【隆门分享】IF=64.797|色氨酸代谢组学在疾病中的应用
本文为隆门资本转载文章，原文作者为诺米代谢，版权归原文作者所有。
L-色氨酸(Trp)代谢通过肾素途径(KP)参与免疫调节、神经元功能调节和肠道稳态调节过程。从癌症到神经退行性疾病，色氨酸代谢失衡引发了针对KP的研究，特别是限制酶吲哚胺2,3-双加氧酶1(IDO1)、IDO2和色氨酸2,3-双加氧酶(TDO)以及犬尿氨酸单加氧酶(KMO)。
诺米代谢为大家分享一篇发表在Nature Reviews Drug Discovery杂志（影响因子64.797）的文章，该文章综述了色氨酸代谢在生理和病理方面的作用，强调了药物开发在多种疾病中的巨大机遇和挑战。
文章题目
Tryptophan metabolism as a common therapeutic target in cancer neurodegeneration and beyond
发表期刊
Nature Reviews Drug Discovery
（IF=64.797）
发表时间：2019
研究背景
色氨酸(Trp)是人体必需氨基酸。Trp及其代谢物在不同的生理过程中，作为神经递质和信号分子，从细胞生长到维护，作为构建蛋白质、协调有机环境和饮食的重要物质。
人体内游离色氨酸的水平取决于摄食量和几种色氨酸代谢途径的活动。一小部分由TRP用于蛋白质合成和生产5-羟色胺等神经递质和神经调质，如色胺，超过95%的TRP犬尿氨酸通路的降解，生成不同生物活性代谢产物。犬尿氨酸(Kyn)途径是通过吲哚胺-2,3-双加氧酶1 (IDO1)、IDO2和色氨酸-2,3-双加氧酶(TDO)将色氨酸酶转化为N-甲酰基基嘌呤(NFK)，这些酶消耗色氨酸影响了细胞功能和生长。反过来，这些酶的活性导致KP代谢产物的积累，主要是Kyn。Kyn可由犬尿氨酸酶 (KYNU)转化为邻氨基苯甲酸(AA)，由犬尿素转氨酶(kti - katiii)转化为犬尿喹啉酸(KA) 。Kyn可能通过线粒体天冬氨酸转氨酶(由GOT2编码)转化为KA，后者对控制神经保护KA的产生至关重要。
犬尿氨酸单加氧酶 (KMO)独立控制Kyn转化为具有神经活性和神经毒性的KP代谢物，包括喹啉酸(QA)。QA可能被某些细胞转化为能量代谢中的关键辅酶NAD+，但这种由KP产生的NAD+的生理重要性尚不清楚，色氨酸代谢产物在神经生理学和免疫学中的多种功能已经得到了广泛的研究。
图1 色氨酸分解代谢，关键靶点和正在开发的药物
色氨酸代谢产物的生理作用
1. 色氨酸代谢产物对神经元功能的影响
KP的色氨酸代谢产物表现出不同的神经活性特性(图2)。然而喹啉酸刺激兴奋的N-甲基-d-天冬氨酸(NMDA)受体，KA作为所有三种离子性谷氨酸受体的拮抗剂，被认为是内源性负变构 α7烟碱受体调节因子(α7nAChRs)。尽管区域细胞类型特异的受体表达和分布有差异，KP代谢物可以解释特定漏洞的神经元对KP代谢物的影响。此外，朱砂胂酸(CA)和XA最近被证实与代谢性谷氨酸(mGlu)受体相互作用。通过mGlu4受体的直立位激动作用，CA已被证明可以保护兴奋性毒性神经元细胞死亡，而XA在实验小鼠模型中通过激活mGlu2和mGlu3受体发挥抗精神病类作用。结果表明，这些神经活性KP代谢物之间的平衡可能在神经退行性和神经精神疾病中发挥作用。例如，QA在阿尔茨海默病(AD)斑块中积累，并通过NMDA介导的兴奋毒性诱导神经退行性变，而神经抑制性KP代谢物KA参与了精神分裂症的认知功能障碍。
图2 色氨酸代谢产物的神经活性
自发现其免疫抑制作用以来，越来越多的结论支持IDO1在免疫调节中的关键作用。TDO的激活与IDO1的反应相同，同样通过抑制T细胞增殖、限制肿瘤免疫浸润和抑制抗肿瘤免疫来影响免疫应答。虽然IDO1相关酶IDO2可能支持IDO1介导的免疫耐受，但IDO2酶的生理功能在涉及KP活性的疾病条件下的作用尚不清楚。
色氨酸降解可以认为是通过形成免疫抑制色氨酸分解代谢产物和通过色氨酸消耗来抑制免疫细胞的过程。Trp极度缺乏导致不带电荷的tRNAs积累，激活GCN2激酶通路，导致T细胞功能障碍。然而，即使是在强制双加氧酶表达的情况下，局部微环境中的Trp水平也不会下降到足以激活GCN2的水平。因此，Trp代谢的免疫调节特性主要是KP代谢产物的结果。
多个研究表明，IDO1通过促进调节性T(Treg)细胞的激活或分化来抑制T细胞反应。Kyn通过激活芳香烃受体(AHR)诱导Treg细胞，AHR是一种配体激活的转录因子，对免疫细胞发挥强有力的作用，参与Treg细胞的分化。IDO1或TDO下游产生的一些Trp代谢物，如Kyn10、37、KA41、XA42和CA43，可以激活AHR，并可能参与IDO1或TDO观察到的免疫调节。Kyn直接结合并激活AHR， Kyn缩合产物在低微摩尔水平上具有高亲和力。类似的机制是否也适用于其他激活AHR的极性代谢物，如KA还有待进一步研究。AHR也是DCs中诱导调节表型的关键因素。在T细胞耐受性的相互作用中，Kyn既是传出介质，也是传入介质。
3. 环境对色氨酸代谢产物的影响
色氨酸除了作为一种营养增强剂外，还在肠道免疫耐受和肠道菌群维持之间的平衡中发挥着重要作用。Trp在小肠被摄取，但到达结肠的部分可被肠道细菌分解，产生多种吲哚衍生物，在生态平衡中发挥重要作用。（图3）
色氨酸代谢产物可作为微调宿主免疫反应的信号分子，其他代谢物可能作为细菌间通讯和群体感应的信号分子，在对抗感染中尤为重要。与此同时，宿主的色氨酸代谢产物可能会塑造微生物群落和特定病原体的持久性。此外，研究表明，除了内源性宿主来源的Trp代谢物，AHR可以结合细菌分解色氨酸的代谢物(包括吲哚、吲哚丙酸、吲哚乙酸和色胺)，在中枢神经系统局部和远端调节炎症和疾病中发挥作用。
图3 参与色氨酸分解代谢的关键器官
4. 衰老过程中的色氨酸代谢
一些食物感应信号通路，包括胰岛素/胰岛素样生长因子(IIS)通路和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路，已经被证明可以调节模型生物的寿命，与KP也有类似的关联性。在人类中，Kyn：Trp比率，通路活性的指示，随着年龄的增长而增加。这种增加与65岁以上人群的虚弱有关，可以用来预测90岁以上人群的死亡率。此外，一项对成年人外周血中年龄相关基因表达变化的meta分析发现，Kyn酶是表达差异最大的基因之一。在对线虫的后续研究中，通过RNA干扰(RNAi)敲除Kynu比敲除任何其他差异表达基因更能延长寿命，这表明一个重要的Kynu对67岁老人的贡献。在线虫和果蝇的TDO活动的遗传减少，导致Trp：Kyn比率的增加，延长寿命。这些研究表明KP的活动和衰老之间的因果关系，不过KP调节衰老的机制尚不清楚。包括色氨酸在内的氨基酸在调节寿命方面的作用已经在大鼠和无脊椎动物、脊椎动物等模型中得到了阐述。
在大多数这种情况下，延长寿命的原因是色氨酸可用性降低或细胞摄取受阻(例如，由药物布洛芬引起)。然而，这种机制可能与TDO抑制的发现相悖，TDO抑制可以增加Trp延长寿命。此外，用Kyn喂养果蝇会缩短寿命，这表明该途径下游的代谢水平可能也参与了寿命的调节。线虫中TDO损耗对延长寿命的影响取决于FOXO转录因子DAF-16，它是寿命调节通路的中介，如IIS驱动细胞防御通路，这表明它在保护细胞免受损伤方面发挥了作用。同样由TDO缺失引起的线虫对年龄相关蛋白毒性的保护并不依赖于DAF-16，也不依赖于KP中的下游酶。这一观察结果表明，延长寿命的效应可能是这种保护的结果，或者是由一个独立的机制引起的。
由于NAD+是一种潜在的延长寿命的分子，KP的改变可能通过NAD+具有延长寿命的作用。然而，无脊椎动物更长的寿命是KP活性降低的结果，而其他NAD+前体的外部供应延长了寿命，这表明增加KP活性也会有好处。要理解这些看似矛盾的发现，还需要更多的研究。IDO1或TDO的敲除小鼠模型对于进一步研究KP的寿命调节机制和潜在的治疗靶点有重要价值。
中枢神经系统退行性疾病
1. 神经退行性疾病中的色氨酸代谢
色氨酸代谢与多种神经退行性疾病有关，包括亨廷顿病(HD)、阿尔茨海默病(AD)、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和帕金森病(PD)。尽管病理生理触发因素各不相同，但所有疾病的共同特征是聚集倾向蛋白引起的神经元变性，导致细胞应激和有害的先天免疫反应。研究表明，就这些病理特征而言，具有高个体内变异性的衰老和神经退行性疾病之间存在相当大的重叠。神经退行性疾病患者的色氨酸代谢具有不同程度的活性，但尚不清楚这是主要易感体质的结果，还是神经退行性疾病的结果，或间接先天免疫激活的结果。流行病学研究表明，KP的激活与痴呆风险的增加有关。然而，要从生理衰老中明确区分出来是较为困难的。另一方面，炎症激活KP可能提供了神经炎症和多发性硬化等疾病中的神经退行性变之间的关系。色氨酸代谢介导的神经退行性变的潜在机制包括色氨酸依赖机制引起的蛋白毒性、神经毒性。在黑腹大鼠PD和HD模型中，缺失TDO或KMO可产生神经保护作用。
2. 神经精神疾病中的色氨酸代谢
KP的不平衡，导致具有特定神经活性特性的代谢物过量会引发各种神经精神疾病。例如，重度抑郁症与KP的3-羟基肾素(3HK)分支代谢的增加有因果关系，导致大脑中神经毒性QA的水平较高。同样，与KA和吡啶甲酸相比，QA水平的升高也与自杀倾向有关。心理社会压力、感染或细胞因子治疗引起的免疫激活会导致抑郁症状。在小鼠中，通过IDO1抑制或敲除可以减轻类似抑郁的行为，而且对细胞因子诱导的抑郁易感性与IDO1基因的多态性有关。因此，系统的IDO1激活被认为参与了抑郁症3HK分支的激活，但目前有待进一步研究为什么KA和QA在IDO1诱导反应中没有同样上调。
相比之下，精神分裂症和精神病可能是由NMDA受体拮抗剂KA的形成增加引起的。在精神分裂症患者死后的大脑和脑脊液中检测到KA水平升高。增加的KA水平与精神分裂症中观察到的认知缺陷有关，而KA形成的减少与认知功能的改善有关。发育的大脑中的神经炎症与精神分裂症特有的认知缺陷有关。KMO基因的单核苷酸多态性与精神分裂症和双相情感障碍相关，这表明KP 3HK分支通量的减少可能使Kyn向KA转化，而KA的积累与这些疾病有关。然而，Kyn和KP代谢物的末梢循环是高度动态的，受多种外源性因素如感染、饮食和药物影响。
传染病
1. 感染性疾病的色氨酸代谢
目前研究表明色氨酸代谢在宿主病原体相互作用和形成宿主微生物群中作为免疫应答的重要调节因子发挥了关键作用。色氨酸代谢，通过特定的色氨酸代谢酶，在细菌、病毒、真菌和寄生虫感染的部位增加。IDO1通常在较低的基础水平上表达，在APCs(如树突状细胞(DCs)和巨噬细胞)中观察到IDO1的增加，响应多种微生物的刺激，包括Toll受体(TLR)配体(例如，脂多糖(LPS)， CpG寡核苷酸和多肌苷-胞苷酸(poly(I:C))。此外，炎症刺激，如I型和II型干扰素、肿瘤坏死因子(TNF)、前列腺素和膜结合分子，已被报道在特定的APC类型中诱导IDO1
在传染病中，IDO1活性具有多效性，是一把双刃剑。IDO1的作用是消耗色氨酸，同时对急性感染期间未被清除的微生物或那些能够重新激活色氨酸生物合成的微生物，造成一种Kyn依赖的免疫抑制状态。因此，有研究表明色氨酸缺陷型病原体对CD4+ T细胞激活的巨噬细胞敏感。色氨酸的微生物营养不足会在特定的环境条件下消失。某些微生物可以在特定的胁迫条件下重新获得合成这种必需氨基酸的能力。此外，天然能够合成色氨酸的微生物菌群可以在特定的感染过程中扩大，在缺乏色氨酸的条件下提供额外的这种必需氨基酸供应。最近的研究发现，特定的病原体，如结核分枝杆菌，可以在应激条件下重新获得合成Trp的能力，从而抵消IDO1饥饿驱动的抗菌作用。
除了调节病原体负荷外，通过IDO1活性的Trp代谢对抑制免疫病理也是至关重要的。在这方面，最近对肠道微生物群的研究发现，Trp代谢与通过微生物或细菌毒力因子作为AHR配体激活黏膜屏障表达的AHR之间存在重要联系。与IDO1相比，人们对IDO1同系物IDO2的表达及其在类似环境中的功能重要性了解较少。此外，TDO在感染过程中的潜在作用也很少受到关注。LPS刺激小鼠肝脏TDO表达增加，TDO缺陷小鼠对内毒素刺激更敏感。在弓形虫和金黄色葡萄球菌感染的体外研究中，已经报道了TDO依赖的抗菌和免疫调节作用。代谢组分析显示原发性登革热感染患者的TDO激活发生变化。因此，在宿主细胞三种不同的色氨酸分解酶中，IDO1的影响已经在几个临床前感染模型中得到了讨论，如前所述。其中，IDO1可以抑制某些细胞内寄生虫和细菌的复制，如弓形虫、衣原体和多诺瓦利什曼原虫在体内的复制。
据报道IDO1活性在体外抑制特定病毒的复制，如人类巨细胞病毒(CMV)、2型单纯疱疹病毒和牛痘病毒。然而，在体内的情况可能不同，病毒感染可能诱导IDO1和KP逃避宿主的免疫应答。因此，病原体可能会劫持IDO1的免疫抑制效果，并使用它们来促进自己的生命周期。在这方面，尿致病性大肠杆菌(UPEC)诱导IDO1进入尿路上皮细胞，而Trp分解代谢的免疫应答被抑制，使得UPEC能够成功定植。此外，像HIV-1这样的病毒利用IDO1的免疫抑制活性来建立HIV慢性感染。KP活性的增加也与丙型肝炎病毒感染患者进展性肝硬化有关。
在这种情况下，色氨酸代谢途径在培养保护性耐量中起着关键作用，是白色念珠菌和烟曲霉等真菌生成稳态所必需的。肠道微生物群从膳食色氨酸中产生的吲哚类化合物能够激活AHR，调节致病菌的毒性，从而通过限制病原体或化学应激引起的结肠炎来保护宿主。
图4 色氨酸代谢的免疫作用
自身免疫病
自身免疫是中枢(胸腺)自身耐受性发育失败和外周耐受性维持不足的结果。免疫腔室中的Trp代谢主要由IDO1启动，IDO1是主要的促炎刺激靶基因。在这方面，IDO1介导的Trp降解可被视为调节过度免疫反应的关键反馈机制，过度免疫反应是自身免疫性疾病的标志。研究表明，人类自身免疫性疾病是由免疫和/或基质细胞在炎症刺激下无法上调IDO1引起的。然而，与自身免疫相关的IDO上调中构成缺陷的潜在原因有待进一步研究。分析发现IDO1和IDO2基因的多态性分别与克罗恩病的严重程度和风险相关。相比之下，IDO2多态性与多发性硬化症无关。需要进一步的研究来确定组织中上调色氨酸代谢的构成性或诱导性缺陷是否会导致组织特异性自身免疫。对自身免疫性疾病多发性硬化症、类风湿性关节炎、狼疮和自身免疫性糖尿病小鼠模型的许多研究表明，色氨酸代谢在调节疾病活动方面具有相关性。综上所述，这些研究表明IDO1在组织驻髓细胞中表达，限制了对自身抗原和炎症病理的先天和适应性免疫。然而，在自发性类风湿关节炎动物模型中，使用D/L-1-MT对IDO1进行药理抑制可减轻疾病的严重程度，这可能是由于自身反应性B细胞激活减少的结果。例如，在B细胞免疫抑制细胞因子IL-10的表达依赖于IDO1，表明IDO1不仅引发免疫抑制机制，同时协调复杂的免疫调节炎症反应。
虽然IDO1介导的免疫调节的主要作用被认为是由局部组织炎症微环境的活性驱动的，但在自身免疫性疾病患者中观察到系统性的色氨酸代谢激活。在干燥综合征患者中，血清中的Trp降解增强，并与循环Treg细胞频率增加有关。相比之下，多发性硬化症患者血清中IDO1活性与健康对照组没有显著差异，但抗炎治疗降低了IDO1活性。由于系统IDO1活性可受过多的非特异性和难以控制的刺激影响，包括感染、压力和营养，可通过循环Trp代谢物监测组织特异性自身免疫将具有一定挑战性。然而，对血清中KP代谢组的更详细分析不仅揭示了KP在多发性硬化患者中的激活，而且还表明KP活性的程度与疾病的严重程度相关。因此，KP活性可能作为一个预测的生物标志物，能够指导多发性硬化的治疗。
癌症
多项研究表明色氨酸代谢在癌症中具有重要作用，通过抑制抗肿瘤免疫反应促进肿瘤进展，并增加癌细胞的恶性特性。首先，色氨酸降解酶在多种癌症中表达。IDO1在大约58%的人类肿瘤中表达，它的表达与不同类型癌症的不良临床结果相关，包括黑色素瘤、妇科癌症、结肠癌。IDO1的表达可以作为对肿瘤浸润免疫细胞释放的细胞因子的反调节机制诱导，也可以通过肿瘤固有的致瘤信号通路维持其表达。TDO与IDO1具有相同的催化作用，在神经胶质瘤、黑色素瘤、卵巢癌、肝癌、乳腺癌、非小细胞肺癌、肾细胞癌和膀胱癌中均有表达，并已被证明促进肿瘤发展。
在成人T细胞白血病、结直肠癌、妇科癌症、恶性黑色素瘤、肺癌和恶性胶质瘤患者中检测到全身Trp水平降低。在这些癌症患者的血液中较少观察到高浓度的KP代谢物，这可能表明在肿瘤微环境中Kyn和下游代谢物更多的局部受限变化。
有研究表明Trp降解在调节Treg细胞和免疫细胞浸润癌症中的作用。FOXP3+ Treg细胞与表达IDO1的宫颈癌引流淋巴结DCs直接接触，在转移性胰管腺癌、急性髓系白血病(AML)和非霍奇金淋巴瘤患者中，IDO1的表达与CD4+CD25+FOXP3+ Treg细胞增加有关。此外，IDO1的表达分别与结直肠癌、卵巢癌和子宫内膜癌患者CD3+ T细胞、CD8+ T细胞和CD3+和CD8+ T细胞以及CD57+自然杀伤细胞的低肿瘤浸润相关。最近的一项研究表明，肿瘤再生细胞将Kyn转移到CD8+ T细胞，进而以AHR依赖的方式上调程序性细胞死亡蛋白1 (PD-1)。总之，这些观察结果为Trp代谢在肿瘤细胞免疫逃逸中的作用提供了一个机制的解释。
研究表明色氨酸代谢产物能有效促进癌细胞的运动和转移。例如，体外研究表明，TDO在胶质母细胞瘤或乳腺癌细胞中的表达可促进肿瘤细胞的迁移和侵袭。同样，IDO1的过表达增强了肺癌细胞的活动性，而敲除则降低了活动性。这种前迁移表型也反映在临床前模型中Trp降解促进转移形成。药理TDO抑制降低了肺癌小鼠模型肺肿瘤结节的数量。此外，植入小鼠的人肺癌细胞中IDO1过表达增加了脑、肝和骨的转移形成，而IDO1缺失降低了乳腺癌衍生的肺转移小鼠模型的转移负担并改善了生存率。此外，当依赖于锚定的细胞从周围的细胞外基质分离时，TDO AHR信号轴有助于抵抗程序性细胞死亡，这是转移的关键步骤。最后，肿瘤内IDO1的表达与结直肠癌肝转移、肝细胞癌远处转移和子宫内膜癌淋巴结转移的频率相关。
研究表明通过Trp 新生途径产生的NAD+在癌症生物学中发挥作用。在小鼠中，Trp代谢受损导致肝脏的新生NAD+合成受到抑制，从而通过DNA损伤促进肝脏肿瘤的发生。在人类胶质瘤中，由Trp产生的NAD+能够抵抗放化疗诱导的氧化应激。胶质瘤细胞与小胶质细胞合作产生NAD+。此外，在人类癌细胞中，IDO1通过产生NAD+参与改善DNA修复和介导治疗耐药，如PARP抑制剂奥拉帕尼、γ辐射和化疗药物顺铂。因此，抑制色氨酸代谢也可能通过新生NAD+的形成来预防治疗耐药性；然而，这种作用可能是由组织特异性或细胞特异性，取决于NAD+合成所需的KP酶的表达，因此需要进一步的研究。
结论
缺乏对免疫抑制色氨酸代谢的确切下游效应机制的清晰认识是药物开发的主要障碍。中枢神经系统中色氨酸代谢的精细调控是药物传递到中枢神经系统之外靶向治疗的关键挑战。鉴于KP的深刻划分和非特定的环境因素的敏感性，进一步的研究需要解决的重要问题系统针对KP的酶是否合理和足够的治疗神经精神和神经退行性疾病有足够的功效。最后，治疗性靶向色氨酸代谢超出了酶抑制剂的发展。这里，病毒传递或关键酶的发展合成的KP代谢物可能提供额外的治疗选择，具有更好的特异性和有效性。
随着对色氨酸代谢在多种疾病(如神经退行性变、自身免疫和癌症)中的关键作用逐步增加，显示出色氨酸代谢是很有前途的治疗靶点。虽然药物开发项目主要集中在免疫肿瘤学中IDO1和TDO抑制剂的开发，但有一些新靶点和适应症在迅速发展，如急性胰腺炎中KMO抑制剂的开发。色氨酸代谢有明确的分区，在制定治疗策略和识别生物标志物时必须考虑到这一点。此外，随着中间代谢物相关性的确定和KP中多个步骤的严格酶促调控，药物靶向和监测的复杂性增加。抛开这些问题，未来的研究和临床试验将进一步阐明KP的成药性。
