支鏈氨基酸代謝與胰島素抵抗的研究進(jìn)展

董瀚文, 盧環(huán)宇, 張皓琪, 李天樂, 暢正陽, 欒百婷, 駱文靜, 王建鈺, 薛沖

第四軍醫(yī)大學(xué) 1.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院學(xué)員四大隊(duì)十五隊(duì),2.軍隊(duì)勞動(dòng)與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)教研室,3.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院學(xué)員二大隊(duì)七隊(duì),4.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院學(xué)員二大隊(duì)六隊(duì),5.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院學(xué)員三大隊(duì)十二隊(duì),6.輻射防護(hù)醫(yī)學(xué)教研室,陜西西安 710032

支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)是一類結(jié)構(gòu)上具有疏水性分支側(cè)鏈的氨基酸,包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸3種,也是人體內(nèi)無法合成的一類必需氨基酸,主要從食物中獲得。BCAA約占膳食總蛋白的五分之一,膳食必需氨基酸的三分之一[1]。亮氨酸可促進(jìn)肌肉蛋白合成,減少蛋白分解和自噬,因此BCAA作為營養(yǎng)補(bǔ)劑一直是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。研究發(fā)現(xiàn),BCAA不僅是能量代謝底物,更是一類代謝調(diào)控分子,可直接或間接參與機(jī)體各器官組織細(xì)胞的氧化代謝,與胰島素抵抗和2型糖尿病的發(fā)生密切相關(guān)[3]。

1 支鏈氨基酸代謝

1.1 支鏈氨基酸來源

由于人體無法合成BCAA,因此循環(huán)血液中的BCAA主要來源于外源性蛋白攝入和內(nèi)源性蛋白分解。膳食蛋白經(jīng)消化液和消化酶的作用分解為BCAA,經(jīng)腸道吸收入血,通常在餐后快速增高至基線水平的2～3倍,隨后在3 h內(nèi)重新恢復(fù)至基線水平。在禁食狀態(tài)下,循環(huán)血液中BCAA主要來自骨骼肌、肝臟、腸道等器官的蛋白降解[1]。而BCAA的消耗主要依賴細(xì)胞氧化代謝,其在機(jī)體各組織器官中的氧化代謝速率不同,其中在骨骼肌中代謝速率最高。

1.2 支鏈氨基酸的氧化分解代謝

BCAA氧化分解代謝過程主要包括兩個(gè)步驟:①BCAA在支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶(BCAA transaminase,BCAT)的催化作用下脫氨基生成α-支鏈酮酸(branched chain keto acids,BCKA)。亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸脫氨基的產(chǎn)物分別是α-酮異己酸、α-酮甲基戊酸和α-酮異戊酸[4]。BCAT1和BCAT2是編碼BCAT蛋白的兩個(gè)主要基因。其中BCAT1編碼胞質(zhì)蛋白,主要在大腦中表達(dá),而BCAT2編碼線粒體蛋白,在全身廣泛表達(dá)[5]。②BCKA在BCAA脫氫酶復(fù)合物(BCAA dehydrogenase complex,BCKDH)的作用下脫羧脫氫,生成乙酰輔酶A和(或)丙酰輔酶A,參與三羧酸循環(huán)、脂肪生成、糖異生等代謝過程[4]。BCKDH位于線粒體內(nèi)膜內(nèi)表面上,是BCAA代謝的關(guān)鍵限速酶,其活性受磷酸化/去磷酸化修飾調(diào)控。BCKDH激酶(branched-chain ketoacid dehydrogenase kinase,BCKDK)磷酸化修飾BCKDHA的3個(gè)殘基位點(diǎn)抑制BCKDH活性,而BCKDH磷酸酶互補(bǔ)性地激活去磷酸化過程,增強(qiáng)BCKDH活性[4]。BCAT2和BCKDH在功能和空間定位上密切聯(lián)系,確保了BCAA的有效代謝(圖1)。而編碼BCKDH亞基的基因突變可引起B(yǎng)CKDH功能失活,導(dǎo)致血漿中BCAA和BCKA的積累,出現(xiàn)以急性重度酮癥酸中毒與神經(jīng)癥狀為典型表現(xiàn)的一類遺傳代謝性疾病,即楓糖尿癥[6]。

圖1 BCAA氧化分解代謝過程

肝臟內(nèi)BCAT酶活性較低,而BCKDH酶活性最高,相反,肌肉內(nèi)BCAT酶活性較高,而BCKDH酶活性最低,因此BCAA主要在肌肉內(nèi)完成脫氨基,隨后轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟進(jìn)行第二步的氧化代謝(脫羧脫氫)。BCAA轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞需依賴大分子中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體,該轉(zhuǎn)運(yùn)體在血腦屏障處表達(dá)水平較高,也可轉(zhuǎn)運(yùn)芳香族氨基酸如苯丙氨酸或酪氨酸等,因此臨床上肝性腦病患者可通過補(bǔ)充支鏈氨基酸,競爭拮抗這一轉(zhuǎn)運(yùn)體,減少腦內(nèi)芳香族氨基酸進(jìn)入,減少假性神經(jīng)遞質(zhì)合成以改善患者意識(shí)障礙或昏迷。

2 支鏈氨基酸代謝與胰島素抵抗

支鏈氨基酸代謝與胰島素抵抗密切相關(guān)[7]。肥胖和胰島素抵抗者外周血中BCAA水平升高,這一現(xiàn)象在大規(guī)模橫斷面研究和前瞻性人群隊(duì)列研究中被證實(shí)[8-9]。胰島素抵抗和糖尿病患者血、尿中變化最明顯的代謝物為BCAA,且血漿中BCAA水平和內(nèi)臟脂肪面積、胰島素抵抗指數(shù)、空腹胰島素水平、肥胖測量指標(biāo)之間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系[10]。BCAA水平在妊娠期糖尿病向2型糖尿病轉(zhuǎn)變中逐漸上升,并與該過程中胰島素抵抗相關(guān)[11]。臨床上肥胖患者體質(zhì)量減輕后血清BCAA水平降低,同時(shí)胰島素敏感性、葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)和機(jī)體健康水平顯著改善[12],再次證實(shí)了循環(huán)血液中BCAA含量與機(jī)體胰島素敏感性之間的相關(guān)性。

支鏈氨基酸代謝異常是造成胰島素抵抗的重要原因。研究發(fā)現(xiàn),胰島素敏感性正常且血漿BCAA高的受試者更容易發(fā)生2型糖尿病[13],提示BCAA的代謝變化先于胰島素抵抗出現(xiàn),因此BCAA可作為2型糖尿病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的有效指標(biāo)之一。血漿BCAA代謝中間產(chǎn)物與胰島素抵抗和糖尿病發(fā)生均有較強(qiáng)相關(guān)性[14],然而代謝中間產(chǎn)物在血漿中豐度不高,測量時(shí)變異度較大、穩(wěn)定性較差,一定程度上限制了其在臨床應(yīng)用中的潛力。

研究發(fā)現(xiàn),影響PPM2基因(編碼BCKDH磷酸酶)多態(tài)性直接引起B(yǎng)CAA代謝改變,增加胰島素抵抗風(fēng)險(xiǎn)[15];而藥物激活BCKDH可增加BCAA氧化代謝,逆轉(zhuǎn)肥胖和胰島素抵抗小鼠血漿中增高的BCAA水平,改善胰島素抵抗[16],提示BCAA代謝變化是引起胰島素抵抗的原因。通過動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)及人群隊(duì)列驗(yàn)證,補(bǔ)充BCAA、提高循環(huán)血液中的BCAA含量損害了機(jī)體的葡萄糖攝取功能,相反,限制BCAA攝入有利于改善葡萄糖耐受和胰島素敏感性[17],表明BCAA可導(dǎo)致胰島素抵抗的發(fā)生。胰島素抵抗引起組織蛋白分解增多,導(dǎo)致進(jìn)入循環(huán)血液中的BCAA含量增高,形成正反饋調(diào)節(jié)。綜上,血漿BCAA水平改變是引起胰島素抵抗,甚至2型糖尿病等代謝性疾病的誘因,而胰島素抵抗又會(huì)正反饋增加血漿BCAA水平,導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂[18]。

3 支鏈氨基酸調(diào)控胰島素抵抗機(jī)制

3.1 脂聯(lián)素

脂聯(lián)素是由脂肪細(xì)胞特異性分泌的一種激素,可通過增加骨骼肌脂肪酸氧化、抑制肝糖異生提高機(jī)體對胰島素的敏感性。人體血漿中BCAA含量和脂聯(lián)素水平呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[19],給予脂聯(lián)素治療可有效恢復(fù)肌肉中BCKDH活性,改善高脂飲食引起的BCAA含量增高,這一過程可能是通過單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase,AMPK)通路調(diào)節(jié)BCKDH激酶和磷酸酶實(shí)現(xiàn)的[20]。PPARγ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PGC-1α)可調(diào)節(jié)BCAA代謝相關(guān)酶的表達(dá)。研究證實(shí),骨骼肌中過表達(dá)PGC-1α后,BCAA代謝關(guān)鍵酶BCATm和BCKDH的表達(dá)水平增高,組織內(nèi)BCAA含量顯著降低[21],而AMPK是激活PGC-1α的重要調(diào)節(jié)因子,因此脂聯(lián)素可能通過AMPK通路靶向調(diào)節(jié)下游PGC-1α進(jìn)而影響骨骼肌中BCAA代謝。肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗早期,脂肪組織除了激素分泌改變外,炎癥細(xì)胞因子生成也發(fā)生改變。研究證實(shí),脂肪組織炎癥損害胰島素敏感性、葡萄糖氧化、脂解、BCAA分解代謝和線粒體功能[22],提示肥胖早期脂肪組織炎癥水平逐漸增加,可能引起脂肪細(xì)胞脂聯(lián)素分泌減少,后者引起B(yǎng)CAA含量增高,而BCAA持續(xù)性增高又引起肥胖后期的胰島素抵抗形成(圖2)。

圖2 BCAA調(diào)控胰島素抵抗的分子機(jī)制

3.2 通路激活的關(guān)鍵途徑

BCAA持續(xù)性激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mammalian rapamycin target protein complex 1,mTORC1)是引起胰島素抵抗的關(guān)鍵途徑[23]。mTORC1可感知細(xì)胞內(nèi)外多種信號刺激,激活下游靶分子elF4E-結(jié)合蛋白1、核糖體蛋白S6激酶1(S6 Kinase 1,S6K1)等,進(jìn)而調(diào)控mRNA翻譯起始和延伸,影響蛋白質(zhì)合成。氨基酸可刺激mTORC1復(fù)合體轉(zhuǎn)位至溶酶體表面,進(jìn)而激活mTORC1,這一過程不依賴于TSC蛋白調(diào)控,而是通過PLD1軸實(shí)現(xiàn)[24]。研究證實(shí),亮氨酸可直接結(jié)合芝麻素2蛋白,阻斷其與GATOR2復(fù)合體的相互作用,從而激活mTORC1[25]。亮氨酸可通過上述兩種機(jī)制激活mTORC1及其下游的S6K1,引起胰島素受體底物1/2上多個(gè)絲氨酸位點(diǎn)的磷酸化,導(dǎo)致胰島素抵抗[26],而使用雷帕霉素特異性阻斷mTOR通路后,補(bǔ)充BCAA引起的胰島素抵抗有所緩解。

除了BCAA的直接作用,其代謝中間產(chǎn)物增多在誘導(dǎo)胰島素抵抗中也發(fā)揮了重要的作用,如3-羥基異丁酸酯、C3/C5?；鈮A等[27],然而究竟是哪一種/類BCAA代謝中間產(chǎn)物發(fā)揮決定性作用尚不清楚。

3.3 神經(jīng)代謝和腸道微生物

BCAA除了在脂肪、肌肉、肝臟間協(xié)同氧化代謝外,也可進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng),通過影響神經(jīng)遞質(zhì)合成與分泌引起神經(jīng)功能失穩(wěn)態(tài),甚至外周代謝功能障礙。血腦屏障處廣泛存在的BCAA轉(zhuǎn)運(yùn)體以及神經(jīng)細(xì)胞中廣泛表達(dá)的BCAT1和BCAT2保證了BCAA在神經(jīng)系統(tǒng)的有效攝取和利用。神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的谷氨酸/谷氨酰胺循環(huán)是維持神經(jīng)突觸內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵,而BCAT的轉(zhuǎn)氨基作用可將BCAA中的氮轉(zhuǎn)運(yùn)至α-酮戊二酸生成谷氨酸,參與谷氨酸/谷氨酰胺循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn),BCAA在谷氨酸合成中發(fā)揮重要作用[28]。然而這一調(diào)控機(jī)制如何影響外周的胰島素抵抗尚未闡明。

腸道微生物在支鏈氨基酸調(diào)控胰島素抵抗中也發(fā)揮一定作用。部分特定腸道微生物可利用宿主攝入的BCAA,用以合成細(xì)菌生長所需成分,或?qū)⑵浞纸獯x為短鏈脂肪酸和支鏈脂肪酸;部分腸道微生物也可將微生物菌群移植到代謝正常個(gè)體中引起胰島素抵抗和循環(huán)血液中BCAA水平升高[29],然而其在誘導(dǎo)胰島素抵抗形成中的作用機(jī)制有待深入研究。

綜上,BCAA代謝與胰島素抵抗、2型糖尿病等代謝性疾病密切相關(guān)。脂肪、肝臟、骨骼肌、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等在協(xié)調(diào)全身BCAA代謝引發(fā)胰島素抵抗中的單獨(dú)及協(xié)同作用機(jī)制有待深入探討。