本文由木子依蟲編譯，十九、江舜堯編輯。
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人體腸道微生物是消化過程的重要組成部分，可以分解復雜的碳水化合物，蛋白質和到達消化道下游的部分脂肪。該過程產生大量代謝產物可在局部或吸收入血后在全身發揮作用，這些作用復雜多變，因為這些微生物可以產生潛在有益和潛在毒性的代謝物，并且在某些情況下，這些效應取決于代謝物濃度或器官局部性。本文總結了目前關于腸道微生物的營養代謝如何影響人類健康的研究，主要涉及的代謝產物包括短鏈脂肪酸和醇，氨，支鏈脂肪酸，胺，硫化合物，酚和吲哚，甘油和膽堿衍生物以及二氧化碳和氫。在每種情況下都會提到關鍵的微生物類群和相關的疾病狀態，有助于全面理解微生物代謝產物對人類健康影響。
論文ID
原名：Macronutrient metabolism by the human gut microbiome: major fermentation by-products and their impact on host health
譯名：人體腸道微生物的營養代謝：主要代謝物及其對宿主健康的影響
期刊：Microbiome
IF：9.13
發表時間：2019
通信作者：Kaitlyn Oliphant
通信作者單位：圭爾夫大學
綜述內容
腸道微生物的初級降解
膳食多糖可以通過單糖之間的各種鍵以復雜的方式相互連接，在人體腸道微生物中已發現大量的碳水化合物激活酶，例如擬桿菌基因中具有260種糖苷水解酶，表明其為適應腸道內環境，能最大化的利用淀粉和纖維素類。飲食中的蛋白質具有保守的肽鍵，可被蛋白酶分解；腸道細菌可產生天冬氨酸、半胱氨酸、絲氨酸和金屬蛋白酶，在一個典型的糞便樣品中，這些細菌酶的數量遠遠超過人類細胞產生的蛋白酶。但是，與單糖單元相比，20個氨基酸需要更多的步驟以進行轉化，因此對于腸道微生物來說，通過發酵氨基酸以產生能量并不普遍。
腸道微生物的丙酮酸代謝
一旦體內有丙酮酸產生，腸道微生物可運用多種代謝途徑產生能量（圖1），丙酮酸可分解成琥珀酸、乳酸或乙酰輔酶A。然而，這些中間產物在典型的糞便樣品中濃度并不高，因為它們可以被進一步代謝，產生短鏈脂肪酸（SCFAs）。這是最豐富和研究最深入的微生物終產物，因為它們的生理作用是極為重要的：例如，宿主腸上皮細胞(Iecs)利用它們作為能量來源。事實上，短鏈脂肪酸貢獻了人體最佳功能所需熱量的大約10%，其具體的來源，代謝產物和作用在文中表1有詳細的介紹。
除了SCFA外，還可以形成數量可觀的醇，包括乙醇、丙醇和2，3-丁二醇，作為丙酮酸發酵的最終產物。由于果膠降解、內源性細胞蛋白去甲基化調節或維生素B12合成，腸道微生物也會產生進一步的醇。醇被運送到肝臟，在肝臟解毒過程中，它們轉化為SCFAs。因此，較高濃度的內源性醇被認為是導致非酒精性脂肪肝(NAFLD)發展的一個重要因素。眾所周知，變形菌門特別具有產生醇的能力，有趣的是，它與炎癥性腸病(IBD)中的失調呈正相關，這種疾病使患者易患NAFLD。然而，醇也可以通過類似于哺乳動物細胞的途徑被腸道微生物區系的許多成員解毒，從而調節其濃度。
圖1 人腸道微生物群分解代謝丙酮酸的策略
腸道微生物參與氫代謝途徑
人體可能會迅速吸收SCFA和醇類物質，這有助于降低它們在結腸內的濃度。此外，氣體發酵的副產品，二氧化碳和氫，也必須去除，以幫助推動新陳代謝，這些底物的利用主要是腸道微生物群間相互作用的結果，而不是依靠宿主的吸收。人體腸道中存在三種主要的途徑：(1)乙酰化，例如Blautia spp.可將二氧化碳和氫轉化為乙酸酯；（2）甲烷化，Methanobrevibacter可將二氧化碳和氫轉化為甲烷；(3)硫酸鹽還原細菌，包括Desulfovibrio，將硫酸鹽加氫轉化為硫化氫。硫酸鹽還原菌是最有效的氫營養菌，但需要硫酸鹽來源，在腸道中，最突出的硫酸鹽來源是硫酸化聚糖，雖然其中一些聚糖可能是從飲食中獲得的，但最容易獲得的來源是宿主產生的粘蛋白。
腸道微生物參與氨基酸分解代謝
宿主對蛋白質的消化率比碳水化合物和脂肪的消化率變化更大，除了其來源(如植物或動物)外，還受食品加工、營養元素比例和轉運時間等因素的影響，這也導致腸道微生物可以利用不同的氨基酸組成。這個過程可能會產生對宿主有毒的化合物，包括胺、酚類/吲哚和含硫化合物，但并非所有的氨基酸都是由于腸道微生物活動而發酵成有毒代謝物；事實上，最豐富的最終產物是SCFA，因此不是蛋白質分解代謝本身對宿主產生了負面影響，而是特定的代謝或總體上提高了蛋白質發酵活性。另外，某些梭菌、桿菌經一系列代謝最終產生支鏈脂肪酸（BCFAs）,圖2列出了每種氨基酸降解產生的主要SCFA和BCFA,BCFA常被用作蛋白質分解代謝的生物標志物，其促進目標是降低它們的濃度，以改善健康結果,但對于BCFA對宿主健康的影響卻知之甚少。事實上，初步研究表明BCFA能夠像SCFAs一樣調節肝臟中的糖和脂代謝。而從含硫、堿性和芳香性氨基酸中產生的促炎、細胞毒性和神經活性化合物的負面后果是無可爭議的。
表1 存在于人類腸道微生物群及其代謝中的主要屬及其代謝
續表1 存在于人類腸道微生物群及其代謝中的主要屬及其代謝
含硫氨基酸，半胱氨酸和蛋氨酸的分解代謝分別導致硫化氫和甲硫醇的產生，并且大量分類學上不同的細菌基因組中包含必需的降解酶，包括Clostridium and Bifidobacterium genera。硫化氫可以被甲基化為甲醇，甲醇可以進一步甲基化為二甲基硫醚，這種甲基化被認為是解毒過程的一部分，因為這些化合物的毒性逐漸降低。然而，甲醇也可以轉化為硫化氫，然后氧化成硫酸鹽，進行解毒；這種硫酸鹽可以被硫酸鹽還原菌所利用。事實上，后一種反應已經在盲腸組織中觀察到，并且是腸道硫循環的一部分。硫化氫對寄主健康的影響已經被討論過，因此重點將轉移到堿性氨基酸發酵產生的生物胺和芳香氨基酸發酵產生的酚/吲哚化合物上。
腸道微生物群內細菌種類的廣泛多樣性可降低堿性氨基酸，從而導致胺副產物的形成，包括雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌、乳桿菌屬、腸球菌、鏈球菌、以及腸桿菌科的成員。精氨酸代謝可產生胍丁胺，胍丁胺的任何益處都必須與其隨后減少的多胺進行權衡；它可能有效地治療某些疾病，如代謝綜合征，但在正常情況下可能有害。精氨酸還可轉化為谷氨酸，谷氨酸可脫氨生成4-氨基(GABA)。GABA是中樞神經系統的主要抑制性神經遞質，其受體表達的變化與抑郁癥和焦慮的發病機制密切相關。
組氨酸的分解代謝能產生組胺，組胺可在過敏性反應中引起，但實際上已經證明組胺產生的組胺抑制了IL-1和IL-12產生促炎細胞因子，同時防止腸桿菌的易位。組胺也是神經遞質，調節多種方法如覺醒、馬達控制、樹突細胞活性、疼痛感知和學習和記憶。
賴氨酸的分解代謝可以產生尸胺堿，尸胺堿是一種研究較少的代謝物；它可能有毒，但只有量大的情況下，高濃度的尸胺堿與潰瘍性結腸炎(UC)有關。
芳香族氨基酸降解可產生廣泛的消炎劑和酚類化合物，其可作為毒素或神經遞質。色氨酸的分解代謝可以產生色胺和吲哚。色胺是一種神經遞質，在調節腸道運動和免疫功能中具有重要作用。特別是它能與吲哚胺，2，3-雙加氧酶和芳基烴受體相互作用，加強免疫監測，抑制促炎細胞因子的表達。色氨酸的分解是腸道微生物中的一種罕見的活動，但已經發現某些菌類能夠有該能力，包括IBD相關物種Ruminococcus gnavus。另一方面，吲哚是由許多種類的擬桿菌和腸桿菌科細菌分解色氨酸產生的主要代謝產物。它通過與孕烷受體和芳基烴受體相互作用，在宿主防御中起著重要作用。
圖2 色氨酸的分解代謝
酪氨酸的分解代謝可產生酪胺、苯丙醇和對香豆酯。酪胺是一種神經遞質，由某些腸道細菌通過脫羧而產生，包括腸球菌和腸桿菌科。苯酚和對甲酚是酚代謝物，其已被顯示為降低腸上皮的完整性和IECS的生存力，并且可被許多腸道細菌物種(例如腸桿菌科成員和梭菌I、XI和XiVA)誘導產生。
圖3 酪胺酸的分解代謝
苯丙氨酸的分解代謝能產生苯乙胺和反式肉桂酸。與酪氨酸和色氨酸不同，人們對苯丙氨酸衍生代謝物知之甚少。苯乙胺是一種神經遞質，其作用是脫羧產生的內源性安非他明，通過促進兒茶酚胺和5-羥色胺的釋放，苯乙胺反過來提高了情緒、精力和注意力。然而，據報道，攝入苯乙胺會使轉換成苯乙酸酯的個體頭痛、頭暈和不適，這表明過量攝入會產生負面影響。反式肉桂酸和對香豆酸與心血管疾病呈負相關。
圖4 苯丙氨酸的分解代謝
腸道微生物參與脂質的分解代謝
腸道微生物具有脂肪酶，它能將甘油三酯和磷脂降解成極性頭部基團和游離脂質。甘油三酯占膳食總脂肪的95%，而磷脂，主要以磷脂酰膽堿的形式，只占很小的一部分，但也是從膽汁酸中提取的。腸道內的某些細菌，包括乳酸菌、腸球菌、梭菌和變形菌，可以利用甘油三酯的主干作為電子庫，將甘油還原為1，3-丙二醇。3-羥基丙醛(3-羥脯氨酸)是這一過程的中間產物，已被報道在乳桿菌和腸球菌培養物中以細胞外方式積累。與極性頭部相比，微生物在腸道厭氧環境中沒有分解游離脂的能力。然而，游離脂具有抗菌特性，并能與宿主模式識別受體直接相互作用。
腸道微生物對內源性物質利用的影響
機體對外源性底物的代謝極大地影響了腸道微生物群對內源底物的使用。如膳食纖維減少粘蛋白的降解，使機體利用黏蛋白的菌數量驟減；膳食脂肪的攝入也可以改變膽汁酸的輪廓。乳制品來源的飽和脂會增加牛磺酸結合物的相對數量，這種含硫化合物會導致腸道中磺胺化細菌的增殖。
結語
腸道菌群對人類消化的關鍵貢獻才剛剛開始被闡明。特別是，最近的研究揭示了微生物代謝的影響是如何延伸到胃腸道以外的，如腸道-大腦(例如，作為神經遞質的生物胺)、腸-肝(例如酒精)、腸-腎(例如硫酸甲酚等尿毒癥毒素)和腸道-心臟(例如三甲胺)軸。迄今為止主要關注的是主要來自復合碳水化合物的SCFAs，特別是SCFAs如何在到達肝臟時調節葡萄糖代謝和脂肪沉積。然而，蛋白質和脂肪的降解研究相對較少。由于可以產生的代謝物的多樣性和微生物途徑的復雜性，微生物途徑可以作為一種自我調節系統去除有毒代謝物質，它不僅僅是這種過程對正面或負面影響健康的問題，而且是了解微生物如何平衡穩態的關鍵。
