色氨酸及其代谢物调控肌肉生长发育的研究进展

林 俊，杜 蕾，齐仁立,3*

（1.重庆市农业学校，重庆 401329；2.重庆市畜牧科学院，重庆 402460；3.农业农村部养猪科学重点实验室，重庆 402460）

我国是畜牧生产大国和畜禽产品消费大国，近几年我国畜禽肉类年消费量超过8 800 万t，人均消费量50.3 kg，其中约66% 为猪肉，21% 为禽肉。创制和利用精准营养调控技术来提高畜禽产肉性能和改善肉品质符合我国畜牧业可持续发展的需求。色氨酸（Tryptophan）是一种中性氨基酸，带有芳香族的侧链，是人和动物的必需氨基酸之一，主要通过食物摄入。色氨酸在调节宿主生长、行为、免疫机能、抗应激等发面发挥重要作用。近年来，一些研究指出色氨酸及其代谢物还能够直接影响和调控动物肌肉生长、发育。基于此，本文对色氨酸及其不同代谢物对肌肉生长和生理的差异影响、在畜牧生产中潜在的应用前景进行综述，以期为畜禽肉品质改良相关的靶向营养调控技术开发提供理论参考。

1 色氨酸的不同代谢途径

食物中的大部分色氨酸在动物小肠被吸收进入循环系统，少量未被吸收的色氨酸进入后肠并被肠道微生物代谢利用。进入机体的色氨酸只有约1%被用于合成蛋白质，其他都被分解代谢。如图1 所示，色氨酸在动物体内主要有3 条代谢途径：①犬尿氨酸（Kynurenine，KYN）途径；②5-羟色胺（5-Hydroxyt ryptamine，5-HT）途径；③肠道细菌代谢途径。KYN途径是色氨酸主要代谢途径，约占色氨酸总量95%。KYN 的产生主要在肝脏，少量在脑中枢。色氨酸在吲哚胺-2,3-双加氧酶（Indoleamine2，3-Dioxygenase，IDO）或色氨酸-2,3-双加氧酶（Tryptophan-2，3-Dioxyg enase，TDO）的作用下生成KYN，然后经过多级酶促反应生成喹啉酸、吡啶羧酸类及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NAD）和磷酸NAD（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADP）等。约有1%～2% 的色氨酸进入5-HT 代谢途径。色氨酸被肠嗜铬细胞中的色氨酸羟化酶1（TPH1）转化产生5-羟色氨酸（5-Hydroxytryptophan，5-HTP），或者被中枢神经元中的TPH2 转化为5-HTP。5-HTP 随后脱羧形成5-HT（5-Hydroxytryptamine，也称血清素）。约有2%～4%的色氨酸在双歧杆菌、梭状芽孢杆菌、消化链球菌等携带芳香族氨基酸转氨酶（Aromatic Amino Acid Aminotransferase，ArAT）和色氨酸脱羧酶（Tryptophan Decarboxylase，TrD）的肠道细菌的作用下通过脱氨和脱羧作用代谢生成色胺、吲哚和多种吲哚衍生物，如吲哚乙酸（Indole-3-Acetic acid，IAA）、吲哚丙酸（Indole-Propionic Acid，IPA）、吲哚丙酮酸（Indole-3-Pyruvic Acid，IPyA）、吲哚乳酸（Indole-Lactic Acid，ILA）和粪臭素等。

图1 色氨酸的主要分解途径及代谢产物

色氨酸的3 种代谢途径的相对比例是动态变化的。抗生素处理会显著减少动物血液和粪便中吲哚和吲哚衍生物含量，并增加犬尿氨酸（KYN）含量。补充益生菌或者提高细菌多样性能够增强细菌代谢途径，减少KYN/色氨酸的比例。富含膳食纤维的食物也能够显著提高动物体内色氨酸细菌代谢物的含量。显然，肠道菌群的组成和多样性与色氨酸代谢类型和代谢强度密切相关。

2 色氨酸及其代谢物对肌肉生长发育的影响

关于色氨酸生理调控功能的研究主要集中在生长维持、免疫调节和抗炎症等方面，色氨酸及其代谢物对于肌肉生长和生理功能的影响近年来才逐渐被研究和认识。

2.1 色氨酸调控肌肉生长 基于人的临床研究，补充色氨酸可以有效对抗衰老引起的肌肉减少和萎缩，表明色氨酸与肌肉生长有直接联系。早期的动试验发现，饲粮中添加高水平（1.3～2.0 g/kg）的色氨酸能够促进猪的生长，提高饲料利用率；深入分析发现，肌细胞的核糖体活性与色氨酸水平紧密相关，说明色氨酸能够促进肌肉组织的蛋白合成。日粮中添加瘤胃保护性氨基酸可以显著增加牛的肌肉块重量，并提高骨骼肌对于脂质的转运和利用能力。长期缺乏色氨酸会导致动物肌纤维萎缩，肌肉块减小。饲喂无色氨酸饲粮的试验小鼠，其胫骨前肌纤维直径比饲喂标准饲粮的小鼠明显更小。基于肌肉组织的靶向代谢组分析表明，色氨酸的缺乏削弱了骨骼肌的糖酵解反应，并上调肌肉中与三羧酸循环有关的氨基酸浓度，如脯氨酸、苏氨酸、精氨酸等。此外，低水平色氨酸和高水平的犬尿氨酸（KYN）处理都会抑制体外培养的C2C12 肌细胞的增殖和分化，减少肌管的数量和长度。在另一项研究中，Sanfilippo 等在雌性大鼠妊娠期给予无色氨酸日粮发现，其子代出生后的发育状况明显落后于对照鼠，主要体现在体尺寸小、运动能力弱、下丘脑-垂体功能受损。通过组织形态学分析发现试验鼠的肌肉纤维萎缩和肌肉退行性病变，这可能是由于血液中的生长激素浓度不足造成的。可以看出，色氨酸的缺乏明显限制了动物早期的肌肉快速生长和发育。在低蛋白日粮（8%蛋白含量）的基础上额外补充色氨酸（1.5 mmol/L）也能够增加小鼠的肌肉率（肌肉/体重），降低体脂率（脂肪/体重），提高小鼠血液中胰高血糖素生长因子（IGF1）、瘦素（Leptin）和卵泡抑制素（肌肉生长抑制素MSTN的拮抗物）含量；基于基因芯片的分析显示小鼠肌肉中mTOR/eif4/p70s6k 信号通路的相关分子表达水平明显上调，而该通路能够刺激蛋白合成和肌肉生长。

显然，适量补充色氨酸对于动物的骨骼肌生长、发育和代谢具有积极的影响，具体作用途径可能是多方面的：色氨酸通过IGF1/mTOR 通路直接靶向肌细胞生长调控分子，如和；通过调控糖代谢影响肌肉能量稳态；通过改变肌肉氨基酸组成平衡影响蛋白合成与降解；影响中枢和外周激素的分泌并作用到肌肉组织。

2.2 犬尿氨酸和犬尿酸对肌肉的影响 作为色氨酸最主要的代谢物，犬尿氨酸（KYN）对肌肉的生长具有明显的负面影响。人和动物血液中的KYN 含量随着衰老而显著增多，KYN 能够增加肌细胞中活性氧（ROS）含量，并导致肌肉萎缩。通过腹膜注射KYN 处理年轻小鼠同样会导致肌纤维尺寸减小，骨骼肌萎缩并促进肌肉中的脂质过氧化反应。反之，使用KYN 的关键代谢酶IDO 的特异性抑制剂1-mDT 处理老年小鼠，则能够显著减少KYN 的产生并恢复肌肉的生长。通过蛋白组分析发现，衰老引起的循环系统KYN 浓度升高导致了肌肉中线粒体脂质过氧化酶线粒体脂质过氧化酶（VLCADm）的表达水平显著增加，这会产生大量HO，进而引起肌肉的过氧化损伤；而1-mDT 则可以降低VLCADm 的表达水平。KYN 通过改变VLCADm影响肌肉萎缩的潜在机制见图2。

图2 KYN 导致肌肉萎缩的潜在机制[17]

此外，不同的体外及体内试验都表明，色氨酸和KYN 在骨骼肌上的调控作用部分是经由IGF1/Akt/mTOR 信号通路实现的，该通路对于维护骨骼肌的完整性（蛋白合成、干细胞定向分化、肌肉再生等）具有重要影响。

锻炼和运动可以提高骨骼肌犬尿氨酸转氨酶（Kynurenine Aminotransferase，KAT）表达，促进肌肉组织中的KYN 转变为无神经毒性的犬尿酸（Kynurenic Acid，KA），进而减小KYN 对肌肉、大脑等组织的损伤。KA 对于动物的能量稳态平衡表现出重要的调节作用。近期的研究指出，KA 能够通过G 蛋白偶联受体35（G Protein-Coupled Receptor 35，Gpr35）调控能量稳态、脂肪代谢和炎症。伴随着运动，骨骼肌产生的大量 KA 进入循环系统并激活脂肪等组织的Gpr35，后者可以上调等产热基因和等抗炎基因的表达，进而刺激脂质代谢、增加能量消耗、减少细胞炎症反应，这能够有效帮助动物对抗高脂日粮引起的肥胖，并提高糖耐受能力。通过体外试验发现，KA 还能够通过Gpr35/AMPK 和SIRT6 途径减轻棕榈酸诱导的C2C12 肌细胞和3T3-L1 脂肪细胞的炎症与胰岛素抵抗。肌肉中KAT 的表达主要受到过氧化物酶体增殖物激活受体共激活因子1（PGC-1）的控制，运动使肌肉中PGC-11-PPAR途径持续激活，增加了骨骼肌KAT 的表达，可促进KYN 向KA 的转化。研究发现，氧化型肌纤维中KAT 的不同亚型表达水平均显著高于酵解型肌纤维，表明肌肉中KYN 向KA 的转化和代谢具有纤维类型的特异性。显然，合理的运动或者通过其他生理生化途径提高动物体内KAT 的表达，可促进KYN 向KA 的转化，能够逆转KYN 对肌肉的负面影响。

2.3 5-羟色胺和褪黑素对肌肉的影响 色氨酸的另外一类重要代谢物，5-羟色胺（5-HT）能够刺激多种平滑肌细胞增殖，但有关5-HT 对于骨骼肌的影响机制还不完全清楚。5-HT2A 是5-HT 在骨骼肌细胞中的主要受体，随着肌前体细胞向成熟肌管的分化，5-HT2A 蛋白丰度增加约3 倍。激活5-HT2A 可能有助于生肌基因的表达，但是具体的机制还不清楚。在体外培养的L6肌细胞和大鼠骨骼肌原代细胞上，使用5-HT 处理都能够使细胞的葡萄糖吸收转运增加约50%。使用选择性激动剂m-HT 激活5-HT2A 同样能够增强肌肉对葡萄糖的吸收，并提高葡萄糖转运蛋白Glut2 和Glut4 在肌细胞膜中的表达量。还有研究指出，5-HT 能够通过磷脂酶C（PLC）提高动物骨骼肌中6-磷酸果糖-1-激酶（PFK）活性，促进肌肉组织的糖酵解反应，提高肌肉对葡萄糖的利用效率。这些结果表明5-HT 及其受体主要在肌肉组织的糖代谢中发挥重要调控作用。

此外，5-HT 进一步转化产生的褪黑素（Melatonin）能够影响到肌肉生长和再生修复。使用褪黑素处理去势雄性大鼠中可以减慢肌肉萎缩，发挥类似睾丸激素的作用。口服褪黑素可以缓解衰老引起的肌肉衰减和肌细胞自噬。褪黑素在不同类型的细胞中都可以通过减少自由基的产生，刺激抗氧化酶的产生（如谷胱甘肽还原酶），发挥强力抗氧化作用，而且褪黑素还可以提高线粒体电子传递链的效率。褪黑素的这些作用有助于减少肌细胞炎症反应和细胞凋亡，加速骨骼肌的损伤修复，促进肌肉再生。体外试验中，褪黑素可以经由线粒体途径保护骨骼肌细胞对抗过氧化氢、SNAP 等多种化学药物诱导的凋亡和氧化损伤。也有试验发现，褪黑素可促进肌前体细胞增殖，但也会抑制C2C12 细胞和鼠原代成肌细胞的分化与多核肌管的形成，这涉及Wnt/-catenin 信号的改变。

2.4 色氨酸细菌代谢物对肌肉的影响 目前，关于色氨酸经肠道细菌产生的初级和次级代谢物吲哚和吲哚乙酸（IAA）、吲哚丙酸（IPA）、吲哚乳酸（ILA）等吲哚衍生物是否能够直接调控肌肉生长和生理功能还不清楚。但是色胺、吲哚、吲哚衍生物等可以作为配体激活多种细胞胞浆内的芳烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor，AhR），活化的AhR 进入细胞核内与ARNT（Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator）蛋白形成转录复合体，调控基因表达，进而发挥抗炎症和清除氧化自由基等多种生理作用。显然，吲哚衍生物的这些抗氧化和抗炎症作用对于肌肉的健康生长十分有利。基于基因敲除小鼠的研究表明，AhR-/-小鼠骨骼肌组织的代谢组发生了明显变化，肌肉中糖酵解代谢受到影响，AhR-/-小鼠能够对抗高脂日粮引起的葡萄糖不耐受。有试验发现，空气中的污染物苯并（a）芘 [Benzo（a）Pyrene]可以激活肌肉中的并经由Akt/NF-kB 途径抑制肌肉生成。所以，推测色氨酸的肠道细菌代谢物可能经由AhR/ARNT 在肌肉生长、代谢和炎症损伤修复发挥一定的调控作用，但是具体靶位点和作用途径还有待探明。进一步通过无菌动物、悉生动物等模型来研究色氨酸的肠道细菌代谢物对肌肉生长、发育和代谢的调控影响有助于阐明微生物-肠-肌轴对话交流机制，深入诠释色氨酸的生理调控作用。

3 小结和展望

进入体内的色氨酸一方面通过合成代谢用于蛋白合成和沉积，是肌肉等组织器官生长发育的必需物质；另一方面，色氨酸分解代谢产生的KYN、KA、5-HTP、5-HT、褪黑素、吲哚和吲哚衍生物等多种不同代谢物能够正向或者负向调控肌肉生长和发育，涉及多种不同的途径和机制。但是关于色氨酸及其代谢物对动物肌肉调控影响的认识还不够充分和完整，揭示相关作用机制也将是下一步的研究目标 。

综合当前的研究认为，在畜牧生产上通过营养调控或者肠道菌群干预（益生菌或者菌群移植等），适度提高色氨酸的5-HT 代谢途径和肠道细菌代谢途径占比，减少KYN 含量对于肌肉组织的生长和生理稳态是有益的。针对性地开发色氨酸及其功能性代谢物产品，用于提高和改善畜禽产肉性能和肉品质也具有现实的可行性。