研究揭示：腸道菌群與蛋白質/氨基酸代謝的相互作用，對宿主黏膜免疫和健康的重要影響

本翻譯僅作學術交流用，無商業意圖，請勿轉載，如有疑議問請來信

近期研究顯示，腸道菌群與蛋白質及氨基酸的代謝之間存在深刻的相互作用，這些互動對宿主的黏膜免疫系統和整體健康具有顯著影響。研究概述了腸道微生物如何影響食物成分的代謝，並強調了飲食中的蛋白質/氨基酸對腸道菌群配置和功能的影響。

Mutual interaction between gut microbiota and protein/amino acid metabolism for host mucosal immunity and health

腸道菌群與蛋白質/胺基酸代謝間的相互作用對宿主黏膜免疫與健康的影響

Wu L, Tang Z, Chen H, et al. Mutual interaction between gut microbiota and protein/amino acid metabolism for host mucosal immunity and health. Anim Nutr. 2021;7(1):11-16. doi:10.1016/j.aninu.2020.11.003

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8110859/

Abstract

In recent years, many studies have shown that the intestinal microflora has various effects that are linked to the critical physiological functions and pathological systems of the host. The intestinal microbial community is widely involved in the metabolism of food components such as protein, which is one of the essential nutrients in diets. Additionally, dietary protein/amino acids have been shown to have had a profound impact on profile and operation of gut microbiota. This review summarizes the current literature on the mutual interaction between intestinal microbiota and protein/amino acid metabolism for host mucosal immunity and health.

Keywords: Gut microbiota, Amino acid, Metabolism, Mucosal immunity, Host

摘要

近年來，許多研究顯示，腸道菌群與宿主的重要生理功能及病理系統密切相關。腸道微生物群廣泛參與食物成分的代謝，其中蛋白質作為飲食中的基本營養素之一尤為重要。此外，飲食中的蛋白質/胺基酸對腸道菌群的組成及運作有深遠影響。本文回顧並總結了當前文獻，探討腸道菌群與蛋白質/胺基酸代謝之間的相互作用對宿主黏膜免疫與健康的影響。

關鍵字：腸道菌群、胺基酸、代謝、黏膜免疫、宿主

引言

胃腸道內含有大量微生物，這些微生物在宿主的許多關鍵生理功能中發揮著重要作用（Lin 等, 2017），包括代謝與營養平衡、免疫系統的成熟與刺激，以及腦部活動（Agus 等, 2018）。腸道菌群在促進蛋白質/胺基酸消化吸收的過程中起著重要作用，通過分解複雜的亞單元，改變宿主細胞的代謝機制，使宿主更容易吸收這些營養素（Armstrong 等, 2019；Ibrahim 和 Anishetty, 2012）。此外，定殖在腸道的細菌能夠促進必需胺基酸的從頭合成，這對宿主的胺基酸穩態有重要影響（Collins 等, 2012）。

腸道菌群的組成受到多種因素的影響，包括宿主本身的因素和環境因素。其中，宿主的飲食是基本因素之一（Rist 等, 2013）。先前的研究顯示，調控飲食中的蛋白質/胺基酸是控制胺基酸發酵細菌及其代謝途徑的一種策略，進而影響宿主的代謝（Shen 等, 2010；Rist 等, 2013；Vital 等, 2014）。

本文的目的是概述腸道菌群與飲食中的蛋白質/胺基酸對宿主黏膜免疫與健康的複雜互動。

2. 腸道微生物對蛋白質/胺基酸代謝與合成的調節

腸道菌群調節宿主內多種代謝途徑，包括與葡萄糖、脂質及脂肪代謝相關的途徑。胃腸道中的細菌代謝物非常複雜，許多由腸道微生物產生的代謝物以胺基酸作為底物（Wikoff 等, 2009）。食物中的胺基酸或宿主合成的胺基酸可為腸道菌群提供蛋白質合成所需的營養。胺基酸可以直接作為蛋白質中的胺基酸殘基被納入細菌細胞，並進入分解代謝途徑。蛋白質在腸道微生物分泌的細胞外蛋白酶和肽酶的作用下水解為胺基酸和肽段。當有特定運輸蛋白存在時，胺基酸和肽段可進入微生物細胞（Gottschalk, 1979）。然而，這些生物分子會根據其遇到的生理條件而有不同的命運（圖 1；Davila 等, 2013）。胺基酸分解代謝的第一步是轉胺作用或脫胺作用；胺基酸會經歷氧化、還原或兩者兼具的反應（氧化還原反應）。代謝產生的氨可被微生物用作氮源或被排出體外（Blachier 等, 2007）。脫胺酶和脫羧酶是參與胺基酸代謝的酶。胺基酸通過脫羧反應代謝為生物胺。Davila 等人（2013）描述了許多複雜的胺基酸，例如那些對上述酶具抗性的芳香族胺基酸，它們可以通過一系列反應，如裂解、脫胺、脫羧、氧化和還原，轉化為多種結構相關的吲哚和酚類物質。

圖 1

結腸微生物的蛋白質分解代謝途徑。微生物代謝產生的胺基酸可直接被微生物用於合成細菌蛋白，也可進入分解代謝途徑，這是胺基酸在結腸中的主要代謝方式。在微生物代謝中，大多數胺基酸通過轉胺或脫胺作用生成相應的酮酸或飽和脂肪酸，如短鏈脂肪酸、有機酸、乙醇、氫氣（H2）和二氧化碳（CO2）。部分胺基酸則通過脫羧反應代謝為生物胺。許多複雜的胺基酸，如芳香族胺基酸，不僅參與上述一般反應，還可以通過一系列反應如裂解、脫胺、脫羧、氧化和還原，生成各種吲哚和酚類物質。

Mafra 等人（2013）報告指出，Bacteroides 和 Propionibacterium 是糞便樣本中主要的蛋白水解菌；Clostridium、Streptococcus、Staphylococcus 和 Bacillus 也是常見的蛋白水解菌。結腸微生物分解蛋白質和肽，產生多種最終產物，包括短鏈脂肪酸（SCFA）、氨、生物胺、酚類、吲哚、硫醇、二氧化碳、氫氣和硫化氫；其中許多物質具有毒性（Mafra 等, 2013）。這些代謝物的產生通常被視為評估結腸中蛋白質發酵水平的標誌。此外，有報告指出，結腸菌群可加速未消化蛋白質的代謝，並增加細菌代謝物的含量，包括胺基酸、酚類、吲哚、硫化氫及支鏈脂肪酸（如異丁酸、異戊酸及2-甲基丁酸），這些物質在結腸上皮中增加（Thom 和 Lean, 2017）。

細菌產生或代謝的胺基酸可供宿主使用，這些胺基酸或許可以補充低質量蛋白飲食中必需胺基酸的不足。基因組範圍的分析顯示，Clostridium perfringens 缺乏合成胺基酸如麩胺酸、精胺酸、組胺酸、離胺酸、甲硫胺酸、絲胺酸和蘇胺酸，以及芳香族和支鏈胺基酸的多種基因（Portune 等, 2016），然而，其他 Clostridium 物種如 Clostridium acetobutylicum 則擁有完整的胺基酸合成基因組（Nölling 等, 2001）。因此，理解微生物中胺基酸合成的途徑，對於依據細菌物種闡明不同胺基酸的功能是必要的。胺基酸合成的代謝成本相當高，所有胺基酸的碳骨架來自於三羧酸循環、戊糖磷酸途徑和糖酵解途徑中的常見代謝中間體（Mu 等, 2015）。然而，也有報告指出，進入大腸的剩餘飲食蛋白可為糖酵解細菌的生長和發酵提供氮源和胺基酸（Mafra 等, 2013）。伽瑪氨基丁酸是由數種 Lactobacillus 和 Bifidobacterium 菌株產生的神經活性物質（Barrett 等, 2012）。Lactobacillus reuteri 能夠產生組織胺（Hemarajata 等, 2014），而細菌和真菌都能產生乙醯膽鹼。此外，人類腸道菌群中也檢測到色胺酸脫羧酶，這表明色胺酸可能由腸道菌群生成（Marcel 等, 2017）。

3. 飲食蛋白質/胺基酸代謝對腸道微生物的影響

許多因素調節著菌群的組成及其生理功能，而導致腸道菌群組成失衡的主要因素之一是飲食（Moszak 等, 2020）。有研究指出，飲食中蛋白質的變化會導致腸道菌群組成和功能的變化（Wang 等, 2020）。高蛋白飲食（HPD）對腸道微生物群的組成有重要影響。據估計，產丁酸菌佔總細菌的2%至15%，主要見於乳酸菌科（Clostridium XIVa）。在一項研究中，接受高蛋白飲食的人類志願者體內這類細菌的豐度顯著下降，且其豐度與糞便中丁酸的水平顯著相關（Duncan 等, 2007）。報告顯示，增加蛋白質攝取量會減少大多數小鼠糞便中的微生物多樣性，但會增加乳汁微生物和幼鼠盲腸中的微生物多樣性，並增加潛在健康促進菌如乳酸桿菌屬的數量（Warren 等, 2019）。高蛋白飲食改變了腸道菌群的組成，減少了有益菌（如比菲德氏菌或 Rothia）的豐度（Salonen 等, 2014）。在 Mu 等人（2017）的研究中，成年大鼠分別餵食普通蛋白質飲食或高蛋白飲食六週，並每週收集其糞便進行微生物組成分析。與餵食普通蛋白質飲食的大鼠糞便樣本相比，餵食高蛋白飲食的大鼠糞便樣本中大腸桿菌的數量增加，但 Akermania mucilaginosa、比菲德氏菌、普氏菌和布魯氏菌的數量減少。此外，餵食高蛋白飲食的大鼠糞便中乙酸、丙酸和丁酸的濃度減少。先前的研究報告指出，高蛋白飲食會增加豬仔結腸中 Clostridium 物種以及大腸桿菌、志賀氏菌和鏈球菌的數量，但會減少鼠結腸中瘤胃球菌、Ackermann’s 細菌及普氏菌的數量，同時減少人類糞便中玫瑰和尤袍氏菌的數量（Pi 等, 2020；Wang 等, 2020）。

此外，蛋白質或胺基酸的限制及胺基酸補充劑也改變了腸道菌群的組成。Wang 等人（2019）報告指出，與添加游離胺基酸的飲食相比，含酪蛋白水解物的低蛋白質飲食降低了豬結腸消化物中腐胺、酚類和吲哚化合物的濃度，並降低了結腸中 L. reuteri 在物種水平上的相對豐度。賴氨酸限制增加了豬仔迴腸中放線菌門、糖細菌門及協同菌門在門水平上的相對豐度，以及迴腸中 Moraxellaceae、Halomonadaceae、Shewanellaceae、Corynebacteriaceae、Bacillaceae、Comamonadaceae、Microbacteriaceae、Caulobacteraceae 和協同菌科在科水平上的相對豐度（Yin 等, 2017）。Yin 等人（2018）發現，飲食賴氨酸限制增加了豬仔迴腸中大腸志賀氏菌屬、水生細菌屬及 Candidatus Methylomirabilis 在屬水平上的相對豐度，同時減少了鏈球菌屬、擬桿菌屬、芽孢桿菌屬、巴氏桿菌屬、Clostridium sensu stricto、普氏菌屬、Paucisalibacillus 和 Lachnoclostridium 的豐度。低蛋白飲食減少了離乳豬仔結腸內容物中厚壁菌門在門水平上的相對豐富度，但增加了變形菌門的相對豐富度（Wan 等, 2020）。在 Raza 等人（2020）的研究中，當抗生素處理的果蠅暴露於10°C的環境下，其腸道細胞內的線粒體受到嚴重損傷；通過微量注射給予 l-精氨酸和 l-脯氨酸顯著延長了抗生素處理的果蠅的存活時間。這些結果表明，腸道菌群通過促進精氨酸和脯氨酸代謝途徑，對於宿主抵抗低溫引起的壓力具有重要作用。

4. 蛋白質/胺基酸代謝物對腸道黏膜的免疫調節

腸道功能複雜，一方面能選擇性地允許營養素通過，進入體內的循環系統及內部環境；另一方面則能防止毒素、病原體及炎性因子的入侵（Song 等, 2010）。後者即所謂的腸道黏膜屏障功能（König 等, 2016）。腸道黏膜屏障是人體對抗外界環境的第一道屏障。健康的腸道黏膜屏障對於確保營養充分吸收並預防相關腸道疾病至關重要（Yang 等, 2017）。

先前的研究也顯示，細菌代謝物如短鏈脂肪酸（SCFA）和芳香烴受體（AHR）配體對腸道免疫系統有益（圖 2）。丁酸通過調控腸道上皮細胞（IEC）、促進調節性 T 細胞的發育、增強杯狀細胞分泌黏液，以及促進 T 細胞中 IL-18 的分泌來調節免疫及組織炎症（Goldsmith 和 Sartor, 2014；Koh 和 Bäckhed, 2020）。自由脂肪酸受體-2（FFA2）和 FFA3 是 G 蛋白偶聯受體，它們部分介導了 SCFA 的細胞外作用。FFA2 和 FFA3 是腸道炎症及上皮屏障功能的重要調節者。FFA2 調控調節性 T 細胞的發育；此外，FFA2 對樹突狀細胞的影響可促進腸道 IgA 的生成，為 IEC 提供額外的防禦，抵禦病原微生物（Holota 等, 2019）。與 FFA2 不同，FFA3（表現在腸道的非免疫細胞中）主要通過絲裂原活化蛋白激酶/細胞外信號調節激酶通路增強轉化生長因子-α、IL-6 及其他細胞因子和趨化因子的表達（Kim 等, 2013）。吲哚衍生物如吲哚-3-醛、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乙醛及吲哚丙烯酸通過參與 IEC 的更新、屏障完整性及多種免疫細胞的分化，在腸道穩態中發揮重要作用（Agus 等, 2018）。

圖 2

蛋白質/胺基酸代謝物對結腸的免疫調節作用。色胺酸促進緊密連接蛋白的表達，以達成腸道屏障功能。芳香烴受體（AHR）是一種關鍵的配體依賴性細胞質轉錄調節器，能與色胺酸及其下游代謝物結合，隨後該複合物被運輸至細胞核內，激活 AHR。這一過程調節了腸道炎症細胞的增殖和分化，以及炎症相關因子的轉錄和表達（如白介素-22，IL-22）。短鏈脂肪酸通過控制腸道上皮細胞（IEC）、促進調節性 T 細胞（Treg）的發育、增強杯狀細胞分泌黏液及促進 T 細胞中 IL-18 的分泌，來調節保護性免疫和組織炎症。短鏈脂肪酸受體 2 和 3（FFA2 和 FFA3）是腸道炎症及上皮屏障功能的重要調節者。FFA2 調控 Treg 的發育。樹突狀細胞上的 FFA2 還能促進腸道 IgA 的生成。與 FFA2 不同，FFA3（表現在腸道非免疫細胞群中）主要通過絲裂原活化蛋白（MAPK）/細胞外信號調節激酶通路，增強轉化生長因子-α、IL-6 及其他細胞因子和趨化因子的表達；短鏈脂肪酸可通過 FFA2 促使 IEC 產生抗菌肽（AMP）。某些胺基酸通過阻斷核因子 kappa-B（NF-κB）及 MAPK 炎症信號通路，並激活哺乳動物雷帕黴素靶蛋白信號通路，顯著促進上皮細胞中 β-防禦素的表達。

l-色胺酸在食物營養強化中發揮重要作用，能維持腸道免疫耐受與腸道菌群之間的平衡。近期研究強調，微生物群通過調節色胺酸代謝來調控宿主的免疫系統。此外，色胺酸、內源性色胺酸代謝物以及細菌色胺酸代謝物對宿主免疫系統與腸道菌群的相互作用有深遠影響（Gao 等, 2018）。一項研究顯示，l-色胺酸在體外增強了豬腸道上皮細胞（IEC）中緊密連接蛋白的表達（Wang 等, 2015）。此外，有報告指出，源自 l-色胺酸的吲哚可提高上皮細胞對緊密連接的抵抗力。另一種色胺酸的細菌代謝物——吲哚丙酸，可有效降低啮齒動物的腸道通透性（Dodd 等, 2017）。最近的研究發現，色胺酸可能通過促進緊密連接蛋白 1（Zonula Occludens 1）的表達來增強腸道屏障功能（Dodd 等, 2017）。色胺酸的衍生物如吲哚乙酸和吲哚-3-丙酸分別由鏈球菌和產孢梭菌產生，並通過外源性孕烷 X 受體調節腸道屏障功能（Elias 等, 2014）。研究表明，色胺酸及其下游代謝物可與 AHR 結合，隨後該複合物被運輸至細胞核內，激活 AHR，從而調節腸道炎症、細胞增殖與分化以及炎症相關因子的轉錄和表達（Lanis 等, 2017）。

腸道上皮細胞產生的抗菌肽（AMP）在控制微生物群體、調節腸道穩態中起著至關重要的作用。飲食中的胺基酸補充劑可以提高腸道 AMP 的表達，維持腸道微生物的平衡，並降低腸道炎症的易感性（Hashimoto 等, 2012）。作為成熟哺乳動物中的一種傳統必需胺基酸，精氨酸被用於蛋白質和多種生物活性分子的合成。l-精氨酸通過阻斷核因子 kappa-B 和絲裂原活化蛋白激酶炎症信號通路的激活，顯著刺激上皮細胞中 β-防禦素的表達，並通過激活 mTOR 信號通路參與先天免疫反應，從而減輕炎症反應和腸道損傷（Lan 等, 2020）。丁酸能通過 SCFA 受體（G 蛋白偶聯受體 43）促進小鼠 IEC 產生如胰島再生蛋白 III γ 和防禦素等 AMP（Chen 等, 2020）。丁酸還顯著增加了豬 β-防禦素-2 和 β-防禦素-3 的表達（Zeng 等, 2013）。

5. 蛋白質/胺基酸代謝物在胃腸道疾病進展中的作用

宿主對菌群的先天性反應在維持腸道免疫穩態和炎症性腸病（IBD）病理發生中起著重要作用。然而，在大多數模型系統中，內在途徑的缺陷並不會導致穩態的破壞和 IBD 的發展（Elson 和 Cong, 2012）。宿主與其豐富的腸道菌群之間的相互作用是複雜的；一些共生菌，如黏菌和幽門螺桿菌，在某些情況下會引發疾病，因此通常被稱為病原性微生物。腸道菌群的組成在個體之間和個體內部存在廣泛的變異性（Huttenhower 等, 2012），這被認為是宿主對各種疾病，包括 IBD，易感性的重要決定因素（Caruso 等, 2020）。

過度的蛋白質發酵會產生胺類、硫化氫、對甲酚和氨等代謝物，這些代謝物會損害結腸上皮（Arumugam 等, 2011）。其中一些代謝產物可能導致 DNA 損傷、腸道滲漏、結腸癌、IBD 等疾病（Marchesi 等, 2016）。隨著高通量測序技術的進步，研究已將高蛋白飲食（HPD）引起的微生物群失衡與多種胃腸道疾病聯繫起來。Liu 等人（2014）發現，儘管 HPD 改變了腸道菌群的組成並增加了底物的利用率，但大腸中蛋白質含量的增加並未影響丁酸濃度，因此保持了結腸上皮的代謝穩態。然而，HPD 在多次重複試驗中顯示糞便丁酸濃度下降。高脂高蛋白飲食會導致腸道菌群功能失調；其代謝物的生物合成可能導致失衡，進而引發腸道炎症，最終可能導致 IBD（Shi 等, 2020）。含 caspase 招募域的蛋白質 9 是眾多 IBD 易感基因之一，該蛋白質通過激活白介素-22 路徑促進結腸炎的恢復（Lamas 等, 2016）。最近發現，小鼠中缺乏 caspase 招募域蛋白 9 的微生物群導致細菌的色胺酸代謝能力降低，這影響了局部白介素-22 的生成，進而影響菌群與宿主細胞之間的平衡（Behnsen 等, 2014；Zenewicz 等, 2013）。

腸腦軸是一個雙向的通訊網絡，連接著胃腸道與中樞神經系統。過去 30 年的研究描述了腦-腸相互作用在功能性胃腸疾病（如腸易激綜合症，IBS）中的作用（Mayer 等, 2006）。近年來，腸道微生物群被認為是腸腦軸信號傳導的重要媒介，在大腦功能和行為的許多方面發揮著重要作用（Cryan 和 Dinan, 2012；Sampson 和 Mazmanian, 2015）。色胺酸和其他胺基酸是中樞神經系統中的神經遞質。色胺酸還可以代謝為犬尿氨酸和吲哚，從而調節神經內分泌和腸道免疫反應（Gao 等, 2020）。色胺酸代謝為犬尿氨酸後，會通過兩條不同的途徑進一步代謝：犬尿酸途徑和喹啉酸途徑。通過犬尿酸途徑產生的代謝物被稱為「犬尿酸」（Lukić 等, 2019），可能具有抗炎特性，參與胃腸道中的免疫調節（Kennedy 等, 2017）。它還是一種神經活性代謝物，能夠抑制 N-甲基-d-天冬氨酸和 α7 尼古丁乙酰膽鹼受體，並且能穿過血腦屏障到達中樞神經系統。5-羥色胺的調節失常在 IBD（Gracie 等, 2019）和 IBS 等胃腸道疾病中被觀察到，這些疾病伴隨著嚴重的精神疾病和自閉症譜系障礙。一項使用心房間隔缺損樣行為模型的 BTBR T+ tf/J (BTBR) 小鼠研究顯示，腸道 5-羥色胺的產生引起了與微生物群相關的損傷（Golubeva 等, 2017）。心房間隔缺損通常與胃腸道症狀相關，因此可能與腸道中的色胺酸代謝失調有關（Gheorghe 等, 2019）。因此，色胺酸被認為是大腦和胃腸功能失調中各種生理和病理過程中的神經調節劑（Gao 等, 2020）。

6. 結論

腸道微生物通過促進蛋白質/胺基酸的消化和吸收，與宿主建立互利關係。來自飲食或宿主自身產生的胺基酸為腸道菌群提供營養，並支持蛋白質合成。這種互動有助於維持微生物群落的組成及其生理功能，以及宿主腸道免疫反應的穩態。腸道菌群組成失衡是引發多種胃腸道疾病的原因之一。蛋白質/胺基酸攝取失衡會導致腸道菌群組成失衡，進而可能引發 IBD、IBS 或其他胃腸道疾病。總之，透過闡明蛋白質/胺基酸代謝，深入了解腸道菌群與宿主之間的交流，對於新療法的開發至關重要。

參考文獻