氨基酸作为生命体不可或缺的功能性分子,在人体生长发育、物质代谢及免疫调节等核心生理过程中发挥着基础性作用。氨基酸代谢稳态的维持既依赖宿主自身的酶促反应体系,更与肠道菌群的代谢活动密切相关。肠道菌群通过独特的酶系统与代谢网络,对多种氨基酸进行特异性转化与利用,生成一系列具有生物活性的代谢产物,这些产物又通过调控宿主的肠道屏障功能、免疫应答、神经传导及能量代谢等通路,形成氨基酸-肠道菌群-宿主的复杂互作网络,该网络的动态平衡对维系机体健康具有重要意义。

按营养特性分类,氨基酸可分为必需、非必需及特殊氨基酸三类。必需氨基酸在人体的生长、发育以及生理功能调节等关键环节中,起着决定性的作用,是维持生命活动的重要基石。例如:赖氨酸促进儿童生长发育[1];甲硫氨酸对肝脏有保护作用且能维持机体代谢稳态[2];缬氨酸参与大脑能量代谢和神经递质合成,还协同促进肌肉蛋白质合成[3-5]。非必需氨基酸虽可自身合成或转化而来,但功能不可或缺。谷氨酸深度参与学习、记忆等认知功能的调节[6-7];丝氨酸有助于改善记忆力和认知能力[8];精氨酸对心血管健康有益,能刺激生长激素分泌,还参与免疫细胞的增殖和活化[9]。特殊氨基酸因具有特殊的结构或功能,在特定的生理过程中发挥着关键作用。牛磺酸对维持视网膜正常结构和功能、保护视力意义重大[10-11];γ-氨基丁酸有助于改善睡眠质量,还可作用于血管平滑肌以降低血压[12]。这些营养特性为解析氨基酸与肠道菌群的互作机制提供了物质基础。

近年来,随着宏基因组学、代谢组学等技术的发展,氨基酸与肠道菌群互作在肥胖、炎症性肠病、神经退行性疾病等慢性疾病发生和发展中的作用机制逐渐成为研究焦点,为探索新型营养干预策略提供了重要方向。但当前研究仍存在诸多亟待厘清的科学问题:其一,不同类型氨基酸与肠道菌群互作的特异性机制缺乏系统认知;其二,肠道菌群对特定氨基酸(芳香族氨基酸、支链氨基酸等)的代谢途径及其关键功能菌属的研究尚需深化;其三,氨基酸经肠道菌群代谢产生的活性产物(吲哚类衍生物、支链短链脂肪酸、多胺等)在跨器官调控中的协同效应缺乏整合分析。这些问题的存在限制了对氨基酸-肠道菌群互作网络的整体理解,也制约了相关健康干预策略的开发。

本研究旨在系统整合现有研究成果,阐明氨基酸与肠道菌群互作的分子基础及生理意义。聚焦芳香族氨基酸、支链氨基酸、精氨酸及赖氨酸,系统梳理肠道菌群对其代谢的特异性途径及参与的关键菌属,并阐述代谢产物在维护肠道屏障完整性、调控免疫稳态、保护神经系统功能、调节能量代谢及维持心血管与骨骼健康等方面的作用机制,为相关疾病发生机制研究及基于氨基酸-肠道菌群调控的靶向营养干预策略开发提供理论参考。

1 宿主和肠道菌群对氨基酸的协同代谢及潜在膳食干预

肠道菌群作为人体代谢的重要参与者,可通过多样化的酶系统和代谢策略,对多种氨基酸进行特异性转化与利用,形成了与宿主代谢既互补又关联的复杂网络。其中,芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等)、支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等)以及精氨酸、赖氨酸是肠道菌群参与代谢的关键氨基酸类型。肠道菌群通过脱羧、转氨、氧化还原、偶联发酵等独特代谢方式,将这些氨基酸转化为短链脂肪酸、支链短链脂肪酸、多胺、吲哚类衍生物、胺类等多种代谢产物,不仅为自身提供能量和生存优势,更通过这些产物与宿主生理系统形成深度互作,成为连接氨基酸营养与人体健康的重要桥梁。

1.1 宿主和肠道菌群对芳香族氨基酸的代谢

芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸)的代谢网络呈现宿主与肠道菌群的协同分工特征,其代谢平衡是精准营养干预及功能食品开发的核心靶点。宿主对芳香族氨基酸的代谢以合成功能性活性物质为核心:苯丙氨酸经苯丙氨酸羟化酶催化生成酪氨酸,酪氨酸可进一步转化为多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素及黑色素[13];色氨酸则通过犬尿氨酸途径和血清素合成途径参与生理调节[14]。肠道菌群(尤其是益生菌)在该类氨基酸代谢中发挥着重要作用,是食品领域靶向调控的关键切入点。

肠道菌群对芳香族氨基酸的代谢涉及脱羧、转氨及偶联发酵等多样化路径(图1)。在脱羧代谢中,芳香族氨基酸脱羧酶可催化生成苯乙胺、酪胺和色胺等神经递质相关产物,其中摩根氏菌(Morganella morganii)是苯乙胺的主要产生菌,粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、生孢梭菌(Clostridium sporogenes)和活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)等则参与酪胺与色胺的合成[15-17]。双歧杆菌作为肠道常见益生菌,其代谢活动可与上述产胺菌形成生态位竞争,从而间接调控这类神经递质前体的生成水平[18]。

转氨反应生成的芳香族丙酮酸是代谢分支的关键节点,其可作为斯提柯兰氏(Stickland)反应的前体参与能量代谢。双歧杆菌等益生菌属因广泛携带乳酸脱氢酶同源基因,可引导芳香族丙酮酸向苯乳酸、吲哚乳酸等产物转化[19],这一过程与梭菌属、消化链球菌属(Peptostreptococcus)部分物种主导的还原途径形成代谢分流[20],益生菌通过强化自身代谢路径,对芳香族氨基酸的代谢流向产生调控效应。

氧化代谢是肠道菌群参与芳香族氨基酸代谢的主要路径,乳杆菌(Lactobacillus)、双歧杆菌、拟杆菌(Bacteroides)等均能参与芳香族丙酮酸的氧化过程[21-22],这类益生菌的广泛参与,为氧化代谢的稳定进行提供了保障。同时,色氨酸在肠道菌群色氨酸酶催化下生成的吲哚类衍生物[23],既是重要的代谢产物,也能作为信号分子调控菌群结构,而益生菌在这一过程中通过维持菌群平衡,间接促进色氨酸代谢产物的合理生成。

1.2 宿主与肠道菌群对支链氨基酸的代谢

支链氨基酸(branched-chain amino acids, BCAAs)包括亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)和缬氨酸(Val),约占人体必需氨基酸总量的35%,其获取依赖膳食摄入与肠道微生物合成的协同供给[24]。宿主与肠道菌群的支链氨基酸代谢途径见图2。在宿主代谢流程中,BCAAs首先在小肠上皮细胞被吸收,随后转运至肌肉、胰腺等器官进行分解代谢;未被小肠吸收的部分则进入结肠,由肠道共生菌主导后续代谢过程[25]。

肠道菌群对BCAAs的代谢遵循阶梯式反应路径,且与宿主代谢存在酶系统差异。代谢起始阶段由支链氨基酸转氨酶(BCAT)催化,这一步与宿主代谢机制一致,亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸分别生成4-甲基-2-氧戊酸(α-KIC)、3-甲基-2-氧戊酸(α-KMV)和3-甲基-2-氧丁酸(α-KIV)等支链-α-酮酸(BCKA)[26]。在BCKA的后续代谢中,菌群与宿主路径呈现显著分化。哺乳动物主要通过支链-α-酮酸脱氢酶复合体(BCKDH)进行不可逆的氧化脱羧;而肠道微生物则依赖α-酮异戊酸铁氧还蛋白氧化还原酶(VOR)完成这一关键步骤[27]。生成的酰基CoA可进一步在酰基辅酶A合成酶(ACS)催化下,分别转化为异戊酸(来自亮氨酸)、2-甲基丁酸(来自异亮氨酸)和异丁酸(来自缬氨酸)等支链短链脂肪酸[28]。此外,BCKA还可通过还原路径生成支链羟基酸:在羟基异己酸脱氢酶(HicDH)催化下,α-KIC、α-KMV、α-KIV分别转化为羟基异己酸(HICA)、2-羟基-3-甲基戊酸(HMVA)和羟基异戊酸(HIVA)[29]。值得注意的是,该催化酶(HicDH)主要存在于乳杆菌、乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)等益生菌属中,因此这类羟基酸代谢产物在酸奶等发酵乳制品中可被检测到[30],其不仅赋予发酵食品独特的功能属性,还可能通过肠道吸收参与宿主生理调节。

1.3 宿主与肠道菌群对精氨酸及赖氨酸的代谢

精氨酸与赖氨酸作为参与宿主生理调控的关键氨基酸,其代谢过程呈现宿主与肠道菌群的功能分化特征。两者既通过宿主自身酶系完成基础代谢,又依赖肠道菌群的特异性代谢路径生成多样化产物,形成与宿主健康密切相关的代谢网络。宿主肠道菌群的精氨酸与赖氨酸代谢途径见图3。

1.3.1 宿主与肠道菌群对精氨酸的代谢

精氨酸作为半必需氨基酸,参与细胞增殖、免疫调节、信号传导等多种生物学过程,其获取依赖膳食摄入与宿主从头合成的协同供给[31]。在常规膳食中,富含精氨酸的食物(如坚果、肉类、豆类)是维持其生理水平的重要来源,也成为功能食品与营养干预的关注点。

在宿主代谢中,精氨酸通过一氧化氮合酶和精氨酸酶催化,分别生成具有血管舒张与免疫调节功能的NO,以及瓜氨酸、鸟氨酸等产物[32]。与宿主代谢网络不同,肠道菌群通过特有的酶系统实现精氨酸的多途径转化,如精氨酸脱亚胺酶途径催化生成瓜氨酸和氨[33],精氨酸脱羧酶(ADC)途径催化生成胍丁胺等[34]。这些代谢过程具有菌属特异性,其产物不仅参与宿主生理调控,还与肠道微生态平衡及系统健康状态密切相关,为通过膳食成分和益生菌干预调节宿主代谢提供了潜在路径。

1.3.2 宿主与肠道菌群对赖氨酸的代谢

赖氨酸作为必需氨基酸和常见的第一限制性氨基酸,其膳食含量直接影响全身蛋白质的合成效率与生长代谢表现。摄入不足不仅可能导致负氮平衡,还会影响机体代谢稳态,因此其在营养强化食品和特定人群膳食补充剂中的科学配比尤为重要。

在宿主代谢中,赖氨酸主要通过肝脏的糖精途径与大脑的哌啶醇酸途径分解,经关键酶L-赖氨酸-α-酮戊二酸还原酶(LKR)和酵母氨酸脱氢酶(SDH)催化生成乙酰-CoA[35]。与宿主代谢途径不同,肠道菌群对赖氨酸的代谢以厌氧发酵为核心。由于宿主缺乏相应的酶系统与代谢环境,菌群通过多种特有路径进行转化,主要包括Stickland偶联发酵反应[36]、脱羧途径[37]和5-氨基戊酸途径[38]。这些途径生成的菌群代谢产物(如短链脂肪酸、胺类)不仅参与宿主代谢调节,也为开发具有代谢调节功能的益生菌制剂、发酵食品和靶向营养干预策略提供了潜在靶点。

2 氨基酸-肠道菌群代谢产物的作用

肠道菌群对氨基酸的代谢产物是介导微生物与宿主互作的关键功能分子,其在宿主免疫、代谢及屏障维护等多方面的生理调控中扮演着核心角色。这些来源于膳食氨基酸并经菌群转化的活性代谢物(多种短链脂肪酸、支链脂肪酸、胺类及吲哚衍生物等),不仅参与维持免疫平衡、调控能量与血糖稳态、强化肠道屏障完整性,还介入神经内分泌调节与多器官保护。在医学营养剂食品营养领域,通过补充特定益生菌、益生元或设计氨基酸定向发酵的功能性食品,能够有目标地调节肠道菌群构成及其代谢功能,从而促进有益代谢产物(丁酸、胍丁胺、吲哚丙酸等)的生成。这为通过营养手段干预肠-脑轴、肠-肝轴及肠-免疫轴功能提供了科学依据,也为开发用于健康支持与代谢调节的膳食补充策略指明了潜在方向。

2.1 色氨酸-吲哚类肠道菌群代谢产物的作用

色氨酸经肠道菌群代谢产生的一系列吲哚类衍生物,如吲哚-3-甲醛(IAId)、吲哚-3-乙酸(IAA)、吲哚-3-丙酸(IPA)、吲哚丙烯酸(IA)和吲哚乳酸(ILA),是介导“营养-菌群-宿主”互作的关键信号分子。这些菌群代谢产物通过激活芳烃受体(AhR)、孕烷X受体(PXR)等通路,在维持肠道屏障、调节免疫平衡、保护神经系统以及调控能量代谢等方面发挥核心作用。其水平与功能状态直接受到膳食营养与益生菌干预的影响,为通过功能性食品和精准营养策略调控宿主健康提供了重要靶点。

2.1.1 维护肠道屏障完整性

吲哚类代谢物是维持肠上皮稳态的重要因子,其功效与菌群的代谢能力密切相关。IAId、吲哚-3-丙酮酸(IPyA)等通过激活AhR信号通路,上调紧密连接蛋白表达,降低肠道通透性,从而显著缓解实验性结肠炎[39]。IA能促进黏蛋白生成并诱导抗炎反应[40];而IAId还可促进上皮增殖与杯状细胞分化,逆转衰老相关的屏障功能衰退,该过程依赖于AhR介导的IL-10上调[41]。此外,IPA作为关键的PXR配体,能协同抑制TLR4通路,下调炎症并增强屏障完整性[42]。这些发现提示,通过营养手段补充可产生此类吲哚代谢物的益生菌(如双歧杆菌),是修复与强化肠道屏障的有效膳食策略。

2.1.2 调控免疫稳态

吲哚类代谢物通过调节免疫细胞分化与炎症因子分泌,在黏膜与全身免疫中发挥核心作用。IAA、IAId和ILA等通过AhR通路抑制Th2过度反应,缓解特应性皮炎[43],并促进调节性T细胞生成以减轻结肠炎[44]。在过敏模型中,IAId能显著降低血清IgE及Th2型细胞因子,有效缓解气道炎症[45]。在全身性免疫层面,IPA可抑制巨噬细胞中NF-κB通路的活化[46],而ILA则通过表观遗传机制增强树突状细胞分泌IL-12a,进而激活CD8+ T细胞的抗肿瘤免疫[47]。这表明,定向提升肠道中IAA、IPA等代谢物的水平,有望成为营养免疫干预的新途径。

2.1.3 保护神经系统功能

吲哚类代谢物可穿越血脑屏障,通过抗炎与抗氧化机制发挥神经保护作用。IAA与IPA能激活星形胶质细胞的AhR信号,抑制神经炎症[48];IPA还具有强大的抗氧化活性,能改善神经元线粒体功能,延缓阿尔茨海默病进展[49],并对糖尿病相关认知障碍及脑缺血损伤均有缓解效应[50-51]。研究表明,口服IAA可通过抑制应激轴过度激活缓解抑郁样行为[52];而能合成ILA的双歧杆菌菌株,也因其可通过AhR调控神经行为而成为潜在的“精神益生菌” (psychobiotics)候选。这为开发以特定吲哚代谢为导向的益生菌膳食补充剂,支持肠脑轴健康提供了理论依据。

2.1.4 调节能量代谢与器官保护

吲哚类代谢物在全身能量代谢与器官保护中扮演着重要角色。它们作为AhR的内源性配体,可促进GLP-1和IL-22分泌,改善胰岛素抵抗[53]。在肝脏方面,IAA能恢复IL-22分泌,缓解酒精性与非酒精性脂肪肝[49];IPA则通过抗炎机制减轻肝脏脂肪变性与纤维化[46]。这些发现揭示了肠道菌群代谢物在代谢健康中的关键地位,提示通过膳食(富含色氨酸的蛋白质等)或补充益生元/益生菌来优化菌群的色氨酸代谢,可能成为预防和管理代谢综合征及相关肝病的有效营养干预策略。

2.2 支链氨基酸肠道菌群代谢产物的作用

BCAAs的代谢产物可分为宿主经典代谢产物与肠道菌群特异性代谢产物两大类,二者共同参与机体生理调控。其中,经典代谢产物以亮氨酸衍生β-羟基-β-甲基丁酸(HMB)为代表,而菌群代谢则主要产生异丁酸、异戊酸、2-甲基丁酸等支链短链脂肪酸(BCFAs)。这些活性物质通过不同机制在肌肉健康、肠道功能、免疫调节及代谢平衡中发挥作用,为运动营养、功能性食品及精准营养干预提供了科学依据。

2.2.1 经典代谢产物HMB的生理功能

HMB作为亮氨酸经典代谢途径的关键活性产物,在肌肉代谢与免疫功能调节中具有明确作用。其核心机制是激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路,直接促进肌肉蛋白质合成[54]。在运动营养领域,补充HMB被证实可有效降低运动引发的炎症反应、改善免疫功能,并通过维持肌细胞膜稳定与提高氮潴留效率,增强机体对训练的适应与恢复[55]。基于上述功能,HMB已成为运动营养补充剂与肌肉衰减综合征营养支持中的重要功能成分。

2.2.2 菌群衍生支链短链脂肪酸的多重作用

肠道菌群通过特有的酶系统将BCAAs分别转化为异丁酸、异戊酸和2-甲基丁酸等支链短链脂肪酸。尽管BCFAs在肠道总短链脂肪酸中占比较乙酸、丁酸等传统直链脂肪酸(20～140 mmol/L)稍低,但其在结肠内容物中呈现近端向远端递增的分布特征(近端结肠平均4.6 mmol/L,远端结肠6.3 mmol/L),且每日全身产量约达11.1 mmol,提示其在局部及系统层面具有不可忽视的生理意义[56]。

2.2.2.1 肠道健康维护

异丁酸可通过激活G蛋白偶联受体109A(GPR109A)并抑制TLR4/MyD88/NF-κB信号通路,增强结肠机械屏障与免疫屏障功能,从而缓解结肠炎[56]。研究表明,通过褐藻寡糖等膳食成分调节肠道菌群,提升异戊酸水平,可有效缓解化疗药物(如5-氟尿嘧啶)诱导的肠黏膜炎,减轻体重下降与组织病理损伤[57]。2-甲基丁酸则被发现可调节反刍动物小肠消化酶活性与黏膜生长,提示其作为胃肠道发育调节剂的潜在应用价值[58]。

2.2.2.2 代谢调控

在代谢层面,异戊酸可通过抑制RANKL信号通路,减少破骨细胞分化,从而延缓骨质疏松进程[59]。此外,支链短链脂肪酸整体上能够抑制cAMP介导的脂肪细胞脂解以及胰岛素刺激的脂肪生成,在糖脂代谢平衡中扮演调节角色[60]。

2.2.2.3 延缓衰老

研究显示,2-甲基丁酸相较于丁酸、乙酸能更有效地上调模式生物线虫的抗氧化基因GST-4表达,增强其生殖能力、环境应激抵抗能力并延长寿命,展现出抗衰老潜力[61]。进一步动物实验表明,异丁酸、异戊酸与2-甲基丁酸均可缓解D-半乳糖诱导的小鼠衰老模型,改善其肝脏氧化应激、肠道炎症反应等,并降低衰弱指数[62]。这些发现为通过营养手段调控菌群-BCFAs轴以支持健康衰老提供了新的科学视角。

2.3 精氨酸与赖氨酸肠道菌群代谢产物的作用

精氨酸与赖氨酸经肠道菌群代谢生成的活性产物,在免疫调节、肿瘤微环境调控、骨骼健康及能量代谢中扮演关键角色。这些代谢物构成了微生物-宿主互作的重要化学桥梁,其水平受膳食摄入与菌群组成的共同影响,为通过营养手段精准调控相关生理过程提供了切入点。

2.3.1 免疫功能调节

菌群代谢精氨酸产生的多胺在免疫平衡中作用显著。例如,亚精胺能促进抗炎巨噬细胞生成,并通过激活抗炎分子PTPN2缓解实验性结肠炎[63]。补充亚精胺甚至可逆转精胺氧化酶缺失小鼠的结肠炎及结肠肿瘤发生进程[64]。另一代谢物N-乙酰亚精胺则通过调控补体蛋白C3的糖基化修饰,抑制其分泌,从而缓解肠道炎症[65]。赖氨酸代谢产物N-乙酰赖氨酸则能抑制小胶质细胞的炎症因子释放,对多发性硬化症患者,尤其是女性,表现出神经抗炎潜力[66]。这些发现提示,通过膳食或益生菌干预提升特定多胺水平,可能成为支持免疫健康的可行策略。

2.3.2 肿瘤微环境调控

多胺在肿瘤微环境中具有双重调控特性。一方面,它们可通过促进免疫抑制细胞功能、抑制T细胞与NK细胞活性,并增强肿瘤细胞在缺氧下的存活,从而支持肿瘤进展[67]。因此,靶向多胺代谢被认为是一种潜在的治疗策略,可用于逆转免疫抑制并增强抗肿瘤免疫反应。然而,近年也有研究显示,补充膳食多胺可以抑制肿瘤,一项大规模人群研究显示,较高的膳食多胺摄入量与绝经后女性结直肠癌风险降低相关[68],而外源性精胺在某些条件下也可能促进肿瘤侵袭[69]。这表明多胺的最终生物学效应可能取决于其种类、剂量及肿瘤微环境背景,提示未来在肿瘤营养干预中需对膳食多胺的来源与剂量进行精细考量。

2.3.3 骨骼代谢调节

肠道菌群(如毛螺菌科)将精氨酸代谢为瓜氨酸,后者进入循环后可激活骨细胞中的NO-cGMP-Ca2+信号通路,从而增强成骨活性、抑制破骨细胞分化。该机制能显著提升骨骼对机械负荷的适应性,在骨质疏松模型中被证实可使骨密度提升30%以上[70]。这为开发以“营养-菌群-骨骼轴”为靶点的功能性食品,以支持骨骼健康提供了前瞻性依据。

2.3.4 能量稳态调控

在能量代谢方面,赖氨酸可经菌群代谢进入糖酵解旁路生成乳酸,后者在高强度运动或缺氧状态下作为重要的能量底物,被心肌和肝脏利用,并通过糖异生维持血糖稳态[71]。乳酸还可被韦荣球菌(Veillonella)等共生菌进一步转化为丙酸,后者被证实可增强运动耐力[72]。此外,菌群代谢产生的短链脂肪酸(如丁酸盐)能通过激活PPARγ受体,改善胰岛素敏感性并抑制脂肪积累[73]。值得注意的是,赖氨酸代谢本身有助于优化菌群结构,如增加普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)等有益菌丰度,减少克罗诺杆菌(Cronobacter)等潜在有害菌丰度,从而间接维护代谢稳态[74]。这一系列发现凸显了通过膳食氨基酸与益生元/益生菌协同干预,以调节宿主能量代谢的潜在价值。

3 总结与展望

本研究系统阐述了氨基酸与肠道菌群的相互作用及其对人体健康的影响,特别关注其在食品营养与健康领域的应用价值。氨基酸作为食品蛋白的重要组成部分,不仅为宿主生理活动提供必需营养,同时也为肠道菌群提供了关键的代谢底物。肠道菌群通过特有的代谢途径,将膳食中的芳香族氨基酸、支链氨基酸、精氨酸及赖氨酸等转化为多种具有生理活性的代谢产物,包括吲哚类衍生物、支链短链脂肪酸和多胺等。这些代谢产物通过激活AhR、PXR等信号通路,在维护肠道屏障、调节免疫、保护神经和维持代谢健康等方面发挥着重要作用,为功能性食品的开发提供了新的靶点和科学依据。

目前,基于氨基酸-菌群轴的功能食品研发面临若干挑战。首先,不同膳食蛋白来源的氨基酸组成差异及其对菌群代谢网络的影响尚不明确,制约了精准营养配方的设计。其次,功能性代谢产物在食品加工和储存过程中的稳定性、生物利用度等关键技术参数亟待建立。此外,现有研究多基于动物实验,缺乏针对不同人群肠道菌群特征的临床验证,难以实现个性化营养干预。未来需要加强食品科学与肠道微生态的交叉研究,推动基于氨基酸-菌群互作的创新型功能食品开发,为预防慢性疾病和促进健康老龄化提供有效的营养解决方案。

未来可围绕精准营养与功能食品创新展开研究:1)运用多组学技术,系统阐明不同氨基酸代谢途径间的交叉调控关系,识别菌群-宿主共代谢中的关键节点与限速步骤,为靶向性营养干预提供理论依据;2)结合肠道菌群分型与代谢组学特征,开展大规模人群队列研究,明确关键代谢产物的剂量-效应关系及个体差异的形成机制,推动营养干预的精准化与个性化;3)加强对特殊氨基酸(修饰氨基酸、D-型氨基酸等)与肠道菌群互作机制的研究,填补该领域知识空白,为开发具有新功能特性的食品成分开辟路径;4)通过合成生物学技术改造益生菌、优化膳食氨基酸配比等手段,开发基于氨基酸-菌群轴的功能性食品与特殊医学用途配方食品,并开展临床验证,构建从基础研究到产品开发的完整转化链条。

参考文献：

[1] GUNARATHNE R, GUAN X, FENG T, et al. L-lysine dietary supplementation for childhood and adolescent growth: promises and precautions[J]. Journal of Advanced Research, 2025, 70: 571-586.

[2] MARTNEZ Y, LI X, LIU G, et al. The role of methionine on metabolism, oxidative stress, and diseases[J]. Amino Acids, 2017, 49(12): 2091-2098.

[3] LV Z Q, SHI W B, ZHANG Q. Role of essential amino acids in age-induced bone loss[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(19): 11281.

[4] MAO X B, ZENG X F, QIAO S Y, et al. Specific roles of threonine in intestinal mucosal integrity and barrier function[J]. Frontiers in Bioscience, 2011, 3(4): 1192-1200.

[5] HOLEEK M. Branched-chain amino acids in health and disease: metabolism, alterations in blood plasma, and as supplements[J]. Nutrition &Metabolism, 2018, 15: 33.

[6] WALKER M C, VAN DER DONK W A. The many roles of glutamate in metabolism[J]. Journal of Industrial Microbiology &Biotechnology, 2016, 43(2/3): 419-430.

[7] JINAP S, HAJEB P. Glutamate. Its applications in food and contribution to health[J]. Appetite, 2010, 55(1): 1-10.

[8] MA E H, BANTUG G, GRISS T, et al. Serine is an essential metabolite for effector T cell expansion[J]. Cell Metabolism, 2017, 25(2): 345-357.

[9] WU G Y, BAZER F W, DAVIS T A, et al. Arginine metabolism and nutrition in growth, health and disease[J]. Amino Acids, 2009, 37(1): 153-168.

[10] DAS J, GHOSH J, MANNA P, et al. Taurine protects rat testes against NaAsO(2)-induced oxidative stress and apoptosis via mitochondrial dependent and independent pathways[J]. Toxicology Letters, 2009, 187(3): 201-210.

[11] FROGER N, MOUTSIMILLI L, CADETTI L, et al. Taurine: the comeback of a neutraceutical in the prevention of retinal degenerations[J]. Progress in Retinal and Eye Research, 2014, 41: 44-63.

[12] NGO D H, VO T S. An updated review on pharmaceutical properties of gamma-aminobutyric acid[J]. Molecules, 2019, 24(15): 2678.

[13] LIU Y L, HOU Y L, WANG G J, et al. Gut microbial metabolites of aromatic amino acids as signals in host-microbe interplay[J]. Trends in Endocrinology &Metabolism, 2020, 31(11): 818-834.

[14] CERVENKA I, AGUDELO L Z, RUAS J L. Kynurenines: tryptophan’s metabolites in exercise, inflammation, and mental health[J]. Science, 2017, 357(6349): eaaf9794.

[15] CHEN H W, NWE P K, YANG Y, et al. A forward chemical genetic screen reveals gut microbiota metabolites that modulate host physiology[J]. Cell, 2019, 177(5): 1217-1231.

[16] PESSIONE E, PESSIONE A, LAMBERTI C, et al. First evidence of a membrane-bound, tyramine and beta-phenylethylamine producing, tyrosine decarboxylase in Enterococcus faecalis：a two-dimensional electrophoresis proteomic study[J]. Proteomics, 2009, 9(10): 2695-2710.

[17] WILLIAMS B B, VAN BENSCHOTEN A H, CIMERMANCIC P, et al. Discovery and characterization of gut microbiota decarboxylases that can produce the neurotransmitter tryptamine[J]. Cell Host &Microbe, 2014, 16(4): 495-503.

[18] HENRICK B M, RODRIGUEZ L, LAKSHMIKANTH T, et al. Bifidobacteria-mediated immune system imprinting early in life [J]. Cell, 2021, 184(15): 3884-3898.

[19] LAURSEN M F, SAKANAKA M, VON BURG N, et al. Bifidobacterium species associated with breastfeeding produce aromatic lactic acids in the infant gut[J]. Nature Microbiology, 2021, 6(11): 1367-1382.

[20] DODD D, SPITZER M H, VAN TREUREN W, et al. A gut bacterial pathway metabolizes aromatic amino acids into nine circulating metabolites[J]. Nature, 2017, 551(7682): 648-652.

[21] RUSSELL W R, DUNCAN S H, SCOBBIE L, et al. Major phenylpropanoid-derived metabolites in the human gut can arise from microbial fermentation of protein[J]. Molecular Nutrition &Food Research, 2013, 57(3): 523-535.

[22] SMITH E A, MACFARLANE G T. Enumeration of human colonic bacteria producing phenolic and indolic compounds: effects of pH, carbohydrate availability and retention time on dissimilatory aromatic amino acid metabolism[J]. Journal of Applied Bacteriology, 1996, 81(3): 288-302.

[23] ROAGER H M, LICHT T R. Microbial tryptophan catabolites in health and disease[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 3294.

[24] MCCANN J R, RAWLS J F. Essential amino acid metabolites as chemical mediators of host-microbe interaction in the gut[J]. Annual Review of Microbiology, 2023, 77: 479-497.

[25] NEINAST M D, JANG C, HUI S, et al. Quantitative analysis of the whole-body metabolic fate of branched-chain amino acids[J]. Cell Metabolism, 2019, 29(2): 417-429.

[26] IKEDA T, KONISHI Y, ICHIHARA A. Transaminase of branched chain amino acids. XI. Leucine (methionine) transaminase of rat liver mitochondria[J]. Biochimica et Biophysica Acta, 1976, 445(3): 622-631.

[27] MA K, HUTCHINS A, SUNG S J, et al. Pyruvate ferredoxin oxidoreductase from the hyperthermophilic archaeon, Pyrococcus furiosus, functions as a CoA-dependent pyruvate decarboxylase[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1997, 94(18): 9608-9613.

[28] QIAO S S, LIU C, SUN L, et al. Gut Parabacteroides merdae protects against cardiovascular damage by enhancing branched-chain amino acid catabolism[J]. Nature Metabolism, 2022, 4(10): 1271-1286.

[29] DANIEL N, NACHBAR R T, TRAN T T T, et al. Gut microbiota and fermentation-derived branched chain hydroxy acids mediate health benefits of yogurt consumption in obese mice[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1343.

[30] EHLING S, REDDY T M. Investigation of the presence of β-hydroxy-β-methylbutyric acid and α-hydroxyisocaproic acid in bovine whole milk and fermented dairy pro-ducts by a validated liquid chromatography-mass spectrometry method[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014, 62(7): 1506-1511.

[31] QIU F M, HUANG J, SUI M H. Targeting arginine metabolism pathway to treat arginine-dependent cancers[J]. Cancer Letters, 2015, 364(1): 1-7.

[32] XIONG L F, TENG J, BOTELHO M, et al. Arginine metabolism in bacterial pathogenesis and cancer therapy[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2016, 17(3): 363.

[33] LIU Y Y, CHENG Y Y, THOMPSON J, et al. Decoding the role of the arginine dihydrolase pathway in shaping human gut community assembly and health-relevant metabolites[J]. Cell Systems, 2025, 16(5): 101292.

[34] THONGBHUBATE K, IRIE K, SAKAI Y M, et al. Improvement of putrescine production through the arginine decarboxylase pathway in Escherichia coli K-12[J]. AMB Express, 2021, 11(1): 168.

[35] MATTHEWS D E. Review of lysine metabolism with a focus on humans[J]. The Journal of Nutrition, 2020, 150: 2548S-2555S.

[36] LIU Y Y, CHEN H Q, VAN TREUREN W, et al. Clostridium sporogenes uses reductive Stickland metabolism in the gut to generate ATP and produce circulating metabolites[J]. Nature Microbiology, 2022, 7(5): 695-706.

[37] KIM J H, KIM H J, KIM Y H, et al. Functional study of lysine decarboxylases from Klebsiella pneumoniae in Escherichia coli and application of whole cell bioconversion for cadaverine production[J]. Journal of Microbio-logy and Biotechnology, 2016, 26(9): 1586-1592.

[38] BARKER H A, D’ARI L, KAHN J. Enzymatic reactions in the degradation of 5-aminovalerate by Clostri-dium aminovalericum[J]. Journal of Biological Chemistry, 1987, 262(19): 8994-9003.

[39] SCOTT S A, FU J J, CHANG P V. Microbial tryptophan metabolites regulate gut barrier function via the aryl hydrocarbon receptor[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020, 117(32): 19376-19387.

[40] WLODARSKA M, LUO C W, KOLDE R, et al. Indoleacrylic acid produced by commensal Peptostreptococcus species suppresses inflammation[J]. Cell Host &Microbe, 2017, 22(1): 25-37.

[41] POWELL D N, SWIMM A, SONOWAL R, et al. Indoles from the commensal microbiota act via the AHR and IL-10 to tune the cellular composition of the colonic epithelium during aging[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020, 117(35): 21519-21526.

[42] VENKATESH M, MUKHERJEE S, WANG H W, et al. Symbiotic bacterial metabolites regulate gastrointestinal barrier function via the xenobiotic sensor PXR and toll-like receptor 4[J]. Immunity, 2014, 41(2): 296-310.

[43] FANG Z F, PAN T, LI L Z, et al. Bifidobacterium longum mediated tryptophan metabolism to improve atopic dermatitis via the gut-skin axis[J]. Gut Microbes, 2022, 14(1): 2044723.

[44] ZHAO Z H, XIN F Z, XUE Y Q, et al. Indole-3-propio-nic acid inhibits gut dysbiosis and endotoxin leakage to attenuate steatohepatitis in rats[J]. Experimental &Molecular Medicine, 2019, 51(9): 1-14.

[45] WANG H C, HE Y, DANG D T, et al. Gut microbiota-derived tryptophan metabolites alleviate allergic asthma inflammation in ovalbumin-induced mice[J]. Foods, 2024, 13(9): 1336.

[46] ZHANG Q Q, ZHAO Q, LI T, et al. Lactobacillus plantarum-derived indole-3-lactic acid ameliorates colorectal tumorigenesis via epigenetic regulation of CD8+ T cell immunity[J]. Cell Metabolism, 2023, 35(6): 943-960.

[47] ROTHHAMMER V, MASCANFRONI I D, BUNSE L, et al. Type I interferons and microbial metabolites of tryptophan modulate astrocyte activity and central nervous system inflammation via the aryl hydrocarbon receptor[J]. Nature Medicine, 2016, 22(6): 586-597.

[48] CHYAN Y J, POEGGELER B, OMAR R A, et al. Potent neuroprotective properties against the Alzheimer β-amyloid by an endogenous melatonin-related indole structure, indole-3-propionic acid[J]. Journal of Biological Chemistry, 1999, 274(31): 21937-21942.

[49] LIU Z G, DAI X S, ZHANG H B, et al. Gut microbiota mediates intermittent-fasting alleviation of diabetes-induced cognitive impairment[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 855.

[50] HWANG I K, YOO K Y, LI H, et al. Indole-3-propio-nic acid attenuates neuronal damage and oxidative stress in the ischemic hippocampus[J]. Journal of Neuroscience Research, 2009, 87(9): 2126-2137.

[51] HENDRIKX T, DUAN Y, WANG Y H, et al. Bacteria engineered to produce IL-22 in intestine induce expression of REG3G to reduce ethanol-induced liver disease in mice[J]. Gut, 2019, 68(8): 1504-1515.

[52] CHEN Y, TIAN P J, WANG Z, et al. Indole acetic acid exerts anti-depressive effects on an animal model of chronic mild stress[J]. Nutrients, 2022, 14(23): 5019.

[53] PEI Z M, QIAN L, MIAO T L, et al. Uncovering the mechanisms underlying the efficacy of probiotic strains in mitigating food allergies: an emphasis on gut microbiota and indoleacrylic acid[J]. Frontiers in Nutrition, 2024, 11: 1523842.

[54] 宋博雅,姜涛,苟波,等. β-羟基-β-甲基丁酸对集训期间跆拳道运动员肌肉的保护[J]. 食品与机械, 2024, 40(7):141-147.SONG B Y, JIANG T, GOU B, et al. Effect of β-hydroxy-β-methylbutyric acid on muscle protection during taekwondo team training [J]. Food and Machinery, 2024, 40(7):141-147.

[55] MACFARLANE G T, GIBSON G R, BEATTY E, et al. Estimation of short-chain fatty acid production from protein by human intestinal bacteria based on branched-chain fatty acid measurements[J]. FEMS Microbiology Letters, 1992, 101(2): 81-88.

[56] FANG X Y, LIU H Y, LIU J L, et al. Isobutyrate confers resistance to inflammatory bowel disease through host-microbiota interactions in pigs[J]. Research, 2025, 8: 0673.

[57] TENG Y, LI J H, GUO J, et al. Alginate oligosaccharide improves 5-fluorouracil-induced intestinal mucositis by enhancing intestinal barrier and modulating intestinal levels of butyrate and isovalerate[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 276: 133699.

[58] 张航, 刘强, 王聪, 等. 2-甲基丁酸对犊牛小肠酶活及葡萄糖转运载体基因表达的影响[J]. 中国农业科学, 2016, 49(5): 979-987.ZHANG H, LIU Q, WANG C, et al. Effects of 2-methylbutyrate on digestive enzymes activities and gene expression of glucose cotransporter of small intestine in calves[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(5): 979-987.

[59] CHO K M, KIM Y S, LEE M Y, et al. Isovaleric acid ameliorates ovariectomy-induced osteoporosis by inhibiting osteoclast differentiation[J]. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 2021, 25(9): 4287-4297.

[60] HEIMANN E, NYMAN M, PÅLBRINK A K, et al. Branched short-chain fatty acids modulate glucose and lipid metabolism in primary adipocytes[J]. Adipocyte, 2016, 5(4): 359-368.

[61] 李云飞. 短链脂肪酸对秀丽隐杆线虫寿命的影响及分子机制的初步探究[D]. 长春: 长春理工大学, 2019.LI Y F. Effect of short-chain fatty acids on lifespan and its mechanism on C. elegans[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2019.

[62] WANG H C, FENG L, PEI Z M, et al. Gut microbiota metabolism of branched-chain amino acids and their metabolites can improve the physiological function of aging mice[J]. Aging Cell, 2025, 24(4): e14434.

[63] NIECHCIAL A, SCHWARZFISCHER M, WAWRZYNIAK M, et al. Spermidine ameliorates colitis via induction of anti-inflammatory macrophages and prevention of intestinal dysbiosis[J]. Journal of Crohn’s &Colitis, 2023, 17(9): 1489-1503.

[64] GOBERT A P, LATOUR Y L, ASIM M, et al. Protective role of spermidine in colitis and colon carcinogenesis[J]. Gastroenterology, 2022, 162(3): 813-827.

[65] YAO Y, PEI Z M, DAI Y Y, et al. Akkermansia muciniphila-derived N-acetylspermidine modulates the localization of intestinal α1, 2-fucosylated proteins to maintain gut homeostasis[J]. Advanced Science, 2025, 12(38): e06576.

[66] PENG H R, QIU J Q, ZHOU Q M, et al. Intestinal epithelial dopamine receptor signaling drives sex-specific disease exacerbation in a mouse model of multiple sclerosis[J]. Immunity, 2023, 56(12): 2773-2789.

[67] HOLBERT C E, CULLEN M T, CASERO R A J R, et al. Polyamines in cancer: integrating organismal metabolism and antitumour immunity[J]. Nature Reviews Cancer, 2022, 22(8): 467-480.

[68] VARGAS A J, ASHBECK E L, WERTHEIM B C, et al. Dietary polyamine intake and colorectal cancer risk in postmenopausal women 1 2[J]. The American Journal of Clinical Nutrition, 2015, 102(2): 411-419.

[69] DAI F J, YU W B, SONG J, et al. Extracellular polyamines-induced proliferation and migration of cancer cells by ODC, SSAT, and Akt1-mediated pathway[J]. Anti-Cancer Drugs, 2017, 28(4): 457-464.

[70] WANG D, CAI J, PEI Q L, et al. Gut microbial alterations in arginine metabolism determine bone mechanical adaptation[J]. Cell Metabolism, 2024, 36(6): 1252-1268.

[71] ÖSTMAN E M, ELMSTÅHL H G M, MOLIN G, et al. A diet based on wheat bread baked with lactic acid improves glucose tolerance in hyperinsulinaemic Zucker (fa/fa) rats[J]. Journal of Cereal Science, 2005, 42(3): 300-308.

[72] SCHEIMAN J, LUBER J M, CHAVKIN T A, et al. Meta-omics analysis of elite athletes identifies a perfor-mance-enhancing microbe that functions via lactate metabo-lism[J]. Nature Medicine, 2019, 25(7): 1104-1109.

[73] GAO Z G, YIN J, ZHANG J, et al. Butyrate improves insulin sensitivity and increases energy expenditure in mice[J]. Diabetes, 2009, 58(7): 1509-1517.

[74] HUANG W C, GUO Y S, GE C Y, et al. Beneficial effects of ε-polylysine on growth performance, antioxidant capacity, intestinal morphology, and gut microbiota in broilers fed a lysine-deficient diet[J]. Poultry Science, 2025, 104(2): 104774.

Research Progress on Regulatory Mechanism of Amino Acid-Gut Microbiota Interactions in Human Health

LU Wenwei1,2, PEI Zhangming1, CHEN Wei1,2,*

(1.State Key Laboratory of Food Science and Resources/School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;2.National Engineering Research Center for Functional Food, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract：Amino acids are key nutrients involved in human growth and development, metabolic regulation, and immune balance. Metabolic processes of amino acids are not only regulated by the host itself, but also closely associated with the metabolic activities of gut microbiota. Through diverse enzymatic systems and metabolic pathways, gut microbiota specifically transforms dietary-derived amino acids, forming a complex network that is both complementary to and synergistic with host metabolism, which plays a crucial role in maintaining bodily health. The specific metabolic pathways of aromatic amino acids, branched-chain amino acids, arginine, and lysine mediated by gut microbiota were systematically elaborated, including key reactions such as decarboxylation, transamination, and redox, with special focus on the probiotic genera possessing these metabolic functions. Meanwhile, the mechanisms by which bioactive substances (indole derivatives, branched-chain short-chain fatty acids, and polyamines) produced from amino acid metabolism by gut microbiota act in maintaining intestinal barrier function, regulating immune homeostasis, protecting neural function, modulating energy metabolism, and preserving cardiovascular and skeletal health were summarized. From the perspective of food nutrition and health, the molecular mechanisms and physiological significance of the interaction between amino acids and gut microbiota were deeply explored, providing important theoretical basis and application prospects for the development of precise nutritional intervention strategies such as functional foods and dietary supplements based on the amino acid-gut microbiota axis.

Keywords：amino acids; gut microbiota; metabolic interactions; indole derivatives; branched-chain amino acids; immune homeostasis; health regulation; dietary intervention

中图分类号：TS201.3; R151.4

文献标志码：A

doi：10.12301/spxb202500421

文章编号：2095-6002(2025)06-0017-11

引用格式：陆文伟,裴彰明,陈卫. 氨基酸与肠道菌群互作对人体健康的调控机制研究进展[J]. 食品科学技术学报,2025,43(6):17-27. LU Wenwei, PEI Zhangming, CHEN Wei. The role of amino acid-gut microbiota interactions in human health[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(6):17-27.

收稿日期：2025-08-14

基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFF1100203)。

Foundation: National Key Research and Development Program of China (2022YFF1100203).

第一作者：陆文伟,男,教授,博士,主要从事肠道微生态与营养健康方面的研究。

*通信作者：陈 卫,男,中国工程院院士,主要从事益生菌与肠道菌群方面的研究。

(责任编辑：张逸群)