●肠道菌群的营养代谢及其代谢产物
供稿人：武志峰 整理编辑：谢许茵
● 前言
肠道菌群是一个由微生物组成的复杂生态系统，它们维持着胃肠道的稳态并通过产生生物活性代谢物来发挥作用。肠道微生物群的代谢能力大大超过了人体细胞的代谢能力(Cani et al, )，这些生物活性代谢物可以直接或间接地影响宿主的生理机能。越来越多的研究表明，肠道菌群对宿主机体生理学的大部分作用都与微生物代谢物有关(Li et al, )，微生物产生的代谢物是基于饮食影响宿主生理过程的关键介质 (Koh et al, )（图1）。
结肠是微生物发酵的主要场所，因为其相对较高pH值以及较低的细胞更新和氧化还原电位为细菌的增殖提供了有利条件(Oliphant & Emma, )。此外，微生物在机体其他部位也发挥重要作用，例如小肠微生物调节宿主进行的营养吸收和代谢(Martinez et al, )。但是，肠道微生物进行的特定发酵途径可能导致形成有毒化合物，这些化合物可能会破坏宿主上皮并引起炎症。
图1 肠道菌群产生的小分子代谢物调节宿主体内的多种生理过程
(Nicolas & Chang, )
1.肠道菌群对营养物质的代谢
在日常饮食中，碳水化合物、蛋白质和脂肪是机体消耗的三种宏量营养素，但它们在体内不是被完全消化。一旦营养素的摄入量超过消化率，就可以逃逸初级消化，机体不能完全消化的饮食中的营养素会作为微生物代谢的底物，产生发酵副产品影响宿主健康。
1.1.丙酮酸代谢
机体的丙酮酸主要来自碳水化合物，是糖酵解途径的终产物，在糖、氨基酸和脂肪的代谢联系中起着重要作用。如图2，宿主肠道微生物可以发酵丙酮酸产生琥珀酸、乳酸和乙酰辅酶A，这些中间产物可以进一步代谢为短链脂肪酸(Short chain fatty acids, SCFAs) (Oliphant & Emma, )。
图2肠道菌群代谢丙酮酸的途径(Oliphant & Emma, )
肠道菌群通过乙酰辅酶A或Wood-Ljungdahl途径产生乙酸。丙酸是通过琥珀酸途径从琥珀酸转化为甲基丙二酰辅酶A产生的，也可以通过丙烯酸途径和丙二醇途径合成(Hetzel et al, )。丁酸是由两个乙酰辅酶A缩合并随后还原为丁酰辅酶A形成的。此外，肠道中的某些微生物可以同时使用乳酸和乙酸来合成丁酸。
SCFAs是目前研究最深入和最广泛的肠道菌群代谢终产物，它具有十分重要和广泛的生理作用，可以调节肠道、神经、血液、内分泌、免疫以及神经系统的功能，在维持肠道健康、预防和改善包括癌症在内的多种非传染性疾病方面发挥了重要作用(Raman et al, )。SCFAs的具体作用已经在之前的文章详细叙述。
除了SCFAs外，丙酮酸代谢的最终产物还有少量醇，包括乙醇、丙醇和2,3-丁二醇。醇类转运到肝脏，其中涉及转化为SCFAs的生理过程，在此过程会产生有毒醛。因此，高浓度的内源性醇被认为是导致非酒精性脂肪肝（NAFLD）发生的一个因素。甲醇可作为甲烷和乙酰产生的底物，乙醇可与丙酸偶联以发酵为SCFAs、戊酸。戊酸是一种研究较少的代谢物，但已证明它在体外和体内都能抑制癌细胞的生长和抑制某些梭菌的生长(McDonald et al, )。
1.2.氨基酸分解代谢
宿主对蛋白质的消化代谢比碳水化合物和脂肪更易变，对蛋白质的消化代谢受到蛋白质来源、食品加工等因素的影响(Roager et al, )。氨基酸发酵产生大量的副产物，包括胺、酚类、吲哚类和含硫化合物等有毒物质，但是氨基酸代谢最丰富的终产物是SCFAs(Yao et al, )。
肠道菌群在氨基酸分解的起始步骤中发挥两种重要的作用，即脱氨生成羧酸和氨，或脱羧生成胺和二氧化碳。氨可以抑制线粒体耗氧量，减少IECs的SCFAs代谢，因此过量的氨会对宿主产生负面影响(Oliphant & Emma, )。然而，宿主肠上皮细胞(intestinal epithelial cells, IECs)可以通过转化为瓜氨酸和谷氨酰胺来控制氨浓度，所以目前尚不明确蛋白质分解代谢的有毒界限。
1.2.1.含硫氨基酸
含硫氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸的分解代谢产生硫化氢和甲硫醇(Yao et al, ; Portune et al, )。许多不同的细菌物种在其基因组中均包含含硫氨基酸必需的降解酶，包括芽孢杆菌属，梭状芽孢杆菌属和双歧杆菌属。
硫化氢可以甲基化为甲硫醇，然后甲基化为二甲基硫醚，这个过程是解毒的过程，因为形成产物的毒性逐渐降低。甲硫醇也可以转化为硫化氢，然后氧化为硫酸盐以进行解毒。硫酸盐可被还原硫酸盐的细菌利用，这是肠道硫循环的一部分。
1.2.2.芳香族氨基酸
芳香族氨基酸降解可以产生多种吲哚和酚类化合物，它们可以作为毒素或神经递质发挥作用(Gao et al, )。
色氨酸(L-tryptophan, Trp)是哺乳动物必需的营养物质，其内源性代谢物参与肠道免疫稳态和多种免疫疾病。色氨酸的分解代谢可以产生色胺和吲哚。吲哚是多种拟杆菌和肠杆菌科细菌产生的色氨酸的主要细菌代谢物，在宿主防御中发挥重要作用。它通过增加紧密连接蛋白的表达和下调促炎细胞因子的表达来增强肠道屏障(Bansal et al, )，还可以诱导肠内分泌细胞分泌胰高血糖素样肽1(GLP-1)，抑制胃的分泌和蠕动，促进饱腹感。此外，吲哚还是细菌的信号分子，影响着细菌的运动、生物膜的形成、抗生素的耐药性和毒性，可以抑制肠道沙门氏菌等病原体的定植能力(Li&Young, )。但是吲哚过量会增加对肝脏的释放量，在肝脏中，吲哚被硫酸化为吲哚氧基硫酸盐，这是一种与慢性肾脏疾病相关的尿毒症毒素。
图3肠道中微生物群相关的色氨酸代谢(Gao et al, )
酪氨酸的代谢物有酪胺、苯酚、丙酮酸盐等。酪胺是一种神经递质，可由某些肠道细菌通过脱羧作用产生(Pugin et al, )，能促进去甲肾上腺素释放，增高血糖水平，还可以促进肠道内分泌细胞释放5-羟色胺(Oliphant & Emma, )。
苯丙氨酸经肠道菌群代谢可以产生苯乙胺和反式肉桂酸。苯乙胺可以通过促进儿茶酚胺和5-羟色胺的释放提高情绪和能量代谢。但是摄入过量苯乙胺会产生负面影响。有研究表明，苯乙胺在肠道内的产生与克罗恩病正相关，与粪大肠杆菌呈负相关(Santoru et al, )。
1.2.3.碱性氨基酸
肠道内的多种细菌如双歧杆菌、梭菌、乳酸菌和链球菌等可以使碱性氨基酸脱羧形成胺副产物(Pugin et al, )。精氨酸可以通过脱羧作用转化为呱丁胺，还可以转化为其他氨基酸如鸟氨酸和谷氨酸，谷氨酸可以被脱氨生成4-氨基丁酸（GABA）。GABA是中枢神经系统的主要抑制性神经递质，其受体表达的改变与抑郁症和焦虑症的发病机制有关 (Bravo et al, )，还可以调节T细胞的增殖，调节免疫特性(Bjurstöm et al, )。
组氨酸分解代谢可产生组胺。研究表明，细菌产生的组胺在体内抑制促炎细胞因子TNF-α的产生，在体外抑制IL-1和IL-12的产生，同时防止肠道细菌移位(Elenkov et al, 1998)。组胺也是一中神经递质，低浓度的组胺与阿尔茨海默病、抽搐和癫痫发作有关；高浓度的组胺与睡眠障碍、帕金森病、精神分裂症和孤独症有关(Nuutinen & Panula, )。
1.3.脂质分解代谢
总膳食脂肪中只有不到5%的脂肪可以到达结肠，据估计，人每天只有大约4-5克脂肪到达结肠(Morales et al, )。肠道微生物具有脂肪酶，能将甘油三酯和磷脂降解为极性头基和游离脂质。甘油三酯是主要的膳食脂肪，磷脂是以磷脂酰胆碱的形式存在，只有很少一部分。胃肠道的细菌如乳酸杆菌、肠球菌和梭状芽孢杆菌可以将甘油三酯还原为1,3-丙二醇。胆碱可以通过梭状芽孢杆菌代谢为三甲胺(Oliphant & Emma, )。
微生物不能在肠道厌氧环境中分解游离脂质。但是肠道中的游离脂质具有抗菌特性，并且可以直接识别宿主受体与之相互作用。饱和脂肪酸可以激活TLR介导的促炎症信号通路，而ω-3不饱和脂肪酸可以抑制此通路(Huang et al, )。因此，与肥胖共同发生的慢性炎症可能是由于上述自由脂质的促炎症特性、碳水化合物发酵产生的抗炎性SCFAs的缺乏（高脂饮食往往碳水化合物含量较低）或两者结合的结果(Morales et al, )。据研究，高脂饮食对肠道微生物群的组成产生了影响，但尚不清楚是由于脂肪含量增加还是碳水化合物相对减少造成的影响。
2.肠道菌群代谢物的作用
微生物代谢物作为肠道微生物的信号，可以激活或抑制内源性信号途径，或作为宿主细胞的营养源(Sonnenburg& BaCkhed, )。这些化学信使调节肠道微环境以耐受或不耐受特定的共生微生物。总之，这些发现强调了理解肠道微生物群如何对宿主产生这些影响的重要性。本文概述了近几年来开展的工作，这些工作有助于我们了解肠道微生物群如何通过产生小分子代谢物与我们沟通，以及这些宿主-微生物相互作用如何影响广泛的疾病。
2.1.短链脂肪酸
SCFAs包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，是膳食纤维细菌发酵的产物，是肠腔内最丰富的微生物代谢产物之一。SCFAs通过几种机制促进宿主-微生物群代谢：(i)它们很容易被用作产生宿主内源性代谢物的碳源；(ii)作为激活宿主G-蛋白偶联受体（GPCRs）的信号分子；(iii)通过抑制组蛋白脱乙酰酶（HDACs）影响宿主基因的表达。
SCFAs可以通过减轻炎症、改善自身免疫性疾病和过敏、维持肠道屏障（图4）和介导肠道病原体的定植抗性来增强宿主的健康，调节多个系统的功能，如肠道、神经、内分泌和血液系统。大量的证据表明SCFAs在在维持肠道健康、预防和改善包括癌症在内的多种非传染性疾病方面发挥了重要作用，是疾病、营养和肠道菌群之间最重要的中间物质之一。作为关键介质直接或间接在机体多个器官和组织中发挥着重要的生理作用。
2.2. 色氨酸(TRP)代谢物
肠道微生物分解TRP产生含吲哚的代谢产物，这些代谢产物通过激活调节免疫的配体门控转录因子芳香烃受体（AHR）来调节宿主免疫系统。TRP代谢产物对AHR的刺激在很大程度上提高了抗炎反应，有助于维持宿主-肠道微生物群的稳态。
TRP代谢物能增加肠屏障功能。吲哚能够通过增加顶端连接蛋白的表达来增加肠屏障功能（图4），从而改善与肠道炎症相关的疾病。此外，吲哚被证明可以调节食欲激素GLP-1的释放。短时间暴露于结肠肠内分泌细胞中吲哚的生理水平会导致GLP-1的释放增加，而长时间暴露会抑制GLP-1的分泌(Chimerel et al, )。5-羟色胺也是肠道微生物TRP代谢的产物。此外，神经递质TRA是由肠道内的梭状芽孢杆菌通过TRP分解代谢产生的。
综上，TRP的微生物分解代谢产生许多代谢物，可以作为AHR的配体。这些代谢产物通常被证明能促进抗炎信号，维持肠道屏障，改善MBS。这些代谢物中的一些还充当神经递质，如5-羟色胺和TRA，它们在肠-脑轴中发挥重要作用。
2.3.次级胆汁酸
原发性胆汁酸由肝脏产生，以溶解小肠中的膳食脂质和脂溶性维生素。原发性胆汁酸池主要循环回肝脏，但其中一小部分胆汁酸（约5%）进入大肠，在肠道微生物的作用下进一步代谢为次级胆汁酸。
调节宿主代谢的两种主要胆汁酸受体是G蛋白偶联胆汁酸受体1(TGR5)及法尼醇X受体(FXR)。胆汁酸的合成、代谢和在体内的分布是通过胆汁酸、它们的受体FXR和TGR5以及与肠道微生物群之间的相互作用来调节的(Molinaro et al, )。
胆汁酸在脂质平衡、碳水化合物代谢、胰岛素敏感性及先天性免疫中发挥重要作用(Jia et al, )。次级胆汁酸可以驱动肝癌，但也可以维持肠道屏障（图4），防止肠道病原体的定植。次级胆汁酸对宿主的有益和有害影响强调，需要了解细菌代谢产物如何在整体水平上调节感染和炎症疾病。因此，需要进一步研究各种模型以及这些代谢物与其他代谢物的作用。
图4肠道微生物代谢产物调节肠上皮屏障完整性
(Nicolas & Chang, )
2.4.其他微生物代谢物
丙酮酸是由膳食纤维的细菌发酵产生的，并可以进一步还原生成乳酸。细菌丙酮酸和乳酸诱导小肠CX3CR1+单核细胞向肠腔伸出树突，捕捉肠腔抗原，促进抗原特异性免疫反应，从而对沙门氏菌感染产生抵抗力 (Moritaet al, )。
乳酸、精胺和组胺对维持肠上皮细胞屏障完整性有重要意义。乳酸它通过GPR81依赖机制促进肠干细胞分化。精胺和组胺通过抑制NLRP6炎症小体降低IL-18水平，从而降低肠道上皮屏障的完整性（图4）。
3.小结和展望
确定肠道微生物群调节宿主生理的分子机制对于理解它们在体内的作用至关重要。肠道微生物群产生的微生物衍生代谢物作为化学信使，介导微生物和宿主之间的互作，在人类健康中可以发挥重要作用。这些代谢物的作用已被证明影响许多疾病的结果，包括MBS、IBD、癌症、自身免疫性疾病、过敏和神经退行性疾病等。
不同的环境因素，如营养和药物，可以影响肠道菌群，改变其活性，导致产生不同的生物活性代谢物。许多重要的免疫疾病和代谢紊乱，例如糖尿病、肥胖症和慢性炎症，目前已知其部分原因是宿主与肠道菌群或代谢产物之间的相互作用失衡。因此，进一步研究微生物群与代谢物之间的分子关系和宿主生理学将为开发肠道菌群代谢的治疗药物提供新的策略。使用不同动物模型系统以及组学分析方法，能帮助我们发现和破译肠道微生物群、代谢物和机体之间的相互关系，这也会成为预防和治疗与肠道菌群和代谢物有关的诸多疾病的新途径。
●Reference
1. Bansal T , Alaniz R C , Wood T K , et al. The bacterial signal indole increases epithelial-cell tight-junction resistance and attenuates indicators of inflammation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, , 107(1):228-233.
2. Bjurstöm H, Wang J, Wang J, Ericsson I, Bengtsson M, Liu Y, et al. GABA, a naturalimmunomodulator of T lymphocytes. J Neuroimmunol. ;205:44–50.
3. Bravo JA, Forsythe P, Chew MV, Escaravage E, Savignac HM, Dinan TG, et al.Ingestion of Lactobacillus strain regulates emotional behavior and centralGABA receptor expression in a mouse via the vagus nerve. Proc Natl AcadSci. ;108:16050–5.
4. Cani Patrice , Van Hul Matthias, Lefort Charlotte, Depommier Clara, Rastelli Marialetizia, Everard Amandine. Microbial regulation of organismal energy homeostasis. Nature Metabolism. ;1. 10.1038/s42255-018-0017-4.
5. Chimerel C , Emery E , Summers D , et al. Bacterial Metabolite Indole Modulates Incretin Secretion from Intestinal Enteroendocrine L Cells. Cell Reports, , 9(4):1202-1208.
6. Elenkov IJ, Webster E, Papanicolaou DA, Fleisher TA, Chrousos GP, Wilder RL.Histamine potently suppresses human IL-12 and stimulates IL-10 productionvia H2 receptors. J Immunol. 1998;161:2586–93.
7. Gao J, Xu K, Liu H, Liu G, Bai M, Peng C, et al. Impact of the gut microbiotaon intestinal immunity mediated by tryptophan metabolism. Front CellInfect Microbiol. ;8:13.
8. Huang S, Rutkowsky JM, Snodgrass RG, Ono-Moore KD, Schneider DA,Newman JW, et al. Saturated fatty acids activate TLR-mediatedproinflammatory signaling pathways. J Lipid Res. ;53:2002–13.
9. Jia W , Xie G , Jia W . Bile acid-microbiota crosstalk in gastrointestinal inflammation and carcinogenesis. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, , 15(2).
10. Koh A , De?Vadder F , Kovatcheva-Datchary P , et al. From Dietary Fiber to Host Physiology: Short-Chain Fatty Acids as Key Bacterial Metabolites. Cell, , 165(6):1332-1345. 10.1016/j.cell..05.041
11. Li G, Young KD. Indole production by the tryptophanase TnaA in Escherichiacoli is determined by the amount of exogenous tryptophan. Microbiol ReadEngl. ;159:402–10
12. Li J, Jia H, Cai X, Zhong H, Feng Q, Sunagawa S, et al. An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat Biotechnol. ;32:834–41..
13. Martinez-Guryn Kristina, Hubert Nathaniel, Frazier Katya, et al. Small Intestine Microbiota Regulate Host Digestive and Absorptive Adaptive Responses to Dietary Lipids. Cell Host & Microbe. ;23. 458-469.e5. 10.1016/j.chom..03.011.
14. McDonald JAK, Mullish BH, Pechlivanis A, Liu Z, Brignardello J, Kao D, et al. Inhibiting growth of Clostridioides difficile by restoring Valerate, producedby the intestinal microbiota. Gastroenterology. ;155:1495–507. e15
15. Molinaro A , Annika Wahlström, Marschall H U . Role of Bile Acids in Metabolic Control. Trends in Endocrinology and Metabolism, , 29(1):31.
16. Morales P, Fujio S, Navarrete P, Ugalde JA, Magne F, Carrasco-Pozo C, et al. Impact of dietary lipids on colonic function and microbiota: anexperimental approach involving orlistat-induced fat malabsorption inhuman volunteers. Clin Transl Gastroenterol. ;7:e161.
17. Morita, N. et al. GPR31-dependent dendrite protrusion of intestinal CX3CR1+ cells by bacterial metabolites.. Nature, .
18. Nicolas Gael, Chang Pamela. Deciphering the Chemical Lexicon of Host–Gut Microbiota Interactions. Trends in Pharmacological Sciences. ; 40. 10.1016/j.tips..04.006.
19. Nuutinen S, Panula P. Histamine in neurotransmission and brain diseases.Adv Exp Med Biol. ;709:95–107.
20. Oliphant Kaitlyn, Allen-Vercoe Emma. Macronutrient metabolism by the human gut microbiome: major fermentation by-products and their impact on host health. Microbiome. ;7. 10.1186/s40168-019-0704-8.
21. Portune KJ, Beaumont M, Davila A-M, Tomé D, Blachier F, Sanz Y. Gutmicrobiota role in dietary protein metabolism and health-related outcomes:the two sides of the coin. Trends Food Sci Technol. ;57:213–32.
22. Pugin B, Barcik W, Westermann P, Heider A, Wawrzyniak M, Hellings P, et al.A wide diversity of bacteria from the human gut produces and degradesbiogenic amines. Microb Ecol Health Dis. ;28:1353881.
23. Roager HM, Hansen LBS, Bahl MI, Frandsen HL, Carvalho V, Gøbel RJ, et al.Colonic transit time is related to bacterial metabolism and mucosalturnover in the gut. Nat Microbiol. ;1:16093.
24. Santoru ML, Piras C, Murgia A, Palmas V, Camboni T, Liggi S, et al. Crosssectional evaluation of the gut-microbiome metabolome axis in an Italiancohort of IBD patients. Sci Rep. ;7:9523.
25. Sonnenburg J L , BaCkhed F . Diet–microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature, , 535(7610):56-64.
26. Yao CK, Muir JG, Gibson PR. Review article: insights into colonic protein fermentation, its modulation and potential health implications. AlimentPharmacol Ther. ;43:181–96.
