姚赫，林雅軍

(北京醫(yī)院國(guó)家老年醫(yī)學(xué)中心，國(guó)家衛(wèi)生健康委北京老年醫(yī)學(xué)研究所，國(guó)家衛(wèi)生健康委老年醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院老年醫(yī)學(xué)研究院，北京，100730)

近年來，世界正處于人口老齡化的挑戰(zhàn)之中，65歲及以上的人口數(shù)量日益增加，因此越來越多的人期望通過在飲食中添加抗衰老成分來保持健康老化。支鏈氨基酸，即亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，是一組自身不能合成的必需氨基酸。由于其在發(fā)育和衰老過程中的重要作用，常被廣泛用于補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，抵抗衰老。然而，盡管在眾多動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)了支鏈氨基酸有益的抗衰老結(jié)果，但在對(duì)支鏈氨基酸組成成分及支鏈氨基酸限制的衰老相關(guān)研究中卻顯示其成分反而導(dǎo)致衰老的加劇，而膳食中的支鏈氨基酸限制可以抗衰老[1]。對(duì)于支鏈氨基酸對(duì)個(gè)體衰老研究的兩種截然相反的結(jié)果，本文綜述了支鏈氨基酸縮短壽命及延長(zhǎng)壽命的主要機(jī)制，以期為支鏈氨基酸對(duì)于個(gè)體衰老影響的基礎(chǔ)研究及臨床研究提供參考。

1 支鏈氨基酸生物學(xué)功能與老齡化現(xiàn)狀

支鏈氨基酸是一種由亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸組成[2]，在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成、代謝、食物攝入和衰老中具有重要的生理作用的常見營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑[3]。其中，支鏈氨基酸的循環(huán)水平受到嚴(yán)格調(diào)控，支鏈氨基酸循環(huán)水平的異常與肥胖、2型糖尿病、心臟病和癌癥有關(guān)。而機(jī)體對(duì)支鏈氨基酸水平的調(diào)控通過支鏈氨基酸分解代謝的途徑來實(shí)現(xiàn)。支鏈氨基酸包含的三種氨基酸均被支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶1/2 (branched chain amino acid transaminase 1/2，BCAT1/2) 催化形成支鏈側(cè)-酮酸(branched chain α-keto acid，BCKA) ，然后，BCKA被支鏈酮酸脫氫酶(branched chain alpha-keto acid dehydrogenase，BCKDH) 復(fù)合物氧化并形成最終的代謝物，進(jìn)入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量。為了維持分解代謝循環(huán)，BCAT2可逆地催化支鏈氨基酸分解的初始步驟，以再生BCKA和谷氨酸[4, 5]。而各種疾病導(dǎo)致的循環(huán)支鏈氨基酸水平升高往往就是BCKA積累、BCKDH活性改變等導(dǎo)致支鏈氨基酸代謝障礙引起的[6]。

近年來，由于預(yù)期壽命的延長(zhǎng)、健康狀況的改善和醫(yī)療服務(wù)的改善，老年人口不斷增加。盡管平均壽命增加了，相應(yīng)的健康壽命卻沒有增加[7]。最新研究表明，人們的平均健康年齡在逐年下降，而營(yíng)養(yǎng)似乎是增加健康預(yù)期壽命的重要因素。因此，支鏈氨基酸作為常見的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑逐漸成為衰老干預(yù)中重要的研究對(duì)象。

2 支鏈氨基酸對(duì)壽命的正性調(diào)控作用

2.1 支鏈氨基酸與線粒體功能下調(diào)

由于衰老導(dǎo)致的蛋白質(zhì)代謝能力下降往往伴隨著肌少癥的發(fā)生，這將大大降低老年人的生活質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長(zhǎng)，通過線粒體脫氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid，DNA)拷貝數(shù)和腺嘌呤核苷三磷酸 (adenosine triphosphate，ATP) 生成速率的下降，人類線粒體功能逐漸下降[8]。而膳食中補(bǔ)充富含支鏈氨基酸的混合物可能有助于減緩線粒體衰退，改善營(yíng)養(yǎng)不良的老年患者的臨床狀況[7]，增加健康預(yù)期壽命，且這種方式比簡(jiǎn)單飲食建議更有效[7]。其機(jī)制可能與富含支鏈氨基酸的食物可以上調(diào)老年大鼠肌肉線粒體生物發(fā)生和抗氧化能力有關(guān)。研究顯示，補(bǔ)充支鏈氨基酸的中年小鼠心臟和骨骼肌中線粒體生物發(fā)生顯著增加，且支鏈氨基酸通過增加雷帕霉素復(fù)合物機(jī)制靶點(diǎn)1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1) 的活性，顯著改善心臟及骨骼肌的氧化應(yīng)激，從而將中年小鼠的壽命延長(zhǎng)了12%[9]。

2.2 支鏈氨基酸與炎癥

在20世紀(jì)70年代中期和80年代，首次評(píng)估支鏈氨基酸免疫調(diào)節(jié)能力的研究出現(xiàn)。研究表明，亮氨酸作為哺乳動(dòng)物類雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR) 信號(hào)通路的激活劑，其對(duì)mTOR信號(hào)通路的激活在機(jī)體維持免疫功能方面發(fā)揮了重要作用。考慮到支鏈氨基酸刺激的mTOR的激活主要與促炎作用有關(guān)，支鏈氨基酸在臨床實(shí)踐中常用于提高術(shù)后和敗血癥患者淋巴細(xì)胞數(shù)量，減少死亡率[10]。此后的研究發(fā)現(xiàn)淋巴細(xì)胞的增殖依賴于由三種氨基酸組成的支鏈氨基酸，而這些氨基酸的缺失直接影響淋巴細(xì)胞的增殖[11]。這說明支鏈氨基酸對(duì)炎癥的改善作用與其對(duì)淋巴細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用密切相關(guān)。隨后的研究顯示，補(bǔ)充支鏈氨基酸不僅可以延長(zhǎng)危重患者的壽命，對(duì)年齡增長(zhǎng)而出現(xiàn)的多種慢性疾病的炎癥也具有良好的改善作用[12,13]。

2.3 支鏈氨基酸與腸道菌群

研究表明，腸黏膜中BCAT和BCKDH兩種酶之間代謝活性的差異使腸道可以逐漸利用支鏈氨基酸作為能量底物，避免了飼喂過程中支鏈氨基酸的損失，也減少了支鏈氨基酸補(bǔ)充對(duì)腸道吸收帶來的負(fù)擔(dān)[14]。此外，補(bǔ)充支鏈氨基酸后小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，添加支鏈氨基酸減緩了小鼠腸道菌群因年齡變化的速度。這說明支鏈氨基酸影響腸道菌群和腸道代謝。此外，補(bǔ)充支鏈氨基酸組小鼠血清中脂多糖結(jié)合蛋白的濃度較低。這些變化表明宿主腸道內(nèi)抗原負(fù)荷降低，提示膳食中添加支鏈氨基酸可改善腸道菌群，減輕年齡導(dǎo)致的腸道系統(tǒng)功能下調(diào)[15]。

2.4 內(nèi)源性支鏈氨基酸積累

支鏈氨基酸的內(nèi)源性積累對(duì)壽命也有積極的影響。在秀麗隱桿線蟲中，野生型成年線蟲中BCAT1基因沉默可以增加支鏈氨基酸的內(nèi)源性積累，并延長(zhǎng)壽命。最新的基于東亞長(zhǎng)壽縣的受試者研究顯示，內(nèi)源性的支鏈氨基酸對(duì)白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度和衰弱具有潛在的保護(hù)作用，并表明在健康衰老過程中，支鏈氨基酸和白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度之間存在潛在的協(xié)同作用[16]。

3 支鏈氨基酸對(duì)壽命的負(fù)性調(diào)控作用

近年來，隨著對(duì)支鏈氨基酸延長(zhǎng)壽命研究的不斷深入，支鏈氨基酸對(duì)壽命的負(fù)面作用逐漸被發(fā)現(xiàn)。研究表明，循環(huán)中支鏈氨基酸的升高與小鼠死亡率的增加有關(guān)，與此同時(shí)，減少膳食中支鏈氨基酸可以延長(zhǎng)果蠅的壽命。其中，支鏈氨基酸限制延長(zhǎng)壽命的可能機(jī)制是降低mTORC1活性、降低磷酸化S6激酶(S6 kinase, S6K) 水平、下調(diào)S6K mRNA翻譯及誘導(dǎo)自噬[17]。

支鏈氨基酸作為mTOR信號(hào)的有效激活劑，其在促進(jìn)細(xì)胞增殖，修復(fù)及改善衰老狀態(tài)及炎癥方面的作用十分顯著。然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，支鏈氨基酸限制導(dǎo)致的mTOR信號(hào)的活性抑制與壽命的延長(zhǎng)密切相關(guān)。研究表明，在低氨基酸狀態(tài)下，限制蛋氨酸的攝入可以抑制mTOR通路的活性來增加酵母的壽命，而在高氨基酸條件下卻無此變化，其機(jī)制可能與蛋氨酸與其他氨基酸的相互作用有關(guān)[18]。S6K是mTORC1的直接下游靶點(diǎn)，研究結(jié)果顯示過表達(dá)精氨酸激酶-1(arginine kinase-1，ARGK-1)可以通過激活能量傳感器腺苷酸活化激酶-2/腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated kinase-2/AMP-activated protein kinase，AAK-2/AMPK)對(duì)核糖體 S6激酶(ribosomal S6 kinase，RSK-1)/ S6K的調(diào)控，延長(zhǎng)秀麗線蟲的壽命[19]。在S6K敲除小鼠中也觀察到壽命被延長(zhǎng)9%，以上都提示下調(diào)S6K對(duì)低等動(dòng)物及哺乳動(dòng)物的壽命都有延長(zhǎng)作用[20]。

此外，對(duì)于亮氨酸的研究發(fā)現(xiàn)其可通過DNA損傷誘導(dǎo)MC3T3-E1細(xì)胞衰老，對(duì)骨細(xì)胞增殖產(chǎn)生負(fù)面影響[21]。而亮氨酸的耗竭延長(zhǎng)了亮氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型細(xì)胞的壽命，導(dǎo)致胞外環(huán)1(extracellular loop1，Ecl1) 家族基因介導(dǎo)的細(xì)胞小型化和細(xì)胞周期G1期停滯[22]。以上研究提示，作為支鏈氨基酸的主要成分之一，亮氨酸在對(duì)衰老的負(fù)面影響中可能發(fā)揮重要作用。然而，這與亮氨酸作為mTOR激活劑對(duì)機(jī)體炎癥的改善及壽命的延長(zhǎng)的研究結(jié)果截然相反，目前對(duì)于這些矛盾尚無令人信服的解釋。

4 小結(jié)與展望

支鏈氨基酸對(duì)壽命的影響存在很多爭(zhēng)議，其可能的機(jī)制也很復(fù)雜?？梢钥隙ǖ氖侵ф湴被釋?duì)壽命的正性調(diào)控及負(fù)性調(diào)控與所處的外界環(huán)境、疾病及支鏈氨基酸的搭配、攝入量都有很大關(guān)系。例如，特定飲食限制條件下補(bǔ)充支鏈氨基酸可以改善新陳代謝健康，改善葡萄糖耐量，減少脂肪堆積[23]。而支鏈氨基酸與高脂肪飲食結(jié)合時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致肥胖相關(guān)的胰島素抵抗的發(fā)展[24]。

近年來，越來越多的研究開始尋求內(nèi)源性支鏈氨基酸代謝與外源性支鏈氨基酸補(bǔ)充調(diào)控壽命的最佳平衡。其中，微小核糖核酸-277(microRNA-277，miR-277)調(diào)節(jié)的支鏈氨基酸分解代謝正在成為研究支鏈氨基酸對(duì)壽命調(diào)節(jié)的熱點(diǎn)方式，過表達(dá)和抑制miR-277都會(huì)縮短壽命。miR-277的表達(dá)降低了支鏈氨基酸的代謝清除能力。由此導(dǎo)致的支鏈氨基酸濃度的增加可能會(huì)刺激mTOR 激酶[25]，從而縮短壽命。通過海綿(sponge)轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制miR-277活性也會(huì)縮短壽命， 這一現(xiàn)象尤其是在給予富含蛋白質(zhì)的食物時(shí)更明顯[26]。因此，miR-277有希望成為未來尋找最佳的代謝適應(yīng)及最佳的壽命影響平衡支點(diǎn)的有效觀察指標(biāo)。

然而，單獨(dú)的標(biāo)志物及有限的使用條件并不足以說明支鏈氨基酸對(duì)機(jī)體的矛盾作用的機(jī)制。迄今為止，支鏈氨基酸對(duì)壽命影響的矛盾結(jié)論也為支鏈氨基酸的臨床使用增加了較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，支鏈氨基酸對(duì)壽命的影響及調(diào)控機(jī)制仍需更深入的研究并解決以下幾個(gè)重要問題：(1)支鏈氨基酸對(duì)機(jī)體正性調(diào)控作用的具體使用環(huán)境及條件，如疾病狀態(tài)、支鏈氨基酸補(bǔ)充劑量等；(2)支鏈氨基酸對(duì)機(jī)體正性及負(fù)性調(diào)控作用的檢測(cè)標(biāo)志物；(3)支鏈氨基酸對(duì)機(jī)體兩種截然相反的作用的調(diào)控機(jī)制。全面探究支鏈氨基酸對(duì)壽命的影響，通過支鏈氨基酸對(duì)壽命的調(diào)控機(jī)制的深化，了解其對(duì)機(jī)體有益的使用方法，對(duì)于促進(jìn)老年人群壽命延長(zhǎng)干預(yù)措施的開發(fā)具有重要意義。