人肠道菌群氨基酸脱羧酶（AADCs）多样性、分布及其对宿主代谢与健康的潜在调控机制研究

本综述通过生物信息学方法系统解析了人肠道菌群中氨基酸脱羧酶（AADCs）的多样性与分布特征，揭示了其在微生物代谢、酸耐受机制及宿主神经调节（如GABA、组胺等生物胺生成）中的关键作用，为靶向微生物代谢干预疾病提供了新视角。

　　

引言

氨基酸脱羧酶（AADCs）是一类催化氨基酸脱羧生成相应胺类化合物的酶，其产物在结构和功能上具有高度多样性。这些胺类物质包括神经调节分子（如组胺、酪胺、色胺、多巴胺、血清素和γ-氨基丁酸GABA）、多胺（如精胺、亚精胺、腐胺和尸胺）以及其他生物活性分子。这些化合物在维持肠道健康、调节免疫反应、细胞生长、基因表达及胃酸分泌等方面发挥重要作用。微生物来源的AADCs尤其值得关注，因为它们通过代谢活动直接影响宿主生理功能。例如，多胺由肠道菌群在大肠中合成，不仅促进微生物自身生长和应激响应，还通过促进上皮更新、黏膜修复和延长宿主寿命等方式受益于宿主。此外，某些AADCs（如谷氨酸脱羧酶和精氨酸脱羧酶）通过消耗质子、提高pH值，帮助微生物在酸性环境中生存，构成重要的酸抵抗机制。

方法

本研究基于集成微生物基因组与微生物组（IMG/M）公共数据库，利用Forster等人（2019）发布的人肠道细菌基因组与培养集合数据，筛选出在健康成人粪便样本中丰度超过0.01%的常见肠道菌种。通过查询酶分类号（EC number），提取所有注释为AADCs的基因ID，并进一步筛选出与常见肠道菌对应的代表菌株。优先选择ATCC、NCTC或DSM培养库中的完整基因组作为代表。利用ClustalW Omega进行多序列比对，计算百分之一致性矩阵（PIM），并分析PLP（磷酸吡哆醛）结合 motifs 的特征，以评估功能保守性与变异。

结果与讨论

精氨酸脱羧酶（ArgDCs）在肠道菌群中最为丰富

分析显示，精氨酸脱羧酶（ArgDCs）是人肠道微生物中最常见的AADCs，约60%的常见肠道细菌携带该酶。其次为天冬氨酸-1-脱羧酶（A1DCs，约50%）、谷氨酸脱羧酶（GluDCs，约27%）和天冬氨酸-4-脱羧酶（A4DCs，约21%）。组氨酸脱羧酶（HisDCs）和赖氨酸脱羧酶（LysDCs）分别占约7%和6%，酪氨酸脱羧酶（TyrDCs）、色氨酸脱羧酶（TrpDCs）和芳香族L-氨基酸脱羧酶（AAADCs）占比均较低（约3–5%）。未发现单独注释的苯丙氨酸脱羧酶（PheDCs），其功能可能由AAADCs代为执行。

ArgDCs催化L-精氨酸生成胍丁胺，后者是多胺生物合成的调节剂及前体，同时在酸抵抗中起关键作用。A1DCs生成β-丙氨酸，为辅酶A（CoA）合成提供前体，参与能量代谢与神经保护。GluDCs转化L-谷氨酸为GABA，既是重要神经抑制剂，也可作为微生物能源。A4DCs则参与L-天冬氨酸向L-丙氨酸的转化，影响氨基酸代谢平衡。

拟杆菌属（Bacteroides）含最多AADCs，但缺乏芳香族氨基酸脱羧能力

在属水平上，拟杆菌属（Bacteroides）拥有63个注释AADCs，数量显著高于其他属。其次为肠球菌属（Enterococcus，18个）、Alistipes（14个）、副拟杆菌属（Parabacteroides，12个）、链球菌属（Streptococcus，10个）和普雷沃菌属（Prevotella，9个）。这些优势属分别属于拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes），两者合计占肠道微生物总量的90%以上，且是主要CO₂生产者。

值得注意的是，拟杆菌属普遍缺乏催化芳香族氨基酸（酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）脱羧的酶（如TyrDC、TrpDC、PheDC、AAADC），表明该属细菌可能无法通过经典脱羧途径产生芳香胺。尽管Horvath等人（2022）曾报告卵形拟杆菌（B. ovatus）中存在酪胺生成，但该过程可能通过非经典途径（如天冬氨酸-1-脱羧酶）实现，且体内生理意义有限。

粪肠球菌（Enterococcus faecalis）具有最多样化的AADCs

物种层面，粪肠球菌（Enterococcus faecalis）拥有7类不同AADCs，涵盖除部分芳香族氨基酸脱羧酶外的多数类型。同一属内不同物种的AADC类型存在显著差异，例如拟杆菌属各物种携带3–5类AADCs，以GluDC、ArgDC和A4DC为核心，而A1DC和HisDC仅存在于部分物种中。

酶长度与序列一致性反映功能分化与进化关系

ArgDCs显示出最大长度变异（154–790氨基酸），可能反映其多种进化来源（如丙氨酸消旋酶折叠与天冬氨酸转氨酶折叠）。LysDCs同样存在长短两种形式（480–490aa与710–755aa），与Li等人（2021）报道的进化分支一致。序列一致性分析表明，GluDCs、A1DCs等酶在门水平（如厚壁菌门与拟杆菌门）形成明显聚类，提示宿主特异性进化。部分异常序列（如来自Pararheinheimera texasensis和Vibrio cincinnatiensis的GluDCs）一致性仅15–20%，可能代表功能分化或注释错误。

PLP结合motif提供功能识别标志

大多数AADCs依赖PLP辅因子，其结合motif中保守四氨基酸序列（如GluDCs的“SGHK”、AAADCs/TrpDCs的“[DN]-[AP]-HK”、TyrDCs的“DPHK”）具有类别特异性。这些motif变异可能与底物特异性相关，例如“DPHK”可能指示酪氨酸脱羧活性。此外，部分AADCs（如HisDCs、A1DCs及部分ArgDCs）为吡咯酰依赖型（pyruvoyl-dependent），缺乏PLP结合位点，其酶长度通常短于200氨基酸。值得注意的是，人类HisDC为PLP依赖型，而微生物来源者为吡咯酰型，反映酶学机制的差异。

结论

本研究通过生物信息学手段全面描绘了人肠道菌群中AADCs的分布、多样性及潜在功能，为后续实验验证（如酶纯化与功能表征）及生态-生理机制研究（如微生物代谢网络、宿主-微生物互作）奠定了基础。AADCs的多样性不仅影响微生物自身适应性与代谢输出，还可能通过调节生物胺、多胺及气体（CO₂）生产，间接影响宿主健康与疾病状态。未来研究可聚焦于膳食、宿主因素对AADC表达的调控，以及其在神经代谢疾病、肠道炎症中的潜在应用价值。