色氨酸及代谢物的生理功能以及在疾病中的作用研究进展

代明鑫，江振洲，2，3，黄鑫，2，3*（.中国药科大学药物科学研究院新药筛选中心，南京 20009；2.江苏省药效研究与评价服务中心，南京 20009；3.中国药科大学药物质量与安全预警教育部重点实验室，南京 20009）

色氨酸（tryptophan，TRP）是一种必需氨基酸，人体不能自身合成，只能从饮食中摄取。TRP约占总氨基酸的1%[1]，在体内大部分与白蛋白结合，少部分以游离形式存在[2]。其主要功能是参与蛋白质合成，但同时也是多种生物活性化合物的前体，如5-羟色胺（serotonin，5-HT）、褪黑素（melatonin，MLT）、犬尿氨酸（kynurenine，KYN）等。TRP及其代谢物与疾病的相关性研究在近几年引起了越来越多的关注。大量研究表明，色氨酸代谢物与中枢神经系统疾病[3]、感染[4]、炎症[1，5]、免疫[6-7]、肿瘤[5]、炎症性肠病[8]（inflammatory bowel diseases，IBD）以及肾病[9]等多种疾病的病理过程有关，并且在许多疾病调控中发挥了不同的生物学效应。TRP在体内可以经过多种途径分解代谢，如KYN、5-HT以及肠道微生物群代谢途径[3，10]。本文就近几年来TRP代谢途径、TRP及代谢物的生理功能以及在疾病中的作用进行简要介绍，以期为相关疾病的诊断、检测及发病机制的研究提供依据。

1 色氨酸代谢

TRP在体内主要经过犬尿氨酸途径和5-羟色胺途径进行代谢[6]，少部分经肠道微生物群代谢[11-12]。如图1，大约95%的TRP通过犬尿氨酸途径代谢，代谢的第一步是TRP在色氨酸-2，3-双加氧酶（tryptophan 2，3-dioxygenase，TDO）或吲哚胺-2，3-双加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO）催化下发生降解生成N-甲酰犬尿氨酸（N-formylkynurenine），然后迅速转化为犬尿氨酸[13]。犬尿氨酸再经过以下分支进行代谢：① 经犬尿氨酸氨基转移酶（kynurenine aminotransferase，KAT）催化生成犬尿喹啉酸，也称犬尿酸（kynurenic acid，KYNA）。② 经犬尿氨酸酶（kynureninase，KYNU）催化生成邻氨基苯甲酸（anthranilic acid，AA）。③ 经犬尿氨酸单加氧酶（kynurenine monooxygenase，KMO）催化生成3-羟基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）。然后3-HK经KAT生成黄尿酸（xanthurenic acid，XA）；3-HK也经过KYNU生成3-羟基邻氨基苯甲酸（3-hydroxyanthranilic acid，3-HAA），并参与喹啉酸（quinolinic acid，QA）的合成，而由喹啉酸生成的烟碱胺（nicotinamidec，NMN）经过转氨基作用最终生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD＋）[13]。

图1 色氨酸代谢通路Fig 1 Pathways of tryptophan metabolism

大约2%的TRP可通过5-羟色胺途径代谢。色氨酸羟化酶（tryptophan hydroxylase，TPH）是5-HT生物合成的限速酶，将其转化成5-羟基色氨酸（5-hydroxytryptophan，5-HTP），然后经过芳香氨基酸脱羧酶（aromatic amino acid decarboxylase，DDC）快速脱羧为5-HT，再通过单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）进一步代谢为5-羟基吲哚乙酸（5-hydroxyindoleacetic acid，5-HIAA）[6]，此外，5-HT还可以转化为MLT。

还有一部分的TRP通过肠道微生物群代谢。TRP通过脱羧产生色胺（tryptamine，Trpm），也可以经肠道微生物群代谢生成吲哚（indole）及衍生物，如吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）、吲哚-3-丙酸（indole-3-propionic acid，IPA）和吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid，ILA）[14]。

2 色氨酸及其代谢物的生理功能

TRP的主要功能是参与蛋白质合成，此外，也可以参与机体免疫功能[6]。TRP代谢在体内发挥着重要的作用，其代谢物也都有重要的生理功能。以下主要是犬尿氨酸途径和5-羟色胺途径主要代谢物，以及肠道微生物群代谢物的生理功能的介绍（见表1）。

表1 色氨酸及其代谢物的生理功能Tab 1 Physiological function of tryptophan and its metabolites

2.1 犬尿氨酸途径

2.1.1 KYN KYN是犬尿氨酸途径的最主要的代谢物，在中枢神经系统和免疫系统中发挥重要作用，具有神经活性和氧化还原特性[15]，被用作多种神经系统疾病的生物标志物。在肿瘤免疫中，可以作为芳基烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）的内源性配体，通过自分泌或旁分泌方式与AhR受体相互作用，抑制抗肿瘤免疫反应，促进肿瘤细胞存活[16]。此外，上下游代谢物的浓度比值也被广泛用作代谢酶活性的指标，如KYN/TRP的比值反映了IDO的酶活性[17]，可以反映代谢通路中代谢酶的变化。

2.1.2 KYNA KYNA可以作为N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受体和α7烟碱乙酰胆碱（α7 nicotinic acetylcholine，α7nACh）受体的拮抗剂[17]。另外，脑内高水平的KYNA具有抗惊厥、镇静和保护脑缺血的作用[18]。据报道，精神分裂症患者的脑脊液中，KYNA浓度增加，以神经保护的方式调节谷氨酸能神经传递[19]，因此KYNA被认为具有神经保护作用。另外，KYNA还被发现具有抗炎作用，可降低促炎细胞因子的水平[20]。

2.1.3 3-HK 3-HK是能够诱导氧化损伤和细胞死亡的有毒代谢物，可作为一种内源性天然抗氧化剂，抑制大鼠大脑皮层上清液中的自发脂质过氧化[21]。除此之外，3-HK还参与免疫调节，并作为紫外线过滤器存在于人眼晶状体中，可能导致白内障的发生[3]。

2.1.4 其他代谢物 3-HAA是一种神经毒性代谢物，具有抗氧化和自由基清除等作用，此外在免疫调节中也具有重要作用，如对鼠胸腺细胞有选择性的凋亡活性[18]；QA是NMDA受体的一种激动剂，在低水平浓度时不具有神经毒性，超过一定水平时会导致神经毒性，激活NMDA受体，增加神经元活性，引起选择性神经损伤，参与了多种炎症性脑疾病相关的神经毒性[17]。

2.2 5-羟色胺途径

2.2.1 5-HT 5-HT又称血清素，主要分布于脑组织及胃肠道，可调节情绪控制、食物摄入、睡眠、注意力和疼痛等[11]。人体95%以上的5-HT是由肠道的肠嗜铬细胞产生，释放到血流中积累构成5-HT储库[22]，此过程通过色氨酸羟化酶1（TPH1）发生；而在大脑中，通过色氨酸羟化酶2（TPH2）产生的5-HT，作为神经递质发挥重要作用，此外还参与脑-肠信号传递过程并影响肠蠕动、分泌、血管舒张和营养吸收[23]。神经元中的5-HT可参与心理应激控制[24]，外周5-HT可参与血管收缩和血管舒张、代谢率变化、温度控制、炎症和纤维化等[25]。此外，5-HT还可以促进神经和血管生成、促进有丝分裂作用、促红细胞生成和活化免疫细胞等生理功能[22]。

2.2.2 5-HIAA 5-HIAA是单胺类中枢神经递质的一种，在体内由5-HT分解代谢而来，随尿液排泄，可用于诊断和监测类癌，主要是原发性中肠类癌的生物标志物，也可用于表征肠道神经内分泌肿瘤、乳糜泻等多种疾病[26]。

2.2.3 MLT MLT是松果体分泌的主要激素，最常见的功能是调节生物节律，此外还具有自由基清除剂，强抗氧化剂以及抗炎作用[27]，并且参与免疫系统调节，对人体有直接的免疫增强作用[28]。另外，它还在脑和胃肠道疾病、精神疾病和心血管疾病等方面具有保护和抑癌作用[29]。

2.3 肠道微生物群代谢

肠道微生物群可以将TRP代谢为多种物质来参与肠道稳态。如吲哚及其衍生物中，吲哚可以激活AhR受体并促进局部白介素-22（interleukin-22，IL-22）的产生，促进肠细胞的上皮屏障功能，抑制NF-κB的活化和促炎性趋化因子的产生，增加抗炎细胞因子的产生，从而减轻炎症[30]。吲哚衍生物，如IAA、IPA和ILA，可通过激活孕烷X受体（pregnane X receptor，PXR）或AhR受体来影响肠道免疫细胞和屏障完整性[31]。此外，色胺也是微生物群代谢的产物，它是一种β-芳基胺，可以调节肠嗜铬细胞中产生的5-HT的功能以及调节兴奋与抑制活性之间的平衡[23]，并且可调节肠道稳态，对IDO酶也具有抑制活性，影响免疫监视[30]。

3 色氨酸及其代谢物在疾病中的作用

3.1 中枢神经系统疾病

色氨酸代谢物对维持中枢神经系统正常生理功能具有重要作用。5-HT作为中枢神经系统中重要的神经递质，如果中枢神经系统发生异常时，可能会导致5-HT受体功能异常和神经传递障碍，其水平变化常与情绪失调、抑郁有关[32]。Maes等[33]研究认为抑郁症患者中5-HT水平减少可能是因为患者体内色氨酸代谢酶TDO和IDO的激活，导致血浆中TRP耗竭，使得脑内5-HT水平降低。临床治疗中常用选择性5-羟色胺再摄取抑制剂使得脑内5-HT得以补充来治疗抑郁症[34]，但还发现细胞介导的免疫激活是诱导IDO的重要因素，那么阻断此途径将可能为抑郁症的治疗提供有利作用。另外，TRP代谢产物QA具有神经毒性，KYNA被认为具有神经保护作用，当血浆中QA水平高于神经保护活性分子KYNA的水平时，患者可能倾向于自杀、抑郁等行为[3]。在阿尔茨海默病和帕金森病患者中，发现KYN代谢物发生严重紊乱，脑脊液中QA水平随着症状的严重程度显著升高，提示QA与疾病进展正相关。同时，还发现这些患者血液和脑脊液中，随着症状的严重程度增加，KYN/TRP比例也相应增加[35]。因此，这提示在中枢神经系统疾病中，TRP、5-HT及KYN代谢物的异常变化可能是疾病的致病原因之一，未来对于抗抑郁药和抗精神病药的研究可以考虑调节TRP或者KYN通路来实现。

3.2 自身免疫性疾病

在自身免疫性疾病中，TRP代谢在其中起着至关重要的作用。Åkesson等[36]研究发现系统性红斑狼疮患者体内TRP水平显著降低，KYN和QA水平升高，KYN/TRP 比值显著增加。Kolodziej等[37]研究发现，在关节炎小鼠血清中TRP水平显著降低，KYN水平显著升高，且KYN/TRP比值升高；同时，还发现关节炎小鼠体内IDO酶敲除后KYN的浓度显著降低[38]。这说明在自身免疫反应调节中，体内TRP代谢发生紊乱，IDO酶的活性发生改变，导致KYN的产生异常增加。而KYN水平的显著增加与免疫调节有密切相关性，Schrocksnadel等[39]研究发现关键酶IDO 可被促炎细胞因子干扰素-γ（interferon gamma，IFN-γ）激活，促进TRP向KYN转化，血清/血浆中TRP浓度降低，从而导致下游代谢物浓度和代谢酶活性改变，并使得Th1型细胞免疫激活，在持续免疫激活状态下，低TRP浓度会导致免疫缺陷。这提示在免疫调节中，IDO酶活性受到促炎因子水平调节，TRP以及KYN的显著改变不仅可以触发免疫激活机制，而且可以协调炎症的复杂免疫调节反应。

3.3 癌症

TRP代谢在癌症中的作用最早是由Taylor[40]提出，该研究指出TRP耗竭与IFN-γ对人肿瘤细胞的抗增殖作用有相关性，随后在干扰素治疗后的患者中发现TRP水平降低，KYN水平升高；Karayama等[41]通过检测非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者血浆发现TRP水平降低，而3-HAA水平升高，这均提示了肿瘤细胞中TRP代谢发生明显变化。Gunther等[42]发现在癌细胞免疫抑制微环境中，TRP代谢关键酶IDO被IFN-γ诱导，癌细胞可以通过消耗TRP和积累免疫抑制代谢产物来抑制抗原特异性T细胞反应；在这种免疫反应过程中，TRP代谢可能又会极大地促进癌症患者贫血、疲劳和抑郁的发展[43]。这提示了TRP可以产生具有免疫调节功能的代谢产物，代谢酶IDO也可能作为潜在的治疗靶标，这对于癌症治疗提出了新的思路和见解。

3.4 炎症性肠病

TRP代谢在维持肠道功能和免疫稳态中发挥重要作用。当IBD发生时，胃肠功能发生损伤，菌群发生失调，从而扰乱微生物和宿主之间的TRP代谢平衡[6]。有研究报道，IBD患者粪便中IAA的浓度显著降低[31]，血清中的IPA亦减少[44]。菌群产生的吲哚及其衍生物的含量水平的降低，使得与之结合的AhR受体减少，导致IL-22的产生减少，而IL-22是对于肠黏膜具有再生和保护作用，其水平减少可能会使得肠通透性增加和促炎途径的激活[6]。此外，有报道发现，炎症性肠病患者血清中IDO表达相比健康受试者增加，TRP水平降低[45]，KYN水平增加，以及KYN/TRP的比值增大，这与炎症性肠病中调节性T细胞（regulatory T cells，Tregs）的减少成正相关[46]，说明了在炎症发生时，肠内IDO的表达增加使得KYN途径激活，从而诱导Tregs细胞调节各种免疫细胞的功能。这提示TRP代谢可能是IBD发病机制的基础，微生物群组成的变化可能通过影响AhR水平或调节宿主IDO活性而促进疾病的发展。在这种情况下，通过常规药理学方法或通过靶向产生TRP代谢产物细菌的益生菌来控制TRP代谢可能为IBD的新型治疗方法。

3.5 肾脏疾病

肾脏疾病中，肾脏排泄能力受到损伤，同时肾脏中TRP代谢酶活性也遭到破坏，会使得体内产生的TRP代谢产物不能及时由肾脏排泄而发生积累，导致体内TRP代谢受到严重紊乱。Zheng等[47]研究发现缺血再灌注致肾损伤小鼠血浆中TRP水平降低，3-HK水平增加，并发现抑制代谢酶KMO可减少神经毒物3-HK的积累，这提示抑制色氨酸代谢酶KMO可作为预防肾功能损伤的一种保护策略。Debnath等[48]发现慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）患者血浆中KYN、KYNA和QA的含量发生积累，KYN/TRP比值与肾脏疾病的严重程度和促炎细胞因子水平成正相关，蛋白尿含量可表示严重程度的指标，其蛋白尿的含量越高，KYN/TRP比值明显更高。这说明在CKD患者体内TRP代谢出现明显紊乱，病程进展加速了IDO活性，并且炎症和肾功能受损加速了KYN等代谢物的积累，这可能会促进CKD引发的疲劳、抑郁和其他精神疾病等。虽然这些提示了代谢物的变化可能对疾病发展进程起到预测作用，但TRP代谢在肾脏疾病中致病机制尚不是完全明确，有待进一步研究。

4 结论及展望

综上所述，基于TRP代谢通路进行研究是非常必要的，其具有三条代谢途径，其中尿氨酸途径代谢和5-羟色胺途径与神经系统、免疫调节等功能具有密切联系，肠道微生物群在最近几年也是研究的热点，TRP在肠道的代谢产物与多种疾病的联系，尤其是与“肠-脑轴”的关系是近期研究的热点问题。TRP及其代谢产物在机体中具有参与免疫调节，维持机体内环境稳态等多种重要功能。因此，当中枢神经系统疾病、自身免疫系统疾病等多种疾病发生时，TRP代谢受到严重影响。其主要表现为代谢酶活性的失调，如IDO表达增加及代谢物水平失衡，进而导致促进免疫激活以及炎症通路激活等多种表现，在疾病的发生发展中发挥了重要的作用。虽然大多数国内外学者对于TRP代谢参与疾病的发病机制也进行了研究，并且基于此代谢通路也建立了很多定量检测方法。但目前的研究还不够深入，大多集中于参与免疫调节和炎症通路，以及探讨色氨酸代谢物作为潜在生物标志物，而在机体发病时如何发挥具体的作用及机制仍未完全阐述清楚，并且基于该代谢通路的药物开发还需进一步的探究和验证。因此，针对色氨酸代谢通路进行详细研究，将有助于多种疾病的预防、诊断和治疗，并为针对色氨酸代谢通路调控的药物开发提供理论依据。