《Microorganisms》：Editorial for Special Issue “Genomics Approaches in Microbial Ecology”
Hugo César Ramírez-Saad and
César Hugo Hernández-Rodríguez
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这篇综述系统阐述了植物蛋白与肠道菌群的相互作用及其对宿主健康的影响。它指出，植物蛋白因其不完全的氨基酸组成和结构特征，消化率低于动物蛋白，导致更多蛋白质底物进入结肠，塑造肠道菌群组成（如增加拟杆菌门与厚壁菌门比例）并影响其代谢功能，特别是短链脂肪酸（SCFAs）的产生。这些相互作用可调节肠道屏障功能、免疫反应和宿主代谢，对代谢性疾病、心血管健康等具有重要影响，但同时也可能因微生物蛋白代谢产生潜在有害物质。文章总结了当前认知，并展望了未来在个性化营养和功能性食品开发方面的研究方向。
1. 引言
蛋白质是维持生命的基本营养素之一。植物蛋白作为可持续的动物蛋白替代品，在人类饮食中的重要性日益增加。然而，大多数植物蛋白属于不完全蛋白质，其必需氨基酸（如赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸和缬氨酸）含量较低，且消化率通常低于动物蛋白。这导致更多的未消化蛋白质、肽和氨基酸进入大肠，成为肠道微生物的底物。越来越多的证据表明，膳食蛋白，特别是植物蛋白，显著影响肠道微生物群的组成和功能，进而可能影响宿主健康。本文旨在综述当前关于植物蛋白特性、其与肠道微生物群的相互作用以及这些相互作用对肠道健康重要性的知识。
2. 植物蛋白概述
植物蛋白是可持续且有益健康的膳食选择。评估蛋白质质量的一个关键标准是其氨基酸组成、消化率和生物利用度。消化必需氨基酸评分（DIAAS）是当前推荐的蛋白质质量评估方法。动物蛋白通常具有完整的必需氨基酸谱和更高的消化率（DIAAS > 100%），而植物蛋白的消化率较低（DIAAS 从玉米和小麦的40%到乳清和大豆的90%不等），且通常缺乏某些必需氨基酸。然而，植物蛋白含有更高含量的某些潜在有益的氨基酸，如精氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺和甘氨酸。全球膳食蛋白质的主要来源是谷物（如小麦、玉米、大米），占57%，而动物源性蛋白质占43%。植物蛋白的主要来源包括豆类、谷物产品、坚果、种子和微藻等。豆类（如豌豆、扁豆、鹰嘴豆）含有18-32%的蛋白质，而大豆则含有35-40%的宝贵蛋白质。藻类的蛋白质含量差异很大，干重从15%到70%不等。通过多样化摄入不同植物蛋白来源或与少量动物蛋白结合，可以实现氨基酸的互补，从而获得营养全面的植物性饮食。
3. 植物蛋白与肠道微生物群的相互作用
“微生物群”是指特定环境（如口腔和肠道）中的活微生物。饮食是决定微生物群中哪些物种占优势的关键因素。植物性食物具有复杂的化学多样性，与肠道微生物群的代谢活动相互作用，产生多种异质性反应。据估计，约70%的肠道微生物酶参与植物源性食物化合物的生物转化。基于植物成分的饮食促进拟杆菌门（Bacteroidetes）相对于厚壁菌门（Firmicutes）占优势的微生物群特征，这与预防生活方式疾病（如肥胖、2型糖尿病）有关。素食饮食也表现出抗炎作用，这与产生具有抗炎特性的短链脂肪酸（SCFAs）的细菌（如 Roseburia, Ruminococcus, Faecalibacterium prausnitzii）占优势有关。
植物蛋白的消化始于口腔，主要在胃和小肠中进行。由于其稳定的空间构象、高程度的共价交联、嵌入难以降解的细胞基质以及易于聚集的倾向，植物蛋白的消化率通常低于动物蛋白。这些结构特性限制了消化酶对肽键的可及性，并调节了胃肠道中蛋白水解的动力学。未消化的蛋白质、肽和氨基酸进入大肠，为肠道微生物提供营养。
大肠中的发酵主要涉及将膳食多糖、寡糖和二糖分解为单糖，作为细菌酶促过程的底物。值得注意的是，近端结肠中的碳水化合物发酵产生有价值的短链脂肪酸（SCFAs）、氢气（H2）和二氧化碳（CO2）。相反，氨基酸或蛋白质的发酵会产生支链短链脂肪酸、氢气、二氧化碳、甲烷（CH4）、酚类和胺类。植物源性蛋白通过促进产生短链脂肪酸（SCFAs，特别是丁酸盐和乙酸盐）的细菌生长，在塑造肠道微生物群方面发挥着关键作用。这一机制源于蛋白质组分的化学特性及其与纤维和其他生物活性成分的共存。
乙酸盐是大肠中主要的短链脂肪酸，占粪便中已识别短链脂肪酸的50%以上。丁酸盐通过两种途径合成：激酶途径，涉及磷酸转丁酰酶和丁酸激酶将丁酰辅酶A转化为丁酸盐；和/或通过产生丁酸盐的细菌进行的单一酶促反应将丁酰辅酶A转化为丁酸盐。在肠道微生物群中，通常发生一种称为“交叉喂养”的过程，其中一组细菌的副产品被另一组细菌用来产生不同的代谢物。这种短链脂肪酸的交叉喂养通常从乙酸盐到丁酸盐，在较小程度上也涉及丙酸盐。
多项研究强调了短链脂肪酸在促进胃肠（GI）和代谢健康方面的关键作用。它们的作用主要通过两个不同的途径介导。第一条途径突出了短链脂肪酸与G蛋白偶联受体（GPCRs）的相互作用，这些受体位于肠道、肾脏、心脏和脂肪组织等各种器官中。当短链脂肪酸与这些受体结合时，它们激活信号级联反应，可影响炎症、胰岛素敏感性和肠道蠕动等过程。第二条途径侧重于短链脂肪酸作为组蛋白去乙酰化酶（HDACs）抑制剂的作用。通过抑制这些酶，短链脂肪酸促进组蛋白的乙酰化，导致与关键细胞功能相关的基因表达增加。
4. 健康影响
众所周知，食物中含有可以改变宿主肠道微生物群的营养成分和其他成分。肠道菌群失衡（也称为生态失调）通常与各种疾病的发展有关，包括肠易激综合征、功能性胃肠道疾病、特应性皮炎和抑郁症。蛋白质是微生物群组成和功能的重要驱动因素，微生物群-蛋白质相互作用可能对宿主的长期健康产生重大影响。
众所周知，植物源性蛋白的消化率是有限的。当未被消化时，蛋白质、肽和氨基酸与碳水化合物和脂肪一起到达结肠，并成为微生物代谢的底物。植物蛋白是可被微生物发酵利用的底物，是大肠中活微生物的重要碳源和氮源。由于植物蛋白的消化率有限，因此它们对结肠微生物细菌代谢过程的可用性更高，大肠中的肠道氮含量也更高。在这方面，需要强调氮作为一种限制性营养素，可能对结肠微生物组成和代谢产生影响。因此，未消化的膳食蛋白提供了额外的氮，可以刺激某些物种（如拟杆菌目和梭菌属）的生长。经植物蛋白修饰的肠道细菌生长和代谢（拟杆菌目）导致发酵副产物（即短链脂肪酸和一氧化氮）的形成增加，随后对宿主健康产生影响。许多研究证实，膳食植物蛋白促进了肠道微生物组的多样性。植物蛋白促进益生菌属乳杆菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）以及被归类为下一代益生菌的阿克曼菌（Akkermansia）的生长。该细菌属在肠道中的丰度对代谢综合征有有利影响，减少超重和肥胖，改善胆固醇代谢，减少氧化应激，增强肠道屏障，并调节炎症。然而，需要强调的是，植物蛋白对结肠微生物群组成的调节作用取决于植物种类。
在美国肠道项目（11,336名参与者）中，McDonald等人比较了每周食用超过30种植物和食用10种或更少植物的人群。结果显示，短链脂肪酸发酵菌种普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）和颤螺旋菌属（Oscillospira）在食用更多植物的个体粪便样本中有所增加。植物蛋白促进宿主微生物组的生长，刺激其活性，并直接为消费者带来健康益处。此外，需要强调的是，许多植物性食物被认为是具有价值的生物活性化合物的来源，这些化合物被归类为益生元（即植物化学物质、维生素、纤维、多元醇、多糖和寡糖）。因此，植物蛋白对宿主健康的益处主要归因于活性肽和对肠道微生物群的修饰。谷物和豆类蛋白通过修饰基因表达，可能对胆固醇代谢（降胆固醇作用）和葡萄糖稳态产生有利影响。在Li等人的研究中，豌豆蛋白被证明可以降低收缩压，这归因于生物活性豌豆肽降低了血管紧张素II水平。植物蛋白可以表现出抗炎作用，并通过调节肠道微生物代谢物来缓解肠道疾病的症状。
根据David等人的研究，人类肠道微生物群具有灵活性，可以根据饮食类型（草食性或肉食性）进行调整。这种人类微生物组的快速重塑反映了对季节性可用营养变化的进化适应。在Budhathoki等人对70,696名日本成年人平均随访18年的研究中，评估了动物和植物蛋白摄入量对全因死亡率和特定原因死亡率的影响。研究表明，高植物蛋白饮食与总死亡率和心血管相关死亡率降低有关。此外，研究发现用植物蛋白替代动物蛋白可降低癌症相关总死亡率的风险。作者得出结论，用植物蛋白替代红肉蛋白3%的能量当量，将在15年后使总体死亡率降低3.60%。另一项由Song等人进行的护士健康研究和卫生专业人员研究（131,342名参与者）证实，植物蛋白饮食与较低的全因死亡率和心血管死亡率相关。据估计，用植物源性蛋白替代3%的等量能量将使总体死亡率降低10%，心血管疾病死亡率降低12%。植物蛋白摄入对血压、血脂状况、肠易激综合征、肥胖和糖尿病的积极影响也有报道。植物蛋白饮食的健康益处也在荟萃分析中得到证实。Zheng等人分析了12项研究，总计1,450,178名受试者（平均随访7年），发现用植物蛋白等热量替代肉类与全因死亡率和心血管死亡率呈负相关。Naghshi等人对31项研究总计715,128名参与者（随访3.5至32年）的荟萃分析报告了类似结果。植物蛋白摄入与全因死亡率和心血管疾病风险降低相关。尽管作者发现高总蛋白质摄入量与较低的全因死亡率风险相关，但这种动物蛋白摄入量与心血管疾病或癌症死亡率降低无关。因此，可能建议在一般人群中增加植物蛋白的消费。
许多由植物营养素介导的、经肠道微生物群调节的有益健康效应已得到证实；然而，植物蛋白的具体临床结果因所使用的植物类型而异。在人类饮食中，植物源性蛋白质的主要来源是谷物和豆类，而油料作物、坚果、种子、蔬菜和水生植物（如藻类）是较不重要但具有前景的来源。研究发现大豆蛋白通过降低厚壁菌门/拟杆菌门比例（F/B）对肠道产生积极影响，该比例被认为是与肥胖相关的肠道健康指标。宏蛋白质组学分析表明，拟杆菌门的生长需要更高的氮可用性，这可以通过植物蛋白饮食来提供。植物源性蛋白还促进有益微生物（如阿克曼菌和双歧杆菌）的生长，并增强肠道微生物组产生短链脂肪酸。在Govindan等人的研究中，健康志愿者的饮食补充扁豆蛋白可增强微生物组多样性，并促进产生短链脂肪酸的细菌生长，同时增加短链脂肪酸。根据Beaumont等人的研究结果，大豆蛋白不仅可以改变肠道微生物群，还可以改变负责直肠粘膜稳态的宿主基因的表达。他们还比较了动物和植物蛋白对肠道细菌代谢谱的影响，并发现了蛋白质来源的依赖性。短链脂肪酸通过细胞内信号传导和基因表达调节，具有降脂和预防肥胖的特性，并且可以影响免疫细胞增殖。
关于植物蛋白被肠道微生物群生物转化的复杂性，需要注意的是，一些代谢物可能对宿主健康产生负面影响。虽然所有氨基酸的脱氨基作用增加了管腔内H2、CO2和氨的浓度，但氨基酸的微生物脱羧作用会产生生物胺，这些是具有高极性的碱性化合物。肠道微生物产生的生物胺包括组胺、尸胺、腐胺、5-羟色胺、色胺、酪胺、精胺和亚精胺。生物胺的作用尚不清楚，但它们可能诱发腹泻或是宿主-微生物相互作用的介导因素，有助于免疫调节。
有利于生物胺产生的条件与食品中自然的微生物和生化过程有关。形成生物胺的基本条件是存在游离氨基酸，如组氨酸、酪氨酸、鸟氨酸或赖氨酸。它们可用性的增加源于成熟、发酵或原材料不受控制的腐败过程中强烈的蛋白水解过程。应该指出，具有氨基酸脱羧酶活性的微生物在生物胺的生产中起着关键作用，包括肠球菌属、乳杆菌属、片球菌属、摩根氏菌属和肠杆菌属的细菌。环境参数，如温度、pH、水活性、盐浓度和氧气可用性，也会显著影响生物胺产生的强度。从生物胺产生的角度来看，地中海饮食提供具有中等游离氨基酸含量的蛋白质。促进肠道微生物群的多样性限制了具有高脱羧酶活性的微生物的优势。产生生物胺的细菌的生长受到生物活性化合物（如多酚）和纤维存在的限制和抑制。因此，在这种营养模式中，有利于过量生物胺产生的条件相对有限。
许多引用的研究结果证实了膳食植物蛋白可降低死亡率，因此，其对人类健康的有益作用不应受到质疑。此外，植物蛋白的消费减少了结肠癌、宫颈癌和乳腺癌的发生和生长。它具有抗炎、抗氧化和抗增殖潜力，并对高血压、代谢紊乱（高脂血症、肥胖、糖尿病）和肠易激综合征有积极影响。然而，生物胺在大肠中的生理功能尚不清楚。一方面，多胺对肠道生长和分化以及人类微生物群的免疫调节至关重要。鉴于芳香族单胺（多巴胺、5-羟色胺、色胺、酪胺和2-苯乙胺）作为神经递质发挥作用，并可能在结肠中具有信号传导作用，一些L-氨基酸脱羧酶的微生物催化活性可能是有利的。假设微生物来源的色胺可能增加肠道分泌。然而，胺的内源性硝化会产生亚硝胺，这与结肠细胞DNA结构的改变和粪便水遗传毒性的增强有关，从而增加结直肠癌（CRC）的风险。
有大量证据表明植物蛋白可改变肠道微生物组和肠道细菌代谢谱，并对体内平衡产生影响；然而，来自人体研究的健康数据仍然有限。为了解释植物蛋白与微生物组之间的基本相互作用并评估健康影响，需要对健康人群和患病人群进行进一步的科学研究。
5. 挑战与未来方向
为了评估植物蛋白在人类营养中的作用和意义，并理解其对肠道微生物群的影响，在进一步的研究中，使用宏蛋白质组学技术鉴定和定量多种膳食蛋白质似乎是一种有效且有利的策略。这些分析可以提供关于植物蛋白在微生物组内相互作用的信息。关于宿主微生物组组成、丰度、代谢和基因表达响应不同条件的信息也可以获得。用重碳或重氮标记的技术，例如直接蛋白质稳定同位素指纹（SIF）方法，允许追踪代谢底物。SIF允许将特定蛋白质分配给特定微生物，从而识别被肠道微生物消耗的膳食蛋白质底物。为了澄清与膳食植物源性蛋白对肠道微生物群影响的许多问题（例如微生物组稳态、代谢物产生、宿主基因表达），包括其对人类健康的影响，亟需在不同人群（从婴儿到老年人，以及健康患者和患病患者）中进行更多研究。此外，应该安排从其他膳食植物源性成分（纤维、多酚、维生素、矿物质）中分离出植物蛋白效应的研究，以建立直接因果关系。目前仍然缺乏数据显示植物蛋白摄入与动物蛋白相比对人类健康益处之间的关联。众所周知，动物和植物性食物在蛋白质和氨基酸含量上有所不同。根据消化率和氨基酸组成（包括必需氨基酸含量），动物蛋白的质量高于植物蛋白。因此，至关重要的是，建议饮食中的植物蛋白应多样化以提供全面的营养。为了评估效果或制定膳食建议，需要进行大规模和长期的研究。然而，关于导致植物蛋白死亡率降低的潜在机制的讨论，由于其他营养素的异质性，仍然悬而未决。潜在的机制包括动物和植物蛋白之间氨基酸含量的差异（植物源性蛋白中非必需氨基酸精氨酸和甘氨酸含量较高，而必需氨基酸：甲硫氨酸、赖氨酸和色氨酸含量较少）以及植物营养素中生物活性化合物的高含量。为了证实富含植物蛋白的饮食对结肠微生物组、肠道上皮稳态和功能产生影响，从而带来健康益处和长寿，其潜在机制应在进一步的实验研究中进行阐明和验证。
6. 结论
对相关文献的分析表明，植物源性蛋白在塑造肠道微生物群的组成和代谢活性方面起着重要作用。胃和肠道中的消化过程揭示了不同类型饮食（植物或动物来源）对肠道微生物群的影响。这种相互作用的性质受蛋白质结构、氨基酸谱以及与植物基质中伴随组分（即膳食纤维、多酚以及产品或加工的组成或类型）相互作用等因素的影响。一个重要的问题是植物源性蛋白与动物源性蛋白相比消化率较低，这导致蛋白质底物对肠道微生物群的可用性增加。植物蛋白与肠道微生物群之间的相互作用影响微生物代谢物的产生，包括短链脂肪酸、支链脂肪酸和含氮化合物，这些物质可在宿主体内产生有益的和潜在不利的生理效应。研究结果表明，富含植物蛋白的饮食促进糖酵解和潜在有益健康细菌比例的增加，同时限制与炎症过程相关的蛋白水解细菌的生长。在实现食品生产领域的可持续发展目标方面，植物性食品将在市场上变得越来越普遍。这对食品技术人员、微生物学家和营养师组成的跨学科团队提出了挑战，他们需要开发添加植物蛋白的创新功能性产品。宣传有关此类产品对健康和消费者接受度的实际有益影响的信息也仍然是一个重要问题。尽管人们对植物性饮食的兴趣日益增长，但文献中仍然缺乏关于高植物蛋白摄入对肠道微生物群和人类健康影响的信息。理解这种机制的本质，并考虑到植物蛋白的摄入水平，可以用于制定个性化的营养策略。
