肠-脑轴中的作用研究进展

2021-11-09郭子涵吕景智李洪军贺稚非

中国畜牧杂志 2021年9期

郭子涵，赵娜，王彬，吕景智*，李洪军，贺稚非

（1.西南大学动物科学技术学院，生物饲料与分子营养实验室，重庆 400715；2.西南大学食品科学学院，重庆 400715）

色氨酸是动物机体的限制性氨基酸，天然存在的是L-色氨酸，需要从食物中摄取。色氨酸可参与机体蛋白质的代谢，是核黄素的重要配体，还能合成烟酸及血红素，是唯一能够与血清蛋白结合的氨基酸。日粮中添加色氨酸能够改善仔猪的肠道屏障和促进肠道发育[1]，提高蛋鸡的产蛋率[2]，降低鱼类的慢性应激[3]。近年来，人们把肠道微生物、大脑的激素分泌及对动物行为的影响联系起来，肠-脑轴已成为研究的热点。微生物是肠-脑轴的重要影响因素，肠道微生物通过产生有机酸、胆盐、维生素、炎症因子等调节宿主的免疫和神经反应，而宿主亦可以通过微生物产生的信号因子激活信号通路影响肠道菌群。色氨酸的微生物代谢产物是肠-脑轴双向交流系统的重要信号因子，所以色氨酸代谢的平衡对于肠-脑轴的稳态十分重要。本文主要阐述了色氨酸和其代谢产物对肠道疾病、应激和饱腹感等方面的调控作用，描述了肠-脑轴之间的联系，旨在为畜牧生产提供参考。

1 色氨酸在动物机体内的代谢途径

色氨酸在动物机体内主要的3 条代谢途径分别为犬尿氨酸途径、5-HT 途径与吲哚衍生物途径，其中犬尿氨酸途径是最主要的代谢途径。大约95% 的色氨酸会被代谢成犬尿氨酸，其余的色氨酸被氧化脱羧生成5-HT和被微生物代谢生成吲哚衍生物（图1）。色氨酸代谢产物比例与机体健康相关联，代谢产物犬尿氨酸代谢比例增大与克罗恩病相关，犬尿氨酸和5-HT 代谢比例同时增大与溃疡性肠炎相关，5-HT 代谢比例增大与肠易激综合征和自闭症相关[4]。因此调节色氨酸代谢平衡对肠-脑轴的稳定而言意义重大。

图1 色氨酸在动物机体内的分解代谢途径[4]

1.1 犬尿氨酸代谢途径色氨酸代谢合成犬尿氨酸的反应是由动物机体普遍存在的限速酶吲哚胺-2,3-双加氧酶（Indole-amine 2,3-Dioxygenase，IDO1）和肝脏中的色氨酸-2,3-加氧酶（Tryptophan 2,3-Dioxygenase，TDO）介导的[5]。IDO1 可被炎症因子激活表达，TDO的转录水平受到糖皮质激素调控。犬尿氨酸代谢主要生成犬尿酸和喹啉酸，犬尿酸有保护肠道黏膜和免疫调节作用，这个功能是通过G 蛋白偶联受体GPR35 表现的，而GPR35 在上皮细胞和免疫细胞中均能表达[6]。喹啉酸在大脑小胶质细胞中和趋化的巨噬细胞中生成，是N-甲基-d-天冬氨酸（N-Methyl-D-Aspartic Acid，NMDA）受体激动剂，喹啉酸过量具有神经毒性作用[7]。而犬尿酸是NMDA 受体拮抗剂，对喹啉酸的神经毒性具有抑制作用，但犬尿酸异常升高也可以引起认知障碍[8]。另外，一些肠道细菌内也含有色氨酸酶，也能代谢色氨酸生成犬尿氨酸、喹啉酸等产物[9]。

1.2 5-HT 代谢途径大脑中的5-HT 是通过色氨酸羟化酶2（Trp Hydroxylase 2 Enzyme，TPH2）产生的；肠道的5-HT 是通过色氨酸羟化酶1 在肠嗜铬细胞内产生的，90%的5-HT 都是通过肠嗜铬细胞产生。在生理条件下，外周血液的5-HT 不能穿过血脑屏障进入大脑发挥作用。作为大脑神经激素，5-HT 能促进人的镇定、幸福感、放松、个人安全感、专心、幽默和自信等情绪。在生命的早期，5-HT 作为生理活性物质促进大脑、肠道、内脏等靶器官的发育[10]。外周的5-HT 作为一种信号分子具有调节肠道功能的作用，通过激活5-HT 受体将信号传递到神经元，再通过肠神经元调节肠道的分泌、蠕动、血管扩张和营养物质的吸收等一系列生理活动[11]。5-HT 通过N-乙酰基转移酶和羟基吲哚氧位甲基转移酶生成褪黑素。褪黑素由大脑内的松果体分泌，可以调节睡眠方式和节律[12]。褪黑素具有强大的抗氧化功能，可以保护生殖系统和心肌细胞以及抑制癌症等[13]。除此之外，褪黑素通过对T 细胞的激活和分化作用在自身免疫性疾病改善中发挥着重要的功能[14]。

1.3 吲哚酸衍生物代谢途径吲哚衍生物由微生物直接代谢色氨酸产生，微生物直接将色氨酸代谢为若干吲哚衍生物，如吲哚-3-醛（Indole-3-Aldehyde，IAld）、吲哚-3-乙酸（Indole Acetic Acid，IAA）、吲哚-3-丙酸（Indole-3-Propionic Acid，IPA）、吲哚-3-乙醛（Indole-3-Acetaldehyde，IAAld）和吲哚-3-丙酮酸（Indole-3-Pyruvate，IPYA），它们都是芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor，AhR）的配体[15]。AhR 通路是许多屏障免疫部位的重要组成部分，AhR 在与配体结合后又能调节诸多基因发挥相应的细胞功能，维护肠道屏障完整性，调节上皮淋巴细胞、T 细胞、巨噬细胞、树突细胞、中性粒细胞和先天淋巴细胞的免疫功能。此外，AhR 的配体还能被细胞色素p450 家族（如Cyp1A1 等）蛋白加工和灭活，这个过程是对AhR 信号的反馈调节，以防止AhR 持续性激活[16]。

2 肠-脑轴以及影响肠-脑轴的主要因素

2.1 肠-脑轴肠-脑轴是通过肠道微生物介导的肠道与大脑之间的双向跨界交流的系统，又被称之为微生物-肠-脑轴（图2）。肠道传导的感觉信号通过迷走神经-脊髓-中枢神经系统轴变更反射活动、感觉、与情绪等，同时肠道也通过对神经递质和神经活性分子（如5-HT、犬尿氨酸等）的操控影响大脑，反之大脑的神经活动也能影响肠道分泌、运动、渗透与免疫功能。

图2 色氨酸代谢物在肠-脑轴中的作用[17]

2.2 微生物是影响肠-脑轴的主要因素肠道微生物作为肠-脑轴的重要影响因素已经得到人们重视。临床调查显示，肠易激综合征（IBS）与抑郁症有较高的相关性[18]。无菌小鼠与正常小鼠相比焦虑行为更少，但是对应激反应的神经内分泌增强，提示肠脑之间存在联系，而肠道微生物在肠脑中起到了某种作用[19]。研究发现，抑郁症小鼠肠道中双歧杆菌的数量减少[20]。另外，小鼠肠道微生物菌群改变导致色氨酸代谢的改变，减少了胆汁酸循环，进而使肠蠕动动力减弱，是自闭症的重要病因[21]。诸多研究表明，肠道微生物通过产生短链脂肪酸、芳香基代谢物调节菌群平衡促进肠道免疫稳态，也能通过产生毒素与宿主免疫系统（吞噬细胞、中性粒细胞、NK 细胞、树突状细胞和肠上皮细胞）的受体相互作用影响大脑与肠道生理功能。微生物产生的脂多糖（LPS）和肽聚糖（PGN）通过与模式识别受体PRRs 结合，包括Toll 样受体和核苷酸结合寡聚结构域（NOD）样受体，介导肠道和大脑中相应的免疫反应的发生[22]。LPS 和PGN 除了存在于血液中，也被发现能通过血脑屏障进入大脑，并激活脑室周围器官、脉络膜丛、脑膜细胞、星形胶质细胞、伸展细胞和内皮细胞表面NOD 受体影响5-HT 信号的传递[23-24]，还能通过激活肠道PRRs 受体产生促炎因子进入血液，影响大脑的功能与精神状态[25]。另外，肠道微生物会产生或消耗大量神经递质（如多巴胺、去甲肾上腺素、血清素或γ-氨基丁酸等）的操控影响宿主的神经反应[26]。而近来的研究表明，胆汁酸可以影响动物肠道屏障和行为[21]，而部分胆汁酸又可被肠道微生物操控[27]，这表明胆汁酸已成为微生物影响肠-脑轴的又一条途径。

3 色氨酸及其代谢产物在肠-脑轴中的作用

3.1 色氨酸及其代谢产物在肠道稳态中的作用肠道的稳态依赖于肠道内稳定的微环境。肠道的微环境由肠细胞、神经元、肠胶质细胞、平滑肌细胞、肠内分泌细胞和免疫细胞等不同类型的细胞组成，这些细胞接受和发送来自微生物的信号，从而调节肠道的微环境。肠道与肠道菌群之间的屏障就是肠上皮屏障，肠上皮屏障通过杯状细胞分泌的一层保护性黏液层来限制管腔微生物与底层肠组织的接触。除此之外，肠细胞表达的紧密连接蛋白可成为对管腔细菌和抗原的屏障。微生物能影响肠道的生理状态，肠道上皮细胞更新速度、肠嗜铬细胞面积、绒毛厚度等都一定程度上被微生物所操纵[28]。双歧杆菌和乳酸杆菌通过抑制致病菌激活的凋亡通路提高肠上皮细胞的存活率[29]。色氨酸代谢产生的吲哚衍生物是益生菌产生的维护肠上皮屏障和抑制炎症的重要信号分子。

肠道微生物通过将色氨酸代谢为吲哚衍生物，吲哚衍生物调节细菌运动与形成生物膜。生物膜是由细胞表达外黏附因子而形成的一种多细胞结构，可防止非吲哚的致病菌（如肠沙门氏菌和铜绿假单胞菌）的入侵[30]，其中罗伊氏乳杆菌和约翰氏乳酸菌能产生IAld，IAld 与AhR 结合促进IL-22 产生，激活肠道上皮细胞STAT3 通路产生抗菌肽，从而抑制致病菌增殖[17]。同是吲哚衍生物的IPA 可以诱导小鼠小肠上皮细胞IL-10R1 的产生[15]，还参与抑制NF-κB 信号，减少巨噬细胞促炎细胞因子（如TNFα、IL-1β、IL -6 等）的产生，从而发挥抗炎作用[31]。由胃链球菌产生的吲哚丙烯酸能通过AhR 通路促进杯状细胞分化和黏液生成，修复小鼠上皮屏障和减少炎症反应[32]。Yosuke 等[33]研究表明，吲哚制剂胶囊通过促进小鼠结肠内皮细胞紧密连接和贴壁连接相关分子表达，使无菌小鼠对右旋糖酐硫酸酯钠诱导的结肠炎有更高的抗性。

除了改善肠上皮屏障外，IPA、6-甲酰吲哚[3,2-b]咔唑（6-Formylindolo[3,2-b]carbazole，FICZ）等还通过调节T 细胞的分化缓解肠炎。在T 细胞介导的结肠炎模型中，IPA 通过降低结肠固有层中IFN-γ+IL-10-CD4+T细胞的出现频率，增加IFN-γ-IL-10+CD4+T 细胞的出现频率，发挥抗炎作用[34]。而FICZ 处理过的树突状细胞（Dendritic Cells，DC）能够诱导原始T 淋巴细胞向CD4+CD25hiFoxp3+Treg 样细胞分化，调节炎症[35]。罗伊氏乳杆菌通过分解色氨酸产生的IAld 和吲哚-3-乳酸（Indole-3-Lactic Acid，ILA）等激活CD4+T 细胞的芳基烃受体，使转录因子Thpok 下调并分化为DP-IELs（小肠上皮细胞中含有的独特的CD4+CD8αα+T 细胞受体αβT 细胞，称为上皮内双阳性淋巴细胞DP-IEL）[36]，这些细胞具有与调节性T 细胞Tregs 互补的功能，促进对饮食抗原的耐受性[37]，从而减少了促炎因子的产生。吲哚衍生物作为AhR 生理性配体能促进Treg 细胞生成和预防炎症。

3.2 色氨酸及其代谢产物对畜禽应激的影响应激激活下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA 轴）产生的儿茶酚胺（肾上腺素和去甲肾上腺素）和糖皮质激素，都有显著的免疫抑制作用[38-39]。在研究中还发现，促肾上腺皮质激素释放因子（Corticotrophin-Releasing Factor，CRF）通过肠神经分泌通路引起猪回肠的肥大细胞蛋白酶和TNF-α释放，这两种物质促使细胞旁的紧密连接蛋白定位失败从而引起肠上皮屏障损伤[40]，CRF1 受体通路还介导肠道渗透性的增加[41]。生理的应激反应是为了促进生存，应激使激素和神经递质作为信号，为应对机体创伤和感染做准备。然而，如果增强的免疫反应是针对自我抗原或长期激活后的失调（如慢性应激），该系统可能加剧病理变化[42]。在畜牧养殖中温度、湿度、运输、断奶等应激等都会不同程度地损害机体健康，影响生产性能。此外，HPA 应激轴亢进还增加动物的攻击行为[43]。

对无菌小鼠模型的研究表明，微生物群菌、HPA 轴和神经免疫通路之间的相互作用是驱动宿主对应激反应的基础，也就是微生物-肠-脑轴介导了应激反应[44]。在慢性应激下，肠道菌群改变，色氨酸代谢产物犬尿氨酸与5-HT 的比例增加[45]。Schmidt 等[46]研究发现，添加益生元可以减少皮质醇的产生。另一方面，Marin等[47]实验指出，添加益生菌可以缓解HPA 轴亢进造成的功能障碍。综上表明，神经内分泌功能受微生物菌群的影响，而微生物-神经内分泌的相互作用也可影响TDO 活性，进而影响大脑功能和行为，色氨酸代谢物作为微生物-神经内分泌的信号分子是调节应激的关键。色氨酸是5-HT 的前体分子，可以通过增加色氨酸向5-HT 代谢途径的增加，来适应动态应激、调节焦虑和恐惧；另外色氨酸也可以作为益生元，促进益生菌生长调节肠道菌群，发挥抗应激的作用（表1）。

表1 饮食中添加色氨酸对畜禽应激状态的影响

畜禽可能由于各种原因出现异常行为。动物的正常活动范围与其居住笼子体积的差距越大，动物的活动频率越高，杂食动物与草食动物在圈养中形成了口癖（如空咀嚼、啃咬、圈舍），这些都是它们刻板行为的表现[56]。在畜禽养殖中，猪咬尾、鸡啄肛出现了伤口，会吸引众多的同类参与，这不仅会带来伤亡，使屠宰肉品质降级，给养殖户与企业造成损失，还涉及动物福利问题。在满足动物营养需要量的情况下，额外添加一些色氨酸可以在一定程度上降低动物的攻击性与活动性，缓解动物的烦躁与不安。这不仅能改善动物的福利，还能提高畜禽产品的质量。

3.3 色氨酸对肠-脑轴神经系统的调节目前，内脏超敏反应是功能性胃肠道疾病（如IBS）中疼痛感的关键病理机制[57]，而肠道微生物的改变可能是IBS 内脏超敏反应的基础[58]。随着微生物菌群的失调，肠道轴失去稳态，导致中枢神经系统和肠道黏膜免疫、神经、内分泌和肠道通透性的改变，这些因素在疼痛通过感觉神经途径从外周神经传递到大脑中发挥着重要作用。多项研究表明，色氨酸代谢障碍是内脏超敏反应的重要原因[4]。5-HT 与下行疼痛通路的疼痛显著相关，胃肠道的机械化学刺激肠嗜铬细胞释放5-HT，5-HT 激活迷走神经末端的5-HT 受体，将信号传入脑干的孤束核[58]。5-HT受体通过迷走神经介导了反复结直肠膨胀（CRD）诱导的脊髓内Fos 样免疫反应（Fos-LI），而CRD 和Fos-LI 又与内脏痛觉显著相关[59]。另外，犬尿氨酸也参与了内脏超敏反应[60]，犬尿氨酸下游代谢产生的犬尿酸是NMDA 受体的调节剂，犬尿酸通过NMDA 受体调节来自骨盆和内脏传入的感觉刺激[61]。研究表明，5-HT3受体拮抗剂是治疗IBS 主要的手段[62]。此外，通过调节肠道微生物和色氨酸的代谢等可以成为治疗IBS 的新手段。

色氨酸通过5-HT 调节生物体的饱腹感，5-HT 在外周器官和大脑中发挥作用。人体内绝大多数5-HT 存在于胃肠道的嗜铬细胞中。肠嗜铬细胞作为胃肠黏膜中的感觉传导元件，对化学和机械刺激作出反应，向传入神经末梢释放5-HT 和其他潜在介质，以启动胃肠道反射和调节内脏知觉[59]。5-HT 在进食、管腔扩张或迷走神经刺激后释放，它的主要靶点是传入迷走神经，然后由迷走神经传入大脑延髓中的孤束核[63]，5-HT4激动剂和5-HT3抗坏血酸药物已被用于多种胃肠道疾病和化疗引起的恶心[64]。控制大脑饱腹感和进食的机制复杂，不仅与神经递质有关，还与激素有关，而下丘脑（弓状核，室旁核）和下丘脑外（臂旁核，孤束核）已被确认为介导5-HT 对饱腹感控制的位点。5-HT 在下丘脑内与内源性神经肽Y（在大脑对食物摄入刺激最强的物质之一）和厌食肽相互作用，在孤束核中，5-HT 整合了周围的饱腹感信号，5-HT3C与5-HT2C受体发挥了作用，而5-HT又会与胆囊收缩素、瘦素和饥饿素等外周信号协同作用来调节饱腹感[65]。

4 存在的问题与展望

只有约4%进入分解代谢途径的色氨酸会被微生物代谢为吲哚衍生物。一方面是代谢量比较少，添加少量色氨酸不会对炎症产生显著影响[66]。在炎症中，色氨酸会被IDO1 酶急剧消耗，导致AhR 生理性配体大量减少从而引发肠炎。另一方面，ILA、IPA 这样的色氨酸代谢产生的吲哚衍生物对AhR 亲和力不高，而高亲和力的AhR 配体造价又十分昂贵，因此寻找经济且具有高亲和力的芳香烃受体配体作为饲料添加剂是未来研究的重点。

通过添加益生菌（梭状芽胞杆菌、乳杆菌等）可以治疗肠脑疾病，也有研究发现可以通过调节肠道细菌色氨酸酶改善肠道稳态，试验中生姜外泌体中的miRNA靶向下调细菌色氨酸单加氧酶基因，可使鼠李杆菌倾向于产生IAld，从而缓解小鼠结肠炎[67]。益生菌产生的D-色氨酸具有生理活性，能够通过提高肠道微生物的多样性和肠道调节性T 细胞的数量[68]。以上研究结果提示，可以通过调节肠道菌群来预防和治疗动物肠脑疾病，而对于生姜外泌体和D-色氨酸的功能还有待进一步探讨。