王佳美 綜述，劉欣躍 審校

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院檢驗(yàn)中心，甘肅蘭州 730030)

支鏈氨基酸(BCAA)是必需氨基酸，由亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸組成[1]，是直接或間接影響代謝的重要營養(yǎng)信號(hào)。BCAA在膳食蛋白質(zhì)中相對豐富，占蛋白質(zhì)攝入量的15%～20%，而且在食入含蛋白質(zhì)的膳食后增加[2]。研究表明，BCAA豐富飲食與代謝健康之間存在正相關(guān)關(guān)系，包括體質(zhì)量調(diào)節(jié)、肌肉蛋白質(zhì)合成和葡萄糖穩(wěn)態(tài)[2-3]。盡管BCAA對代謝健康有積極影響，但BCAA水平的升高與人類和嚙齒類動(dòng)物發(fā)生胰島素抵抗和2型糖尿病(T2DM)風(fēng)險(xiǎn)的增加有關(guān)[4]。

1 BCAA與代謝

1.1BCAA的代謝過程 BCAA是不能在生物體中從頭合成的必需氨基酸，循環(huán)BCAA的水平可以通過飲食攝入和組織中蛋白質(zhì)降解來生成，飲食中這些氨基酸主要存在于肉、雞、魚、乳制品和雞蛋中[1]。機(jī)體攝入蛋白質(zhì)后，BCAA在外周組織中代謝，支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶(BCATm)的線粒體亞型催化代謝反應(yīng)的第一步，這一過程需要吡哆醛作為氨基載體，通過該過程BCAA與2-酮戊二酸產(chǎn)生支鏈酮酸和谷氨酸。BCAA代謝途徑的下一步由多酶線粒體支鏈α-酮酸脫氫酶復(fù)合物(BCKDC)催化[2]。BCKDC將亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸不可逆地氧化成它們各自的酮酸，形成乙酰輔酶A、丙酰輔酶A和2-甲基丁酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸(Krebs)循環(huán)，導(dǎo)致ATP形成[3-5]，提供宿主進(jìn)行生命活動(dòng)所需能量，參與機(jī)體代謝健康。

另一方面，BCAA可通過減少食物攝入量向能量平衡進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)。雷帕霉素(mTOR)是氨基酸和胰島素之間相互干擾的重要信號(hào)傳遞介質(zhì)。下丘腦亮氨酸是一種能通過激活哺乳動(dòng)物的mTOR靶點(diǎn)來減少攝食量的營養(yǎng)信號(hào)[6]，在快速進(jìn)食過程中，mTOR在下丘腦內(nèi)側(cè)弓狀核(ARC)神經(jīng)元內(nèi)被強(qiáng)烈地、選擇性地激活，下丘腦內(nèi)側(cè)基底部(MBH)中的亮氨酸水平參與前腦/后腦神經(jīng)回路，通過減少食物攝入量負(fù)反饋調(diào)節(jié)能量平衡[7]。COTA等[6]認(rèn)為，機(jī)體通過這些下丘腦BCAA敏感反應(yīng)可維持生物體的代謝平衡。

1.2BCAA血漿水平升高的機(jī)制 BCAA作為合成代謝信號(hào)可評(píng)估能量消耗組織如骨骼肌和脂肪組織的生長。BCAA能通過刺激雷帕霉素復(fù)合物(mTORC)1信號(hào)通路來調(diào)節(jié)mRNA的翻譯，即亮氨酸激活的mTOR通過增加利用其下游效應(yīng)蛋白真核起始因子eIF4E和磷酸化eIF4G，加快mRNA翻譯，從而加速蛋白質(zhì)的合成[8]。但在肥胖和T2DM胰島素抵抗患者的脂肪組織中，BCAA代謝酶基因的表達(dá)通過一種不確定機(jī)制而顯著降低，從而導(dǎo)致血漿BCAA水平升高[9]。如BCKDC作為催化BCAA代謝過程的一種多酶復(fù)合物，其表達(dá)和活性可以通過許多與肥胖、胰島素抵抗和T2DM有關(guān)的代謝因子來改變。BCKDC及其激活因子蛋白磷酸酶1K(PPM1K)線粒體亞型的突變可導(dǎo)致BCAA和支鏈α-酮酸(BCKA)的積累[10-11]，通過急性運(yùn)動(dòng)[12]或調(diào)節(jié)BCKA[13]改變的BCKDC活性也可以調(diào)節(jié)血漿BCAA水平，而BCKDHA、PPM1K、IVD和KLF15已被指定為人類肥胖和(或)T2DM的候選基因。實(shí)際上，對膠質(zhì)細(xì)胞、大腦皮層或大鼠肝細(xì)胞使用集中BCKA或用亮氨酸的α-酮酸(α-KIC)治療，都會(huì)使線粒體功能紊亂[14]，導(dǎo)致BCAA代謝障礙，誘導(dǎo)機(jī)體BCAA血漿水平升高。

2 BCAA與T2DM

2.1BCAA誘導(dǎo)胰島素抵抗的機(jī)制 胰島素抵抗是導(dǎo)致T2DM代謝失調(diào)的主要和最早發(fā)現(xiàn)的缺陷之一[15]。 多項(xiàng)流行病學(xué)研究表明，循環(huán)BCAA的空腹水平增加與胰島素抵抗增加有關(guān)[2]。最近的一項(xiàng)研究表明，BCAA水平通過促進(jìn)脂肪在肌肉中積累，跨血管內(nèi)皮運(yùn)輸3-羥基異丁酸(一種BCAA纈氨酸的分解代謝中間產(chǎn)物)而引起胰島素抵抗[16]。然而，其他研究表明，循環(huán)BCAA水平增加可能是胰島素作用受損的結(jié)果，并且僅是胰島素抵抗增加的標(biāo)志物[16]。因此，BCAA與胰島素抵抗的關(guān)系值得進(jìn)一步探討。

盡管目前尚不清楚BCAA是否是胰島素抵抗的致病因素，或者是否是胰島素作用受損的生物標(biāo)志物，但BCAA營養(yǎng)信號(hào)在胰島素抵抗中的參與已經(jīng)出現(xiàn)。高水平的BCAA持續(xù)激活mTORC1，通過磷酸化胰島素受體底物1(IRS-1)導(dǎo)致胰島素抵抗。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，屬于磷脂酰肌醇激酶(PIK)相關(guān)蛋白激酶家族。mTOR信號(hào)可調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、分化、存活和代謝等關(guān)鍵的發(fā)育過程[17]。mTOR至少存在于2個(gè)生化性質(zhì)和功能不同的復(fù)合物中，即MTORC1和MTORC2[18]。mTORC1從多種細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，如生長因子、細(xì)胞能量狀態(tài)、細(xì)胞氧水平和氨基酸利用率來調(diào)節(jié)細(xì)胞生長。mTORC1由mTOR的調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白組成，其最著名的下游靶標(biāo)是4EBP1和S6K1，它們調(diào)節(jié)mRNA翻譯起始和延伸，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成[17]。胰島素可激活mTOR，然后激活mTORC1下游靶標(biāo)核糖體S6K1，通過磷酸化S6調(diào)節(jié)蛋白翻譯的起始和延伸[19]。與YU等[20]的研究結(jié)果一致，激活的mTOR或激活的S6K1磷酸化IRS-1，導(dǎo)致胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受阻。另一方面，BCAAs激活的mTORC1抑制IRS-1產(chǎn)生，導(dǎo)致胰島素傳導(dǎo)阻滯，產(chǎn)生胰島素抵抗。

此外，蛋白激酶B(PKB，又稱Akt)與mTOR/S6K1存在負(fù)反饋調(diào)節(jié)，抑制胰島素反應(yīng)，Akt通過磷酸化結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合體1/2(TSC1/2)活化mTOR/S6K1，而高活性S6K1和mTOR通過誘導(dǎo)IRS-1絲氨酸磷酸化負(fù)調(diào)節(jié)Akt，破壞其與胰島素受體的相互作用并導(dǎo)致降解。在胰島素抵抗的受試者中，如肥胖和T2DM患者，長期高水平的氨基酸可以維持mTOR/S6K1的超活化，其共同作用以建立負(fù)反饋通路，如增加葡萄糖攝取和糖原合成，降低葡萄糖合成。BCAAs和膳食蛋白質(zhì)還可促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的釋放[21]，影響小鼠的胰島素應(yīng)答和胰島素內(nèi)分泌效應(yīng)。

2.2BCAA血漿水平升高與T2DM的相關(guān)性 最近的代謝組學(xué)研究和綜合代謝譜研究表明，在某些肥胖或T2DM動(dòng)物模型以及在肥胖或T2DM患者中，存在正常氨基酸代謝紊亂和特定氨基酸(通常為BCAA)水平增加[22-23]。伴隨著持續(xù)的mTORC1的激活，BCAA的代謝障礙與胰島素抵抗和T2DM存在明顯的相關(guān)性，因?yàn)檠獫{中可能存在毒性中間產(chǎn)物和BCAA水平的積累。

COTA等[6]指出，BCAA、芳香族氨基酸和BCAA副產(chǎn)物與胰島素敏感性和穩(wěn)態(tài)模型評(píng)估胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)的相關(guān)性最強(qiáng)。此外，BCAA與胰島素抵抗的優(yōu)先關(guān)聯(lián)在正常體質(zhì)量健康人群中也被證實(shí)。用質(zhì)譜法測定191種代謝物的結(jié)果表明，BCAA和甘油水平的下降對胰島素敏感性有很強(qiáng)的預(yù)測作用[24]。CHEN等[22]進(jìn)行的一項(xiàng)病例對照研究表明，血漿BCAA水平與空腹胰島素水平相關(guān)，并能預(yù)測未來糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在肥胖者和空腹血糖水平升高的人群中。同時(shí)，HATTERSLEY等[25]指出，在不改變體質(zhì)量的前提下，少脂飲食可以調(diào)節(jié)氨基酸和BCAA代謝信號(hào)，提示氨基酸代謝信號(hào)可以用來評(píng)估糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)。此外，F(xiàn)IEHN等[26]的研究證實(shí)了BCAA信號(hào)與胰島素抵抗之間的聯(lián)系，在美國T2DM女性受試者中，>350種代謝物中的亮氨酸和纈氨酸水平增加。而且，BCAA水平的升高預(yù)示著將來可能出現(xiàn)胰島素抵抗或T2DM[27]。

因此，BCAA雖然未確定為胰島素抵抗或T2DM的致病因素，但其與胰島素抵抗和T2DM的高度相關(guān)性可作為預(yù)測因子，檢測T2DM的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)展進(jìn)程。

3 治療靶點(diǎn)

T2DM是一種復(fù)雜多基因疾病，通常與肥胖有關(guān)。因此，T2DM患者可從飲食方面改善病情。研究表明動(dòng)物蛋白與發(fā)生T2DM有較高的相關(guān)性，而蔬菜蛋白則與較低的T2DM風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[28]。這些結(jié)果表明，蛋白質(zhì)來源除了數(shù)量外，還可能與T2DM的發(fā)展有關(guān)。事實(shí)上，肉類，特別是紅肉的攝入量增加，導(dǎo)致患T2DM的風(fēng)險(xiǎn)更高[29]。因此，對于易患糖尿病的人群或者T2DM患者而言，應(yīng)注意飲食中總蛋白和動(dòng)物蛋白的攝入，從飲食方面改善身體代謝健康，提高患者身體素質(zhì)和預(yù)后。

另一方面，過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(PPARγ)配體有胰島素致敏作用，其包括胰島素敏化噻唑烷二酮類藥物，可參與數(shù)百個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄與調(diào)控。PPARγ配體已廣泛用于研究影響胰島素敏感性的生理和分子變化[30]，BCAA途徑的誘導(dǎo)程度與PPARγ配體處理誘導(dǎo)的胰島素敏感程度相關(guān)。PPARγ配體治療特異性與胰島素敏感程度和BCAA代謝途徑的調(diào)節(jié)相關(guān)，數(shù)據(jù)表明PPARγ配體可誘導(dǎo)脂肪組織中BCAA降解，可作為補(bǔ)償性代謝轉(zhuǎn)變，在肥胖的營養(yǎng)過剩狀態(tài)下減輕BCAA水平，降低機(jī)體的胰島素抵抗。因此，治療T2DM可從降低患者體內(nèi)BCAA水平著手，增強(qiáng)機(jī)體的胰島素敏感程度，進(jìn)一步改善病情。

4 結(jié) 論

盡管BCAA補(bǔ)充和富含BCAA的飲食有積極作用，由于循環(huán)BCAA水平，胰島素抵抗性肥胖癥和T2DM之間的關(guān)聯(lián)，BCAA水平作為未來胰島素抵抗或T2DM的預(yù)測因子也將被考慮。升高的BCAA刺激mTORC1和IRS-1絲氨酸磷酸化后導(dǎo)致胰島素抵抗和其他代謝紊亂。然而，最近的研究引發(fā)了關(guān)于由BCAA水平生理變化引起的mTOR激活是否足以或必需引起胰島素抵抗和隨后的代謝紊亂的問題。最近的研究發(fā)現(xiàn)，直至糖尿病發(fā)病后6個(gè)月，UCD-T2DM大鼠模型中BCAA水平未升高[31]。這些結(jié)果提示，BCAA水平的增加不足以引起大鼠模型系統(tǒng)中的胰島素抵抗和T2DM，BCAA代謝受損也會(huì)增加胰島素抵抗患者的BCAA水平。另一方面，BCAA的積累促進(jìn)了與應(yīng)激激酶刺激和β細(xì)胞凋亡相關(guān)的線粒體功能障礙[2]，這些通常與胰島素抵抗和T2DM有關(guān)。因此，高水平BCAA在代謝中所起的作用值得進(jìn)一步研究。

總之，最近的研究提出了BCAA與胰島素抵抗之間的密切關(guān)聯(lián)，BCAA增加可誘導(dǎo)胰島素抵抗的機(jī)制。有關(guān)BCAA信號(hào)傳導(dǎo)途徑和BCAA代謝的新發(fā)現(xiàn)拓寬了對胰島素抵抗的認(rèn)識(shí)。然而，BCAA是否僅僅是胰島素抵抗的標(biāo)志物，或者它們是否是胰島素抵抗的直接促成因素仍不確定。此外，BCAA的信號(hào)通路和代謝可能成為治療胰島素抵抗和T2DM的治療靶點(diǎn)。因此，以降低機(jī)體BCAA水平的PPARγ配體治療可作為新的治療靶點(diǎn)，進(jìn)一步改善T2DM的治療水平。