支鏈氨基酸與心血管疾病的研究進(jìn)展

史文軻 謝賽陽(yáng) 鄧偉

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科 代謝與相關(guān)慢病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430000)

1 支鏈氨基酸概述

支鏈氨基酸(branched-chain amino acid,BCAA)是機(jī)體中一類必需氨基酸,包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸,在人體內(nèi)不能合成,只能從外界食物中獲取[1]。BCAA在哺乳動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中含量豐富,分別占肌肉蛋白質(zhì)必需氨基酸的35%和總氨基酸的21%[2]。BCAA在機(jī)體生命活動(dòng)和維持正常生長(zhǎng)發(fā)育方面起著重要的作用,在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮重要的生理功能,可以直接或間接地影響機(jī)體內(nèi)各種組織器官的代謝過(guò)程。

BCAA作為一大營(yíng)養(yǎng)素,主要在肝臟、肌肉、心臟和大腦中被分解代謝。BCAA的完全分解代謝需要多種酶的參與,其中大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在線粒體中。在生物化學(xué)角度BCAA代謝步驟如下：所有三種BCAA首先經(jīng)過(guò)支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶(branched-chain amino acid transaminase,BCAT),包括BCAT1和BCAT2的轉(zhuǎn)氨基作用,形成各自的支鏈α-酮酸[3],然后通過(guò)線粒體支鏈α-酮酸脫氫酶(branched-chain α-keto acid dehydrogenase,BCKDH)復(fù)合物進(jìn)行不可逆的氧化脫羧,釋放CO2,并將輔酶A基團(tuán)共價(jià)添加到氧化的支鏈α-酮酸(branched-chain α-ketoacids,BCKA)產(chǎn)物中[4],同時(shí)將所有中間代謝物(除外3-HIB——纈氨酸分解代謝途徑中的3-羥基異丁酸[5])截留在線粒體內(nèi)。 隨后BCAA代謝產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)被一系列酶反應(yīng)分解為最終產(chǎn)物(亮氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮異氰尿酸酯,纈氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮異戊酸酯,異亮氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮-β-甲基戊酸酯)。

BCKDH復(fù)合物受到磷酸化/去磷酸化的嚴(yán)格調(diào)控[6-7]。這一通量控制步驟是一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)點(diǎn)：營(yíng)養(yǎng)、運(yùn)動(dòng)和激素可以通過(guò)BCKDH激酶調(diào)節(jié)BCAA代謝,該激酶磷酸化BCKDH(BCKDHA)的e1亞基以抑制其活性[8],相反,蛋白磷酸酶1K去除這種磷酸化以促進(jìn)BCKDH活性,進(jìn)而調(diào)控體內(nèi)BCAA的代謝[9]。 既往研究表明,BCAA(特別是亮氨酸[10])是哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路的激活劑[11],可引起下游通路4E結(jié)合蛋白1和 p70核糖體蛋白S6激酶磷酸化,促進(jìn)轉(zhuǎn)錄翻譯過(guò)程,增加細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成[12],升高的BCAA濃度也會(huì)使氧化應(yīng)激增加[13]。BCAA酮酸脫氫酶激酶抑制劑和雷帕霉素通過(guò)干擾 mTOR 信號(hào)通路可有效緩解BCAA代謝紊亂[14]。總的來(lái)說(shuō),BCAA參與脂肪酸代謝、葡萄糖運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成、氧化應(yīng)激等過(guò)程。

2 BCAA與心血管疾病

2.1 BCAA與心力衰竭

Sun等[15]通過(guò)對(duì)壓力負(fù)荷誘發(fā)的小鼠心力衰竭進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),BCAA分解代謝缺陷對(duì)心力衰竭有重要的影響。對(duì)衰竭心臟中下調(diào)基因的分析顯示,有超過(guò)20種特定的代謝途徑顯著富集,其中纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸分解代謝途徑與心力衰竭相關(guān)的變化最為顯著,且獨(dú)立于高血壓、血脂異常和體重指數(shù)等因素,這表明BCAA的代謝異常是心力衰竭的心臟代謝中最明顯的變化。心臟具有代謝靈活性,心肌BCAA水平的升高一方面會(huì)減少衰竭心臟中的葡萄糖氧化,損害心臟丙酮酸脫氫酶復(fù)合物活性,加重心臟的衰竭;另一方面是BCAA,而不是BCKA,通過(guò)激活mTOR并以 mTOR依賴性方式加重衰竭心臟的肥大和功能障礙[16]。此外,還有分子和遺傳學(xué)證據(jù)表明,BCAA分解通路的協(xié)同抑制受轉(zhuǎn)錄因子Krüppel-like factor15(KLF15)調(diào)控[17-18],KLF15對(duì)心臟具有保護(hù)作用[19],抑制KLF15會(huì)使BCAA氧化分解障礙,導(dǎo)致BCAA的積累,加重心功能障礙。而增強(qiáng)BCAA的代謝氧化和/或降低循環(huán)BCAA水平則可以改善心功能[20]。另有臨床試驗(yàn)[21]收集300例射血分?jǐn)?shù)降低的心力衰竭患者的血漿進(jìn)行代謝物質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)種血漿代謝物因子與心力衰竭相關(guān),其中就包括BCAA。

以上結(jié)果表明,BCAA與心力衰竭關(guān)系逐步加深,BCAA的分解代謝缺陷參與了心力衰竭的形成以及疾病發(fā)展過(guò)程,監(jiān)測(cè)血漿BCAA的水平為以后心力衰竭的診斷和預(yù)后提供了可能。

2.2 BCAA與急性心肌梗死發(fā)生和預(yù)后

血管新生和心肌細(xì)胞凋亡影響心肌梗死預(yù)后[22],心肌梗死后血管新生可以明顯改善心肌細(xì)胞的缺氧環(huán)境,減少心肌梗死后心力衰竭的發(fā)生。Du等[23]通過(guò)研究證明高水平的BCAA導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖能力減弱、內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙,從而影響了心肌梗死后血管新生,最終導(dǎo)致心肌梗死預(yù)后不良。Shah 等[24]證明 BCAA與冠狀動(dòng)脈疾病和心肌梗死的存在呈正相關(guān)且獨(dú)立相關(guān)。Fan等[25]表明血漿亮氨酸水平在急性心肌梗死中上調(diào)。還有臨床研究[23]表明血漿 BCAA 水平升高與ST段抬高心肌梗死和急性心力衰竭患者的長(zhǎng)期心血管不良事件有關(guān),并顯著提高了腦利尿鈉肽和全球急性冠狀動(dòng)脈事件登記(GRACE)評(píng)分的預(yù)測(cè)價(jià)值。BCAA代謝紊亂可能是與心肌梗死后臨床結(jié)果相關(guān)的病理生理機(jī)制的一個(gè)新方面。Wang 等[26]發(fā)現(xiàn)了兩種有效的策略來(lái)阻斷破壞的 BCAA：(1)通過(guò)使用支鏈酮酸脫氫酶激酶抑制劑改善心臟BCAA分解代謝缺陷;(2)通過(guò)雷帕霉素治療中斷心肌mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。這為醫(yī)生利用BCAA代謝和靶點(diǎn)治療心肌梗死和改善預(yù)后提供了可能。

2.3 BCAA與心肌缺血再灌注損傷

在心肌缺血再灌注過(guò)程中,短期使用BCAA可縮小梗死面積并發(fā)揮心臟保護(hù)作用[27],機(jī)制為BCAA通過(guò)增加丙酮酸脫氫酶復(fù)合物活性來(lái)增加線粒體丙酮酸利用,加上己糖胺生物合成途徑的激活提高了蛋白O-GlcNAc修飾[28],導(dǎo)致葡萄糖氧化顯著增強(qiáng),此外還可通過(guò)增加亮氨酸的氧化,維持組織三磷酸腺苷,減少心肌凋亡,使心臟不易受缺血再灌注損傷。相反,長(zhǎng)期持續(xù)服用BCAA可導(dǎo)致BCAA高濃度聚集,會(huì)加重心肌梗死后的心功能障礙和心肌重構(gòu),并通過(guò)增強(qiáng)糖酵解和脂肪酸氧化進(jìn)一步增加心肌缺血再灌注損傷的易損性。BCAA一方面通過(guò)使活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生顯著增加,超氧化物歧化酶活性顯著降低來(lái)增加心臟氧化應(yīng)激[29];另一方面激活A(yù)MPK-ULK1通路,增加ULK1磷酸化[30],增強(qiáng)心肌組織的自噬[31-32],最終加重心功能的損傷。綜上,BCAA 觸發(fā)了時(shí)間依賴性效應(yīng),急性給藥具有潛在的益處,而長(zhǎng)期暴露對(duì)心臟功能有害。

2.4 BCAA與心律失常

早期研究[33]表明短期升高的L-亮氨酸和 L-纈氨酸水平可減輕心律失常并降低其影響。而近期研究[34]表明普通人群長(zhǎng)期升高的血漿BCAA水平與心電圖傳導(dǎo)、復(fù)極化指標(biāo)呈正相關(guān),這一結(jié)論數(shù)據(jù)源自德國(guó)環(huán)境健康研究中心KORA F4隊(duì)列研究的2 304例參試者。長(zhǎng)期升高的BCAA水平可致心律失常：間接、直接致心律失常效應(yīng)以及額外途徑。BCAA水平升高的間接致心律失常效應(yīng)是由mTOR通路激活介導(dǎo)的。這種間接致心律失常效應(yīng)在隨后的人源心肌細(xì)胞的研究中進(jìn)一步得到證實(shí)[34]。

Portero等[34]通過(guò)詳細(xì)的電生理學(xué)研究揭示了受影響小鼠的一個(gè)穩(wěn)定的致心律失常表型,具體表現(xiàn)為QT、QTc和PR間期明顯延長(zhǎng)及離體心臟下房室傳導(dǎo)時(shí)間的顯著增加和鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào),可直接誘導(dǎo)鈣失調(diào)和心律失常事件。

BCAA也被證明可以獨(dú)立于mTOR之外調(diào)節(jié)AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)[30],BCAA水平升高可降低AMPK活性、減少AMPKα 磷酸化[35-36],而AMPK在心肌細(xì)胞中是一種代謝傳感器,能直接調(diào)節(jié)肌膜離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體,這為心律失常提供一個(gè)額外的途徑。BCAA代謝水平的失調(diào)與心律失常的產(chǎn)生和誘發(fā)有著較強(qiáng)的因果關(guān)系,這可能為心律失常的治療及預(yù)防提供了一個(gè)新的研究方向。

2.5 BCAA與糖尿病心肌病

目前認(rèn)為糖尿病心肌病患者的心臟功能異常是由多種機(jī)制引起的,包括糖化終產(chǎn)物的過(guò)量產(chǎn)生[37]、己糖胺生物合成途徑的激活[38]、脂毒性、線粒體功能障礙[39]及氧化應(yīng)激增加[40]。BCAA的異常代謝會(huì)促進(jìn)人體胰島素抵抗。相反,胰島素抵抗也可能促進(jìn)BCAA積累,導(dǎo)致惡性循環(huán)[41]。有臨床研究[42]表明降低 BCAA 水平可以改善葡萄糖耐量,而機(jī)制研究表明BCAA可能通過(guò)激活 mTORC1反饋抑制胰島素信號(hào)通路,從而促進(jìn)胰島素抵抗的發(fā)生。BCAA(特別是亮氨酸)導(dǎo)致mTOR通路激活,還可能使異常脂質(zhì)積累,產(chǎn)生脂毒性[43]。BCAA濃度升高增加ROS產(chǎn)生,超氧化物歧化酶活性也降低,增加心臟氧化應(yīng)激。BCAA 協(xié)同激活炎癥信號(hào)可能會(huì)干擾線粒體生物合成和能量代謝,線粒體功能障礙和炎癥可進(jìn)一步導(dǎo)致 BCAA 的積累,加重線粒體損傷[44]。雖然越來(lái)越多的動(dòng)物和人群試驗(yàn)表明,血漿BCAA濃度的上升與胰島素抵抗緊密相關(guān),但仍有許多基礎(chǔ)研究表示BCAA有益于健康,例如：BCAA增加了中年小鼠原代心臟中的線粒體生物合成和SIRT1表達(dá)(SIRT1,sirtuin家族的成員,與壽命延長(zhǎng)、線粒體生物合成增加以及ROS的產(chǎn)生減少有關(guān))。電子顯微鏡分析證實(shí),補(bǔ)充BCAA后,小鼠心臟的線粒體質(zhì)量增加[45]。這些因果矛盾的代謝結(jié)果背后的機(jī)制仍不明確,可能與疾病的階段及BCAA的濃度相關(guān)聯(lián),這在很大程度上反映了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)關(guān)于BCAA代謝的處理的理解仍然有限。BCAA在代謝系統(tǒng)中的功能可能是多因素多方位綜合作用的結(jié)果,還需要更多的深入研究。

2.6 BCAA與高血壓

高血壓是一種多因素疾病,廣泛涉及遺傳、環(huán)境、神經(jīng)內(nèi)分泌等因素[46]。最近的一些流行病學(xué)研究調(diào)查了BCAA與高血壓的關(guān)系,但公布的數(shù)據(jù)顯示出了差異和不一致的結(jié)果。有研究者發(fā)現(xiàn)BCAA與高血壓呈一致的正相關(guān)。Yang等[47]觀察到個(gè)體血清BCAA與舒張壓顯著正相關(guān),而血清纈氨酸與收縮壓顯著正相關(guān)。Siomkajo等[48]發(fā)現(xiàn)血漿BCAA與收縮壓和舒張壓之間存在顯著的正相關(guān)。Mahbub等[49]也為高濃度BCAA與高血壓之間存在關(guān)系提供了依據(jù)。這些大量的證據(jù)表明高濃度的BCAA可誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生和線粒體功能障礙[50],這被認(rèn)為與高血壓的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。此外還有報(bào)道稱循環(huán)BCAA通過(guò)核轉(zhuǎn)錄因子-κB誘導(dǎo)促炎癥反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞間黏附分子-1和E選擇素釋放,有助于高血壓的發(fā)展[51]。也有與之相矛盾的結(jié)果,在一項(xiàng)中國(guó)人群的橫斷面研究[51]中,BCAA水平與收縮壓和舒張壓沒(méi)有相關(guān)性。雖有一定的矛盾性,但顯示存在關(guān)聯(lián)性的結(jié)果居多,而且BCAA水平的改變對(duì)細(xì)胞信號(hào)、基因表達(dá)和神經(jīng)內(nèi)分泌功能有著深遠(yuǎn)的影響,這都與高血壓相關(guān)聯(lián)。這表明BCAA作為高血壓相關(guān)可獲得的生物標(biāo)志物的應(yīng)用前景,并為降低血漿BCAA水平在高血壓預(yù)防和管理中的干預(yù)提供了新的路徑。

3 小結(jié)與展望

綜上所述,BCAA的代謝在心血管疾病中發(fā)揮作用,見圖1。BCAA的代謝障礙與心血管疾病的高風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)。因此,驗(yàn)證BCAA在心血管疾病中的作用和探究其分子生物學(xué)機(jī)制顯得尤為重要。從19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)BCAA以來(lái),它一直是被研究的主題,以往關(guān)于BCAA的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)和能量代謝等方面,而今對(duì)于BCAA在心血管方面的研究有了新的發(fā)現(xiàn),新的治療策略有賴于對(duì)新事物的發(fā)現(xiàn)及對(duì)傳統(tǒng)事物的新認(rèn)識(shí)。目前BCAA在心血管方面的研究仍然較少,相信在可預(yù)見的未來(lái),了解BCAA代謝改變影響心血管疾病的機(jī)制及其對(duì)疾病病理生理學(xué)的貢獻(xiàn)將使研究人員忙碌起來(lái)。

注：AMPK-ULK1,腺苷酸活化蛋白激酶-unc-51樣自噬激活激酶1通路;S6K,核糖體蛋白 S6 激酶,介導(dǎo)的胰島素受體底物1的絲氨酸磷酸化促進(jìn)胰島素抵抗;4E-BP1,4E結(jié)合蛋白1。