支链氨基酸代谢与心力衰竭关系的研究进展

杨春阳，黄鈺婷，樊官伟

心力衰竭是全球心血管事件发病和死亡的主要原因。研究表明，心力衰竭的发生以及发展与心肌梗死后心脏的能量物质代谢紊乱密切相关。在心力衰竭时，心肌细胞葡萄糖、脂肪酸、乳酸、氨基酸等物质代谢紊乱，葡萄糖摄取和糖酵解代偿性增加，脂肪酸氧化代谢减少，导致心脏能量代谢途径改变，即“代谢重构”。最终致使心肌结构和功能异常。引起心肌代谢重构以致心力衰竭发展的重要原因可能是底物的利用受阻和缺乏能量物质，而对衰竭的心脏进行代谢方面的干预可显著改善心脏功能。然而，目前针对心力衰竭代谢改变的研究主要集中在糖类和脂肪的代谢上，氨基酸代谢与心力衰竭的关系则尚未阐明。研究显示作为氨基酸中的一员，支链氨基酸(BCAA)的代谢与心力衰竭有着密切的联系。因此，对心力衰竭过程中BCAA代谢的研究是十分必要的。

1 BCAA的组成及生理作用

BCAA是指α-碳上含有分支脂肪烃链的中性氨基酸，包括L-亮氨酸(L-Leucine)、L-异亮氨酸(L-isoleucine)、L-缬氨酸(L-valine)，它们有着共同的代谢途径[1]。BCAA是机体内最主要的供能氨基酸，通过一系列酶的催化反应分解产生ATP来为机体提供能量，是重要的能源来源物质。BCAA可参与调控物质代谢、细胞增殖、细胞凋亡、氧化应激、细胞自噬及胰岛素抵抗等过程[2]。

2 BCAA的分解代谢

在BCAA分解过程中，肝脏、肾脏和心脏等组织迅速将BCAA氧化进入三羧酸(TCA)循环。BCAA代谢首先通过支链氨基转移酶(BCAT)进行转氨作用以形成支链α-酮酸(BCKA)，然后通过支链α-酮酸脱氢酶复合物(BCKD)进行不可逆的氧化脱羧。在BCKD的作用下，BCKA脱氢转化为相应的脂酰辅酶A(CoA)，随后它们在线粒体中通过三羧酸循环产生用于呼吸作用的还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸[3]。

研究显示，BCAT不是BCAA分解代谢途径的限速酶，而作为BCAA分解代谢过程的限速酶，BCKD的活性决定于其调节亚基E1α ser293位点的磷酸化水平。当机体内BCAA含量降低时，E1α会在一种BCKD激酶支链α-酮酸脱氢酶激酶(BDK)的作用下发生磷酸化，使BCKD活性受到抑制，BCAA分解代谢减少。当机体内BCAA含量增加时，E1α会在线粒体蛋白磷酸酶2C(PP2Cm)的作用下发生去磷酸化，使BCKD激活，导致BCAA分解代谢增加[4]。

3 BCAA代谢在心力衰竭过程中的表现

在一项PREDIMED研究的一个队列中，在心血管高风险人群中，较高浓度的BCAA水平与心血管疾病风险增加有关[5]。Du等[6]研究发现原发性经皮冠状动脉介入治疗(PCI)后ST段抬高型心肌梗死病人高浓度的循环BCAA与PCI后发生的心血管不良事件如心脏破裂、恶性心律失常和心力衰竭相关。

通过对心肌梗死诱发的慢性心力衰竭(CHF)大鼠模型中改变的23种心脏代谢物进行相关蛋白质和基因的靶向分析，证实了BCAA代谢途径在大鼠衰竭心脏中被显著抑制[7]。液相色谱-串联质谱(LC/MS/MS)和气相色谱-质谱(GC/MS)技术的联合应用也证明，包括BCAA在内的氨基酸代谢异常与压力超负荷和心肌梗死的病理过程有关。Lai等[8]在心力衰竭小鼠血浆中观察到BCAA(Leu/Ile)显著增加。

Sun等[9]基于转录组分析发现BCAA分解代谢途径是压力超负荷诱导的小鼠衰竭心脏中改变最显著的代谢途径，其中BCAA分解代谢途径相关基因表达减少。并且发现出现应激的心脏组织中的BCKA有着显著积累。Wang等[10]最近的一项研究观察了心肌梗死后BCKD的动态变化，在心肌梗死后1周内观察到BCKD活性瞬时性诱导增加，但是在1周后BCKD的磷酸化水平升高，BCKD的活性降低。参与BCAA代谢限制速率步骤的BCKD E1α、E1β和E2亚基的含量均在心力衰竭的心脏中下调。亮氨酸和异亮氨酸在大鼠心脏积累可引起心脏收缩功能障碍，并对心脏功能有抑制作用[11]。

4 BCAA代谢对心力衰竭过程中心脏代谢的影响

4.1 对线粒体功能的影响 研究表明，BCAA分解代谢途径的调节激酶和磷酸酶位于线粒体和胞质溶胶中[12]。过量的BCAA及其代谢产物BCKA可抑制丙酮酸脱氢酶复合物活性，直接抑制心肌线粒体氧化磷酸化并诱导线粒体中超氧化物的产生，表明BCKA对心肌细胞氧化还原调节和线粒体功能有直接影响。在其他组织(如肝脏或脂肪)中的BCAA分解代谢缺陷也可能引起心脏BCAA/BCKA的异常[13]。因此，BCKA的改变可能成为代谢紊乱与心脏病风险升高之间的潜在联系。

心力衰竭过程中BCAA代谢紊乱会使细胞中抗活性氧(ROS)相关酶基因表达下调，导致线粒体中的ROS积累[14]，对心脏造成一系列损害，加重心力衰竭进程。Sun等[9]研究也发现在PP2Cm表达缺陷的心脏组织中检测到ROS含量升高，心肌蛋白的氧化损伤加重。Lu等[4]研究表明，PP2Cm表达缺陷的心肌细胞和组织中BCAA/BCKA增加，可直接导致mPTP开放增加，介导线粒体发生钙离子的大量释放，诱导心肌细胞凋亡的发生。通过对BCAA处理会减少mPTP的开放，可以预防线粒体介导的细胞死亡[15]。由此可见，尽管BCAA代谢对于能量产生影响较少，但BCAA分解代谢对于维持心脏代谢的稳态是十分必要的。

4.2 对心脏缺血再灌注(I/R)损伤的影响 研究发现，BCAA分解代谢缺陷和BCAA的积累可减少蛋白质O-连接N-乙酰葡糖胺(O-GlcNAc)修饰，抑制葡萄糖代谢并加剧I/R损伤。Li等[16]研究发现，BCAA/BCKA通过转录上调过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPAR-α)表达来增强心脏脂肪酸氧化水平，加剧脂质过氧化毒性并使心脏对I/R损伤敏感，而这可以通过腺病毒介导的PPAR-α沉默来逆转。Lian等[17]发现，过表达PP2Cm可减轻糖尿病小鼠的BCAA分解代谢缺陷和氧化应激介导的I/R损伤。BCKA通过抑制坏死而不影响细胞凋亡或自噬来保护氧化应激诱导的细胞死亡，也可保护线粒体能量代谢免受氧化损伤。Dong等[18]研究发现，在再灌注期间给予BCKA显著减轻心脏I/R损伤。最近的研究显示，BCAA治疗在心肌I/R损伤中表现出保护作用，mTOR在这种作用中起重要作用[15]。

4.3 对胰岛素信号传导的影响 心力衰竭会发生心脏BCAA分解代谢受损和胰岛素信号传导，并导致严重的心脏功能障碍，其机制可能为心力衰竭心脏通过转化生长因子激酶1(TAK1)/p38 丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)抑制KLF15表达和抑制BCAA分解代谢途径，导致心脏BCAA水平升高。BCAA通过mTOR激活P-p70S6K /P-IRS1 ser636途径，导致胰岛素信号传导减弱。而增强BCAA代谢可以改善衰竭心脏的心脏功能[19]。

4.4 对BCAA分解通路关键基因表达的影响 Sun等[9]研究中，转录因子KLF15被鉴定为BCAA分解代谢基因下调的上游调节因子。KLF15的下调是心脏肥大发展和心力衰竭进展的重要步骤[20]。有研究显示，葡萄糖通过抑制环腺苷单磷酸反应元件结合蛋白(CREB)介导的转录因子KLF15及其下游基因的表达从而抑制BCAA分解代谢。BCAA累积后可能通过激活mTORC1，从而促进蛋白质合成和心肌肥厚[21-22]。此外，有研究表明，BCAA可通过磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)-蛋白激酶B(AKT)途径负调节KLF15表达[23]。

有研究证实，KLF15是BCAT2的直接转录激活因子[24]。在培养的心肌细胞中，KLF15的过表达显著诱导BCAT2、BCKD亚基和PP2Cm的mRNA表达。在KLF15缺陷的心脏中发现BCAT2、BCKD和PP2Cm的表达减少。所以，在心力衰竭期间BCAA代谢紊乱可能与KLF15调控其代谢过程基因有关。

在心脏中，mTOR活性直接参与心脏肥大过程，是调节蛋白质合成的关键途径。病理性应激心脏中BCAA分解代谢缺陷可导致BCAA和BCKA的显著积累，可激活心脏mTOR信号，从而促进心脏肥大，抑制心脏保护性自噬，并抑制心脏中的生物能量调节，最终加重相关心脏疾病的发生发展进程[25]。

5 展 望

BCAA分解代谢是一种高度保守的代谢途径，其对细胞生长和正常生理学重要性的认知正逐渐提高。BCAA及其代谢物是心力衰竭的潜在生物标志物，也是心力衰竭发病机制中的促成因子。改善BCAA分解代谢的新型治疗方法已证明可有效减轻心力衰竭的发生和发展。

最近研究发现，作为用于心力衰竭标准治疗的辅助药物，参麦注射液可以增加循环中的BCAA含量，并为心力衰竭病人提供能量代谢底物以促进能量产生[26]。三七-丹参合剂可通过促进心肌激活支链α-酮酸脱氢酶复合体E1 α亚基(BCKDHA)，抑制支链α-酮酸脱氢酶激酶(BCKDHK)、BCAA分解代谢紊乱来发挥在冠心病期间对心肌缺血的保护作用[27]。Sun等[9]发现BT2治疗对心力衰竭具有显著的改善作用。Wang等[26]还证实心肌梗死后的BT2治疗显著改善了心脏损伤后的病理性重塑和功能障碍。

由于BCAA分解代谢紊乱与心力衰竭发生发展之间的联系尚未认识完全，因此，阐明BCAA代谢在心力衰竭发展中的作用，对于认识疾病状态下BCAA代谢以及为心力衰竭的临床治疗提供启发具有重要意义。