代明鑫，江振洲，2，3，黃鑫，2，3*（.中國藥科大學藥物科學研究院新藥篩選中心，南京 20009；2.江蘇省藥效研究與評價服務中心，南京 20009；3.中國藥科大學藥物質(zhì)量與安全預警教育部重點實驗室，南京 20009）

色氨酸（tryptophan，TRP）是一種必需氨基酸，人體不能自身合成，只能從飲食中攝取。TRP約占總氨基酸的1%[1]，在體內(nèi)大部分與白蛋白結(jié)合，少部分以游離形式存在[2]。其主要功能是參與蛋白質(zhì)合成，但同時也是多種生物活性化合物的前體，如5-羥色胺（serotonin，5-HT）、褪黑素（melatonin，MLT）、犬尿氨酸（kynurenine，KYN）等。TRP及其代謝物與疾病的相關(guān)性研究在近幾年引起了越來越多的關(guān)注。大量研究表明，色氨酸代謝物與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病[3]、感染[4]、炎癥[1，5]、免疫[6-7]、腫瘤[5]、炎癥性腸病[8]（inflammatory bowel diseases，IBD）以及腎病[9]等多種疾病的病理過程有關(guān)，并且在許多疾病調(diào)控中發(fā)揮了不同的生物學效應。TRP在體內(nèi)可以經(jīng)過多種途徑分解代謝，如KYN、5-HT以及腸道微生物群代謝途徑[3，10]。本文就近幾年來TRP代謝途徑、TRP及代謝物的生理功能以及在疾病中的作用進行簡要介紹，以期為相關(guān)疾病的診斷、檢測及發(fā)病機制的研究提供依據(jù)。

1 色氨酸代謝

TRP在體內(nèi)主要經(jīng)過犬尿氨酸途徑和5-羥色胺途徑進行代謝[6]，少部分經(jīng)腸道微生物群代謝[11-12]。如圖1，大約95%的TRP通過犬尿氨酸途徑代謝，代謝的第一步是TRP在色氨酸-2，3-雙加氧酶（tryptophan 2，3-dioxygenase，TDO）或吲哚胺-2，3-雙加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO）催化下發(fā)生降解生成N-甲酰犬尿氨酸（N-formylkynurenine），然后迅速轉(zhuǎn)化為犬尿氨酸[13]。犬尿氨酸再經(jīng)過以下分支進行代謝：① 經(jīng)犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（kynurenine aminotransferase，KAT）催化生成犬尿喹啉酸，也稱犬尿酸（kynurenic acid，KYNA）。② 經(jīng)犬尿氨酸酶（kynureninase，KYNU）催化生成鄰氨基苯甲酸（anthranilic acid，AA）。③ 經(jīng)犬尿氨酸單加氧酶（kynurenine monooxygenase，KMO）催化生成3-羥基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）。然后3-HK經(jīng)KAT生成黃尿酸（xanthurenic acid，XA）；3-HK也經(jīng)過KYNU生成3-羥基鄰氨基苯甲酸（3-hydroxyanthranilic acid，3-HAA），并參與喹啉酸（quinolinic acid，QA）的合成，而由喹啉酸生成的煙堿胺（nicotinamidec，NMN）經(jīng)過轉(zhuǎn)氨基作用最終生成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD＋）[13]。

圖1 色氨酸代謝通路Fig 1 Pathways of tryptophan metabolism

大約2%的TRP可通過5-羥色胺途徑代謝。色氨酸羥化酶（tryptophan hydroxylase，TPH）是5-HT生物合成的限速酶，將其轉(zhuǎn)化成5-羥基色氨酸（5-hydroxytryptophan，5-HTP），然后經(jīng)過芳香氨基酸脫羧酶（aromatic amino acid decarboxylase，DDC）快速脫羧為5-HT，再通過單胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）進一步代謝為5-羥基吲哚乙酸（5-hydroxyindoleacetic acid，5-HIAA）[6]，此外，5-HT還可以轉(zhuǎn)化為MLT。

還有一部分的TRP通過腸道微生物群代謝。TRP通過脫羧產(chǎn)生色胺（tryptamine，Trpm），也可以經(jīng)腸道微生物群代謝生成吲哚（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 色氨酸及其代謝物的生理功能

TRP的主要功能是參與蛋白質(zhì)合成，此外，也可以參與機體免疫功能[6]。TRP代謝在體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用，其代謝物也都有重要的生理功能。以下主要是犬尿氨酸途徑和5-羥色胺途徑主要代謝物，以及腸道微生物群代謝物的生理功能的介紹（見表1）。

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

2.1 犬尿氨酸途徑

2.1.1 KYN KYN是犬尿氨酸途徑的最主要的代謝物，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，具有神經(jīng)活性和氧化還原特性[15]，被用作多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的生物標志物。在腫瘤免疫中，可以作為芳基烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AhR）的內(nèi)源性配體，通過自分泌或旁分泌方式與AhR受體相互作用，抑制抗腫瘤免疫反應，促進腫瘤細胞存活[16]。此外，上下游代謝物的濃度比值也被廣泛用作代謝酶活性的指標，如KYN/TRP的比值反映了IDO的酶活性[17]，可以反映代謝通路中代謝酶的變化。

2.1.2 KYNA KYNA可以作為N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體和α7煙堿乙酰膽堿（α7 nicotinic acetylcholine，α7nACh）受體的拮抗劑[17]。另外，腦內(nèi)高水平的KYNA具有抗驚厥、鎮(zhèn)靜和保護腦缺血的作用[18]。據(jù)報道，精神分裂癥患者的腦脊液中，KYNA濃度增加，以神經(jīng)保護的方式調(diào)節(jié)谷氨酸能神經(jīng)傳遞[19]，因此KYNA被認為具有神經(jīng)保護作用。另外，KYNA還被發(fā)現(xiàn)具有抗炎作用，可降低促炎細胞因子的水平[20]。

2.1.3 3-HK 3-HK是能夠誘導氧化損傷和細胞死亡的有毒代謝物，可作為一種內(nèi)源性天然抗氧化劑，抑制大鼠大腦皮層上清液中的自發(fā)脂質(zhì)過氧化[21]。除此之外，3-HK還參與免疫調(diào)節(jié)，并作為紫外線過濾器存在于人眼晶狀體中，可能導致白內(nèi)障的發(fā)生[3]。

2.1.4 其他代謝物 3-HAA是一種神經(jīng)毒性代謝物，具有抗氧化和自由基清除等作用，此外在免疫調(diào)節(jié)中也具有重要作用，如對鼠胸腺細胞有選擇性的凋亡活性[18]；QA是NMDA受體的一種激動劑，在低水平濃度時不具有神經(jīng)毒性，超過一定水平時會導致神經(jīng)毒性，激活NMDA受體，增加神經(jīng)元活性，引起選擇性神經(jīng)損傷，參與了多種炎癥性腦疾病相關(guān)的神經(jīng)毒性[17]。

2.2 5-羥色胺途徑

2.2.1 5-HT 5-HT又稱血清素，主要分布于腦組織及胃腸道，可調(diào)節(jié)情緒控制、食物攝入、睡眠、注意力和疼痛等[11]。人體95%以上的5-HT是由腸道的腸嗜鉻細胞產(chǎn)生，釋放到血流中積累構(gòu)成5-HT儲庫[22]，此過程通過色氨酸羥化酶1（TPH1）發(fā)生；而在大腦中，通過色氨酸羥化酶2（TPH2）產(chǎn)生的5-HT，作為神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮重要作用，此外還參與腦-腸信號傳遞過程并影響腸蠕動、分泌、血管舒張和營養(yǎng)吸收[23]。神經(jīng)元中的5-HT可參與心理應激控制[24]，外周5-HT可參與血管收縮和血管舒張、代謝率變化、溫度控制、炎癥和纖維化等[25]。此外，5-HT還可以促進神經(jīng)和血管生成、促進有絲分裂作用、促紅細胞生成和活化免疫細胞等生理功能[22]。

2.2.2 5-HIAA 5-HIAA是單胺類中樞神經(jīng)遞質(zhì)的一種，在體內(nèi)由5-HT分解代謝而來，隨尿液排泄，可用于診斷和監(jiān)測類癌，主要是原發(fā)性中腸類癌的生物標志物，也可用于表征腸道神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤、乳糜瀉等多種疾病[26]。

2.2.3 MLT MLT是松果體分泌的主要激素，最常見的功能是調(diào)節(jié)生物節(jié)律，此外還具有自由基清除劑，強抗氧化劑以及抗炎作用[27]，并且參與免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)，對人體有直接的免疫增強作用[28]。另外，它還在腦和胃腸道疾病、精神疾病和心血管疾病等方面具有保護和抑癌作用[29]。

2.3 腸道微生物群代謝

腸道微生物群可以將TRP代謝為多種物質(zhì)來參與腸道穩(wěn)態(tài)。如吲哚及其衍生物中，吲哚可以激活AhR受體并促進局部白介素-22（interleukin-22，IL-22）的產(chǎn)生，促進腸細胞的上皮屏障功能，抑制NF-κB的活化和促炎性趨化因子的產(chǎn)生，增加抗炎細胞因子的產(chǎn)生，從而減輕炎癥[30]。吲哚衍生物，如IAA、IPA和ILA，可通過激活孕烷X受體（pregnane X receptor，PXR）或AhR受體來影響腸道免疫細胞和屏障完整性[31]。此外，色胺也是微生物群代謝的產(chǎn)物，它是一種β-芳基胺，可以調(diào)節(jié)腸嗜鉻細胞中產(chǎn)生的5-HT的功能以及調(diào)節(jié)興奮與抑制活性之間的平衡[23]，并且可調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)，對IDO酶也具有抑制活性，影響免疫監(jiān)視[30]。

3 色氨酸及其代謝物在疾病中的作用

3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

色氨酸代謝物對維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常生理功能具有重要作用。5-HT作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的神經(jīng)遞質(zhì)，如果中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生異常時，可能會導致5-HT受體功能異常和神經(jīng)傳遞障礙，其水平變化常與情緒失調(diào)、抑郁有關(guān)[32]。Maes等[33]研究認為抑郁癥患者中5-HT水平減少可能是因為患者體內(nèi)色氨酸代謝酶TDO和IDO的激活，導致血漿中TRP耗竭，使得腦內(nèi)5-HT水平降低。臨床治療中常用選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑使得腦內(nèi)5-HT得以補充來治療抑郁癥[34]，但還發(fā)現(xiàn)細胞介導的免疫激活是誘導IDO的重要因素，那么阻斷此途徑將可能為抑郁癥的治療提供有利作用。另外，TRP代謝產(chǎn)物QA具有神經(jīng)毒性，KYNA被認為具有神經(jīng)保護作用，當血漿中QA水平高于神經(jīng)保護活性分子KYNA的水平時，患者可能傾向于自殺、抑郁等行為[3]。在阿爾茨海默病和帕金森病患者中，發(fā)現(xiàn)KYN代謝物發(fā)生嚴重紊亂，腦脊液中QA水平隨著癥狀的嚴重程度顯著升高，提示QA與疾病進展正相關(guān)。同時，還發(fā)現(xiàn)這些患者血液和腦脊液中，隨著癥狀的嚴重程度增加，KYN/TRP比例也相應增加[35]。因此，這提示在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，TRP、5-HT及KYN代謝物的異常變化可能是疾病的致病原因之一，未來對于抗抑郁藥和抗精神病藥的研究可以考慮調(diào)節(jié)TRP或者KYN通路來實現(xiàn)。

3.2 自身免疫性疾病

在自身免疫性疾病中，TRP代謝在其中起著至關(guān)重要的作用。?kesson等[36]研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者體內(nèi)TRP水平顯著降低，KYN和QA水平升高，KYN/TRP 比值顯著增加。Kolodziej等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在關(guān)節(jié)炎小鼠血清中TRP水平顯著降低，KYN水平顯著升高，且KYN/TRP比值升高；同時，還發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)炎小鼠體內(nèi)IDO酶敲除后KYN的濃度顯著降低[38]。這說明在自身免疫反應調(diào)節(jié)中，體內(nèi)TRP代謝發(fā)生紊亂，IDO酶的活性發(fā)生改變，導致KYN的產(chǎn)生異常增加。而KYN水平的顯著增加與免疫調(diào)節(jié)有密切相關(guān)性，Schrocksnadel等[39]研究發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵酶IDO 可被促炎細胞因子干擾素-γ（interferon gamma，IFN-γ）激活，促進TRP向KYN轉(zhuǎn)化，血清/血漿中TRP濃度降低，從而導致下游代謝物濃度和代謝酶活性改變，并使得Th1型細胞免疫激活，在持續(xù)免疫激活狀態(tài)下，低TRP濃度會導致免疫缺陷。這提示在免疫調(diào)節(jié)中，IDO酶活性受到促炎因子水平調(diào)節(jié)，TRP以及KYN的顯著改變不僅可以觸發(fā)免疫激活機制，而且可以協(xié)調(diào)炎癥的復雜免疫調(diào)節(jié)反應。

3.3 癌癥

TRP代謝在癌癥中的作用最早是由Taylor[40]提出，該研究指出TRP耗竭與IFN-γ對人腫瘤細胞的抗增殖作用有相關(guān)性，隨后在干擾素治療后的患者中發(fā)現(xiàn)TRP水平降低，KYN水平升高；Karayama等[41]通過檢測非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者血漿發(fā)現(xiàn)TRP水平降低，而3-HAA水平升高，這均提示了腫瘤細胞中TRP代謝發(fā)生明顯變化。Gunther等[42]發(fā)現(xiàn)在癌細胞免疫抑制微環(huán)境中，TRP代謝關(guān)鍵酶IDO被IFN-γ誘導，癌細胞可以通過消耗TRP和積累免疫抑制代謝產(chǎn)物來抑制抗原特異性T細胞反應；在這種免疫反應過程中，TRP代謝可能又會極大地促進癌癥患者貧血、疲勞和抑郁的發(fā)展[43]。這提示了TRP可以產(chǎn)生具有免疫調(diào)節(jié)功能的代謝產(chǎn)物，代謝酶IDO也可能作為潛在的治療靶標，這對于癌癥治療提出了新的思路和見解。

3.4 炎癥性腸病

TRP代謝在維持腸道功能和免疫穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。當IBD發(fā)生時，胃腸功能發(fā)生損傷，菌群發(fā)生失調(diào)，從而擾亂微生物和宿主之間的TRP代謝平衡[6]。有研究報道，IBD患者糞便中IAA的濃度顯著降低[31]，血清中的IPA亦減少[44]。菌群產(chǎn)生的吲哚及其衍生物的含量水平的降低，使得與之結(jié)合的AhR受體減少，導致IL-22的產(chǎn)生減少，而IL-22是對于腸黏膜具有再生和保護作用，其水平減少可能會使得腸通透性增加和促炎途徑的激活[6]。此外，有報道發(fā)現(xiàn)，炎癥性腸病患者血清中IDO表達相比健康受試者增加，TRP水平降低[45]，KYN水平增加，以及KYN/TRP的比值增大，這與炎癥性腸病中調(diào)節(jié)性T細胞（regulatory T cells，Tregs）的減少成正相關(guān)[46]，說明了在炎癥發(fā)生時，腸內(nèi)IDO的表達增加使得KYN途徑激活，從而誘導Tregs細胞調(diào)節(jié)各種免疫細胞的功能。這提示TRP代謝可能是IBD發(fā)病機制的基礎(chǔ)，微生物群組成的變化可能通過影響AhR水平或調(diào)節(jié)宿主IDO活性而促進疾病的發(fā)展。在這種情況下，通過常規(guī)藥理學方法或通過靶向產(chǎn)生TRP代謝產(chǎn)物細菌的益生菌來控制TRP代謝可能為IBD的新型治療方法。

3.5 腎臟疾病

腎臟疾病中，腎臟排泄能力受到損傷，同時腎臟中TRP代謝酶活性也遭到破壞，會使得體內(nèi)產(chǎn)生的TRP代謝產(chǎn)物不能及時由腎臟排泄而發(fā)生積累，導致體內(nèi)TRP代謝受到嚴重紊亂。Zheng等[47]研究發(fā)現(xiàn)缺血再灌注致腎損傷小鼠血漿中TRP水平降低，3-HK水平增加，并發(fā)現(xiàn)抑制代謝酶KMO可減少神經(jīng)毒物3-HK的積累，這提示抑制色氨酸代謝酶KMO可作為預防腎功能損傷的一種保護策略。Debnath等[48]發(fā)現(xiàn)慢性腎臟?。╟hronic kidney disease，CKD）患者血漿中KYN、KYNA和QA的含量發(fā)生積累，KYN/TRP比值與腎臟疾病的嚴重程度和促炎細胞因子水平成正相關(guān)，蛋白尿含量可表示嚴重程度的指標，其蛋白尿的含量越高，KYN/TRP比值明顯更高。這說明在CKD患者體內(nèi)TRP代謝出現(xiàn)明顯紊亂，病程進展加速了IDO活性，并且炎癥和腎功能受損加速了KYN等代謝物的積累，這可能會促進CKD引發(fā)的疲勞、抑郁和其他精神疾病等。雖然這些提示了代謝物的變化可能對疾病發(fā)展進程起到預測作用，但TRP代謝在腎臟疾病中致病機制尚不是完全明確，有待進一步研究。

4 結(jié)論及展望

綜上所述，基于TRP代謝通路進行研究是非常必要的，其具有三條代謝途徑，其中尿氨酸途徑代謝和5-羥色胺途徑與神經(jīng)系統(tǒng)、免疫調(diào)節(jié)等功能具有密切聯(lián)系，腸道微生物群在最近幾年也是研究的熱點，TRP在腸道的代謝產(chǎn)物與多種疾病的聯(lián)系，尤其是與“腸-腦軸”的關(guān)系是近期研究的熱點問題。TRP及其代謝產(chǎn)物在機體中具有參與免疫調(diào)節(jié)，維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)等多種重要功能。因此，當中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、自身免疫系統(tǒng)疾病等多種疾病發(fā)生時，TRP代謝受到嚴重影響。其主要表現(xiàn)為代謝酶活性的失調(diào)，如IDO表達增加及代謝物水平失衡，進而導致促進免疫激活以及炎癥通路激活等多種表現(xiàn)，在疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。雖然大多數(shù)國內(nèi)外學者對于TRP代謝參與疾病的發(fā)病機制也進行了研究，并且基于此代謝通路也建立了很多定量檢測方法。但目前的研究還不夠深入，大多集中于參與免疫調(diào)節(jié)和炎癥通路，以及探討色氨酸代謝物作為潛在生物標志物，而在機體發(fā)病時如何發(fā)揮具體的作用及機制仍未完全闡述清楚，并且基于該代謝通路的藥物開發(fā)還需進一步的探究和驗證。因此，針對色氨酸代謝通路進行詳細研究，將有助于多種疾病的預防、診斷和治療，并為針對色氨酸代謝通路調(diào)控的藥物開發(fā)提供理論依據(jù)。