Re: 장내 유익균 '단백질' --＞ 트립토판 대사 산물 '인체 건강에 미치는 영향' 2018네이처!!

[문형철]

1. nature  
2. nature communications  
3. review articles  
4. article

Microbial tryptophan catabolites in health and disease

Download PDF

• Review Article
• Open access
• Published: 17 August 2018

Microbial tryptophan catabolites in health and disease

• Henrik M. Roager & 
• Tine R. Licht 

Nature Communications volume 9, Article number: 3294 (2018) Cite this article

•  
•  
•  
•  

Abstract

Accumulating evidence implicates metabolites produced by gut microbes as crucial mediators of diet-induced host-microbial cross-talk. Here, we review emerging data suggesting that microbial tryptophan catabolites resulting from proteolysis are influencing host health. These metabolites are suggested to activate the immune system through binding to the aryl hydrocarbon receptor (AHR), enhance the intestinal epithelial barrier, stimulate gastrointestinal motility, as well as secretion of gut hormones, exert anti-inflammatory, anti-oxidative or toxic effects in systemic circulation, and putatively modulate gut microbial composition. Tryptophan catabolites thus affect various physiological processes and may contribute to intestinal and systemic homeostasis in health and disease.

초록

장내 미생물이 생성하는 대사산물이

식이 유발 호스트-미생물 상호작용의 핵심 매개체임을 시사하는 증거가 축적되고 있다.

metabolites produced by gut microbes

as crucial mediators of diet-induced host-microbial cross-talk.

본 논문에서는

단백질 분해로 생성되는 미생물 트립토판 대사 산물이

숙주 건강에 영향을 미친다는 새로운 연구 결과를 검토한다.

이러한 대사 산물은

아릴하이드로카본 수용체(AHR)에 결합하여 면역 체계를 활성화하고,

장 상피 장벽을 강화하며,

위장 운동성과 장 호르몬 분비를 촉진하고,

전신 순환에서 항염증, 항산화 또는 독성 효과를 발휘하며,

장내 미생물 구성을 조절하는 것으로 추정된다.

따라서

트립토판 대사산물은

다양한 생리적 과정에 영향을 미치며,

건강과 질병 상태에서 장 및 전신 항상성 유지에 기여할 수 있다.

Similar content being viewed by others

Immune regulation through tryptophan metabolism

Article Open access03 July 2023

인돌-3-카르비놀(I3C)은 양배추, 브로콜리 같은 십자화과 채소에 들어있는 성분,

AHR이라는 수용체를 활성화시켜서 항암 효과를 내는 것으로 알려져 있어요.

이 AHR이 암세포의 성장과 전이에 중요한 역할을 하는 장벽을 조절하는 데 영향을 줄 수 있다는 연구

Gut microbiota-derived metabolites in the regulation of host immune responses and immune-related inflammatory diseases

Article 11 March 2021

Health and disease markers correlate with gut microbiome composition across thousands of people

Article Open access15 October 2020

Introduction

The diverse and dynamic microbial community of the human gastrointestinal tract plays a vital role in health and nutrition of the host1. A mutualistic relationship between host and gut microbiota relies on complex molecular cross-talk, which is fundamental for intestinal homeostasis. Although recent advances in characterizing the composition and function of the gut microbiota have yielded numerous new findings about the role of the gut microbiota in human health, only few microbiota-generated metabolites affecting host physiology have been identified, but these include short-chain fatty acids (SCFA) originating from bacterial degradation of dietary fiber2, secondary bile acids originating from bacterial conversion of bile acids in the colon3, and trimethylamine-N-oxide (TMAO), which is a product of microbial-host co-metabolism of nutrients such as phosphatidylcholine, choline, and L-carnitine, present in high-fat foods4,5. The role of bacterial metabolites originating from proteolysis on host physiology has however received only scarce attention. Although bacterial protein degradation products in general have been considered to be deleterious for the host6, recent data suggests that tryptophan catabolites generated by the gut microbiota are important contributors to intestinal homeostasis. Here, we review recent discoveries related to microbial tryptophan catabolites and discuss future efforts to explore their potential role in mediating microbe-host interactions (Fig. 1). Since available studies linking tryptophan catabolites with health are typically associative or originate from mouse models, more research is needed to provide tangible connections between tryptophan catabolites and human health.

서론

인간의 위장관에 서식하는 다양하고 역동적인 미생물 군집은

숙주의 건강과 영양에 중요한 역할을 합니다1.

숙주와 장내 미생물군 사이의 공생 관계는

복잡한 분자적 상호작용에 기반하며,

이는 장내 항상성 유지의 기초가 됩니다.

장내 미생물 군집의 구성과 기능에 대한 최근의 연구 발전은

인간 건강에서 장내 미생물 군집의 역할에 관한 수많은 새로운 발견을 가져왔지만,

숙주 생리학에 영향을 미치는 미생물 군집 생성 대사산물은 극소수만 확인되었으며,

여기에는 식이섬유의 박테리아 분해에서 비롯된 단쇄 지방산(SCFA)2,

대장에서 담즙산의 박테리아 전환에서 비롯된 2차 담즙산3,

고지방 식품에 함유된 포스파티딜콜린, 콜린, L-카르니틴 등의 영양소를

미생물과 숙주가 공동 대사하여 생성하는 트리메틸아민-N-옥사이드(TMAO) 등이 포함된다4,5.

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8600059/

그러나

단백질 분해에서 비롯된 세균 대사산물이

숙주 생리학에 미치는 역할은 거의 주목받지 못했다.

일반적으로

세균성 단백질 분해 산물은 숙주에게 해롭다고 여겨져 왔으나6,

최근 연구 결과 장내 미생물군집에 의해 생성된 트립토판 대사 산물이

장내 항상성 유지에 중요한 기여를 한다는 사실이 밝혀졌다.

본고에서는

미생물성 트립토판 대사 산물과 관련된 최근 연구 성과를 검토하고,

미생물-숙주 상호작용 조절에서 이들이 수행할 잠재적 역할에 대한 향후 연구 방향을 논의한다(그림 1).

트립토판 대사산물과 건강을 연결하는 기존 연구들은

주로 연관성 연구이거나 생쥐 모델을 기반으로 한 것이므로,

트립토판 대사산물과 인간 건강 사이의 실질적 연관성을 입증하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

Fig. 1

Mechanisms of action of microbial tryptophan catabolites on host physiology. Degradation of dietary proteins leads to the release of tryptophan, which is converted into various catabolites by the gut microbiota. The tryptophan catabolites include indole, tryptamine, indoleethanol (IE), indolepropionic acid (IPA), indolelactic acid (ILA), indoleacetic acid (IAA), skatole, indolealdehyde (IAld) and indoleacrylic acid (IA) and may affect host physiology in numerous ways. Indole, IPA and IA affect mucosal homeostasis by decreased intestinal permeability possibly mediated by the pregnane X receptor (PXR). Indole induces the release of glucagon-like peptide 1 (GLP-1) in enteroendocrine L-cells. GLP-1 is known to suppress appetite, insulin secretion and to slow gastric emptying. Several tryptophan catabolites act on the aryl hydrocarbon receptor (AHR) found in intestinal immune cells and thereby alter innate and adaptive immune responses in a ligand-specific fashion (e.g. IAld induces increased production of interleukin-22 (IL-22) via AHR activation). Tryptamine induces the release of 5-hydroxytryptamine (5-HT, serotonin) by enterochromaffin cells. 5-HT stimulates gastrointestinal motility by acting on enteric nervous system neurons. Tryptophan catabolites are absorbed through the intestinal epithelium and enter the bloodstream where some (e.g. IPA, IE, IA) have anti-oxidative and anti-inflammatory effects, whereas indoxyl-sulfate (IS), which is produced in the liver from indole by the actions of CYP2E1 and sulfotransferases (SULT), has cytotoxic effects in high concentrations

미생물 트립토판 대사산물이 숙주 생리학에 미치는 작용 기전.

식이 단백질의 분해는 트립토판의 방출을 유발하며,

이는 장내 미생물에 의해 다양한 대사산물로 전환된다.

트립토판 대사산물에는

인돌, 트립타민, 인돌에탄올(IE), 인돌프로피온산(IPA),

인돌락트산(ILA), 인돌아세트산(IAA),

스카톨, 인돌알데하이드(IAld), 인돌아크릴산(IA) 등이 포함되며,

이들은 다양한 방식으로 숙주 생리학에 영향을 미칠 수 있다.

indole, tryptamine, indoleethanol (IE), indolepropionic acid (IPA),

indolelactic acid (ILA), indoleacetic acid (IAA),

skatole, indolealdehyde (IAld) and indoleacrylic acid (IA) 

인돌, IPA 및 IA는

프레그난 X 수용체(PXR)를 매개로 장 투과성을 감소시켜

점막 항상성에 영향을 미칩니다.

인돌은

장내분비 L세포에서

글루카곤 유사 펩타이드 1(GLP-1)의 분비를 유도합니다.

GLP-1은

식욕 억제, 인슐린 분비 억제 및 위 배출 지연 효과가 알려져 있습니다.

여러 트립토판 대사산물은

장 면역 세포에 존재하는 아릴하이드로카본 수용체(AHR)에 작용하여

리간드 특이적 방식으로 선천적 및 후천적 면역 반응을 변화시킵니다

(예: IAld는 AHR 활성화를 통해 인터루킨-22(IL-22) 생산 증가를 유도함).

트립타민은

장크로마핀 세포에 의해 5-하이드록시트립타민(5-HT, 세로토닌)의 방출을 유도합니다.

5-HT는

장 신경계 뉴런에 작용하여 위장 운동성을 자극합니다.

트립토판 대사산물은

장 상피를 통해 흡수되어 혈류로 들어가며,

일부(예: IPA, IE, IA)는 항산화 및 항염증 효과를 나타내는 반면,

간에서 CYP2E1 및 설포트랜스퍼라제(SULT)의 작용으로

인돌로부터 생성되는 인독실-설페이트(IS)는 고농도에서 세포독성 효과를 가집니다.

Full size image

Bacterial tryptophan catabolism in the gut

Tryptophan is an essential amino acid for humans, and is supplied by dietary protein (Box 1). Although the majority of ingested protein is digested and absorbed in the small intestine7, dependent on intake, significant amounts of proteins and amino acids (6–18 g/day) may reach the colon8, where a range of commensal bacteria degrade them. Bacterial protein catabolism increases with increased protein intake, carbohydrate depletion in the colon, increased colonic pH and prolonged colonic transit time9,10,11,12. The gradual depletion of carbohydrate substrates occurring from the proximal to the distal colon causes a shift in bacterial catabolism from saccharolytic to proteolytic fermentation10. In agreement herewith, concentrations of phenolic compounds from degradation of aromatic amino acids in the human gut content are more than fourfold higher in the distal colon than in the proximal colon12. Bacterial proteolytic specialists are reported to have lower growth potential than generalists and saccharolytic/lipolytic specialists, suggesting that proteolytic specialists thrive when the ecological pressure for fast growth is decreased13. However, the degradation of tryptophan appears not to be limited to proteolytic specialists or to the distal colon as for example the Lactobacilli catabolize tryptophan in the stomach and ileum of mice14. Several bacterial species have been reported to be able to convert tryptophan into indole and indole derivatives (Table 1). Already in 1897, tryptophan was found to be converted into indole by Bacillus coli (now Escherichia coli) and Asiatic cholera (now Vibrio cholerae)15. Later, the production of indole has been used as a diagnostic marker to distinguish E. coli from other enteric bacteria. Because indole has been known for more than 100 years, numerous indole-producing species have been identified as described in a previous review16; therefore these are not discussed in details here. Briefly, indole formation occurs via the action of the enzyme tryptophanase (TnaA), which is expressed in many Gram-negative, as well as Gram-positive bacterial species including Escherichia coli, Clostridium spp. and Bacteroides spp.12,16,17,18. More recently, a number of studies have shown that gut microbial species produce a variety of tryptophan catabolites via various other metabolic pathways (Fig. 2). For example, Clostridium sporogenes converts tryptophan into tryptamine, indolelactic acid (ILA) and indolepropionic acid (IPA)19,20,21. Likewise, Peptostreptococcus spp. including P. russellii, P. anaerobius and P. stomatis are known to convert tryptophan to indoleacrylic acid (IA) and IPA, possibly due to the presence of the phenyllactate dehydratase gene cluster (fldAIBC) on the chromosome of these species22. Indeed, a homologue of this cluster is found to be responsible for the conversion of tryptophan into ILA and IPA in C. sporogenes21. Furthermore, homologue gene-clusters were found in Clostridium cadaveris, Clostridium botulinum and Peptostreptococcus anaerobius21 in agreement with their capability to produce IPA17,21,22. Another group of bacteria capable of converting tryptophan is Lactobacilli. Lactobacillus spp. convert tryptophan to indolealdehyde (IAld) and ILA via the aromatic amino acid aminotransferase (ArAT) and an indolelactic acid dehydrogenase (ILDH)14,23,24. Ruminococcus gnavus converts tryptophan into tryptamine by the action of a tryptophan decarboxylase enzyme20.

장내 세균의 트립토판 대사

트립토판은

인간에게 필수 아미노산으로,

식이 단백질을 통해 공급됩니다(박스 1).

섭취된 단백질의 대부분은

소장에서 소화 및 흡수되지만7,

섭취량에 따라 상당량의 단백질과 아미노산(6–18 g/일)이 대장에 도달할 수 있으며8,

여기서 다양한 공생 세균에 의해 분해됩니다.

단백질 섭취 증가,

대장의 탄수화물 고갈,

대장 pH 상승 및 대장 통과 시간 연장9,10,11,12에 따라

세균 단백질 대사도 증가한다.

상부 대장에서 하부 대장으로 진행되며 발생하는 탄수화물 기질의 점진적 고갈은

세균의 대사 경로를 당분해 발효에서

단백질 분해 발효로 전환시킵니다10.

이와 일치하게,

인간 장 내용물에서 방향족 아미노산 분해로 생성된 페놀성 화합물의 농도는

하부 대장에서 상부 대장보다 4배 이상 높습니다12.

단백질 분해 전문화 세균은

일반적 분해자나 당/지방 분해 전문화 세균보다 성장 잠재력이 낮은 것으로 보고되어,

빠른 성장에 대한 생태적 압력이 감소할 때 단백질 분해 전문화 세균이 번성함을 시사한다13.

그러나

트립토판 분해는

단백질 분해 전문화 세균이나 원위 결장에 국한되지 않는 것으로 보이며,

예를 들어 유산균은 생쥐의 위와 회장에서도 트립토판을 대사한다14.

여러 세균 종이 트립토판을 인돌 및 인돌 유도체로 전환할 수 있는 것으로 보고되었다(표 1).

이미 1897년에 Bacillus coli(현 Escherichia coli)와 Asiatic cholera(현 Vibrio cholerae)에 의해

트립토판이 인돌로 전환된다는 사실이 발견되었다15.

이후 인돌 생산은

대장균을 다른 장내 세균과 구별하는 진단 지표로 활용되어 왔다.

인돌은 100년 이상 알려져 왔으며,

이전 리뷰16에서 기술된 바와 같이 수많은 인돌 생성 종이 확인되었으므로,

여기서는 상세히 논의하지 않는다.

간단히 말해,

인돌 형성은 트립토판아제(TnaA) 효소의 작용을 통해 발생하며,

이 효소는 대장균(Escherichia coli), 클로스트리디움(Clostridium) 속 및 박테로이데스(Bacteroides) 속을 포함한

많은 그람 음성균 및 그람 양성균 종에서 발현된다12,16,17,18.

최근 여러 연구에서

장내 미생물 종들이 다양한 다른 대사 경로를 통해

트립토판 대사 산물을 생성한다는 사실이 밝혀졌습니다(그림 2).

예를 들어,

Clostridium sporogenes는 트립토판을 트립타민,

인돌락틱산(ILA), 인돌프로피오닉산(IPA)으로 전환합니다19,20,21.

마찬가지로,

P. russellii, P. anaerobius 및 P. stomatis를 포함한 Peptostreptococcus 속은

트립토판을 인돌아크릴산(IA)과 IPA로 전환하는 것으로 알려져 있으며,

이는 이들 종의 염색체에 페닐락테이트 탈수화효소 유전자 클러스터(fldAIBC)가 존재하기 때문일 수 있다22.

실제로,

이 클러스터의 동족체가

C. sporogenes에서 트립토판을 ILA 및 IPA로 전환시키는 역할을 하는 것으로 밝혀졌다21.

또한, Clostridium cadaveris, Clostridium botulinum 및 Peptostreptococcus anaerobius에서도

동족 유전자 클러스터가 발견되었으며,

이는 이들 균주가 IPA를 생성하는 능력과 일치한다17,21,22.

트립토판을 전환할 수 있는 또 다른 세균군은

락토바실리(Lactobacilli)이다.

Lactobacillus 속은

방향족 아미노산 아미노트랜스퍼라제(ArAT)와 인돌락틱산 탈수소효소(ILDH)를 통해

트립토판을 인돌알데히드(IAld)와 ILA로 전환한다14,23,24.

Ruminococcus gnavus는

트립토판 탈카복실화 효소20의 작용으로 트립토판을 트립타민으로 전환합니다.

Several Bacteroides species, as well as Clostridium bartlettii have been reported to produce ILA and indoleacetic acid (IAA)25, whereas Bifidobacterium spp. have been reported to produce ILA25,26. Finally, the common intestinal metabolite 3-methylindole (skatole), which have been extensively studied as the cause of off-flavor in pork, is generated by decarboxylation of IAA by Bacteroides spp. and Clostridium spp.12,17,25,27. Although several species are able to metabolize tryptophan in vitro (Table 1), studies linking the abundances of bacterial species with concentrations of tryptophan catabolites in humans are still needed to identify the main tryptophan catabolite producers in the human gut. Indole and IAA are detected in human fecal samples of healthy adults at mean concentrations of 2.6 mM28 and 5 µM29, respectively. However, the concentrations of other tryptophan catabolites (IPA, ILA, IAld, tryptamine and IA) in the human gut have to our knowledge not been assessed. In serum, mean concentrations in healthy adults have previously reported for IAA (1.3 µM), IPA (1.0 µM), and ILA (0.15 µM)30, while a recent study reported a mean serum IPA concentration of 50 nM31. Additionally, the mean concentrations of microbial tryptophan catabolites in the urine of pregnant women were recently reported for IAA (61 µM), methyl-IAA (8 µM), tryptamine (9 µM), and methyl-IPA (0.5 µM)32. Despite differences in the reported concentrations, these studies suggest that in adults, indole is the most abundant microbial tryptophan catabolite, followed by IAA and IPA. The availability of methods for determination of concentrations of microbial tryptophan catabolites in biological specimens is however currently limited28,32 and better quantitative analytical methods targeting a larger variety of microbial tryptophan metabolites are needed. Such methods will enable the comparison of metabolite concentrations across biological compartments (i.e. feces, blood and urine) and between different human populations.

여러 Bacteroides 종과 Clostridium bartlettii는

ILA 및 인돌아세트산(IAA)을 생성하는 것으로 보고된 반면25, 

Bifidobacterium 속은 ILA를 생성하는 것으로 보고되었습니다25,26.

마지막으로,

돼지고기의 불쾌한 풍미 원인으로 광범위하게 연구된

일반적인 장내 대사산물인 3-메틸인돌(스카톨)은 

Bacteroides 속 및 Clostridium 속 세균에 의해 IAA의 탈카르복실화를 통해 생성된다12,17,25,27.

비록 여러 종이 시험관 내에서 트립토판을 대사할 수 있지만(표 1),

인간 장내에서 주요 트립토판 대사산물 생성자를 확인하기 위해서는

박테리아 종의 풍부도와 트립토판 대사산물 농도를 연결하는 연구가 여전히 필요합니다.

인돌아와 IAA는

건강한 성인의 인간 분변 샘플에서 각각 평균 농도 2.6 mM28 및 5 µM29로 검출됩니다.

그러나

인간 장내에서 다른 트립토판 대사산물(IPA, ILA, IAld, 트립타민 및 IA)의 농도는

현재까지 평가된 바 없습니다.

혈청에서는

건강한 성인의 IAA(1.3μM), IPA(1.0μM), ILA(0.15μM) 평균 농도가 이전에 보고된 바 있으며30,

최근 연구에서는 혈청 IPA 평균 농도가 50nM로 보고되었다31.

또한, 임산부의 소변에서 미생물 트립토판 대사 산물의 평균 농도가

최근 IAA (61µM), 메틸-IAA (8µM), 트립타민 (9µM) 및 메틸-IPA (0.5µM)로 보고되었습니다32.

보고된 농도 차이는 있지만,

이러한 연구들은 성인에서 인돌이 가장 풍부한 미생물 트립토판 대사산물이며,

그 다음으로 IAA와 IPA가 뒤를 잇는다는 점을 시사한다.

그러나

생물학적 검체에서 미생물 트립토판 대사산물 농도를 측정하는 방법의 가용성은

현재 제한적이다28,32.

더 다양한 미생물 트립토판 대사산물을 대상으로 하는 정량적 분석법이 필요하다.

이러한 방법을 통해

생물학적 구획(즉, 분변, 혈액, 소변) 간 및 서로 다른 인간 집단 간의

대사체 농도를 비교할 수 있을 것이다.

Table 1 Gut bacterial species reported to produce tryptophan catabolites

Full size table

Fig. 2

Microbial generation of tryptophan catabolites in the human gut. Overview of the different ways microbes degrade tryptophan in the human gut. The metabolites that are most often found in the human gut are colored in green. Dashed lines represent pathways where no enzymes have been identified

인간 장내 미생물에 의한 트립토판 대사산물 생성. 인간 장내에서 미생물이 트립토판을 분해하는 다양한 경로의 개요. 인간 장내에서 가장 흔히 발견되는 대사산물은 녹색으로 표시됨. 점선은 아직 효소가 확인되지 않은 경로를 나타냄
전체 크기 이미지

Full size image

Box 1 Some facts about tryptophan

•  
•  
•  
•  
•  

박스 1 트립토판에 관한 몇 가지 사실
트립토판은 인체가 합성할 수 없어 식이로부터 공급되어야 하는 9가지 필수 아미노산 중 하나입니다.
트립토판은 인돌 구조, 즉 6원자 벤젠 고리와 5원자 질소 함유 피롤 고리가 결합된 이환식 화합물을 포함하는 유일한 아미노산이다.
트립토판은 식이 단백질의 일부이므로 고기, 생선, 달걀, 치즈, 콩, 견과류 등 단백질이 풍부한 식품에 많이 함유되어 있다.
트립토판은 소장에서 흡수되지만, 대장에 도달한 일부는 장내 세균에 의해 분해되어 다양한 인돌 유도체를 생성합니다(그림 1).
단백질 분해의 세균성 산물은 일반적으로 유해한 효과와 연관되지만, 새로운 연구에 따르면 미생물성 트립토판 대사 산물도 숙주 생리학에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

Mechanisms of action of microbial tryptophan catabolites

A growing body of literature suggests that tryptophan catabolites generated by the gut microbiota are important signaling molecules in microbial communities, as well as in host-microbial cross-talk, and may contribute to intestinal and systemic homeostasis (Fig. 1).

미생물 트립토판 대사 산물의 작용 기전

증가하는 연구 결과에 따르면,

장내 미생물군집에 의해 생성된 트립토판 대사 산물은

미생물 군집 내 신호 전달 분자이자 숙주-미생물 간 교신에서 중요한 역할을 하며,

장 및 전신적 항상성 유지에 기여할 수 있습니다(그림 1).

Microbial benefits of tryptophan metabolism

While the interaction of intestinal bacterial tryptophan metabolites with the host has received an increasing amount of attention in recent years as reviewed in the following sections, knowledge about the benefit of tryptophan metabolism to the intestinal microbes themselves is limited. Tryptophan has a multitude of metabolic functions, for example, it is incorporated into polypeptide chains of bacterial enzymes and serves as a precursor of the cofactor NAD33. However, most important in the rich intestinal environment is probably the bacterial need for maintenance of redox homeostasis. In the gut, the bacteria generate ATP from fermentation of carbohydrates, which typically involves oxidative steps. Compensating reductions must thus be carried out. As recently reviewed for food fermentation involving lactic acid bacteria34, microbes apply a multitude of different reactions in order to find ultimate electron acceptors allowing them to balance their fermentative metabolism in the absence of oxygen. Similarly in the gut, indole pyruvate generated by transamination of tryptophan may thus be applied as electron acceptor and reduced to ILA by action of the ILA dehydrogenase (Fig. 2). Such fine-tuning reactions might thus equilibrate the redox potential and give microbes a competitive advantage in the gut. Additionally, bacterial cross-feeding on degradation products of aromatic amino acids is likely to occur in the human colon35, and may provide specific bacteria with a growth advantage in the highly competitive gut ecosystem.

트립토판 대사의 미생물학적 이점

다음 섹션에서 검토된 바와 같이,

장내 세균 트립토판 대사 산물과 숙주 간의 상호작용은

최근 몇 년간 점점 더 많은 관심을 받아왔지만,

트립토판 대사가 장내 미생물 자체에 미치는 이점에 대한 지식은 제한적이다.

트립토판은

다양한 대사 기능을 수행하는데,

예를 들어 세균 효소의 폴리펩타이드 사슬에 통합되거나 보조인자 NAD의 전구체 역할을 한다33.

그러나

풍부한 장 환경에서 가장 중요한 것은

아마도 세균의 산화환원 평형 유지 필요성일 것이다.

장내에서 세균은

일반적으로 산화 단계를 수반하는 탄수화물 발효를 통해 ATP를 생성한다.

따라서

이를 보상하기 위한 환원 과정이 수행되어야 한다.

최근 젖산균 관련 식품 발효에 대한 리뷰34에서 언급된 바와 같이,

미생물은 산소 부재 상태에서 발효 대사를 균형 잡기 위해

궁극적인 전자 수용체를 찾기 위해 다양한 반응을 적용한다.

마찬가지로 장내에서도 트립토판의 전이아미노화 반응으로 생성된 인돌 피루베이트가 전자 수용체로 활용되어 ILA 탈수소효소의 작용으로 ILA로 환원될 수 있다(그림 2). 이러한 미세 조정 반응은 산화환원 전위를 평형화하여 장내 미생물에게 경쟁 우위를 제공할 수 있다. 또한 인간 대장에서 방향족 아미노산 분해 산물에 대한 세균 간 교차 공급이 발생할 가능성이 있으며35, 이는 경쟁이 치열한 장 생태계에서 특정 세균의 성장 우위를 제공할 수 있다.

Tryptophan catabolites as signals and antimicrobial agents

Indole is well-described as an intercellular signal molecule that appears to be important in microbial communities by affecting spore formation, plasmid stability, drug resistance, biofilm formation, and virulence16. Similarly, indoleethanol (IE, tryptophol) has been identified as a quorum sensing molecule in fungi36. This metabolite also exerts antimicrobial activity towards Staphylococcus aureus, Salmonella enterica and Lactobacillus plantarum37,38. Moreover, IE inhibits bacteriophage replication in a thermophilic bacterium, Geobacillus sp. E26339, virus replication in shrimps40, and proliferation of parasitic protozoa41. Also ILA is reported to have antifungal activity against Penicillium strains42 and anti-bacterial activity against E. coli and B. cereus43. Furthermore, there is evidence suggesting that indoles affect the survival of the nematode Caenorhabditis elegans44,45. Collectively, these diverse examples suggest that indoles play a role as modulators of microbial gut communities across kingdoms including bacteria, fungi and viruses. Yet, whether the tryptophan catabolites modulate also the microbial community of the mammalian gut remains unexplored.

신호 및 항균제로서의 트립토판 대사산물

인돌은

포자 형성, 플라스미드 안정성, 약물 내성, 생물막 형성 및 독성에 영향을 미쳐

미생물 군집에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 세포 간 신호 분자이다16.

마찬가지로,

인돌에탄올(IE, 트립토폴)은 곰팡이에서 쿼럼 센싱 분자로 확인되었다36.

이 대사산물은

또한 황색포도상구균, 살모넬라 엔테리카 및 플란타룸 유산균에 대해 항균 활성을 발휘한다37,38.

더욱이, IE는

고온성 세균인 지오바실러스 sp. E263에서 박테리오파지 복제를 억제하며39,

새우에서 바이러스 복제를 억제하고40,

기생 원생생물의 증식을 억제한다41.

또한 ILA는 Penicillium 균주에 대한 항진균 활성42 및 E. coli와 B. cereus에 대한 항균 활성을 보고하고 있다43. 더 나아가, 인돌류가 선충류 Caenorhabditis elegans의 생존에 영향을 미친다는 증거가 제시되고 있다44,45. 종합적으로, 이러한 다양한 사례들은 인돌류가 박테리아, 곰팡이, 바이러스를 포함한 여러 왕국에 걸친 미생물 장내 군집의 조절자로서 역할을 수행함을 시사한다.

그러나

트립토판 대사 산물이 포유류 장내 미생물 군집도 조절하는지는

아직 연구되지 않았다.

Tryptophan catabolites as aryl hydrocarbon receptor ligands

In recent years it has become evident that bacterial tryptophan catabolites including tryptamine, skatole, IAA, IA, IAld, and ILA are acting as ligands of the aryl hydrocarbon receptor (AHR)14,23,46,47. AHR is a transcription factor widely expressed by cells in the immune system48 and a number of studies have demonstrated that AHR activation alters innate and adaptive immune responses in a ligand-specific fashion49,50,51. Importantly, the affinities of tryptophan catabolites for the AHR differ between mice and humans47 and even within laboratory mouse strains, where four alleles encoding different forms of the AHR are known to exist52. Whereas the rodent AHR has been found to bind the exogenous ligand 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD or dioxin) with approximately 10-fold higher affinity than the human AHR53, recent studies suggest that the human AHR has higher affinity than the mouse AHR for a number of tryptophan-derived ligands47. Together, these studies reveal that rodent AHR and human AHR exhibit different ligand selectivity, which is very important to consider given that predictions about AHR ligand-receptor interactions in humans are often based on rodent studies. Furthermore, in intestinal cell line models, the tryptophan catabolites have been found to be either agonists or antagonists depending on their molecular structure46,54. Recent studies have underlined that indole-induced AHR activation may be one way that bacteria contribute to mucosal homeostasis. Lactobacillus spp. were found to regulate interleukin (IL)-22 mucosal homeostasis via IAld-mediated activation of AHR, and thereby to protect mice against mucosal candidiasis14. In addition, treatment of mice with three Lactobacillus strains capable of metabolizing tryptophan attenuated intestinal inflammation via AHR activation, as the effects were abrogated in the presence of an AHR antagonist29. Also Lactobacillus bulgaricus OLL1181 was found to activate the AHR pathway and inhibit colitis in a mouse model55. Further deciphering the mechanisms, a recent study in mice revealed that Lactobacillus reuteri via IAld and ILA activates AHR, which reprogram intraepithelial CD4+ T helper cells into immunoregulatory T cells (CD4+ CD8αα double-positive intraepithelial lymphocytes)23. Additionally, ILA was found to inhibit mouse polarization of T helper 17 (TH17) cells in vitro24. Together these studies suggest that tryptophan catabolites via AHR affect the differentiation of naive CD4+ T helper cells into regulatory T (Treg) cells and TH17 cells. The TH17/Treg balance plays an important role in autoimmune and inflammatory diseases56. Thus, the discovery of tryptophan catabolites as AHR ligands may provide new insight about how microbial metabolites affect the immune system in the gut, as well as in systemic circulation. In addition, indoles provided by commensal bacteria have been found to improve the health of a range of different organisms including Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster and mice in an AHR-dependent way57. This raises the intriguing possibility that tryptophan catabolites via AHR may reduce frailty and improve health also in humans.

아릴하이드로카본 수용체 리간드로서의 트립토판 대사산물

최근 몇 년간 트립타민, 스카톨, IAA, IA, IAld, ILA를 포함한 세균성 트립토판 대사산물이 아릴하이드로카본 수용체(AHR)의 리간드로 작용한다는 사실이 밝혀졌다14,23,46,47. AHR은 면역계 세포에 광범위하게 발현되는 전사 인자이며48, 다수의 연구에서 AHR 활성화가 리간드 특이적 방식으로 선천적 및 적응성 면역 반응을 변화시킨다는 것이 입증되었습니다49,50,51. 중요한 점은 트립토판 대사 산물의 AHR에 대한 친화도가 쥐와 인간 사이에서 다르며47, 실험실 쥐 계통 내에서도 차이가 있다는 것입니다. 실험실 쥐 계통에서는 서로 다른 형태의 AHR을 암호화하는 네 가지 대립 유전자가 존재하는 것으로 알려져 있습니다52. 설치류 AHR은 외인성 리간드인 2,3,7,8-테트라클로로디벤조-p-다이옥신(TCDD 또는 다이옥신)에 대해 인간 AHR보다 약 10배 높은 친화력을 보이는 것으로 밝혀졌으나53, 최근 연구에 따르면 인간 AHR은 여러 트립토판 유래 리간드에 대해 쥐 AHR보다 높은 친화력을 가질 수 있음을 시사한다47. 이러한 연구 결과들을 종합해 보면, 설치류 AHR과 인간 AHR은 서로 다른 리간드 선택성을 보인다는 것이 밝혀졌으며, 인간에서 AHR 리간드-수용체 상호작용에 대한 예측이 종종 설치류 연구를 기반으로 이루어진다는 점을 고려할 때 이는 매우 중요한 사항이다. 또한, 장 세포주 모델에서 트립토판 대사산물들은 분자 구조에 따라 작용제 또는 길항제로 작용하는 것으로 밝혀졌다46,54. 최근 연구들은 인돌에 의한 AHR 활성화가 세균이 점막 항상성에 기여하는 한 가지 방식일 수 있음을 강조하였다. Lactobacillus 속 균주는 IAld 매개 AHR 활성화를 통해 인터루킨(IL)-22 점막 항상성을 조절하며, 이를 통해 생쥐를 점막 칸디다증으로부터 보호하는 것으로 밝혀졌다14. 또한 트립토판을 대사할 수 있는 세 가지 Lactobacillus 균주로 마우스를 치료했을 때 AHR 활성화를 통해 장 염증이 완화되었으며, 이 효과는 AHR 길항제가 존재할 경우 소멸되었다29. 또한 Lactobacillus bulgaricus OLL1181이 AHR 경로를 활성화하고 마우스 모델에서 대장염을 억제하는 것으로 밝혀졌다55. 기전을 더 해명하기 위해 최근 마우스 연구에서 Lactobacillus reuteri가 IAld 및 ILA를 통해 AHR을 활성화하여 상피내 CD4+ T 헬퍼 세포를 면역조절 T 세포(CD4+ CD8αα 이중양성 상피내 림프구)로 재프로그래밍한다는 사실이 밝혀졌다23. 또한 ILA는 시험관 내에서 마우스의 T 헬퍼 17(TH17) 세포 분화를 억제하는 것으로 밝혀졌다24. 이러한 연구 결과들은 트립토판 대사 산물이 AHR을 통해 미분화 CD4+ T 헬퍼 세포의 조절 T 세포(Treg) 및 TH17 세포로의 분화에 영향을 미친다는 점을 시사한다. TH17/Treg 균형은 자가면역 및 염증성 질환에서 중요한 역할을 한다56. 따라서 트립토판 대사 산물이 AHR 리간드라는 발견은 장내 및 전신 순환계에서 미생물 대사 산물이 면역 체계에 미치는 영향에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있다. 또한 공생 세균이 생성하는 인돌류는 Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster 및 생쥐를 포함한 다양한 생물의 건강을 AHR 의존적 방식으로 개선하는 것으로 밝혀졌다57. 이는 트립토판 대사 산물이 AHR을 통해 인간의 허약함을 줄이고 건강을 개선할 수 있다는 흥미로운 가능성을 제기한다.

Tryptophan catabolites and intestinal barrier functions

Both in vitro and in vivo studies have indicated that indole enhances intestinal epithelial barrier functions by increasing expression‎ of genes involved in maintenance of epithelial cell structure and function58,59. Moreover, also IPA was found to regulate intestinal barrier function in vivo in mice by acting as a ligand for the xenobiotic sensor, pregnane X receptor (PXR), particularly in the presence of indole60. Activation of PXR has been shown to protect the barrier function in a mouse model of colitis61. In addition, IPA was found to reduce intestinal permeability in mice fed a high fat diet62. Further emphasizing the link between IPA and intestinal barrier function, a recent study colonized germ-free mice with either a wild-type or fldC mutant C. sporogenes (IPA production in C. sporogenes require an intact fldC gene), and showed that the fldC-colonized mice exhibited significantly increased permeability to FITC-dextran compared to their wild-type-colonized counterparts, concordant with depleted levels of luminal IPA21. Also IA has recently been shown to promote intestinal epithelial barrier function and mitigate inflammatory responses in mice by promoting goblet cell differentiation and mucus production, possibly mediated by AHR activation22. Collectively, these studies suggest that tryptophan catabolites signal through PXR and AHR to fortify the intestinal epithelial barrier function.

트립토판 대사 산물과 장 장벽 기능

체외 및 생체 내 연구 모두

인돌이 상피 세포 구조 및 기능 유지에 관여하는 유전자 발현을 증가시켜

장 상피 장벽 기능을 강화함을 시사한다58,59.

또한 IPA 역시 생쥐에서 생체 내 장 장벽 기능을 조절하는 것으로 밝혀졌는데,

특히 인돌이 존재할 때 이물질 감지 수용체인 프레그난 X 수용체(PXR)의 리간드 역할을 함으로써 작용한다60.

PXR 활성화는 대장염 생쥐 모델에서 장벽 기능을 보호하는 것으로 입증되었다61. 더불어 IPA는 고지방 식이를 섭취한 생쥐에서 장 투과성을 감소시키는 것으로 확인되었다62. IPA와 장 장벽 기능 간의 연관성을 더욱 강조하는 최근 연구에서는 무균 생쥐에 야생형 또는 fldC 돌연변이 C. sporogenes(C. sporogenes의 IPA 생산에는 온전한 fldC 유전자가 필요함)를 정착시켰으며, 그 결과 fldC 균주에 감염된 생쥐는 야생형 균주에 감염된 생쥐에 비해 FITC-덱스트란 투과성이 현저히 증가했으며, 이는 장내 IPA 농도 감소와 일치하는 결과였다21. 또한 최근 연구에서 IA는 잔세포 분화와 점액 생성을 촉진함으로써 생쥐의 장 상피 장벽 기능을 증진시키고 염증 반응을 완화시키는 것으로 밝혀졌으며, 이는 AHR 활성화를 매개로 한 것으로 추정된다22.

종합하면,

이러한 연구들은

트립토판 대사 산물이 PXR 및 AHR을 통해 신호 전달하여

장 상피 장벽 기능을 강화함을 시사한다.

Tryptophan catabolites and gut hormone secretion

Indole has been seen to function as a signaling molecule, which is able to modulate the secretion of glucagon-like peptide-1 (GLP-1) from immortalized and primary mouse colonic enteroendocrine L cells63. GLP-1 plays a critical role in stimulating insulin secretion from pancreatic beta cells, suppressing appetite and slowing gastric emptying64. Thus, intestinal levels of indole may this way affect appetite. Higher serum concentrations of IPA have recently been associated with reduced preval‎ence of type 2 diabetes and better insulin secretion and sensitivity65, which adds to the evidence pointing towards a putative role of indoles in modulating glucose metabolism, possibly via L cell-induced secretion of GLP-1. In line with this, a recent study found that rats fed a diet containing IPA had significantly lower fasting blood glucose level compared to rats fed a control diet66. Although the sensing of indole derivatives by L-cells remains elusive, it seems plausible that G protein-coupled receptors (GPCRs), which are responsive to a range of nutrients and other food components67, may also be responsive to microbial metabolites including tryptophan catabolites as reviewed elsewhere68. Nonetheless, these studies call for more research to be done to elucidate how tryptophan catabolites may modulate the enteroendocrine system and metabolic homeostasis including glucose metabolism.

트립토판 대사 산물과 장 호르몬 분비

인돌은

신호 전달 분자로 기능하여,

불멸화 및 1차 마우스 결장 장내분비 L 세포에서

글루카곤 유사 펩타이드-1(GLP-1) 분비를 조절할 수 있는 것으로 관찰되었다63.

GLP-1은

췌장 베타 세포에서 인슐린 분비를 자극하고,

식욕을 억제하며,

위 배출을 늦추는 데 중요한 역할을 한다64.

따라서 장 내 인돌 농도는 이러한 방식으로 식욕에 영향을 미칠 수 있다. 최근 IPA 혈청 농도 증가가 제2형 당뇨병 유병률 감소 및 인슐린 분비와 감수성 개선과 연관성이 확인되었으며65, 이는 인돌이 L 세포에 의한 GLP-1 분비를 통해 포도당 대사 조절에 관여할 가능성을 시사하는 증거를 추가한다. 이와 일치하게, 최근 연구에서 IPA를 함유한 사료를 섭취한 쥐는 대조군 사료를 섭취한 쥐에 비해 공복 혈당 수치가 유의하게 낮았다66. L 세포가 인돌 유도체를 감지하는 메커니즘은 여전히 불분명하지만, 다양한 영양소 및 기타 식품 성분에 반응하는 G 단백질 결합 수용체(GPCRs)67가 트립토판 대사 산물을 포함한 미생물 대사 산물에도 반응할 가능성이 있다는 점은 타 연구에서 검토된 바 있다68. 그럼에도 불구하고, 트립토판 대사 산물이 장내분비계와 포도당 대사를 포함한 대사적 항상성을 어떻게 조절하는지 밝히기 위해서는 더 많은 연구가 필요함을 시사한다.

Tryptamine and gastrointestinal motility

Tryptamine, a tryptophan catabolite produced by C. sporogenes and Ruminococcus gnavus20, is a β-arylamine neurotransmitter, which may influence gut health. In the gut, tryptamine is known to induce the release of the neurotransmitter 5-hydroxytryptamine (5-HT, serotonin) by enterochromaffin cells69, which are located at the mucosal surfaces70. 5-HT stimulates gastrointestinal motility by acting on enteric nervous system neurons70. In addition, using an Ussing chamber with a segment of proximal-mid murine colon mucosa, it was found that tryptamine itself induced a significant change in short circuit current, confirm‎ing that it can affect ion secretion in intestinal epithelial cells20, which plays an important role in gastrointestinal motility. Thus, tryptamine may act as a signaling molecule that affects intestinal transit time, which is strongly associated with the gut microbial composition, diversity and metabolism in humans10,71. Whether bacterial production of tryptamine plays a role in the pathogenesis of irritable bowel syndrome, which often manifests as either chronic diarrhea or chronic constipation72, currently remains unanswered. One species of particular interest could be R. gnavus, which is over-represented in inflammatory bowel disease (IBD)73,74, produces tryptamine20 and utilizes mucin75, suggesting that it thrives in close proximity with the enterochromaffin cells. Indeed, R. gnavus mono-associated mice showed induction of several genes involved in tryptophan metabolism as compared to germ-free mice76. As R. gnavus is a common species of the gut microbiota found in around 90% of adults77 and infants78, the ability of this species to produce tryptamine may influence human health.

트립타민과 위장 운동성

C. sporogenes 및 Ruminococcus gnavus20에 의해 생성되는 트립토판 대사 산물인 트립타민은 β-아릴아민 신경전달물질로, 장 건강에 영향을 미칠 수 있다. 장 내에서 트립타민은 점막 표면에 위치한 장크로마핀 세포69에 의해 신경전달물질 5-하이드록시트립타민(5-HT, 세로토닌)의 분비를 유도하는 것으로 알려져 있다70. 5-HT는 장신경계 뉴런에 작용하여 위장 운동성을 자극한다70. 또한, 근위-중부 쥐 결장 점막 부위를 이용한 우싱 챔버 실험에서 트립타민 자체가 단락 전류에 상당한 변화를 유발하는 것으로 확인되어, 위장 운동성에 중요한 역할을 하는 장 상피 세포의 이온 분비에 영향을 미칠 수 있음을 입증하였습니다20.

따라서

트립타민은 장 통과 시간에 영향을 미치는 신호 전달 분자로 작용할 수 있으며,

이는 인간의 장내 미생물 구성, 다양성 및 대사와 밀접한 관련이 있습니다10,71.

박테리아에 의한 트립타민 생성이 만성 설사 또는 만성 변비로 나타나는 경우가 많은 과민성 대장 증후군(IBS)의 발병 기전에 역할을 하는지 여부는 현재까지 밝혀지지 않았습니다72. 특히 주목할 만한 종은 염증성 장 질환(IBD)에서 과도하게 발견되며73,74 트립타민을 생성하고20 뮤신을 이용하는 것으로 알려진 R. gnavus일 수 있다75. 이는 이 균이 장크로마핀 세포와 근접한 환경에서 번성함을 시사한다. 실제로, R. gnavus 단독 공생 마우스는 무균 마우스에 비해 트립토판 대사에 관여하는 여러 유전자의 발현이 유도되었다76.

R. gnavus는

성인77과 영아78의 약 90%에서 발견되는 장내 미생물 군집의 흔한 종이므로,

이 종이 트립타민을 생성하는 능력은 인간 건강에 영향을 미칠 수 있습니다.

Tryptophan catabolites in the systemic circulation

Tryptophan catabolites may also systemically affect host physiology as they are absorbed through the intestinal epithelium and enter the bloodstream19 before they are excreted in the urine10,32. Association analyses between the human gut microbiome and ex vivo cytokine responses in whole blood upon microbial stimulations pinpointed a negative association between interferon gamma (IFNγ) production and bacterial genes responsible for the conversion of tryptophan into IE79, suggesting that IE has anti-inflammatory properties. Previous studies have suggested IPA as a scavenger of hydroxyl radicals80, and a protector against oxidative damage in different tissues81,82,83. However a recent study found that IA, but not IPA, had anti-inflammatory and anti-oxidative effects in LPS-activated human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) expressed as reduced IL-6 and IL-1β secretion and activation of the NRF2-ARE pathway22, a pathway suggested to be a therapeutic target towards prevention of neurodegenerative disorders84 and IBD85. Similarly, IAA and tryptamine attenuated pro-inflammatory cytokine responses in murine macrophage cultures and hepatocyte cultures in an AHR-dependent way86, suggesting that microbial tryptophan catabolites could influence inflammatory responses in the liver as well. The effects of tryptophan catabolites on production of cytokines may depend on AHR activation, since it has been shown that AHR signaling modifies Toll-like receptor (TLR)-regulated responses in human dendritic cells87. Adding to the complexity, it has been reported that AHR-mediated gene induction may be enhanced by SCFA88.

Although indoles in general appear to be beneficial, an exception to this is indoxyl sulfate (IS), which is a host-microbial co-metabolite generated from indole in the liver by the actions of cytochrome P450 enzymes, including CYP2E1, and sulfotransferase (SULT)89. This metabolite is typically characterized as a uremic toxin that accumulates in patients with chronic kidney disease (CKD) with serum concentrations around 100 µM compared to 2 µM in healthy adults90,91. IS is a potent agonist for AHR92, which induces tubulointerstitial fibrosis93, glomerular sclerosis94, vascular endothelial cell dysfunction95 and oxidative stress in endothelial cells96. IS is undetectable in germ-free mice, as the production of IS depends on commensal bacteria19. Thus, manipulation of the gut microbial tryptophan catabolism may be one strategy to lower circulating levels of IS, as recently demonstrated in gnotobiotic and conventional mice18. Whether diversion of intestinal tryptophan catabolism away from IS will be beneficial in renal diseases needs to be determined in future studies.

전신 순환계 내 트립토판 대사산물

트립토판 대사산물은

소변으로 배설되기 전에10,32 장 상피를 통해 흡수되어 혈류로 들어가기 때문에19

숙주 생리학에 전신적으로 영향을 미칠 수 있다.

인간 장내 미생물군과 미생물 자극에 대한

전혈의 생체 외 사이토카인 반응 간의 연관성 분석은

인터페론 감마(IFNγ) 생산과 트립토판을 IE로 전환시키는

박테리아 유전자 사이에 음의 상관관계가 있음을 밝혀냈으며79,

이는 IE가 항염증 특성을 지닌다는 것을 시사합니다.

이전 연구들은 IPA가 하이드록실 라디칼의 제거제80이며, 다양한 조직에서 산화적 손상으로부터 보호하는 역할을 한다고 제안했습니다81,82,83. 그러나 최근 연구에서는 IPA가 아닌 IA가 LPS 활성화된 인간 말초혈 단핵구(PBMCs)에서 항염증 및 항산화 효과를 나타내며, 이는 IL-6 및 IL-1β 분비 감소와 NRF2-ARE 경로의 활성화로 표현되었다22. 이 경로는 신경퇴행성 질환84 및 IBD85 예방을 위한 치료 표적으로 제안된 바 있다. 마찬가지로, IAA와 트립타민은 AHR 의존적인 방식으로 생쥐 대식세포 배양 및 간세포 배양에서 전염증성 사이토카인 반응을 약화시켰습니다86. 이는 미생물 트립토판 대사 산물이 간에서의 염증 반응에도 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. 트립토판 대사 산물이 사이토카인 생산에 미치는 영향은 AHR 활성화에 의존할 수 있는데, 이는 AHR 신호전달이 인간 수지상 세포에서 Toll-like receptor (TLR) 조절 반응을 수정한다는 것이 입증되었기 때문이다87. 복잡성을 더하는 점은, AHR 매개 유전자 유도가 SCFA에 의해 증강될 수 있다는 보고가 있다는 것이다88.

일반적으로 인돌은 유익한 것으로 보이지만, 인돌 설페이트(IS)는 예외입니다. IS는 CYP2E1을 포함한 시토크롬 P450 효소와 설포트랜스퍼라제(SULT)의 작용에 의해 간에서 인돌로부터 생성되는 숙주-미생물 공동 대사산물입니다89. 이 대사산물은 일반적으로 만성 신장 질환(CKD) 환자에게서 축적되는 요독성 독소로 특징지어지며, 건강한 성인의 혈청 농도 2µM에 비해 약 100µM의 농도를 보입니다90,91. IS는 AHR에 대한 강력한 작용제이며92, 세뇨관간질 섬유증93, 사구체 경화증94, 혈관 내피 세포 기능 장애95 및 내피 세포의 산화 스트레스96을 유발합니다. IS는 공생균에 의존하여 생성되므로 무균 마우스에서는 검출되지 않는다19. 따라서 최근 무균 마우스와 일반 마우스에서 입증된 바와 같이, 장내 미생물의 트립토판 대사 과정을 조작하는 것이 순환하는 IS 수치를 낮추는 한 가지 전략이 될 수 있다18. 장내 트립토판 대사를 IS 생성 경로에서 전환하는 것이 신장 질환에 유익한지 여부는 향후 연구를 통해 확인되어야 한다.

Tryptophan catabolites in health and diseases

In light of the effects of tryptophan catabolites on various physiological processes, we discuss three areas in which tryptophan catabolites may play a vital role.

Early life

In light of the great changes of the composition of the gut microbiota occurring during the first years of life97,98, which to a large extent is driven by changes in diet99,100, it is highly likely that the gut microbial tryptophan metabolism also changes in this period. Indeed, indole-producing E. coli are known to be abundant in the first week of life101, whereafter Bifidobacterium species, which are reported to be able to produce ILA26, start dominating the gut microbiome of breastfed infants100,101,102. Later, as complementary diet is introduced, bacterial genera including tryptophan catabolizing species such as Lactobacillus, Ruminococcus, Bacteroides, Peptostreptococcus and Clostridium become abundant in the gut of infants99. Combined with the fact that tryptophan catabolites via AHR activation modulate and educate the immune system as reviewed above, this makes microbial tryptophan catabolites in early life a very relevant area of research, which has not received much attention. In mice, AHR activation is required for the postnatal expansion of intestinal lymphoid cells expressing the transcription factor RORγt and for the formation of intestinal lymphoid follicles, which are immune system components involved in maintenance of intestinal homeostasis and resistance to infections103. Down these lines, it was recently shown that maternally transmitted microbially derived AHR ligands shape the early immune system of mouse offspring by increasing intestinal group 3 innate lymphoid cells and F4/80(+)CD11c(+) mononuclear cells104. Moreover, delivery mode and gestational age of infants are reported to affect urinary levels of metabolites belonging to the tryptophan pathway105. A recent study revealed that dietary protein depletion compromised adaptive immune responses and altered tryptophan amino acid homeostasis in human infant microbiota-transplanted pigs infected with human rotavirus106, and another study in neonatal pigs showed that formula feeding compared to sow feeding reduced enterochomaffin cell number and shifted tryptophan metabolism from serotonin to tryptamine107. Collectively, these studies suggest that factors such as maternal microbiota and diet, delivery mode, gestational age, infant microbiota and diet influence tryptophan metabolism in early life, which may be essential for the development of intestinal barrier functions and immune system.

건강과 질병에서의 트립토판 대사산물

트립토판 대사산물이 다양한 생리적 과정에 미치는 영향을 고려하여, 트립토판 대사산물이 중요한 역할을 할 수 있는 세 가지 영역을 논의한다.

생후 초기

생후 첫 몇 년 동안

장내 미생물 군집 구성이 크게 변화한다는 점97,98(이는 상당 부분 식이 변화에 의해 주도됨99,100)을 고려할 때,

장내 미생물의 트립토판 대사도

이 기간 동안 변화할 가능성이 매우 높다.

실제로,

인돌을 생성하는 E. coli는

생후 첫 주에 풍부한 것으로 알려져 있으며101,

그 후 ILA를 생성할 수 있는 것으로 보고된 Bifidobacterium 종이

모유 수유 영아의 장내 미생물 군집을 지배하기 시작한다100,101,102.

이후 보충식이 도입되면,

Lactobacillus, Ruminococcus, Bacteroides, Peptostreptococcus 및 Clostridium과 같은

트립토판 분해 종을 포함한 세균 속이

유아의 장에서 풍부해집니다99.

위에서 검토한 바와 같이

AHR 활성화를 통한 트립토판 대사 산물이

면역 체계를 조절하고 교육한다는 사실과 결합하면,

생후 초기 미생물 트립토판 대사 산물은

아직까지 많은 관심을 받지 못한 매우 중요한 연구 분야라고 할 수 있습니다.

마우스에서 AHR 활성화는 전사 인자 RORγt를 발현하는 장 림프구 세포의 출생 후 확장과 장 림프구 여포의 형성에 필수적이며, 이는 장의 항상성 유지 및 감염 저항에 관여하는 면역 체계 구성 요소입니다103. 이와 관련하여 최근 연구에서 모체로부터 전달된 미생물 유래 AHR 리간드가 장내 그룹 3 선천성 림프구 세포와 F4/80(+)CD11c(+) 단핵구 세포를 증가시켜 생쥐 새끼의 초기 면역 체계를 형성한다는 사실이 밝혀졌다104. 또한 분만 방식과 태아의 임신 주수가 트립토판 대사 경로에 속하는 대사 산물의 소변 농도에 영향을 미친다는 보고가 있다105. 최근 연구에 따르면, 인간 로타바이러스에 감염된 인간 유아 미생물군집 이식 돼지에서 식이 단백질 결핍이 적응성 면역 반응을 손상시키고 트립토판 아미노산 항상성을 변화시켰습니다106. 또 다른 신생아 돼지 연구에서는 모유 수유에 비해 분유 수유가 장내 호모아핀 세포 수를 감소시키고 트립토판 대사를 세로토닌에서 트립타민으로 전환시켰습니다107.

종합하면, 이러한 연구들은

모체 미생물군집 및 식이, 분만 방식, 임신 주수,

영아 미생물군집 및 식이와 같은 요인들이

생애 초기 트립토판 대사에 영향을 미치며,

이는 장 장벽 기능과 면역 체계 발달에 필수적일 수 있음을 시사한다.

Inflammatory bowel disease

During the last decade, IBD has been one of the most studied human conditions linked to the gut microbiota. Interestingly, serum levels of tryptophan are significantly lower in IBD patients than in healthy controls, and is particularly reduced in patients with Crohn’s disease (CD) as compared to patients suffering from ulcerative colitis (UC)108. In addition, plasma tryptophan levels are reported to be reduced in CD109,110, whereas fecal tryptophan levels are elevated compared to healthy individuals111. These observations suggest that changes in tryptophan metabolism are involved in the etiology of IBD. In line with this, a tryptophan free diet increased susceptibility to DSS-induced inflammation in mice112. Importantly, not only tryptophan appears to play a role in the etiology of IBD. Also depletion of intestinal tryptophan catabolites may affect the severity of IBD, as it was recently shown that IBD patients have reduced fecal concentrations of the AHR agonist IAA29. Consistent with this, AHR is downregulated in the intestinal tissue of patients with IBD113 and AHR activation protects humanized mice against colitis by induction of regulatory T cells114. Furthermore, IPA is selectively diminished in circulating serum from human subjects with active colitis compared to healthy individuals31, and oral administration of indole, as well as IPA is found to ameliorate colonic inflammation in mice31,115. Gut microbial tryptophan metabolism thus holds promise as a therapeutic target in patients with IBD, provided that future research will untangle the relations between the individual tryptophan catabolites and the propensity of inflammation.

염증성 장 질환

지난 10년간 IBD는

장내 미생물군집과 연관된 가장 많이 연구된 인간 질환 중 하나였다.

흥미롭게도,

IBD 환자의 혈청 트립토판 수치는

건강한 대조군에 비해 현저히 낮으며,

특히 궤양성 대장염(UC) 환자보다 크론병(CD) 환자에서 더 크게 감소한다108.

또한,

CD에서는 혈장 트립토판 수치가 감소하는 것으로 보고된 반면109,110,

건강한 사람에 비해 대변 트립토판 수치는 증가한다111.

이러한 관찰 결과는

트립토판 대사 변화가 IBD 발병 기전에 관여함을 시사한다.

이와 일치하게,

트립토판이 제거된 식단은 생쥐에서 DSS 유발 염증에 대한 감수성을 증가시켰다112.

중요한 점은

트립토판뿐만 아니라 다

른 요소들도 IBD 발병 기전에 역할을 하는 것으로 보인다.

최근 IBD 환자의 대변에서

AHR 작용제인 IAA29 농도가 감소된 것으로 나타났듯이,

장내 트립토판 대사 산물의 고갈 역시 IBD의 중증도에 영향을 미칠 수 있습니다.

이와 일관되게,

IBD 환자의 장 조직에서는 AHR 발현이 저하되어 있으며113,

AHR 활성화는 조절 T 세포 유도를 통해 인간화 마우스의 대장염을 보호하는 것으로 밝혀졌습니다114.

더 나아가,

IPA는 건강한 사람에 비해 활동성 대장염을 가진 인간 피험자의 순환 혈청에서 선택적으로 감소되어 있으며31,

인돌 및 IPA의 경구 투여가 생쥐의 대장 염증을 완화시키는 것으로 밝혀졌습니다31,115.

따라서 장내 미생물의 트립토판 대사는

개별 트립토판 대사 산물과 염증 발생 경향 사이의 관계를 향후 연구를 통해 규명할 수 있다면,

IBD 환자의 치료 표적으로서 유망합니다.

Neurological diseases

Multiple sclerosis (MS) is a neurodegenerative autoimmune disorder. Astrocytes, a population of cells in the central nervous system (CNS), are thought to play an important role in the pathogenesis of MS. A recent study revealed that microbial catabolites of dietary tryptophan combined with type I interferon signaling activates AHR signaling in astrocytes and suppress CNS inflammation in an experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) animal model of MS116. In addition, they found decreased circulating levels of AHR agonists in individuals with MS, suggesting that imbalances in the uptake, production, or degradation of AHR agonists may contribute to the pathogenesis of MS and other autoimmune disorders116. In line herewith, Laquinimod, an oral drug that is currently being eval‎uated for the treatment of MS and Huntington’s disease (HD), a rare neurodegenerative disease, was recently shown to have anti-inflammatory effects in EAE mediated by AHR117. Interestingly, plasma levels of IPA were significantly lower in subjects with HD compared to healthy controls30. Thus, targeting the gut microbial tryptophan metabolism by modulating the endogenous gut microbiota or changing the diet may represent alternative strategies to prevent and treat MS and other neurological diseases.

신경계 질환

다발성 경화증(MS)은

신경 퇴행성 자가 면역 질환입니다.

중추 신경계(CNS)에 존재하는 세포 집단인 성상 세포는

MS의 발병 기전에서 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다.

최근 연구에 따르면,

식이 트립토판의 미생물 대사 산물이 제1형 인터페론 신호 전달과 결합하면

아스트로사이트에서 AHR 신호 전달을 활성화하고,

다발성 경화증의 실험적 자가면역 뇌척수염(EAE) 동물 모델에서 중추신경계 염증을 억제하는 것으로 밝혀졌습니다116.

또한, MS 환자에게서 AHR 작용제의 순환 수준이 감소한 것을 발견하여, AHR 작용제의 흡수, 생산 또는 분해의 불균형이 MS 및 기타 자가 면역 질환의 발병에 기여할 수 있음을 시사합니다116. 이와 관련하여, 현재 MS 및 희귀 신경 퇴행성 질환인 헌팅턴병(HD) 치료제로 평가되고 있는 경구용 약물인 라키니모드(Laquinimod)가 최근 AHR에 의해 매개되는 EAE에서 항염증 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌다117. 흥미롭게도, HD 환자의 혈장 IPA 농도는 건강한 대조군에 비해 현저히 낮았습니다30.

따라서

내인성 장내 미생물군을 조절하거나 식이 변화를 통해

장내 미생물의 트립토판 대사를 표적으로 삼는 것은

MS 및 기타 신경계 질환을 예방하고 치료하기 위한 대안적 전략이 될 수 있습니다.

Future directions

Although several bacteria capable of producing tryptophan catabolites have been identified (Table 1), the main contributors in the human gut remain to a large extent unknown despite the large amount of fecal metagenomics data available. As we forge ahead to determine the contributors, we propose to combine profiling of microbes (metagenomics) with quantification of tryptophan catabolites (metabolomics) in stool samples from human cohorts. This will allow us to identify important associations between tryptophan catabolites and microbial species, which can be verified using classic in vitro cultivation and metabolic phenotyping. Since tryptophan catabolites are also produced by other microorganisms than bacteria, it is imperative that we move away from profiling only the bacterial community and start exploring the human gut microbiota across kingdoms. Once we identify the relevant microorganisms and tryptophan catabolites in the gut of infants, adults and elderly, we must identify the exact role of each tryptophan catabolite in host (patho)physiology and unravel their precise mechanisms in the different segments and cells of the intestine, as well as in the different tissues by use of animal models and by conducting human interventions (Fig. 3). In addition, there is a need to identify the receptors recognizing the metabolites. Furthermore, the AHR species-dependent ligand preferences for tryptophan catabolites seen when comparing different mammals22,47 underline the importance of studying tryptophan catabolite interactions in human cells and not solely in murine models. Currently, the connections between tryptophan catabolites and human health remain rather tentative, with most data being associative or originating from mouse models. Therefore, a more comprehensive understanding of the dynamics of tryptophan catabolites and their functional implications in the different stages of life from birth to old age, from health to disease is needed. This may crucially extend our understanding of intestinal host-microbial cross-talk in health and disease.

향후 연구 방향

트립토판 대사 산물을 생성할 수 있는 여러 균주가 확인되었음에도(표 1),

방대한 분변 메타게놈 데이터가 존재함에도

인간 장내의 주요 기여자는 여전히 대부분 알려지지 않았다.

기여자를 규명하기 위해 우리는

인간 코호트의 분변 샘플에서 미생물 프로파일링(메타게놈학)과

트립토판 대사 산물 정량화(대사체학)를 결합할 것을 제안한다.

이를 통해 트립토판 대사산물과 미생물 종 간의 중요한 연관성을 규명할 수 있으며,

이는 고전적인 체외 배양 및 대사형질 분석을 통해 검증될 수 있습니다.

트립토판 대사산물은

세균 이외의 다른 미생물에서도 생성되므로,

세균 군집만 프로파일링하는 방식에서 벗어나

왕국을 초월한 인간 장내 미생물군집을 탐구하는 것이 필수적입니다.

영아, 성인 및 노인의 장내에서 관련 미생물과 트립토판 대사 산물을 확인한 후에는,

각 트립토판 대사 산물이 숙주 (병리)생리학에서 수행하는 정확한 역할을 규명하고,

동물 모델을 활용하고 인간 개입 연구를 수행함으로써

장의 다양한 부위와 세포, 그리고 다른 조직들에서

이들의 정확한 작용 기전을 밝혀내야 합니다(그림 3).

또한 대사물을 인식하는 수용체를 규명할 필요가 있습니다.

더불어, 서로 다른 포유류를 비교할 때 관찰되는

트립토판 대사산물에 대한 AHR 종 특이적 리간드 선호도22,47은

트립토판 대사산물 상호작용을 생쥐 모델뿐만 아니라

인간 세포에서 연구하는 것의 중요성을 강조합니다.

현재 트립토판 대사산물과 인간 건강 간의 연관성은

대부분 연관성 연구나 생쥐 모델에서 비롯된 데이터로 인해

다소 잠정적인 상태입니다.

따라서

출생부터 노년기까지, 건강부터 질병까지 생애 주기 전반에 걸쳐

트립토판 대사산물의 역학 및 기능적 함의를 보다 포괄적으로 이해할 필요가 있습니다.

이는 건강과 질병 상태에서

장내 숙주-미생물 간 상호작용에 대한 이해를

획기적으로 확장할 수 있습니다.

Fig. 3

Proposed strategy to identify tryptophan-catabolite-producing microbes and to investigate their role in human health and disease. Although a number of tryptophan-catabolite producing microbes have currently been identified (Table 1), no studies have until now taken their starting point from human data, meaning that we do not know the main bacterial producers of tryptophan catabolites in the human gut. Therefore, we suggest to start from human studies and combine metagenomics and metabolomics data in order to pinpoint the most relevant and potential tryptophan-catabolite producing microbes. Based on these associations, selected target species should be cultured in the laboratory and their in vitro production of tryptophan catabolites should be assessed by growth experiments and metabolic profiling. Combined with knowledge about their genomes, this will allow the identification of genes responsible for generation of tryptophan catabolites. Knocking out identified genes of interest will subsequently allow for confirmation of the function of the gene and for testing the importance of the particular gene in relevant animal models as recently exemplified21. Colonizing mice with a given mutant strain and the wild-type counterpart will furthermore allow the investigation of modes of action of the tryptophan catabolites on e.g., intestinal immune cells, intestinal barrier function, intestinal hormone secretion, the inherent gut microbiota, as well as on the immune cells in systemic circulation. Together, this will provide new insights about the role of tryptophan catabolites, and lead to a better understanding of the gut microbiota in human health and disease

그림 3

트립토판 대사산물 생성 미생물을 식별하고 인간 건강 및 질병에서의 역할을 조사하기 위한 제안된 전략.

현재 다수의 트립토판 대사산물 생성 미생물이 확인되었음에도(표 1),

지금까지 인간 데이터를 출발점으로 한 연구는 없었기에

인간 장내에서 트립토판 대사산물을 주로 생성하는 주요 세균을 알지 못한다.

따라서

우리는 인간 연구를 출발점으로 삼아

메타게노믹스와 대사체학 데이터를 결합하여

가장 관련성이 높고 잠재적인 트립토판 대사산물 생성 미생물을 정확히 규명할 것을 제안한다.

이러한 연관성을 바탕으로 선별된 표적 종을 실험실에서 배양하고,

성장 실험 및 대사 프로파일링을 통해 시험관 내 트립토판 대사산물 생산을 평가해야 한다.

이들의 게놈에 대한 지식과 결합하면

트립토판 대사산물 생성에 관여하는 유전자들을 식별할 수 있을 것이다.

이후 관심 유전자들을 노크아웃함으로써 해당 유전자의 기능을 확인하고,

최근 사례21에서 보여주었듯이 관련 동물 모델에서 특정 유전자의 중요성을 검증할 수 있을 것이다.

특정 돌연변이 균주와 야생형 대조군을 마우스에 정착시키는 것은 또한 트립토판 대사 산물이 장 면역 세포, 장 장벽 기능, 장 호르몬 분비, 선천적 장내 미생물군, 그리고 전신 순환계의 면역 세포 등에 미치는 작용 방식을 연구할 수 있게 할 것이다. 이를 통해 트립토판 대사 산물의 역할에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있으며, 인간의 건강과 질병에서 장내 미생물 군집에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다

Full size image

References

1.  
2.  
3.  
4.  
5.  
6.  
7.  
8.  
9.  
10.  
11.  
12.  
13.  
14.  
15.  
16.  
17.  
18.  
19.