支鏈氨基酸代謝在心血管疾病中作用的研究進展▲

李雙玲 王志華

(武漢大學人民醫(yī)院1 心血管內(nèi)科,2 中心實驗室，湖北省武漢市 430060，電子郵箱：xiangzhihuawang@whu.edu.cn)

【提要】 支鏈氨基酸由亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸3種必需氨基酸組成，不能由體內(nèi)直接合成，依賴于從食物中的攝取。支鏈氨基酸的代謝過程涉及多個復雜的酶促反應(yīng)，代謝組學技術(shù)的發(fā)展使支鏈氨基酸與人類慢性疾病之間關(guān)系的研究不斷深入，血漿支鏈氨基酸已被認為是心血管疾病、糖尿病等多種慢性疾病的潛在生物標志物。本文就支鏈氨基酸與心血管疾病關(guān)系的研究進展進行綜述，探討支鏈氨基酸代謝異常在心力衰竭、冠心病、高血壓等疾病中的作用，為心血管疾病的治療提供新的靶點。

支鏈氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)由亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸組成，屬于必需氨基酸。BCAA含量十分豐富，人體所有必需氨基酸中大約有35%為BCAA[1]。BCAA氧化代謝活動廣泛發(fā)生在骨骼肌、脂肪、肝臟、腎臟、心肌等組織中[2]，BCAA代謝通路需要超過40種線粒體酶的參與，代謝酶活性需精確調(diào)控，這對維持BCAA代謝穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[3]。BCAA代謝穩(wěn)態(tài)對機體生理調(diào)節(jié)具有重要作用，BCAA參與蛋白質(zhì)的合成、分解、代謝以及全身能量供給，可激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號通路，調(diào)控多種物質(zhì)代謝，BCAA代謝異?？蓪е露喾N系統(tǒng)疾病的發(fā)生[1]。研究表明[1]，BCAA代謝與心血管疾病發(fā)生、發(fā)展和預后密切相關(guān)，血漿BCAA及其代謝產(chǎn)物可能成為診斷心血管疾病的潛在生物標志物，BCAA代謝酶也可成為心血管疾病新的治療靶點，改善心臟功能。

1 BCAA的代謝

BCAA不能在體內(nèi)直接合成，依賴于從食物中攝取，因此體內(nèi)BCAA代謝穩(wěn)態(tài)的維持主要依靠腸道吸收和組織降解之間的平衡。研究表明，腸道菌群直接或間接參與BCAA的生物合成，將肥胖人群糞便轉(zhuǎn)移到無菌小鼠體內(nèi)，小鼠血漿BCAA明顯增加[4]。BCAA的3種氨基酸成分在各組織分解代謝過程中共享同一通路。BCAA分解代謝活動發(fā)生在骨骼肌、脂肪、心肌等多種組織中，可能與肝臟中肝細胞轉(zhuǎn)氨酶缺乏有關(guān)[2]。支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶(branched-chain amino transferase，BCAT)含有兩種同工酶，即BCAT1和BCAT2，其中BCAT1位于細胞質(zhì)中，而BCTA2位于線粒體中。BCAT可催化BCAA發(fā)生可逆氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成支鏈酮酸，生成的支鏈酮酸運輸至肝臟，這是BCAA代謝的主要場所。肝臟中支鏈酮酸脫氫酶復合物(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex,BCKDC)催化支鏈酮酸不可逆氧化脫羧，最終形成乙酰輔酶A和琥珀酰輔酶A，進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid,TCA)，參與氧化供能[3]。BCAA分解代謝過程主要由限速酶BCKDC調(diào)節(jié)，BCKDC位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)中，是由3個亞基E1、E2和E3組成的多蛋白酶[4]，其中E1亞基的磷酸化與支鏈酮酸脫氫酶(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase，BCKD)的激酶活性密切相關(guān)。BCKD激酶和磷酸酶連接至E1亞基并共同調(diào)節(jié)BCKDC的活性，BCKD激酶磷酸化E1，抑制BCKDC活性，而BCKD磷酸酶去磷酸化E1，激活BCKDC[4]。

2 BCAA代謝與疾病的關(guān)系

BCAA代謝穩(wěn)態(tài)對人體健康具有重要意義。研究表明，BCAA的過量攝入與多種疾病密切相關(guān)，血漿BCAA及代謝產(chǎn)物積累對人體直接產(chǎn)生毒害作用，并間接通過調(diào)控食物攝入和物質(zhì)代謝縮短個體壽命[5]。在負能量平衡的情況下飲食補充BCAA對健康有潛在的促進作用，對營養(yǎng)缺乏的目標人群產(chǎn)生積極影響[6]。BCAA可參與維持機體腸道健康、人體正常的免疫功能和營養(yǎng)物質(zhì)代謝[6]。BCAA不僅可以作為合成原料參與蛋白質(zhì)的生物合成，也能作為信號分子參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導[6-7]。亮氨酸可激活mTOR信號通路，引起mTOR信號通路下游蛋白真核起始因子4E結(jié)合蛋白1(eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1,4E-BP1)和 p70核糖體蛋白S6激酶Ⅰ(p70 ribosomal S6 kinase 1,S6K1)磷酸化，促進轉(zhuǎn)錄的mRNA在核糖體內(nèi)的翻譯過程，使得細胞內(nèi)蛋白合成增加[1]。此外，亮氨酸可通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和蛋白激酶C信號通路促進葡萄糖轉(zhuǎn)運、蛋白表達和轉(zhuǎn)運功能，增加細胞內(nèi)葡萄糖的攝取和利用，BCAA代謝異常可導致胰島素抵抗和2型糖尿病的發(fā)生[7]。

BCAA分解代謝酶在營養(yǎng)物質(zhì)代謝中發(fā)揮重要的生理功能。ATP檸檬酸裂解酶(ATP-citrate lyase,ACL)是脂肪酸從頭合成的關(guān)鍵酶之一，參與調(diào)節(jié)脂肪酸氧化[8]。BCKD激酶和Mg2+/Mn2+依賴的蛋白磷酸酶1K(protein phosphatase,Mg2+/Mn2+dependent 1K，PPM1K)既能以BCKD為底物參與調(diào)節(jié)BCAA代謝，也可以分別磷酸化和去磷酸化ACL，調(diào)節(jié)脂肪從頭生成途徑，其變化對物質(zhì)代謝能產(chǎn)生廣泛的影響[8]。在肥胖嚙齒動物模型中，脂肪組織BCAA分解代謝酶的相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄受到抑制，BCAA氧化速率降低；肝臟中PPM1K表達抑制而BCKD激酶表達增加，BCKDC活性下降，血液循環(huán)中BCAA的含量增加[4]。PPM1K和BCKD激酶的表達受糖類應(yīng)答元件結(jié)合蛋白β(carbohydrate response element binding protein β,ChREBP-β)的調(diào)節(jié)，ChREBP-β是一種碳水化合物反應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子，攝入高碳水化合物(包括果糖)時，肝臟ChREBP-β激活[8]。BCAA代謝、糖代謝和脂質(zhì)代謝之間相互作用，表明BCAA代謝穩(wěn)態(tài)對于機體維持正常生理功能具有重要作用。

大量研究表明[4,9]，BCAA代謝異常與心血管疾病、腫瘤、癲癇等多種疾病發(fā)生和發(fā)展過程有關(guān)。編碼BCAA代謝酶基因缺陷可導致先天性代謝性疾病。當編碼BCKD酶的基因發(fā)生純合突變，患者的血漿BCAA水平降低，導致先天性BCKD激酶缺乏癥[10]。

3 BCAA與心血管疾病的關(guān)系

3.1 BCAA與心力衰竭 心臟每天消耗大量的能量，營養(yǎng)物質(zhì)代謝異常會影響心肌重塑的進程和正常心肌的功能。在心力衰竭的臨床研究和實驗動物模型研究中[11-12]，心臟主要的能量供應(yīng)由脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?，當前多?shù)研究集中在脂肪酸和糖類這兩類代謝物質(zhì)改變對心功能衰竭的作用及其調(diào)節(jié)機制，而有關(guān)氨基酸特別是BCAA代謝變化對心力衰竭有關(guān)病理過程影響研究十分有限。代謝重編程已成為心臟病理性重塑的重要組成部分，BCAA分解代謝活動存在缺陷及BCAA升高是與心力衰竭相關(guān)的一種新興的代謝分子特征[13]。

研究表明，慢性心力衰竭患者的血漿亮氨酸和異亮氨酸濃度高于健康人群[14]。在壓力超負荷誘導心力衰竭小鼠衰竭心臟中，BCAA代謝產(chǎn)物積累，關(guān)鍵的BCAA分解代謝基因，包括BCAA轉(zhuǎn)氨酶2(branched-chain amino-acid transaminase 2，BCAT2)，BCKD亞基E1α、E1β、E2，以及BCKD磷酸酶PP2Cm的表達均下調(diào)[15]。BCAA分解代謝缺陷導致BCAA代謝產(chǎn)物異常積累是損害心臟收縮功能的獨立危險因素BCAA代謝產(chǎn)物，可激活mTOR信號通路，導致活性氧和線粒體功能障礙，加速壓力超負荷引起的心力衰竭[15]。研究表明，在3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸(BCKD激酶抑制劑)治療心力衰竭小鼠后，BCAA氧化增加，心臟射血分數(shù)增加，心臟功能改善[16]。

Krüppel樣因子15(Krüppel-like factor 15,KLF15)調(diào)控心肌糖類和脂質(zhì)代謝，并負性調(diào)控壓力負荷引起的心肌重塑和心臟成纖維細胞的結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF)的表達。Sun等[15]的研究表明，KLF15在心力衰竭小鼠中低表達是誘導BCAA分解代謝缺陷的基礎(chǔ)，KLF15與心肌細胞內(nèi)源性PP2Cm啟動子結(jié)合，激活PP2Cm轉(zhuǎn)錄，并且作為BCAT2直接轉(zhuǎn)錄激活因子，調(diào)節(jié)BCAA分解代謝。而在PP2Cm基因敲除小鼠中，KLF15對心臟的保護作用消失[17]。KLF15在壓力誘導的心力衰竭進展中的保護作用可能依賴于其對BCAA代謝的調(diào)控，葡萄糖可作為KLF15上游負性調(diào)控因子，形成葡萄糖-KLF15-BCAA代謝調(diào)控通路，共同調(diào)節(jié)BCAA代謝及心力衰竭進程[17]。

隨著對BCAA代謝異常與心力衰竭關(guān)系研究的深入，血漿BCAA水平可能可用于心力衰竭診斷和判斷預后。BCAA和BCAA代謝產(chǎn)物的異常參與了心力衰竭形成過程，促進了疾病的發(fā)生與發(fā)展。3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸和KLF15通過調(diào)控BCAA代謝酶的活性來參與BCAA代謝過程，可成為心力衰竭的潛在治療物。

3.2 BCAA與冠心病 冠狀動脈疾病是一種由多因素導致的復雜疾病，是世界范圍內(nèi)主要的死亡原因之一。研究顯示，血漿BCAA濃度是獨立于血糖、血壓、血脂和體重指數(shù)之外的冠狀動脈疾病發(fā)病的危險因素，與冠狀動脈疾病的發(fā)生和嚴重程度呈正相關(guān)[18]。Du等[19]的研究表明，采用經(jīng)皮冠狀動脈介入(percutaneous coronary intervention，PCI)治療ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者后，血漿BCAA高濃度與患者院內(nèi)心血管不良事件發(fā)生的高風險相關(guān)，促進BCAA分解代謝以降低BCAA血漿濃度可以改善STEMI患者PCI治療后的預后。

研究表明，心肌梗死后血漿BCAA濃度升高，BCAA積累以mTOR依賴性方式加重了心肌梗死后的病理重塑和功能障礙[20]。BCAA積累能抑制葡萄糖代謝，加重心肌梗死后胰島素敏感性的下降和心臟對缺血再灌注損傷的易感性[21]；BCAA積累可促進心肌細胞凋亡和增強Caspase-3活性，導致氧化應(yīng)激和超氧化物生成，加重心肌缺血再灌注損傷[22]；BCAA代謝終產(chǎn)物乙酰輔酶A和丙酰輔酶A參與血小板原肌球蛋白調(diào)節(jié)蛋白3(tropomodulin 3，TMOD3)丙?；揎椷^程，通過對TMOD3第255位的賴氨酸丙?；揎?，增加血小板活性，促進動脈血栓的形成，增加冠心病患病風險[23]。研究顯示，氨基己糖生物合成通路(hexosamine biosynthesis pathway，HBP)和O-糖基化蛋白修飾可保護心肌細胞免受多種應(yīng)激的侵害，對心臟起保護作用，分解代謝缺陷引起的BCAA的長期積累導致HBP表達下調(diào)，減少其對蛋白質(zhì)O-糖基化的修飾，導致O-糖基化蛋白修飾失去對心臟的保護作用[24]，并且下調(diào)O-糖基化修飾減少能抑制丙酮酸脫氫酶復合物蛋白的活性，導致心肌細胞對葡萄糖的利用率顯著下降，這可能是心肌梗死的關(guān)鍵因素[21]。研究表明，3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸可明顯減輕心肌梗死損傷，抑制BCKD磷酸化，顯著改善BCAA 分解紊亂，減輕心肌梗死后心功能不全和抑制心肌重構(gòu)[20]。

3.3 BCAA與高血壓 很多研究都表明了氨基酸攝入量和血壓存在密切關(guān)系。Yanagisawa等[25]的研究表明，在肺性高血壓患者中，血漿芳香族氨基酸和BCAA水平升高，其與肺性高血壓疾病的嚴重程度和預后密切相關(guān)。還有研究顯示，增加BCAA的攝入量會導致高血壓的患病率升高，在對年齡、性別、體質(zhì)指數(shù)和糖尿病等變量進行調(diào)整后，BCAA的攝入量仍是高血壓發(fā)生的風險因素[26]。BCAA水平增高促進高血壓的發(fā)生，可能是依賴于mTOR信號通路激活，與胰島素抵抗和糖尿病相關(guān)[7]。研究表明，膳食攝入BCAA與2型糖尿病發(fā)病風險關(guān)聯(lián)，BCAA的攝入會增加2型糖尿病的發(fā)生率[27]。而另一研究發(fā)現(xiàn)，攝入BCAA可降低2型糖尿病的發(fā)生風險[28]。其原因可能為：一方面，亮氨酸通過增加其對二磷酸腺苷的親和力來激活谷氨酸脫氫酶，進一步增加三磷酸腺苷的能量電荷，從而增加胰島素的分泌，但是持續(xù)激活的mTOR信號通路使胰島素受體與胰島素受體底物解偶聯(lián)，形成胰島素抵抗[29]；另一方面，在骨骼肌中，纈氨酸分解代謝中間產(chǎn)物3-羥基異丁酸 受上游轉(zhuǎn)錄激活因子過氧化酶活化增生受體共激活因子-1α的正向調(diào)控，促進血管脂肪酸跨內(nèi)皮細胞向骨骼肌轉(zhuǎn)運，導致肌肉中脂質(zhì)的積累，3-羥基異丁酸和BACC代謝終產(chǎn)物丙酰輔酶A和琥珀酰輔酶A共同促進脂質(zhì)不完整氧化，并且抑制胰島素分泌相關(guān)的蛋白激酶B信號通路的激活，從而導致細胞功能障礙和胰島素抵抗[1]。盡管飲食攝入BCAA與2型糖尿病發(fā)病風險存在爭議，但是BCAA表達水平升高已被認為是胰島素抵抗和糖尿病發(fā)展的潛在因素，胰島素抵抗的發(fā)生又能促進血液循環(huán)中BCAA的積累，并促進BCAA氧化從脂肪組織向肌肉組織轉(zhuǎn)移，形成惡性循環(huán)[2]。

盡管BCAA與高血壓相關(guān)的具體機制尚未完全明確，但BCAA代謝異常間接通過促進胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)生，成為導致高血壓發(fā)生的又一高風險因素。

4 小 結(jié)

BCAA及其代謝產(chǎn)物在心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中起重要的作用，但作用機制仍未完全闡明，許多問題亟待解決。盡管BCAA分解代謝途徑在人體中高度保守，但是糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)與BCAA代謝相互作用的復雜性，以及飲食和內(nèi)部因素對BCAA的影響，對心血管疾病患者的個性化營養(yǎng)治療形成了巨大的挑戰(zhàn)。研究BCAA分解代謝或者血液循環(huán)BCAA水平升高的上游決定因素對于探索BCAA在心血管疾病中的作用，以及對心血管疾病的干預治療至關(guān)重要。