《Food and Bioproducts Processing》：Lactiplantibacillus plantarum ZJ316 Synergizes with Tryptophan Diet to Modulate Gut Microbiota and Metabolite Profiles in Mice
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乳杆菌ZJ316通过代谢色氨酸重塑肠道菌群，显著提升肠道5-羟基吲哚乙酸水平，其机制与调控Rikenellaceae_RC9_gut_group和Alistipes丰度相关，同时增强胰腺分泌通路并抑制炎症信号。
周青青|周英英|卢莉|傅肯宁|刘世博|李萍|顾青
中国浙江省工商大学食品科学与生物技术学院食品微生物学与营养健康重点实验室，杭州310018
摘要：
色氨酸（Trp）是一种必需氨基酸，必须通过饮食获得。某些益生菌乳酸菌（LAB）能够将Trp代谢为生物活性化合物。这些微生物Trp代谢产物已知可以调节肠道微生物群，从而影响微生物代谢和宿主的营养稳态。在本研究中，我们发现来自健康婴儿粪便的Lactiplantibacillus plantarum ZJ316具有较高的Trp代谢能力。当给予富含Trp的饮食时，L. plantarum ZJ316显著增加了有益肠道微生物群（如Rikenellaceae_RC9_gut_group和Alistipes）的相对丰度。这种微生物变化伴随着肠道中5-羟基吲哚乙酸（5-HIAA）水平的升高。然而，体外代谢组学分析证实L. plantarum ZJ316并不直接产生5-HIAA。相关性分析表明，肠道中的5-HIAA水平与特定肠道细菌（尤其是Rikenellaceae_RC9_gut_group和Alistipes）的富集呈正相关，这表明该菌株通过调节肠道微生物群间接促进了5-HIAA的产生。此外，转录组分析显示，这种共生干预增强了与胰腺分泌相关的结肠通路，同时抑制了炎症信号通路（如NOD样受体通路）。本研究揭示了L. plantarum ZJ316作为Trp代谢的调节剂，通过重塑肠道微生物群来促进有益代谢产物的产生，可能改善宿主的消化和抗炎功能。
引言
益生菌是能够为宿主带来健康益处的活微生物，主要通过定植胃肠道并随后调节肠道微生物群来实现。作为一种有前景的干预策略，益生菌补充可以恢复和维持健康的微生物平衡（Tye等人，2025年）。乳杆菌是一种非孢子形成、革兰氏阳性杆菌，常见于人体肠道中。它具有耐胆汁性、抗炎作用，并对2型糖尿病（T2DM）和肥胖有益，同时还能恢复肠道微生物群平衡和屏障完整性（Hwang等人，2022年；Kim等人，2024年；Pramanik等人，2023年；Rastogi & Singh，2022年）。例如，Lactobacillus acidophilus CCFM137可以改善小鼠模型中的T2DM，其给药可以改善上皮屏障功能，减少肝脏和结肠组织中的炎症标志物，并减轻组织损伤（Yan等人，2019年）。同样，L. plantarum AM2的补充可以降低大鼠的血清葡萄糖水平，减少氧化应激，并增加谷胱甘肽和总抗氧化能力（Lotfy等人，2025年）。例如，使用Lacticaseibacllus paracasei G15和Lacticaseibacllus casei Q14的益生菌补充可以改善链脲佐菌素诱导的大鼠T2DM患者的葡萄糖耐受性（Tian等人，2016年）。
色氨酸（Trp）是一种必需氨基酸，具有吲哚侧链，必须从饮食中获取，因为它不能在人体内从头合成，主要通过胃肠道中的三条主要途径进行代谢（Agus等人，2018年；Lin等人，2022年）。犬尿氨酸途径（KP）由限速酶吲哚-2,3-双加氧酶1（IDO1）启动，将Trp代谢为犬尿氨酸（Kyn）及其下游代谢物，包括喹啉酸（QA）、烟酸（Na）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和犬尿氨酸酸（KynA）（Cervenka等人，2017年）。同时，吲哚途径将Trp转化为各种芳基烃受体（AhR）配体，如吲哚-3-乙酸（IAA）、吲哚-3-丙烯酸（IA）、吲哚-3-醛（IAld）、吲哚-3-乳酸（ILA）和吲哚-3-丙酮酸（IPyA）（Alexeev等人，2018年）。5-羟色氨酸（Ser）的合成主要发生在肠嗜铬细胞（EC）中，其中色氨酸羟化酶1（TPH1）催化5-羟色氨酸（5-HTP）的形成，随后通过芳香L-氨基酸脱羧酶（AADC）代谢为Ser。Ser还可以通过芳基烷基胺N-乙酰转移酶（AANAT）和乙酰血清素O-甲基转移酶进一步转化为褪黑素，或者通过单胺氧化酶（MAO）氧化为5-羟基吲哚乙酸（5-HIAA）（Chimerel等人，2014年）。
Trp代谢产物通过多种机制调节宿主代谢。例如，吲哚途径的代谢产物可以刺激肠内分泌L细胞产生胰高血糖素样肽-1（GLP-1），并增强胰腺β细胞的胰岛素分泌（Huang等人，2022年）。此外，吲哚-3-丙酸（IPA）和IA可以通过上调肠道上皮细胞（IECs）中的IL-10来减轻炎症反应，从而维持黏膜屏障完整性和上皮稳态（Al-Qahtani等人，2024年）。KP途径的激活与肥胖和胰岛素抵抗有关（Wu等人，2019年）。在脂肪细胞中，IDO1的过度表达会导致犬尿氨酸（Kyn）的过量积累，而ido1的基因缺失可以保护小鼠免受饮食诱导的肥胖。虽然某些KP代谢产物KynA和Kyn具有抗糖尿病作用，但一线治疗药物二甲双胍通过抑制炎症信号通路来减少T2DM中的KP激活（Sorbara & Pamer，2022年）。Ser的免疫效应主要通过其在啮齿类和人类免疫细胞中的特定受体介导。5-HIAA作为Ser的最终代谢产物，不仅仅是一个降解标志物，它还具有内在的生物活性。丁酸盐补充可以通过提高5-HIAA水平和激活AhR途径来缓解关节炎症（Lee等人，2025年）。同样，母乳喂养可以促进双歧杆菌依赖的5-HIAA产生，有助于修复脂多糖（LPS）诱导的肠道屏障损伤（Sorbara & Pamer，2022年）。
益生菌和益生元的战略性组合称为共生制剂，将特定的益生菌菌株与精心选择的益生元结合在一起，以支持它们的生长，相比单独使用任一组成分具有明显优势。这种方法已成为通过调节肠道微生物群来改善宿主代谢功能障碍的有前景的方法。通过丰富有益微生物群并刺激促进健康的代谢产物的产生，共生制剂可能缓解肥胖和非酒精性脂肪肝病（Juárez-Fernández等人，2021年；Ma等人，2025年；Wu等人，2024年）等相关疾病。越来越多的证据强调了特定共生组合的协同潜力。例如，Choi等人（2018年）表明，含有阿洛酮糖的共生混合物通过抑制脂质代谢比单独使用益生菌或阿洛酮糖更有效地抑制饮食诱导的肥胖及其并发症。Wu等人（2024年）指出，含有半乳寡糖和Limosilactobacillus reuteri的共生制剂可以通过选择性促进Bacteroides acidifaciens合成十五烷酸来预防肠道炎症和屏障功能障碍。同样，Naghipour等人（2023年）报告说，寡果糖和Bifidobacterium longum的组合可以减少肝脏脂肪变性。此外，使用多菌株共生制剂（寡果糖与多种益生菌）对代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）患者的临床试验显示出了有希望的结果，包括降低肝脏硬度和改善炎症标志物。
在这项研究中，我们筛选了51种乳酸菌（LAB）菌株，并确定了Lactiplantibacillus plantarum ZJ316的高Trp代谢能力。体外靶向代谢组学证实L. plantarum ZJ316通过所有三条主要代谢途径产生广泛的Trp衍生代谢产物。为了研究体内的功能效应，我们建立了一个同时补充L. plantarum ZJ316和富含Trp的饮食的小鼠模型。随后，我们对肠道微生物群、结肠内容物代谢组、结肠组织转录组和肝脏氧化应激进行了全面分析。这种多组学表征用于阐明这种共生饮食策略的系统作用，并阐明其促进宿主健康的潜在机制。
部分片段
菌株培养和无细胞上清液制备
乳酸菌菌株来自多种来源，包括新鲜婴儿粪便、酸奶、鲜奶、母乳、奶酪、成人唾液、成人粪便、土壤、泡菜和豆腐。所有分离株均通过16S rDNA测序进行分类鉴定。所得集合包括来自多个属的菌株，如Bifidobacterium longum、Lactococcus lactis subsp. lactis、Streptococcus faecalis以及多种Lactobacillus物种（例如L. acidophilus、L. delbrueckii、L. paracasei）。
乳酸菌菌株代谢色氨酸的能力
从人源来源（包括母乳和婴儿粪便）分离出的51种细菌菌株中，观察到Trp代谢存在显著差异，浓度范围从1546.01 ± 11.13 μg/mL到3161.86 ± 56.46 μg/mL（表1）。在测试的菌株中，L. plantarum通常表现出最高的代谢能力，其值在2596.69 ± 4.53 μg/mL到3161.86 ± 56.46 μg/mL之间。B. longum（2618.00 ± 9.28 μg/mL到2854.66 ± 105.11 μg/mL）和L. rhamnosus紧随其后
讨论
肠道微生物群在维持宿主代谢稳态中起着关键作用，主要通过将饮食成分生物转化为生物活性代谢物（Chandrasekaran等人，2024年）。我们的研究发现，新型菌株L. plantarum ZJ316与富含Trp的饮食协同作用，能够在多个方面改善代谢参数。通过促进Rikenellaceae_RC9_gut_group和Alistipes的富集，该干预措施重新配置了肠道微生物群
结论
本研究表明，从健康婴儿粪便中分离出的L. plantarum ZJ316在体外通过犬尿氨酸、吲哚和5-羟色氨酸途径广泛代谢Trp。作为一种与富含Trp的饮食结合使用的共生制剂，它通过选择性富集有益菌属Rikenellaceae_RC9_gut_group和Alistipes显著重塑了肠道微生物群，显著增加了短链脂肪酸（SCFAs）尤其是丁酸的水平，从而提高了结肠中5-HIAA的水平。
CRediT作者贡献声明
周青青：撰写 – 审稿与编辑、方法学、资金获取、概念构思。李萍：资源提供。顾青：监督、资金获取、概念构思。周英英：撰写 – 原初草稿、研究、正式分析。卢莉：研究、数据管理。傅肯宁：研究。刘世博：研究
伦理声明
所有动物实验均按照《实验动物护理和使用指南》进行，并获得了中国科学院医学部动物伦理委员会的批准，实验方案编号为AP2024-12-0408。
利益冲突声明
作者声明没有需要披露的利益冲突或财务冲突。
资助
本研究得到了中国浙江省自然科学基金（编号LMS25C200005）、食品微生物学与营养健康重点实验室（编号2024E10119）、中央地方科技发展指导基金项目（编号2024ZY01021）以及浙江工商大学基础研究项目（科学技术）（编号QRK23007）的支持。
利益冲突声明
所有作者声明在研究过程中没有受到可能干扰研究结果的任何利益的影响。
