综述：肠道微生物群产生的色氨酸代谢物：分子机制、营养策略及其对猪健康的影响

《Frontiers in Veterinary Science》：Gut microbiota–derived tryptophan metabolites: molecular mechanisms, nutritional strategies and implications for swine health

　　摘要
色氨酸是一种必需氨基酸，具有营养价值。除此之外，它还是一种重要的信号分子，能够连接肠道微生物群与宿主生理机能。虽然宿主介导的代谢途径已被充分研究，但由微生物群驱动的吲哚代谢途径已成为调节宿主稳态的主要因素。共生细菌将未被吸收的色氨酸代谢为吲哚-3-丙酸（IPA）、吲哚-3-乳酸（ILA）和其他生物活性吲哚衍生物。这些生物活性吲哚衍生物可作为芳烃受体（AhR）和孕烷X受体（PXR）的配体。本文总结了主要的色氨酸代谢途径，并阐明了微生物代谢产物如何恢复肠道屏障的完整性、维持免疫稳态以及调节宿主代谢的分子机制。在此基础上，我们讨论了饮食模式和益生菌干预等营养策略及其调节色氨酸代谢的潜力。以猪为转化模型，我们总结了这些代谢产物在缓解断奶应激和改善生长性能方面的潜在应用。本文重点关注色氨酸代谢，并为猪生产中的微生物组干预和精准营养策略提供了理论基础。

1 引言
作为代谢器官，肠道微生物组通过从头合成和饮食底物产生多种小分子代谢产物（1）。这些代谢产物影响营养吸收（2）、能量代谢（3）和免疫系统调节（4），同时还有助于增强肠道定植能力（5）。根据来源不同，这些代谢产物大致可分为三类：微生物合成的化合物（如维生素和类神经递质分子）、被微生物修饰的宿主来源分子（如次级胆汁酸），以及由饮食成分产生的代谢产物（如短链脂肪酸（SCFAs）和氨基酸衍生物）（6）。在饮食来源的代谢产物中，由色氨酸代谢产生的吲哚衍生物是连接微生物代谢与宿主生理表型的关键信号分子，参与调节免疫稳态、代谢过程和肠道屏障功能（7）。

色氨酸是一种含有吲哚环的芳香族氨基酸，必须从饮食中获取（8）。在胃肠道中，色氨酸主要通过三条代谢途径进行转化：宿主介导的犬尿氨酸和血清素途径，以及微生物群驱动的吲哚途径（9, 10）。共生细菌（包括乳酸菌、梭菌、大肠杆菌和双歧杆菌）表达色氨酸代谢酶，将未被吸收的色氨酸转化为吲哚及其衍生物，如吲哚-3-乙酸（IAA）、吲哚-3-丙酸（IPA）和吲哚-3-醛（IAld）（11）。多种吲哚化合物可作为芳烃受体（AhR）或孕烷X受体（PXR）的配体（12–15）。动物研究表明，吲哚可以改善上皮屏障的完整性并调节肠道炎症（16）。此外，吲哚-3-乳酸（ILA）和IAld能够激活AhR，并具有免疫调节作用（7）。据报道，IAA会影响肝脏脂质代谢，表明微生物群产生的吲哚衍生物也可能调节全身代谢表型（17）。本文概述了色氨酸的主要代谢途径，重点介绍了产生吲哚衍生物的微生物途径，并阐述了这些代谢产物与免疫调节、宿主代谢和肠道屏障完整性之间的机制联系。色氨酸代谢产物受到肠道微生物群的直接或间接调控，因此我们进一步讨论了通过调整微生物组成和功能来调节色氨酸代谢的饮食和益生菌干预的潜力。最后，以猪为转化模型，总结了微生物产生的吲哚衍生物在改善肠道健康和生长性能方面的证据，并讨论了粪臭素对猪肉质量的不良影响，旨在为畜牧业精准营养策略的开发提供参考。

2 色氨酸的来源、吸收与代谢
哺乳动物无法从头合成色氨酸，必须从饮食中获取（例如红肉、鸡蛋、鱼类、十字花科蔬菜和大豆制品）（18–20）。对于新生儿来说，母乳是色氨酸的主要来源（21）。摄入后，大部分色氨酸通过肠道上皮细胞上的转运蛋白（如顶部的氨基酸转运蛋白B0AT1（Slc6a19）和基底侧的芳香族氨基酸转运蛋白TAT1（Slc16a10）被小肠吸收（22, 23）。在胃肠道中，色氨酸通过三条主要途径进行代谢（图1）：犬尿氨酸途径（产生犬尿氨酸（KYN）及相关代谢产物）、血清素途径和微生物吲哚途径（图1）。

2.1 犬尿氨酸途径
大约90%–95%的游离色氨酸通过犬尿氨酸途径被代谢（24, 25）。该途径由两种限速酶启动：色氨酸2,3-双加氧酶（TDO）和吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）（26, 27）。生成的N-甲酰犬尿氨酸随后被芳基甲酰胺酶脱甲酰化为KYN（28）。TDO和IDO具有不同的进化起源、组织分布和调控机制（29）。TDO是一种在真核生物和原核生物中都存在的同源四聚体酶（30），在肝脏中表达，通过调节循环中的色氨酸水平来维持全身色氨酸稳态（31, 32）。IDO仅存在于真核生物中，分为两种异构体：IDO1存在于大多数组织中，而IDO2主要存在于肾脏、肝脏和胎盘中（33, 34）。IDO1在局部组织环境中起作用，并受促炎刺激（如白细胞介素、I型干扰素和脂多糖LPS）的高度诱导，因此在炎症反应中起主要作用（35）。KYN进一步通过三个分支进行代谢：（1）通过KYN氨基转移酶转化为犬尿酸（KYNA）；（2）通过犬尿氨酸酶水解为邻氨基苯甲酸；（3）通过犬尿氨酸3-单加氧酶转化为3-羟基犬尿氨酸。随后，3-羟基犬尿氨酸被KYNU代谢为3-羟基邻氨基苯甲酸，再由3-羟基邻氨基苯甲酸3,4-双加氧酶转化为喹啉酸。喹啉酸是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的生物合成前体，后者是细胞能量代谢中的必需辅因子（36）。

2.2 血清素途径
色氨酸可通过色氨酸羟化酶（TPH）和芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）转化为血清素（5-HT）。TPH具有不同的组织特异性异构体：TPH2在神经元中介导中枢5-HT的合成，而TPH1在肠嗜铬细胞中占外周5-HT产生的90%以上（37）。外周5-HT发挥局部作用或被血小板捕获并运输到远端器官（如肝脏、骨骼肌和心血管系统）（37, 38）。5-HT再摄取转运蛋白通过调节再摄取和信号终止来调节细胞内外5-HT浓度（39–41）。单胺氧化酶（MAO）将5-羟基色胺降解为5-羟基吲哚乙醛，后者被醛脱氢酶（ALDH）氧化为5-羟基吲哚乙酸，通过尿液排出体外。松果体中的5-HT可作为褪黑素合成的前体，褪黑素对昼夜节律调节至关重要（42）。外周5-HT通过激活特定的5-HT受体产生多种生理效应（37）。在胃肠道中，它作为信号分子调节肠道运动、血管舒张和营养吸收（22, 37）。在肠道外，5-HT还参与代谢稳态，促进肝细胞和白色脂肪组织的胰岛素分泌和新生脂质生成，但抑制棕色和米色脂肪组织的分解代谢活动（43–45）。关于肠道-大脑通信，成熟的5-HT无法穿过血脑屏障，但其直接前体5-羟基色氨酸可通过氨基酸转运蛋白轻松穿过血脑屏障，成为中枢5-HT合成的直接底物（46–48）。因此，通过这些直接和间接途径，5-HT在肠道和中枢神经系统之间实现双向通信。

2.3 微生物群驱动的吲哚途径
一小部分（4%–6%）的饮食色氨酸未被小肠吸收，进入结肠成为细菌代谢的底物（11, 49）。1897年首次报道了细菌通过色氨酸酶（TnaA）产生吲哚（50）。TnaA广泛存在于多种细菌中，包括大肠杆菌、梭菌和拟杆菌属（11, 51–53）。多组学方法逐步阐明了肠道微生物群将色氨酸转化为多种吲哚衍生物的生物合成途径（表1）。

表1 色氨酸代谢产物及其产生细菌
| 色氨酸代谢产物 | 细菌 | 参考文献 |
| --- | --- | --- |
| 吲哚 | Bacteroides thetaiotaomicron | Clostridium tetani (51–53) |
| Bacteroides ovatus | Desulfovibrio vulgaris | Clostridium bifermentas |
| Escherichia coli | Clostridium ghoni | Escherichia fergusonii |
| Clostridium limosum | Flavobacteria bacterium | Tryptamine |
| Clostridium sporogenes | Ruminococcus gnavus | (58, 211) |
| Lactobacillus reuteri | Indole-3-乙酸（IAA） | Bifidobacterium animalis |
| Clostridium bartlettii | (51, 54, 55, 105, 212–214) |
| Bacteroides eggerthii | Clostridium sporogenes | Bacteroides fragilis |
| Eubacterium hallii | Bacteroides ovatus | Lactobacillus Salivarius |
| Bifidobacterum pseudolongum | Lactobacillus reuteri | Bacteroides thetaiotaomicron |
| Parabacteroides distasonis | Indole-3-醛（IAld） | Bifidobacterium longum |
| Lactobacillus murinus | (60–62, 215) | Lactobacillus acidophilus |
| Lactobacillus reuteri | Indole-3-丙烯酸（IA） | Clostridium sporogenes |
| Peptostreptococcus russellii | (54, 56, 216) | Limosillactobacillus mucosae |
| Peptostreptococcus stomatis | Peptostreptococcus anaerobius | Indole-3-乳酸（ILA） |
| Anaerostipes caccae | Bifidobacterium scardovii | (11, 54, 56, 58, 103, 111, 158, 217–222) |
| Anaerostipes hadrus | Clostridium sporogenes | Akkermansia muciniphila |
| Escherichia coli | Bacteroides eggerthii | Lachnospira eligens |
| Bacteroides fragilis | Latilactobacillus sakei | Bacteroides ovatus |
| Lactase | ibacillus paracasei | Bacteroides thetaiotaomicron |
| Lactobacillus murinus | Bifidobacterum adolescelentis | Lactobacillus johnsonii |
| Bifidobacterium bifidum | Lactobacillus plantarum |
| Bifidobacterium breve | Lactobacillus reuteri | Bifidobacterium kashiwanohense |
| Ligilactobacillus salivarius | Bifidobacterium longum subsp. infantis | Peptostreptococcus anaerobius |
| Bifidobacterium longum subsp. longum | Indole-3-丙酸（IPA） | Clostridium botulinum |
| Enterocloster aldenensi | (51, 54, 56, 220, 223) |
| Clostridium caloritolerans | Peptostreptococcus anaerobius | Clostridium cadvareris |
| Peptostreptococcus asaccharolyticus | Clostridium cylindrosporum |
| Peptostreptococcus russellii | Clostridium paraputrificum | Peptostreptococcus stomatis |
| Clostridium sporogenes | 3-甲基吲哚（粪臭素） | Actinomyces meyeri |
| Clostridium sporogenes | (11, 224–226) | Butyrivibrio fibrisolvens |
| Eubacterium cylindroides | Bacteroides thetaiotaomicron |
| Eubacterium rectale | Clostridium aminophilum |
| Megasphaera elsdenii | Clostridium bartlettii |
| Megasphaera elsdenii | Clostridium drakei |
| Megamonas hypermegale | Clostridium scatologenes | Parabacteroides distasonis |

例如，Dodd等人（54）描述了Clostridium sporogenes中的IPA生物合成途径。在此途径中，色氨酸首先通过芳香族氨基酸氨基转移酶（ArAT）转化为吲哚-3-丙酮酸（IPYA），随后通过苯乳酸脱氢酶（fldH）、苯乳酸脱水酶（fldBC）和酰基-CoA脱氢酶（acdA）依次转化为ILA、吲哚-3-丙烯酸（IA）和IPA。几种厌氧Peptostreptococcus物种（如P. anaerobius、P. russellii和P. stomatis）以及Clostridium botulinum和Clostridium cadaveris的基因组中发现了编码苯乳酸脱水酶的类似基因簇（fldAIBC），这与其产生IPA的能力一致（54–56）。乳酸菌属可通过ArAT和吲哚乳酸脱氢酶（ILDH）代谢色氨酸产生ILA。双歧杆菌属和拟杆菌属也被证实能产生ILA（11）。在IAA的产生过程中观察到显著的代谢多样性，肠道微生物群至少使用了三种平行途径：（1）在IPYA途径中，广泛保守的ArAT将色氨酸转化为IPYA，然后通过吲哚-3-丙酮酸脱羧酶（ipdC）脱羧为IAAld，再通过ALDH氧化为IAA；（2）在色胺途径中，色氨酸通过色胺脱羧酶（TDC）脱羧为色胺，再通过MAO转化为IAAld；（3）在吲哚-3-乙酰胺（IAM）途径中，色氨酸2-单加氧酶（TMO）将色氨酸转化为IAM，随后通过吲哚乙酰胺水解酶水解为IAA。值得注意的是，C. sporogenes、R. gnavus和拟杆菌属可以通过涉及IAM和IAAld的独立途径产生IAA（59）。在IAA下游，一些梭菌和拟杆菌属将IAA转化为3-甲基吲哚（粪臭素）（51），而IAA也可以转化为IAld。IAld的产生似乎仅限于少数厚壁菌门细菌，包括Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus murinus和Lactobacillus reuteri（60–62）。

这些微生物产生的吲哚化合物作为关键的信号分子，在宿主-微生物通信中起重要作用。它们作为AhR和PXR等宿主受体的配体，激活下游信号级联反应，调节肠道屏障功能、免疫稳态和全身代谢。

2.4 色氨酸代谢途径之间的相互作用和竞争
三条主要的色氨酸代谢途径并非独立运作，它们竞争可用的色氨酸并通过肠道微生物群和宿主受体相互作用（63, 64）。这种平衡的改变会显著影响疾病进展和免疫稳态。在患有高血压的中年女性中，产生吲哚的细菌减少导致宿主色氨酸含量增加，这表现为更多色氨酸被导向犬尿氨酸途径，循环中的KYN水平升高（65）。在炎症期间，来自肠嗜铬细胞的5-HT似乎会影响犬尿氨酸途径的活性（40）。多项研究表明，IDO1活性降低与肠道炎症期间5-HT水平升高有关（66–68）。作为5-HT途径的最终代谢产物，褪黑素通过调节黑色素细胞和成纤维细胞中的IDO1表达来调节这一网络（69）。褪黑素激活c-Jun N末端激酶信号通路，促进forkhead box O1的核转位，从而增强IDO1的表达（70）。这在两条宿主途径之间形成了一个交叉调节环路。在多发性硬化症模型中，微生物群产生的IAld使外周淋巴结中的肥大细胞色氨酸代谢向TPH1介导的5-HT合成方向转变（71）。然而，这一调控网络的复杂性表明，主要的色氨酸代谢途径是相互依赖的。在高脂饮食（HFD）诱导的动脉粥样硬化模型中，上皮特异性IDO的耗竭与KYN合成减少以及5-HT积累增加有关，这与底物的重新分布一致，同时微生物群产生的吲哚代谢物也减少了（63）。这些观察结果表明，一个途径的紊乱可以通过底物竞争和调控相互作用影响其他途径，从而改变整体的代谢平衡。这些发现共同强调了宿主代谢与微生物色氨酸代谢之间的紧密关联。3 AhR和PXR介导微生物色氨酸代谢信号 AhR是一种配体激活的转录因子，存在于肝细胞、肠上皮细胞（IECs）以及多种免疫细胞中，包括树突状细胞、3型先天淋巴细胞（ILC3s）和Th17及Th22细胞（72）。在静息状态下，AhR与伴侣蛋白（如热休克蛋白90）结合存在于细胞质中（73）。当与色氨酸衍生物结合时，AhR会发生构象变化并转移到细胞核（74）。在细胞核中，AhR与AhR核转运蛋白（ARNT）异二聚化，并与目标基因启动子区域的异生物质反应元件结合，从而启动细胞色素P450 1A1（Cyp1a1）等基因的转录（75）。AhR可被多种色氨酸衍生物激活，包括吲哚、IAA、ILA和IPA（76）。IL-22对调节肠道免疫和炎症至关重要。AhR通过多种机制调节其分泌，例如通过Notch信号通路调节ILC3的增殖和更新，进而影响IL-22的产生（77）。AhR的激活还通过影响单核细胞和幼稚CD4+ T细胞来促进IL-22的生成（78, 79）。除了经典的AhR/ARNT依赖性转录外，非经典的AhR信号通路也受到了越来越多的关注。AhR更多地充当信号中介（80）。配体激活AhR后，会促使细胞质中的AhR复合物解离并释放可溶性酪氨酸激酶c-Src（81）。激活的c-Src可以直接通过磷酸化其细胞内结构域来激活质膜上的表皮生长因子受体（EGFR）。此外，它还可以依次激活蛋白激酶C（PKC）和脱落酶，导致细胞表面结合的EGFR配体脱落。通过细胞内磷酸化或配体结合，EGFR的激活可以诱导下游信号通路（如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK），从而影响细胞功能（82）。例如，研究表明，产前暴露于富含色氨酸的环境会改变母体肠道微生物群组成，增加乳酸菌的数量，并显著提高母体血清和胎儿小鼠大脑中的IPA水平。进一步的体内和体外实验表明，IPA通过激活AhR–Src–Erk1/2信号通路促进胚胎神经前体细胞的增殖和分化（83）。AhR还可能参与调节细胞代谢。例如，在结肠癌细胞中抑制AhR可以减少脂肪生成酶硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）的表达，伴随能量代谢和脂肪酸合成的变化，这可能以细胞特异性的方式抑制癌细胞增殖（84）。另一方面，AhR的激活可以通过下调与葡萄糖转运和糖酵解相关的分子（如SLC2A1和ENO1）来抑制糖酵解，从而减少葡萄糖的摄取和丙酮酸及乳酸的生成，同时促进SIRT1依赖性的分化（85）。AhR是研究最广泛的宿主色氨酸代谢受体，但PXR也是这一过程中的另一个重要受体（86）。PXR属于核受体超家族（87），主要表达于小肠和肝脏，在肺、肾、胎盘和卵巢中的表达水平较低（88, 89）。除了其经典的激活药物代谢和转运基因（如Cyp3a和Oatp1a4）以清除异生物质的作用外（90, 91），PXR还是代谢和免疫稳态的多功能调节因子。它与核因子κB（NF-κB）、Toll样受体（TLRs）和炎性小体（92, 93）有广泛的相互作用。此外，PXR还参与能量代谢和细胞凋亡（94）。观察到特定的吲哚衍生物（如吲哚、IAA、IAM，尤其是IPA）是PXR的激动剂（98）。IPA作为PXR配体，可以下调TNF-α的表达并上调紧密连接蛋白，从而维持肠道屏障的完整性（99）。因此，阐明PXR介导的机制对于全面理解宿主-微生物组之间的色氨酸相互作用至关重要。4 微生物色氨酸代谢物的关键生物学功能 微生物色氨酸代谢物，包括吲哚及其衍生物（如ILA、IPA、IAA和IAld）和色胺，作为关键的跨界信号分子调节宿主生理功能。这些代谢物在增强肠道屏障、维持免疫稳态和调节宿主能量代谢方面发挥着不可或缺的作用（图2）。图2 微生物群产生的色氨酸代谢物调节宿主肠道屏障功能、免疫稳态和代谢调节。AhR，芳烃受体；AJ，粘附连接；DCs，树突状细胞；IECs，肠上皮细胞；NF-κB，活化B细胞的核因子κB；PXR，孕烷X受体；TJ，紧密连接（使用BioRender.com创建）。4.1 增强肠道物理和化学屏障 肠道通透性与微生物色氨酸代谢密切相关（100）。饮食中缺乏色氨酸已被发现会增加肠道通透性（101）。早期的体内研究表明，口服吲哚可以增加无菌小鼠结肠上皮细胞中紧密连接和粘附连接蛋白的表达（102）。体外实验也表明，1 mM浓度的吲哚可以诱导参与紧密连接组装和肌动蛋白骨架形成的基因，从而增强上皮屏障的完整性（16）。多种色氨酸衍生物通过宿主受体增强屏障功能。作为色氨酸还原途径的最终产物（54, 103），IPA激活PXR以抑制TLR4/TNF-α信号通路并增加连接基因的表达（99）。它还作为AhR配体，在LPS诱导的炎症条件下也能增强Claudin-1、Occludin和ZO-1的表达（104）。Scott等人（14）的研究表明，吲哚-3-乙醇、IPYA和IAId也通过AhR通路调节顶端连接复合体及其相关肌动蛋白调节蛋白（包括肌球蛋白IIA和ezrin）的完整性。最近的研究进一步表明，IAA通过AhR信号通路促进黏蛋白硫酸化，从而增强肠道屏障。这依赖于溶质转运蛋白家族35成员B3和3′-磷酸腺苷5′-磷酸硫酸酶2的上调（105）。除了上皮层外，微生物色氨酸代谢物还通过促进黏蛋白的产生和抑制病原体定植来强化化学屏障。在一项针对特定生态位相互作用的研究中，利用黏蛋白的细菌Peptostreptococcus russellii在上皮附近产生IA，激活AhR靶标（如Cyp1a1），并诱导杯状细胞黏蛋白2的表达（56）。IPA也有类似的黏蛋白促进作用（104）。IAld激活AhR以促进IL-22的产生，从而支持共生菌群的稳定并增强对白色念珠菌的抵抗力（60）。此外，高浓度的肠腔吲哚可作为病原体感应信号，抑制肠致病菌（包括肠出血性大肠杆菌和Citrobacter rodentium）的毒力基因表达（106）。作为第三道防线，肠道血管屏障控制分子和微生物进入系统循环（107），反映了肠道与肝脏之间的双向关系（108）。ILA通过激活微血管内皮细胞中的AhR来维持肠道血管屏障的完整性，这与Nrf2–STAT3轴的失活和Claudin-2表达的减少有关（109）。4.2 调节宿主免疫稳态和抗炎反应 吲哚及其衍生物（包括ILA、IAA和IAld）是内源性AhR配体，可以调节免疫细胞的功能和细胞因子的产生。吲哚可以减少促炎性IL-8的分泌并抑制TNF-α诱导的NF-κB激活，同时增强抗炎性IL-10的表达（16）。在这些代谢物中，ILA在调节先天性和适应性免疫方面起着关键作用。由L. reuteri产生的ILA激活CD4+ T细胞中的AhR，下调转录因子ThPOK，将这些细胞重新编程为免疫调节性CD4+CD8αα+双阳性上皮内淋巴细胞（62）。ILA还靶向核受体RORγt，抑制Th17细胞的分化，从而限制炎症病理（110）。在早期免疫保护的背景下，母乳喂养婴儿中占主导地位的Bifidobacterium longum subsp. infantis产生的ILA可以抑制TNF-α和LPS诱导的IL-8激增（111）。Meng等人（112）进一步证明，这种保护作用仅限于未成熟的肠细胞。在未成熟的肠细胞中，ILA与AhR相互作用，抑制IL-1β诱导的IL-8转录，这可能解释了母乳喂养婴儿的肠道健康益处。这些代谢物还调节先天免疫细胞。Bifidobacterium breve产生的ILA通过调节未成熟结肠巨噬细胞的分化来抑制结肠炎相关的肿瘤发生（113）。色胺和IAA也通过AhR依赖性途径抑制巨噬细胞中的炎症反应，减少LPS和脂肪酸诱导的促炎性细胞因子的产生（17）。AhR-IL-22轴是将微生物色氨酸代谢物与黏膜免疫联系起来的重要通路。IL-22主要由CD3+ T细胞和ILC3产生（114），它驱动抗菌肽的表达并协调上皮再生（115）。这一通路通过特定色氨酸代谢物的产生受到多种共生菌株的调节。例如，L. reuteri D8产生的IAld刺激固有层淋巴细胞分泌IL-22，进而触发STAT3磷酸化，加速黏膜修复（116）。同样，L. plantarum产生的ILA通过激活AhR-Cyp1a1-IL-22-STAT3级联反应缓解实验性结肠炎（117）。Bacteroides ovatus产生的IAA通过调节树突状细胞来增强IL-22的产生（118）。IAA的作用不仅限于IL-22轴，它还被证明可以通过诱导肠道中分泌IL-35的调节性B细胞的积累来促进免疫耐受（96）。与这些保护作用一致，溃疡性结肠炎患者的粪便中IAA和IAld水平降低。Akkermansia muciniphila的补充可以通过上调IL-10和IL-22来恢复这些代谢物并缓解炎症（119）。4.3 减轻氧化应激和调节能量代谢 微生物色氨酸代谢物具有强大的抗氧化活性。IPA和IAA都能清除自由基（120, 121）。此外，这些代谢物还调节线粒体的功能。IPA通过抑制磷酸化依赖性的泛素化来稳定SIRT1，使SIRT1能够去乙酰化PGC-1α并促进其向细胞核的转移，从而激活SIRT1/PGC-1α通路并诱导参与线粒体生物发生的基因（122）。IPA在多种疾病模型中都能改善线粒体功能，缓解与代谢异常相关的心脏功能障碍（123），通过增加线粒体DNA含量保护肾脏和神经组织，促进线粒体生物发生并减轻氧化损伤（124, 125）。同样，IAld通过激活AhR来维持线粒体膜电位并限制活性氧物种，从而抑制NF-κB–NLRP3轴（126）。这些代谢物还调节宿主代谢。循环中的IPA与人类和啮齿动物的2型糖尿病风险和血糖控制有关（127–130）。IPA的补充可以改善葡萄糖代谢并降低大鼠模型中的空腹血糖（129）。这种代谢益处可能部分通过中枢机制实现：IPA作为瘦素敏化剂，作用于下丘脑食欲中心，促进STAT3磷酸化和核转移，从而增强瘦素反应性并调节能量摄入（131）。另一种生物活性色氨酸代谢物吲哚可以刺激肠道L细胞释放胰高血糖素样肽-1（GLP-1）（132），GLP-1又可以促进胰岛素分泌和饱腹感，可能有助于预防肥胖（133, 134）。吸收后，微生物色氨酸代谢物通过门静脉循环进入肝脏，影响炎症状态和脂质代谢。患有脂肪性肝病的患者粪便中的IAA和IPA水平降低（135）。IPA和IAA的补充通过抑制NF-κB、减少循环内毒素和抑制巨噬细胞反应来减轻肝脏炎症（135）。IAA还通过下调关键基因（SREBF1、SCD1、PPARγ、Gpam和Acaca）直接抑制肝细胞脂肪生成（17, 136）。5 调节色氨酸代谢的营养策略 5.1 饮食模式 饮食模式通过改变肠道微生物群结构和酶活性来影响色氨酸代谢。当其他能量底物易于获得时，微生物色氨酸的代谢会下降（137）。多项动物研究表明，高脂饮食（HFD）会增加KYN水平（63, 138, 139）。在小鼠中，HFD诱导IDO1上调，伴随IAA水平下降和KYN水平升高，表明代谢从吲哚衍生物生产转向KYN生成（140）。相应地，HFD会降低盲肠内容和肝脏中的IAA和色胺水平（17）。在缺乏载脂蛋白E的小鼠中，高脂肪饮食（HFD）下血清中的IPA含量也会降低，并且与产生吲哚的微生物种类数量减少相关，这些微生物包括梭菌属（Clostridium）和消化链球菌属（Peptostreptococcus）（141）。相比之下，富含纤维的饮食可能会产生更多的微生物吲哚。补充小麦麸皮可以抑制犬尿氨酸途径的激活，同时增加5-羟色胺（5-HT）和吲哚代谢物（IPA、IAId和5-HIAA）的水平，这可能是通过丰富有益的微生物种类如阿克曼氏菌属（Akkermansia）和乳酸菌属（Lactobacillus）来实现的（142）。摄入β-葡聚糖这种生物活性膳食纤维可以促进约翰逊乳酸菌（Lactobacillus johnsonii）的增殖，从而增强ILA的合成（143）。一些人类研究报道，富含纤维的食物（如水果和蔬菜）以及纤维的摄入量与循环中的IPA水平呈正相关（127, 128, 144）。此外，不同的纤维组合会产生不同的吲哚代谢物谱型。黄等人（Huang et al.）（145）发现，果胶和菊粉的组合能显著促进IPA和ILA的生成，而单独使用果胶则更有利于IAA和IAId的生成。在另一项研究中，该团队还注意到高蛋白饮食并不一定会提高吲哚衍生物的水平。相反，高纤维低蛋白饮食更有利于结肠微生物群产生IAA、ILA和IPA（146）。总体而言，这些发现表明不同的饮食方式会以不同的方式影响色氨酸的代谢。高脂肪饮食有利于通过IDO1途径产生KYN，而富含纤维的饮食则通过益生元效应促进微生物色氨酸分解为抗炎性的吲哚。这突显了饮食干预作为精准营养方法在代谢健康方面的作用。

5.2 益生菌干预
益生菌越来越多地被用于调节色氨酸的代谢。这一潜力得到了支持，因为关键的色氨酸代谢酶（ArAT、ILDH和acdA）在多个益生菌属中具有系统发育上的保守性，尤其是在乳酸菌属（Lactobacillus）和双歧杆菌属（Bifidobacterium）中（147），这表明某些菌株可以直接生成生物活性吲哚衍生物。在常用的益生菌中，植物乳杆菌（L. plantarum）广泛存在于发酵食品中，并且具有较高的耐酸性和抗胃肠道压力的能力，这些特性可能有助于肠道活动（148）。基因组分析证实，植物乳杆菌含有编码ArAT、ALDH和fldH的基因，这与其合成IAA和ILA的能力一致。综合代谢组学和基因组学分析进一步表明，高水平的ILA可能是植物乳杆菌的重要特征之一，据报道它具有激活AhR和缓解结肠炎的作用（117）。此外，植物乳杆菌168已被证明可以产生一种特定的吲哚衍生物，该衍生物能够靶向调节性CD8+ T细胞，从而抑制结直肠肿瘤的生长（149）。
此外，益生菌还可以调节肠道微环境和微生物群组成。这可以改变底物的可用性和微生物酶的活性，最终影响色氨酸代谢物的谱型。例如，短双歧杆菌M-16V的补充已被证明可以与肠道微生物群协同作用，扩大与色氨酸代谢相关的微生物种类，如乳酸菌、梭菌属、布劳蒂亚属（Blautia）和罗斯伯里亚属（Roseburia）。同时，短双歧杆菌M-16V的治疗可以减少小鼠空肠中的TDO表达。这一发现表明，益生菌干预可能会影响微生物途径、色氨酸的利用以及宿主代谢酶的表达，从而促进IPA、IAA和其他吲哚衍生物的生成（150）。此外，长双歧杆菌CCFM1029的补充改变了肠道微生物的β多样性，并维持了拉赫诺螺旋菌科（Lachnospiraceae）的丰度，同时调节了色氨酸代谢并激活了AhR介导的免疫反应。现有证据还强调了多物种协调和代谢互馈的关键作用。具体来说，罗伊特乳杆菌（L. reuteri I5007）可以将色氨酸转化为ILA。ILA是一种代谢物，它可以促进分解色氨酸的共生菌（如梭菌属）的定植，并在体内上调细菌的acdA和ILDH表达，从而增加IPA和IAA的生成（151）。与此一致的是，孢子生成梭菌（C. sporogenes）也是一种潜在的益生菌候选者。它产生的IPA与短链脂肪酸（SCFAs）和支链脂肪酸协同作用，促进IL-22的生成并增强Treg细胞的活性，从而抑制肠道炎症（152）。这些发现表明，益生菌相关的生理益处通常来源于微生物群成员之间的相互作用，而不仅仅是由单一代谢物或菌株单独作用的结果。
下一代益生菌也显示出潜力。木聚糖分解菌（Bacteroides xylanisolvens）可以产生IAA和ILA（153, 154）。黏液嗜菌（A. muciniphila）可以降解肠道黏蛋白并产生SCFAs（155），这些物质可以刺激肠内分泌细胞中的TPH1表达并促进5-羟色胺的分泌（156, 157）。在结肠炎模型中，黏液嗜菌的补充可以恢复肠道中的IAA并改善屏障功能（119）。此外，非靶向代谢组学分析在黏液嗜菌培养上清液中检测到了ILA，并首次提出了ILA在胆汁酸代谢调节中的潜在作用（158）。然而，黏液嗜菌中负责ILA生物合成的具体基因尚未得到充分研究，需要进一步探索。

6 色氨酸及其微生物代谢物在猪健康和生产中的作用
色氨酸不仅作为蛋白质合成的底物，还作为调节动物肠道稳态、免疫功能和代谢活性的信号分子。研究人员使用导管模型在健康且清醒的猪身上评估了选定微生物代谢物的器官间流动。在猪血浆中鉴定出七种吲哚衍生物，IAA和IA显示出从肠道净释放并被肝脏显著吸收（159）。此外，在特定的饮食干预下，在猪血清或血浆中也检测到了IPA和ILA（160, 161）。这些体内研究提供了直接或间接的证据，表明某些吲哚衍生物可以在猪体内进入血液循环。因此，越来越多的研究不再局限于色氨酸本身的营养价值，而是关注其微生物代谢物在提高猪的生产性能和肠道健康方面的潜力，这在早期生命阶段尤为重要，尤其是在断奶期间。支持这些有益效果的关键研究及其使用的代谢组学方法如表2所示。

表2
研究 | 干预措施 | 代谢组学方法 | 色氨酸代谢物的变化 | 主要发现 | 参考文献
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 断奶猪 | 菌群移植（FMT） | LC-MS/MS | ↓ IAld、3-吲哚丁酸等 | 色氨酸代谢在断奶猪中降低（167） |
| 断奶猪 | 100 mg/kg IAId | // | 改善肠道屏障功能；促进ISC扩展（167） |
| 被LPS诱导的断奶猪 | 菌群移植（FMT） | 结肠内容物；LC-MS/MS | ↑ IAAR | 恢复上皮完整性；减轻炎症反应（169） |
| 断奶猪 | 0.35% 色氨酸 | 血清；HPLC | ↑ | 减少腹泻发生率和血清IL-6水平（171） |
| 断奶猪 | 丁酸梭菌（Clostridium butyricum） | 粪便；LC-MS | ↑ 吲哚-3-羧酸 | 优化厚壁菌门/拟杆菌门比例；改善猪健康（172） |
| 被DSS诱导结肠炎的断奶猪 | 唾液乳杆菌MZ27 | 结肠内容物；LS-MS | ↑ ILA | 改善肠道屏障功能（173） |
| 断奶猪 | 果胶（5%） | 空肠黏膜；LS-MS | ↑ IPA、IAA、色胺 | 丰富的乳球菌和肠球菌；激活AhR/IL-22/STAT3通路（174） |
| 断奶猪 | 大蒜衍生的类外泌体纳米颗粒 | 结肠内容物；LC-MS | ↑ IPA | 减轻与压力相关的肠道黏膜炎症；增强黏蛋白生成（176） |
| 断奶猪 | 0.2% 或 0.4% 色氨酸 | 结肠和空肠内容物；HPLC | ↑ IAA、吲哚 | 增加平均日饲料摄入量（ADFI）和平均日增重（ADG）（179） |
| 断奶猪 | IPA（0.01%） | 血浆和肠道内容物；IPA和色胺ELISA试剂盒 | ↑ 血浆IPA；↓ 肠道色胺 | 促进肌肉生长和糖酵解纤维形成（160） |
| 低出生体重猪 | 0.4% 或 0.8% 色氨酸 | // | 抑制肝脏脂质生成和糖异生；增强糖酵解和脂解（186） |
| 成猪 | 0.78% 色氨酸 | // | 抑制FXR信号通路；改善脂质代谢（187） |
| 断奶猪 | 植物乳杆菌JL01 | 结肠内容物；LC-MS | ↑ IAA | 调节微生物组成；改善脂肪消化和吸收（188） |
| 生长中的猪 | 时间限制喂养 | 结肠消化物和血清；LC-MS | ↑ ILA（结肠和血清） | 促进乳酸菌定植；减少肝脏脂质沉积（161） |

6.1 调节猪的肠道健康和屏障功能
肠道健康是一个多维度的概念，包括代谢稳态、消化和吸收、微生物生态系统平衡以及免疫屏障的完整性（162, 163）。断奶期间饮食和环境的显著变化会引发严重的应激反应，损害肠道上皮结构并导致腹泻（164）。越来越多的证据表明，猪的腹泻与色氨酸代谢紊乱密切相关（165）。在断奶压力和LPS暴露等免疫挑战期间，猪对色氨酸的需求增加（166）。腹泻猪的色氨酸代谢受到抑制，同时吲哚衍生物（IAId、2-吲哚羧酸、吲哚-3-羧酸和3-吲哚丁酸）的含量减少（167）。多项研究支持这一发现（168–170）。粪便微生物群的移植通过调节肠道微生物组恢复了吲哚的合成能力，并显著提高了结肠中的IAA水平。这种代谢转变激活了AhR信号通路并上调了IL-22，从而缓解了肠道上皮完整性的破坏并减轻了LPS引起的炎症反应（169）。
Rao等人（171）证明，在断奶猪的饮食中添加0.35%的色氨酸可以减少腹泻的发生率和血清IL-6水平。微生物组分析显示，色氨酸的补充增加了乳酸菌和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）的丰度，同时减少了Turicibacter、Desulfovibrio和其他潜在病原体的丰度。丁酸梭菌（Clostridium butyricum）作为一种饲料添加剂，可以增加断奶猪的吲哚-3-羧酸水平，并优化厚壁菌门与拟杆菌门的比例。这表明梭菌通过调节色氨酸代谢来促进猪的健康（172）。郑等人（Zheng et al.）从迷你猪中分离出唾液乳杆菌MZ27，并证实它通过促进ILA的生成和激活AhR信号通路来缓解硫酸葡聚糖诱导的结肠炎。在饮食中添加5%的果胶改变了空肠微生物组成（增加肠球菌和乳球菌），并提高了色氨酸代谢物（包括色胺、IPA和IAA）的水平。这些代谢物随后激活了AhR/IL-22/STAT3信号通路，从而减少了促炎细胞因子的产生并增强了肠道屏障的完整性（174）。
饮食中添加50和100 mg/kg的IPA可以减少腹泻发生率，缓解LPS引起的肠道炎症，并增加断奶猪紧密连接蛋白的表达。然而，高剂量的IPA（600 mg/kg）可能会引发促炎反应，这强调了优化剂量的重要性（175）。饮食中的IAld通过促进断奶猪肠道干细胞的增殖来改善屏障功能和肠道发育（167）。口服大蒜衍生的类外泌体纳米颗粒（50 mg/kg体重）可以减轻与压力相关的肠道黏膜炎症，并增强断奶猪的黏蛋白生成，可能是通过丰富乳酸菌（特别是罗伊特乳杆菌）并诱导抗炎代谢物IPA的生成（176）。总体而言，这些发现表明，针对色氨酸及其代谢物的营养干预可能为预防和缓解猪的腹泻提供新的策略。

6.2 提高生长性能和调节猪的代谢和应激反应
色氨酸是一种必需氨基酸。充足的饮食供应对于优化猪的生长性能和健康至关重要，尤其是对于幼猪（177, 178）。补充色氨酸（0.2%?0.4%）可以提高平均日增重和平均日饲料摄入量，同时增加肠道微生物群的多样性（179）。在低蛋白饮食中，补充色氨酸和N-乙酰谷氨酸可以改善饲料转化效率（ADFI）并提高生长性能，显著增加平均日增重和饲料摄入量（180）。
骨骼肌约占猪体重的50%（181），对猪肉质量和生长性能至关重要（160）。色氨酸及其代谢物通过调节肌肉发育来促进动物的生长和发育（182, 183）。早期试验表明，高水平的饮食色氨酸（体重1.3–2.0 g/kg）可以通过调节肌肉细胞中的核糖体活性和蛋白质合成来促进生长和饲料效率（184）。高色氨酸饮食（0.35%）通过靶向miR-34c和miR-182的环状RNA网络增加了断奶猪中快缩肌纤维的比例（183）。IPA的补充通过改善胰岛素敏感性和激活PI3K-Akt-mTOR通路来促进肌肉生长和糖酵解纤维的形成（160）。在小鼠模型中，孢子生成梭菌及其代谢物IPA可以修复抗生素引起的肌肉萎缩（185）。
色氨酸及其代谢物还调节猪的脂质代谢。饮食中添加色氨酸可以改善低出生体重猪的代谢模式，抑制肝脏脂质生成和糖异生，同时增强脂解和糖酵解（186）。在育肥猪中，0.78%的色氨酸可以抑制肠道法尼索X受体（FXR）信号通路并增加肝脏胆汁酸的合成，这可能对脂质代谢有益（187）。益生菌植物乳杆菌JL01可以在体内增强IAA的生成并调节断奶猪的脂质代谢（188）。同样，李等人（Li et al.）（161）证明，时间限制喂养可以促进生长猪中乳酸菌的定植和ILA的生成；ILA随后通过AhR通路上调PPARα和CPT1A，减少血清和肝脏中的脂质沉积。已经证明，来自乳酸菌的ILA通过促进肠道干细胞分化为肠内分泌细胞来提高GLP-1的水平（189）。GLP-1的增加可能通过调节食欲和能量消耗来减少皮下和肝脏脂肪的积累，从而改善胴体特性（190）。在猪中，与饲养管理相关的压力因素，如热应激、运输、断奶、分娩、屠宰以及不合适的住房条件，会损害动物福利并降低生产性能（191）。最近在小鼠中的研究表明，来自肠道微生物群的吲哚可能在调节肠-脑轴中起作用（192）。据信杏仁核在调节应激反应和焦虑相关行为中起着关键作用（193）。雄性GF小鼠表现出焦虑相关行为和增强的恐惧反应，这可能与基底外侧杏仁核中的兴奋性神经元过度兴奋有关。吲哚处理减少了与焦虑相关的行为，并减弱了GF小鼠基底外侧杏仁核神经元的过度兴奋。这表明吲哚可能调节参与情绪调节的大脑回路（194）。尽管目前的研究仅限于小鼠模型，但这些发现提示微生物色氨酸代谢物也可能有助于提高猪的抗压能力和福利。

7. 斯卡托尔：一种潜在的有害微生物色氨酸代谢产物
大量文献强调了微生物色氨酸代谢物在维持肠道屏障完整性和免疫稳态中的有益作用。然而，必须认识到斯卡托尔的不良影响，尤其是在养猪生产中。斯卡托尔是由肠道细菌通过IAA的脱羧作用产生的（51）。部分在肠道中产生的斯卡托尔通过粪便排出，其余部分通过门静脉运输到肝脏，并由细胞色素P450（CYP）同工酶代谢（195）。CYP同工酶，包括CYP1A、CYP2A和CYP2E1，负责斯卡托尔的降解（196）。由于其亲脂性，未在肝脏中降解的斯卡托尔容易沉积在猪的脂肪组织中（197）。猪的性激素水平是细胞色素P450酶活性的重要调节因子（137, 198）。睾丸间质细胞分泌的雄烯酮会抑制CYP的活性（198）。与未阉割的公猪相比，母猪的肝脏中CYP1A2、CYP2A和CYP2E1的活性更高（199）。此外，阉割或免疫阉割后公猪肝脏中CYP2E1、CYP2A和CYP1A基因的表达和活性趋于增加（198）。因此，斯卡托尔对猪的影响主要体现在肉的质量上。与雄烯酮（200）一起，斯卡托尔被认为是导致公猪肉有异味的主要原因。由于斯卡托尔的形成与肠道微生物群密切相关，因此在畜牧业生产中通过饲养管理和饮食调节可以帮助从源头上减少斯卡托尔的产生。研究表明，添加菊苣根或纯菊粉可以影响猪粪便、血液和脂肪组织中的斯卡托尔水平（201, 202）。Okrouhlá等人（203）报告称，添加菊芋可以降低脂肪组织中的斯卡托尔浓度，可能是由于胃肠道中蛋白分解细菌的数量减少，并且对猪的生长性能或胴体特性没有显著的不良影响。添加6%桑叶的饮食通过多种机制显著降低了育肥猪粪便、血清和背脂中的斯卡托尔水平。具体来说，桑叶补充组通过减少已知产生斯卡托尔的细菌Megasphaera和Olsenella的数量并增加Ruminococcus 1、Anaeroplasma和Butyrivibrio的数量来改变肠道微生物群的组成。这种干预还显著降低了粪便中的IAA水平，从而抑制了斯卡托尔合成的关键前体。最后，桑叶处理显著上调了猪肝脏中CYP1A1的表达，加速了斯卡托尔的降解（204）。类似地，植物多酚木兰醇也被证明可以通过调节IPYA代谢来降低猪结肠和粪便中的斯卡托尔水平；具体来说，木兰醇可以与Desulfovibrio中的ipdC结合，从而降低IAA的产生并限制斯卡托尔的形成（205）。

8. 结论与展望
本综述讨论了色氨酸代谢，特别是由微生物群驱动的吲哚途径，如何影响肠道健康、免疫稳态和代谢功能。作为AhR和PXR的配体，微生物色氨酸代谢物增强了肠道屏障和代谢平衡，有助于提高牲畜的生长和免疫功能。然而，并非所有吲哚代谢物都具有有益作用。在猪中，IPA表现出剂量依赖性效应。高剂量的IPA可能诱发炎症反应，而斯卡托尔与公猪肉有异味和肉质下降密切相关。因此，未来的研究应旨在阐明营养干预如何影响猪肠道微生物群的色氨酸代谢，以协调色氨酸代谢物的产生。例如，最近的一项研究表明，膳食纤维可以通过微生物代谢相互作用影响色氨酸的代谢，从而减少某些潜在有害的吲哚衍生物（103）。虽然色氨酸代谢通常归因于Clostridium、Bacteroides、Escherichia和Lactobacillus等属，但肠道微生物群的代谢潜力远超分类学所暗示的。识别不同吲哚衍生物的具体生产者对于设计靶向益生菌和精准代谢疗法非常重要。这是因为某些代谢产物的产生是多种菌株合作的结果。例如，L. johnsonii和C. sporogenes通过合作支持IPA的产生（206）。竞争性相互作用可以改变微生物群内的色氨酸底物分配。在一个明确的三组分群落中，分解纤维的Bacteroides thetaiotaomicron通过单糖交叉喂养促进大肠杆菌的生长，从而通过代谢物抑制作用抑制吲哚的形成，并将色氨酸分配转向ILA和IPA的产生（103）。目前的知识可能仅触及了这种代谢潜力的表面。非靶向代谢组学结合基于MS/MS的结构注释和真实标准的验证对于识别新的吲哚衍生物并将其与免疫相关表型联系起来至关重要。然而，代谢物注释在非靶向代谢组学分析中仍然是一个主要挑战。仅依赖准确的质量、数据库匹配或保留时间不足以排除由结构异构体、加合物、来源内碎片化和共洗脱化合物引起的错误注释风险（207）。高置信度的代谢物鉴定通常仍依赖于在相同分析条件下保留时间、前体离子和MS/MS光谱与真实标准的综合匹配（208, 209）。

微生物色氨酸代谢物通过AhR和PXR信号通路维持免疫和组织稳态。它们在循环中的检测支持了其在肠道以外的系统效应的可能性（54, 159）。然而，猪体内循环中的吲哚衍生物浓度仍然不明确。因此，一个重要的优先事项是使用代谢组学生成定量参考范围，并绘制人类和猪肠道各段、血液和外围器官中主要吲哚衍生物的时空分布图。还应注意的是，目前关于色氨酸代谢物的许多机制证据主要来自小鼠模型和体外系统。小鼠的结果更适合作为机制假设，而关键代谢物的组织分布、生理浓度和功能效应仍需在猪中进行进一步验证。尽管饮食和益生菌可以调节色氨酸代谢，但仍需全面阐明这些干预的精确分子机制和长期后果。解决这些空白需要大规模、表型明确的队列以及使用宏基因组学、靶向代谢组学和空间转录组学等多组学数据集进行综合验证（210）。总之，色氨酸代谢是饮食、宿主免疫和肠道微生物之间不可或缺的接口。在养猪生产中，通过微生物组调节和精准营养干预这一轴可以改善动物性能，同时减少对抗生素的依赖，从而支持更可持续的农业。除了农业领域外，考虑到猪作为重要的生物医学模型的地位，深入理解猪的色氨酸代谢具有重要的转化价值，有助于优化人类的代谢功能和肠道健康策略。