亮氨酸调节哺乳动物骨骼肌蛋白质合成的研究进展

毛湘冰 黄志清 陈小玲 余 冰 陈代文

瘦肉率和生长速度一直以来都是猪生产中的重要目标性状,而其与骨骼肌的含量及骨骼肌内蛋白质沉积的能力有很大关系。哺乳动物骨骼肌蛋白质合成受到诸多因素的调节,这些因素包括采食、体内各种激素水平、运动、营养物质(如蛋白质、氨基酸和葡萄糖等)水平等[1-2]。近年的大量研究表明,亮氨酸可以诱导骨骼肌蛋白质合成,而在这一过程中,亮氨酸可作为一种调节因子来调控肌细胞内信号通路,从而提高哺乳动物骨骼肌蛋白质的合成[1]。因此,本文总结了近年关于亮氨酸调节哺乳动物(主要是鼠和猪)骨骼肌蛋白质合成及其作用机制,为亮氨酸营养的深入研究与亮氨酸在临床和生产上的科学利用提供参考。

1 亮氨酸的概述

亮氨酸(leucine,又称白氨酸)是 Proust首先从奶酪中分离出来的,之后 Braconnot在肌肉、羊毛酸水解物中得到其结晶,分析出它的化学结构为 α-氨基异己酸,并将其命名为亮氨酸。作为一种支链氨基酸,亮氨酸是机体内的必需氨基酸,哺乳动物自身不能合成,必须由饲粮提供,而亮氨酸也是目前饲粮中数量最大的必需氨基酸[3]。

亮氨酸的从头合成限于植物和微生物中,在哺乳动物体内不能从头合成。而哺乳动物体内亮氨酸的分解过程如下:起始步骤是转氨,即亮氨酸在支链氨基酸转氨酶(branched-chain aminotransferase,BCAT)催化下,生成 α-酮异己酸,其为一种支链酮酸(branched-chain ketoacid,BCKA),该反应为可逆反应[4];然后,α-酮异己酸在支链氨基酸脱氢酶(branched-chain dehydogense,BCDH)催化下发生不可逆的氧化脱羧反应,生成少 1个碳原子的酮酸与乙酰辅酶 A衍生物;最终,分解生成乙酰乙酸和乙酰辅酶 A进入柠檬酸循环,因此,亮氨酸是一种生酮氨基酸[5]。一般来说,哺乳动物体内绝大多数氨基酸代谢均在肝脏内进行,而亮氨酸的代谢则主要位于骨骼肌当中,这与以上关键酶的分布有很大关系[5]。

关于亮氨酸功能的研究发现,亮氨酸在机体中发挥着重要的营养生理作用,概括起来主要包括 3个方面,即氧化供能、调节机体免疫功能和调节机体(尤其是骨骼肌)的蛋白质代谢。

2 亮氨酸对骨骼肌蛋白质合成的刺激作用

关于亮氨酸营养生理作用的研究,近年多集中于其对哺乳动物骨骼肌蛋白质代谢(尤其是合成)的影响。

2.1 亮氨酸对健康动物骨骼肌蛋白质合成的影响

诸多以仔猪和大鼠为模型的试验均表明,亮氨酸可以刺激骨骼肌蛋白质的合成。美国的Davis团队和 Kimball团队在这一方面最先进行了大量的研究,这些研究主要集中在体内急性试验,他们通过给禁饲的大鼠灌服或新生仔猪静脉注射一次性给予亮氨酸溶液(亮氨酸给予的剂量分别为1.35和 3.2 g/kg BW),结果发现,与未给予亮氨酸的禁饲大鼠或新生仔猪相比,给予亮氨酸的大鼠或新生仔猪骨骼肌蛋白质合成显著增加,且发现补充亮氨酸时供给其他必需氨基酸更有利于氨基酸的利用与骨骼肌蛋白质合成[6-12]。而法国的Balage研究小组则进行了一些关于亮氨酸调节骨骼肌蛋白质合成的长期试验研究,所选用的试验对象为大鼠。 Dardevet等[13]和 Rieu等[14-15]分别使用添加 4.45%亮氨酸饲粮或通过不同蛋白质来源配制饲粮进行长期饲喂发现,提高的亮氨酸水平刺激了老龄大鼠骨骼肌蛋白质合成,而且在停止饲喂添加亮氨酸饲粮后,这种作用依然得到延续;但是,饲粮中亮氨酸水平的增加对成年大鼠骨骼肌蛋白质的合成没有显著影响;另外,在进一步的研究中,Debras等[16]发现,饲粮中亮氨酸的缺乏有降低正常生长大鼠骨骼肌蛋白质合成的趋势,但差异不显著。除此之外,Lynch等[17]通过饮水长期供给生长大鼠亮氨酸[(2.2～3.2)g/(kg BW◦d)],也提高了其骨骼肌蛋白质合成。Yin等[18]在断奶仔猪为试验模型的研究中发现,在蛋白含量为16.9%的低蛋白饲粮中添加 0.27%或 0.55%的亮氨酸,可以显著提高仔猪骨骼肌内蛋白质合成。对于其他哺乳动物,亮氨酸调节骨骼肌蛋白质合成也存在类似的作用,桑丹等[19]给绵羊饲喂添加了 0.05%～0.15%瘤胃保护性亮氨酸的饲粮,发现亮氨酸的添加可以显著提高绵羊骨骼肌蛋白质的合成。而在人上的研究也发现,给青年人提供过量的亮氨酸也可以提高其骨骼肌蛋白质合成能力,并促进骨骼肌蛋白质的沉积[20]。

2.2 亮氨酸对疾病引起骨骼肌群流失的缓解作用

根据以上健康状态动物试验的研究结果,各国学者认为亮氨酸在缓解骨骼肌群流失上可能具有相应的作用,因此建立了目前引起骨骼肌蛋白质流失的各种疾病模型,如败血症、癌症和糖尿病等,并进行了相应的亮氨酸处理研究。Anthony等[21]利用丙酮二酰注射诱导大鼠产生糖尿病,并对其一次性灌服 1.35 g/kg BW的亮氨酸发现,与灌服生理盐水的对照组相比,亮氨酸的灌服可以显著提高糖尿病大鼠的骨骼肌合成。Ventrucci等[22]先给大鼠饲喂添加 3%亮氨酸的饲粮,之后通过植入癌细胞诱导大鼠癌症的发生,结果表明亮氨酸的添加可以显著提高癌症大鼠骨骼肌蛋白质合成能力,减轻癌症引起的骨骼肌群流失。Vary[23]通过手术给大鼠腹腔植入大肠杆菌和脆弱类杆菌诱导慢性败血症,继而进行一次性灌服1.35 g/kg BW的亮氨酸,发现亮氨酸的添加可抑制败血症引起的骨骼肌蛋白质合成减少,从而缓解其带来的体重下降等负面效应。

2.3 体外试验中亮氨酸的蛋白质合成刺激作用

在以肌肉细胞为体外模型的研究中,研究者们也发现亮氨酸对于蛋白质合成具有显著刺激作用。Kimballs等[24]和 Mordier等[25]分别去除了L6和 C2C12肌管培养基中的亮氨酸后,发现肌管的蛋白质合成显著下降。而 Du等[26]和 Han等[27]分别在饥饿后的 C2C12成纤维细胞和原代肌肉卫星细胞的培养基中添加了 2 mmol/L的亮氨酸进行试验,结果表明亮氨酸的添加显著提高了细胞内蛋白质合成水平。

在研究亮氨酸刺激蛋白质合成过程中,很多研究者还发现亮氨酸可在体内和体外刺激某些特定蛋白质的合成。Roh等[28]和 Lynch等[29]发现,亮氨酸可以刺激脂肪细胞和组织产生和分泌瘦素。Tomiya等[30-31]也研究表明,亮氨酸可以刺激肝脏星状细胞产生肝脏生长因子。Ijichi等[32]的研究还发现,在原代培养的肝上皮实质细胞的培养基中添加亮氨酸,可以刺激其白蛋白合成。另外,Mao等[33]通过亮氨酸处理 C2C12肌管发现,亮氨酸可以显著提高肌管内瘦素受体的表达。

3 亮氨酸调节骨骼肌蛋白质合成的机制

亮氨酸可作为能量来源。研究表明,1 mol亮氨酸完全氧化可产生 40 mol ATP,氧化产生 ATP的效率高于其他氨基酸[32,34]。这说明亮氨酸可以为蛋白质合成提供能量,且亮氨酸本身也是蛋白质合成的重要基质。除了这些之外,更重要的是,亮氨酸对于骨骼肌蛋白质合成的促进作用还在于其可以调节细胞内各种信号通路。归纳近年的研究结果可以发现,亮氨酸调节骨骼肌蛋白质合成主要是通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)依赖与非依赖 2条通路来进行的。

3.1 亮氨酸对 mTOR依赖的信号通路的调节

各国学者通过动物或细胞为模型的研究发现,亮氨酸调节骨骼肌蛋白质合成机制主要是通过细胞内转录后调节通路之一——mTOR信号通路,图 1描述了亮氨酸通过 mTOR信号通路刺激肌肉蛋白质合成的可能信号转导情况。

首先,亮氨酸分别激活磷脂酰肌醇 3激酶/蛋白激酶 B/40 ku的脯氨酸富集的蛋白激酶 B基质(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B/proline-rich Akt substrate of 40 ku,PI3K/PKB/PRAS40)通路、一组鸟苷三磷酸酶(a family of four related small guanosine triphosphatases,Rag)或富集于大脑的 Ras同源物(Ras homolog enriched in brain,Rheb),进而活化无活性的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物 1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1),这一过程的表现即为,mTOR蛋白上某些位点的苏氨酸和丝氨酸发生了磷酸化[35-37]。而 mTORC1的活化将促使其下游的 2个重要的效应物——核糖体蛋白 S6激酶(ribosomal protein S6 kinase,p70S6K)和真核翻译起始因子 4E结合蛋白 1(eukaryotic initiation factor 4E-binding protein-1,4E-BP1)发生磷酸化。4E-BP1磷酸化后释放了真核翻译起始因子 4E(eukaryotic initiation factor 4E,eIF4E),使 eIF4E与真核翻译起始因子 4G(eukaryotic initiation factor 4G,eIF4G)结合,形成真核翻译起始因子 4F(eukaryotic initiation factor 4F,eIF4F),进而提高了 mRNA的稳定性,促进了 mRNA翻译的起始[38]。而p70S6K的活化促使核糖体蛋白 S6(ribosomal protein S6,S6)的磷酸化,增加了 mRNA翻译(特别是涉及到蛋白质合成的编码蛋白的mRNA)[39]。最终,亮氨酸激活了蛋白质的合成。

3.2 亮氨酸对非 mTOR依赖信号通路的调节

在对亮氨酸提高骨骼肌蛋白质合成机制的进一步探讨中,Anthony[40]利用 mTOR的特异性抑制剂(rapamycin)处理大鼠后,发现 rapamycin并没有完全的抑制亮氨酸对肌肉蛋白质合成的增强作用,因此,推断亮氨酸对于蛋白质合成的调节作用还存在mTOR非依赖途径。但是,目前相关研究很少。除此之外,近年的一些研究还发现,亮氨酸可以促进机体内多种激素(如胰岛素和瘦素等)的产生。而且,在进一步研究亮氨酸与胰岛素调节骨骼肌蛋白质合成是否具有依赖关系中,O'Connor等[41]发现,亮氨酸与胰岛素刺激新生仔猪骨骼肌蛋白质合成的作用并不具有相互依赖性;而以猪原代卫星细胞为模型的研究中,亮氨酸与类胰岛素生长因子 -Ⅰ刺激蛋白质合成的作用可能具有协同效应,但对于 mTOR信号通路的激活作用并不具有协同作用[27]。另外,Sans等[42]以大鼠和小鼠为试验模型研究还发现,亮氨酸可以通过mTOR信号通路激活胰腺腺泡内的 mRNA翻译机制,而这一过程不受胆囊收缩素和胰岛素的影响。毛湘冰[43]以 C2C12肌管和 ob/ob小鼠为模型研究发现,亮氨酸与瘦素在调节骨骼肌蛋白质合成中具有协同作用,但没有进一步对相关的信号通路和机制进行探讨。

图1 亮氨酸通过m TOR信号通路刺激肌肉蛋白质合成的可能信号转导图Fig.1 Signaling events of mTOR signaling pathway in the stimulation of protein synthesis in muscle by leucine

4 小 结

虽然目前已有大量关于亮氨酸刺激骨骼肌蛋白质合成以及相关机制的研究,但是还存在诸多方面需要开展大量试验来进一步探讨。如近年的研究发现饲粮中亮氨酸的过量添加(≥5%)能够刺激骨骼肌蛋白质合成,却会导致采食量下降,进而影响机体的生长[44-46],因此,亮氨酸的补充剂量或需要量需要进一步确定。另外,关于补充亮氨酸的途径和方式的研究也没有得到一致的结果。而对于亮氨酸调节骨骼肌蛋白质合成的机制方面,目前各国学者已公认 mTOR信号通路的调节作用,但是对于 mTOR上游的因子以及 mTOR非依赖信号通路的研究报道还是十分缺乏的。未来的研究必须在这些方面进行深入,探明这些问题,才能为亮氨酸在临床和生产上的应用提供坚实的理论基础。

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