支鏈氨基酸代謝與胰島素抵抗的研究進展

董瀚文, 盧環宇, 張皓琪, 李天樂, 暢正陽, 欒百婷, 駱文靜, 王建鈺, 薛沖

第四軍醫大學 1.基礎醫學院學員四大隊十五隊,2.軍隊勞動與環境衛生學教研室,3.基礎醫學院學員二大隊七隊,4.基礎醫學院學員二大隊六隊,5.基礎醫學院學員三大隊十二隊,6.輻射防護醫學教研室,陜西西安 710032

支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)是一類結構上具有疏水性分支側鏈的氨基酸,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]。亮氨酸可促進肌肉蛋白合成,減少蛋白分解和自噬,因此BCAA作為營養補劑一直是運動醫學的研究熱點[2]。研究發現,BCAA不僅是能量代謝底物,更是一類代謝調控分子,可直接或間接參與機體各器官組織細胞的氧化代謝,與胰島素抵抗和2型糖尿病的發生密切相關[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,因此循環血液中的BCAA主要來源于外源性蛋白攝入和內源性蛋白分解。膳食蛋白經消化液和消化酶的作用分解為BCAA,經腸道吸收入血,通常在餐后快速增高至基線水平的2～3倍,隨后在3 h內重新恢復至基線水平。在禁食狀態下,循環血液中BCAA主要來自骨骼肌、肝臟、腸道等器官的蛋白降解[1]。而BCAA的消耗主要依賴細胞氧化代謝,其在機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步驟:①BCAA在支鏈氨基酸轉氨酶(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蛋白的兩個主要基因。其中BCAT1編碼胞質蛋白,主要在大腦中表達,而BCAT2編碼線粒體蛋白,在全身廣泛表達[5]。②BCKA在BCAA脫氫酶復合物(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、脂肪生成、糖異生等代謝過程[4]。BCKDH位于線粒體內膜內表面上,是BCAA代謝的關鍵限速酶,其活性受磷酸化/去磷酸化修飾調控。BCKDH激酶(branched-chain ketoacid dehydrogenase kinase,BCKDK)磷酸化修飾BCKDHA的3個殘基位點抑制BCKDH活性,而BCKDH磷酸酶互補性地激活去磷酸化過程,增強BCKDH活性[4]。BCAT2和BCKDH在功能和空間定位上密切聯系,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BCKDH功能失活,導致血漿中BCAA和BCKA的積累,出現以急性重度酮癥酸中毒與神經癥狀為典型表現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BCAT酶活性較低,而BCKDH酶活性最高,相反,肌肉內BCAT酶活性較高,而BCKDH酶活性最低,因此BCAA主要在肌肉內完成脫氨基,隨后轉運到肝臟進行第二步的氧化代謝(脫羧脫氫)。BCAA轉運進細胞需依賴大分子中性氨基酸轉運體,該轉運體在血腦屏障處表達水平較高,也可轉運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充支鏈氨基酸,競爭拮抗這一轉運體,減少腦內芳香族氨基酸進入,減少假性神經遞質合成以改善患者意識障礙或昏迷。

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[7]。肥胖和胰島素抵抗者外周血中BCAA水平升高,這一現象在大規模橫斷面研究和前瞻性人群隊列研究中被證實[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水平和內臟脂肪面積、胰島素抵抗指數、空腹胰島素水平、肥胖測量指標之間存在強相關關系[10]。BCAA水平在妊娠期糖尿病向2型糖尿病轉變中逐漸上升,并與該過程中胰島素抵抗相關[11]。臨床上肥胖患者體質量減輕后血清BCAA水平降低,同時胰島素敏感性、葡萄糖代謝穩態和機體健康水平顯著改善[12],再次證實了循環血液中BCAA含量與機體胰島素敏感性之間的相關性。

支鏈氨基酸代謝異常是造成胰島素抵抗的重要原因。研究發現,胰島素敏感性正常且血漿BCAA高的受試者更容易發生2型糖尿病[13],提示BCAA的代謝變化先于胰島素抵抗出現,因此BCAA可作為2型糖尿病風險預測的有效指標之一。血漿BCAA代謝中間產物與胰島素抵抗和糖尿病發生均有較強相關性[14],然而代謝中間產物在血漿中豐度不高,測量時變異度較大、穩定性較差,一定程度上限制了其在臨床應用中的潛力。

研究發現,影響PPM2基因(編碼BCKDH磷酸酶)多態性直接引起BCAA代謝改變,增加胰島素抵抗風險[15];而藥物激活BCKDH可增加BCAA氧化代謝,逆轉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。通過動物學實驗及人群隊列驗證,補充BCAA、提高循環血液中的BCAA含量損害了機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可導致胰島素抵抗的發生。胰島素抵抗引起組織蛋白分解增多,導致進入循環血液中的BCAA含量增高,形成正反饋調節。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,而胰島素抵抗又會正反饋增加血漿BCAA水平,導致機體代謝紊亂[18]。

3 支鏈氨基酸調控胰島素抵抗機制

3.1 脂聯素

脂聯素是由脂肪細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體對胰島素的敏感性。人體血漿中BCAA含量和脂聯素水平呈顯著負相關關系[19],給予脂聯素治療可有效恢復肌肉中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)通路調節BCKDH激酶和磷酸酶實現的[20]。PPARγ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PGC-1α)可調節BCAA代謝相關酶的表達。研究證實,骨骼肌中過表達PGC-1α后,BCAA代謝關鍵酶BCATm和BCKDH的表達水平增高,組織內BCAA含量顯著降低[21],而AMPK是激活PGC-1α的重要調節因子,因此脂聯素可能通過AMPK通路靶向調節下游PGC-1α進而影響骨骼肌中BCAA代謝。肥胖誘導的胰島素抵抗早期,脂肪組織除了激素分泌改變外,炎癥細胞因子生成也發生改變。研究證實,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,可能引起脂肪細胞脂聯素分泌減少,后者引起BCAA含量增高,而BCAA持續性增高又引起肥胖后期的胰島素抵抗形成(圖2)。

圖2 BCAA調控胰島素抵抗的分子機制

3.2 通路激活的關鍵途徑

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

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

3.3 神經代謝和腸道微生物

BCAA除了在脂肪、肌肉、肝臟間協同氧化代謝外,也可進入中樞神經系統,通過影響神經遞質合成與分泌引起神經功能失穩態,甚至外周代謝功能障礙。血腦屏障處廣泛存在的BCAA轉運體以及神經細胞中廣泛表達的BCAT1和BCAT2保證了BCAA在神經系統的有效攝取和利用。神經元和星形膠質細胞之間的谷氨酸/谷氨酰胺循環是維持神經突觸內神經遞質穩態的關鍵,而BCAT的轉氨基作用可將BCAA中的氮轉運至α-酮戊二酸生成谷氨酸,參與谷氨酸/谷氨酰胺循環。研究發現,BCAA在谷氨酸合成中發揮重要作用[28]。然而這一調控機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控胰島素抵抗中也發揮一定作用。部分特定腸道微生物可利用宿主攝入的BCAA,用以合成細菌生長所需成分,或將其分解代謝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體中引起胰島素抵抗和循環血液中BCAA水平升高[29],然而其在誘導胰島素抵抗形成中的作用機制有待深入研究。

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。脂肪、肝臟、骨骼肌、中樞神經系統等在協調全身BCAA代謝引發胰島素抵抗中的單獨及協同作用機制有待深入探討。