支链氨基酸代谢与胰岛素抵抗的研究进展

董瀚文, 卢环宇, 张皓琪, 李天乐, 畅正阳, 栾百婷, 骆文静, 王建钰, 薛冲

第四军医大学 1.基础医学院学员四大队十五队,2.军队劳动与环境卫生学教研室,3.基础医学院学员二大队七队,4.基础医学院学员二大队六队,5.基础医学院学员三大队十二队,6.辐射防护医学教研室,陕西西安 710032

支链氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)是一类结构上具有疏水性分支侧链的氨基酸,包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸3种,也是人体内无法合成的一类必需氨基酸,主要从食物中获得。BCAA约占膳食总蛋白的五分之一,膳食必需氨基酸的三分之一[1]。亮氨酸可促进肌肉蛋白合成,减少蛋白分解和自噬,因此BCAA作为营养补剂一直是运动医学的研究热点[2]。研究发现,BCAA不仅是能量代谢底物,更是一类代谢调控分子,可直接或间接参与机体各器官组织细胞的氧化代谢,与胰岛素抵抗和2型糖尿病的发生密切相关[3]。

1 支链氨基酸代谢

1.1 支链氨基酸来源

由于人体无法合成BCAA,因此循环血液中的BCAA主要来源于外源性蛋白摄入和内源性蛋白分解。膳食蛋白经消化液和消化酶的作用分解为BCAA,经肠道吸收入血,通常在餐后快速增高至基线水平的2～3倍,随后在3 h内重新恢复至基线水平。在禁食状态下,循环血液中BCAA主要来自骨骼肌、肝脏、肠道等器官的蛋白降解[1]。而BCAA的消耗主要依赖细胞氧化代谢,其在机体各组织器官中的氧化代谢速率不同,其中在骨骼肌中代谢速率最高。

1.2 支链氨基酸的氧化分解代谢

BCAA氧化分解代谢过程主要包括两个步骤:①BCAA在支链氨基酸转氨酶(BCAA transaminase,BCAT)的催化作用下脱氨基生成α-支链酮酸(branched chain keto acids,BCKA)。亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸脱氨基的产物分别是α-酮异己酸、α-酮甲基戊酸和α-酮异戊酸[4]。BCAT1和BCAT2是编码BCAT蛋白的两个主要基因。其中BCAT1编码胞质蛋白,主要在大脑中表达,而BCAT2编码线粒体蛋白,在全身广泛表达[5]。②BCKA在BCAA脱氢酶复合物(BCAA dehydrogenase complex,BCKDH)的作用下脱羧脱氢,生成乙酰辅酶A和(或)丙酰辅酶A,参与三羧酸循环、脂肪生成、糖异生等代谢过程[4]。BCKDH位于线粒体内膜内表面上,是BCAA代谢的关键限速酶,其活性受磷酸化/去磷酸化修饰调控。BCKDH激酶(branched-chain ketoacid dehydrogenase kinase,BCKDK)磷酸化修饰BCKDHA的3个残基位点抑制BCKDH活性,而BCKDH磷酸酶互补性地激活去磷酸化过程,增强BCKDH活性[4]。BCAT2和BCKDH在功能和空间定位上密切联系,确保了BCAA的有效代谢(图1)。而编码BCKDH亚基的基因突变可引起BCKDH功能失活,导致血浆中BCAA和BCKA的积累,出现以急性重度酮症酸中毒与神经症状为典型表现的一类遗传代谢性疾病,即枫糖尿症[6]。

图1 BCAA氧化分解代谢过程

肝脏内BCAT酶活性较低,而BCKDH酶活性最高,相反,肌肉内BCAT酶活性较高,而BCKDH酶活性最低,因此BCAA主要在肌肉内完成脱氨基,随后转运到肝脏进行第二步的氧化代谢(脱羧脱氢)。BCAA转运进细胞需依赖大分子中性氨基酸转运体,该转运体在血脑屏障处表达水平较高,也可转运芳香族氨基酸如苯丙氨酸或酪氨酸等,因此临床上肝性脑病患者可通过补充支链氨基酸,竞争拮抗这一转运体,减少脑内芳香族氨基酸进入,减少假性神经递质合成以改善患者意识障碍或昏迷。

2 支链氨基酸代谢与胰岛素抵抗

支链氨基酸代谢与胰岛素抵抗密切相关[7]。肥胖和胰岛素抵抗者外周血中BCAA水平升高,这一现象在大规模横断面研究和前瞻性人群队列研究中被证实[8-9]。胰岛素抵抗和糖尿病患者血、尿中变化最明显的代谢物为BCAA,且血浆中BCAA水平和内脏脂肪面积、胰岛素抵抗指数、空腹胰岛素水平、肥胖测量指标之间存在强相关关系[10]。BCAA水平在妊娠期糖尿病向2型糖尿病转变中逐渐上升,并与该过程中胰岛素抵抗相关[11]。临床上肥胖患者体质量减轻后血清BCAA水平降低,同时胰岛素敏感性、葡萄糖代谢稳态和机体健康水平显著改善[12],再次证实了循环血液中BCAA含量与机体胰岛素敏感性之间的相关性。

支链氨基酸代谢异常是造成胰岛素抵抗的重要原因。研究发现,胰岛素敏感性正常且血浆BCAA高的受试者更容易发生2型糖尿病[13],提示BCAA的代谢变化先于胰岛素抵抗出现,因此BCAA可作为2型糖尿病风险预测的有效指标之一。血浆BCAA代谢中间产物与胰岛素抵抗和糖尿病发生均有较强相关性[14],然而代谢中间产物在血浆中丰度不高,测量时变异度较大、稳定性较差,一定程度上限制了其在临床应用中的潜力。

研究发现,影响PPM2基因(编码BCKDH磷酸酶)多态性直接引起BCAA代谢改变,增加胰岛素抵抗风险[15];而药物激活BCKDH可增加BCAA氧化代谢,逆转肥胖和胰岛素抵抗小鼠血浆中增高的BCAA水平,改善胰岛素抵抗[16],提示BCAA代谢变化是引起胰岛素抵抗的原因。通过动物学实验及人群队列验证,补充BCAA、提高循环血液中的BCAA含量损害了机体的葡萄糖摄取功能,相反,限制BCAA摄入有利于改善葡萄糖耐受和胰岛素敏感性[17],表明BCAA可导致胰岛素抵抗的发生。胰岛素抵抗引起组织蛋白分解增多,导致进入循环血液中的BCAA含量增高,形成正反馈调节。综上,血浆BCAA水平改变是引起胰岛素抵抗,甚至2型糖尿病等代谢性疾病的诱因,而胰岛素抵抗又会正反馈增加血浆BCAA水平,导致机体代谢紊乱[18]。

3 支链氨基酸调控胰岛素抵抗机制

3.1 脂联素

脂联素是由脂肪细胞特异性分泌的一种激素,可通过增加骨骼肌脂肪酸氧化、抑制肝糖异生提高机体对胰岛素的敏感性。人体血浆中BCAA含量和脂联素水平呈显著负相关关系[19],给予脂联素治疗可有效恢复肌肉中BCKDH活性,改善高脂饮食引起的BCAA含量增高,这一过程可能是通过单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase,AMPK)通路调节BCKDH激酶和磷酸酶实现的[20]。PPARγ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PGC-1α)可调节BCAA代谢相关酶的表达。研究证实,骨骼肌中过表达PGC-1α后,BCAA代谢关键酶BCATm和BCKDH的表达水平增高,组织内BCAA含量显著降低[21],而AMPK是激活PGC-1α的重要调节因子,因此脂联素可能通过AMPK通路靶向调节下游PGC-1α进而影响骨骼肌中BCAA代谢。肥胖诱导的胰岛素抵抗早期,脂肪组织除了激素分泌改变外,炎症细胞因子生成也发生改变。研究证实,脂肪组织炎症损害胰岛素敏感性、葡萄糖氧化、脂解、BCAA分解代谢和线粒体功能[22],提示肥胖早期脂肪组织炎症水平逐渐增加,可能引起脂肪细胞脂联素分泌减少,后者引起BCAA含量增高,而BCAA持续性增高又引起肥胖后期的胰岛素抵抗形成(图2)。

图2 BCAA调控胰岛素抵抗的分子机制

3.2 通路激活的关键途径

BCAA持续性激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mammalian rapamycin target protein complex 1,mTORC1)是引起胰岛素抵抗的关键途径[23]。mTORC1可感知细胞内外多种信号刺激,激活下游靶分子elF4E-结合蛋白1、核糖体蛋白S6激酶1(S6 Kinase 1,S6K1)等,进而调控mRNA翻译起始和延伸,影响蛋白质合成。氨基酸可刺激mTORC1复合体转位至溶酶体表面,进而激活mTORC1,这一过程不依赖于TSC蛋白调控,而是通过PLD1轴实现[24]。研究证实,亮氨酸可直接结合芝麻素2蛋白,阻断其与GATOR2复合体的相互作用,从而激活mTORC1[25]。亮氨酸可通过上述两种机制激活mTORC1及其下游的S6K1,引起胰岛素受体底物1/2上多个丝氨酸位点的磷酸化,导致胰岛素抵抗[26],而使用雷帕霉素特异性阻断mTOR通路后,补充BCAA引起的胰岛素抵抗有所缓解。

除了BCAA的直接作用,其代谢中间产物增多在诱导胰岛素抵抗中也发挥了重要的作用,如3-羟基异丁酸酯、C3/C5酰基肉碱等[27],然而究竟是哪一种/类BCAA代谢中间产物发挥决定性作用尚不清楚。

3.3 神经代谢和肠道微生物

BCAA除了在脂肪、肌肉、肝脏间协同氧化代谢外,也可进入中枢神经系统,通过影响神经递质合成与分泌引起神经功能失稳态,甚至外周代谢功能障碍。血脑屏障处广泛存在的BCAA转运体以及神经细胞中广泛表达的BCAT1和BCAT2保证了BCAA在神经系统的有效摄取和利用。神经元和星形胶质细胞之间的谷氨酸/谷氨酰胺循环是维持神经突触内神经递质稳态的关键,而BCAT的转氨基作用可将BCAA中的氮转运至α-酮戊二酸生成谷氨酸,参与谷氨酸/谷氨酰胺循环。研究发现,BCAA在谷氨酸合成中发挥重要作用[28]。然而这一调控机制如何影响外周的胰岛素抵抗尚未阐明。

肠道微生物在支链氨基酸调控胰岛素抵抗中也发挥一定作用。部分特定肠道微生物可利用宿主摄入的BCAA,用以合成细菌生长所需成分,或将其分解代谢为短链脂肪酸和支链脂肪酸;部分肠道微生物也可将微生物菌群移植到代谢正常个体中引起胰岛素抵抗和循环血液中BCAA水平升高[29],然而其在诱导胰岛素抵抗形成中的作用机制有待深入研究。

综上,BCAA代谢与胰岛素抵抗、2型糖尿病等代谢性疾病密切相关。脂肪、肝脏、骨骼肌、中枢神经系统等在协调全身BCAA代谢引发胰岛素抵抗中的单独及协同作用机制有待深入探讨。