支链氨基酸代谢及其与疾病的关系

柯雅蕾， 罗建沅， 王海英

(1)北京大学公共卫生学院， 北京 100191；2)北京大学医学部基础医学院 生物化学与生物物理学系 蛋白质修饰与细胞功能北京市重点实验室， 北京 100191；3)北京大学医学部 北京大学医学遗传中心， 北京 100191)

支链氨基酸(branched chain amino acids, BCAAs)包括亮氨酸(leucine, Leu)、异亮氨酸(isoleucine, Ile)和缬氨酸(valine, Val)，由于它们的疏水侧链都具有分支的甲基基团而得名。作为机体必需氨基酸，BCAAs约占血浆游离必需氨基酸的40%[1]，除了参与合成蛋白质外，其发挥营养信号和代谢调节的作用也不可小觑。近年来，越来越多的研究关注BCAAs代谢与信号通路、物质代谢及疾病之间关系密切，但结论并不完全一致。本文对BCAAs代谢的功能调控及其与疾病的关系进行了全面的回顾和总结，以期为进一步研究指出方向。

1 支链氨基酸的分解代谢

BCAAs分解代谢的起始阶段有着相似的步骤——转氨基、氧化脱羧再脱氢，随后进入各自分解途径。首先，由支链氨基转移酶(branched-chain amino acids aminotransferase，BCAT)催化，可逆地将α-氨基转移至α-酮戊二酸，生成谷氨酸(glutamate, Glu)。脱氨基后的碳骨架生成支链α-酮酸(branched chain ketoacid, BCKA)，Leu、Ile、Val通过此步反应分别产生α-酮异丙酸酯(α-ketoisocaproate, KIC)、α-酮-β-甲基戊二酸(α-keto-β-methylvalerate, KMV)和α-酮异戊酸(α-ketoisovalerate, KIV)。随后，由支链α-酮酸脱氢酶(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase, BCKDH)复合物催化氧化脱羧，不可逆地生成相应的脂酰CoA。最终，Leu降解为乙酰乙酸和乙酰 CoA、Ile降解为丙酰CoA和乙酰CoA、Val降解为琥珀酰CoA。在大多数组织中，这些分解代谢产物分别进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA) (Fig.1)，以肌肉、褐色脂肪、肝、肾和心血管为著[2]，或进入糖酵解和其他代谢途径。

Fig.1 Summary of branched chain amino acid catabolism Branched-chain amino acid (BCAA) metabolism in the body can be divided into two steps. The first step is reversible transamination to form α-ketoisocaproate (KIC), α-keto-β-methylvalerate (KMV) and α-ketoisovalerate (KIV) respectively, by branched-chain amino acids aminotransferase (BCAT), with concomitant production of Glu from α-ketoglutarate (α-KG). The second step is irreversible oxidative decarboxylation catalyzed by the mitochondrial branched-chain α-ketoacid dehydrogenase (BCKDH) complex. The final metabolites enter the tricarboxylic acid (TCA) cycle. BCKA, branched chain ketoacid

一般而言，BCAAs的分解代谢开始于许多表达BCAT酶的外周组织，例如骨骼肌，生成的BCKA释放到血液循环中，再进入肝代谢[2]。这形成了BCAAs产物的特殊代谢模式，主要从骨骼肌释放，在器官间大量穿梭，随后在肝内氧化[3]。BCAAs在器官间穿梭有助于其发挥营养信号和代谢调节的作用。

2 支链氨基酸代谢的调控

代谢调控通常是通过调节代谢途径的关键酶实现的。BCAAs代谢调控的重点是对支链氨基转移酶(BCAT)和支链α-酮酸脱氢酶(BCKDH)2个关键酶的调节。

BCAT作为BCAAs分解代谢的第1个关键酶，有BCATm和BCATc 2种同工酶[4]，BCATm主要定位于线粒体，在除肝外的各种组织中表达。其中，在胃中表达水平最高[5]。BCATc主要定位于胞质，主要表达于大脑、卵巢和胎盘等组织[6]。BCATm在转录水平受到过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α (PPARγ coactivator-1α，PGC-1α)[7]、甾醇调节元件结合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1, SREBP1)[8]和Krüppel样因子15(Krüppel-like factor 15, KLF15)[9]的调节。在翻译后水平，cAMP反应元件结合结合蛋白(cAMP-responsive element-binding (CREB)-binding protein, CBP)和SIRT4调控BCATm第44位赖氨酸的乙酰化水平，剥夺BCAAs能够增加BCATm乙酰化并促进其泛素-蛋白酶体依赖的降解[10]。

BCKDH位于线粒体内膜，由BCKA脱羧酶(E1)、二氢硫辛酰胺酰基转移酶(E2)和二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)3个亚基组成[11]，其中E1和E2具有特异性，而E3是与丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase, PDH)复合物和α-酮戊二酸脱氢酶复合物共有的组分。因为BCKDH是BCAAs分解代谢的限速酶，因此，受着更为严格的调控。在转录水平，BCKDH 也受到转录因子KLF15的调控[9]。在翻译后水平，支链α-酮酸脱氢酶激酶(branched chain ketoacid dehydrogenase kinase, BCKDK)通过磷酸化BCKDH复合物的E1亚基抑制其脱氢酶活性[12]。线粒体靶向2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(mitochondrial-targeted 2C-type Ser/Thr protein phosphatase, PPM1K)作为BCKDH的磷酸酶，与BCKDK竞争BCKDH的E2亚基结合位点，随后使E1去磷酸化而激活BCKDH[13]。BCKDK-PPM1K轴作为BCAA代谢调控节点，能够根据BCAAs的浓度实现对BCKDH的调节[13]，当膳食蛋白质缺乏时，BCKDH转化为非活性的磷酸化状态，以保存用于蛋白质合成的BCAAs。当膳食蛋白质过量时，其处于活性的去磷酸化状态，负责降解过量的BCAAs。

3 支链氨基酸调控的信号通路

BCAAs不仅作为体内氨基酸的氮供体和蛋白质合成的底物，同时也是一种重要的营养信号，通过激活不同的信号通路发挥作用。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR) 信号通路作为蛋白质代谢的调节中枢，可被 BCAAs激活。mTOR有mTORC1和mTORC2两种复合体，其中mTORC1对氨基酸信号非常敏感。BCAAs通过多种途径激活mTORC1。抗氧化应激蛋白Sestrin2抑制mTORC1信号传导，Leu可以直接结合Sestrin2促进mTORC1的激活[14]。此外，亮氨酰tRNA合成酶 (leucyl-tRNA synthetase, LRS)是细胞内Leu的传感器，通过Vps34-PLD1激活mTORC1[15]。肌醇多磷酸激酶(inositol polyphosphate multikinase, IPMK)以辅因子的形式参与Leu对mTOR的激活，并增强mTORC1的下游信号传导[16]。也有研究指出，BCAAs通过V-ATP 酶(v-ATPase)的级联反应招募mTORC1至溶酶体后被激活[17]。BCAAs通过激活mTORC1，使其下游不同的信号分子发生磷酸化，从而产生不同的生物学效应，例如在心肌组织中通过激活PPAR-α促进脂肪酸氧化[18]，在下丘脑中通过核糖体蛋白S6激酶1( S6 Kinase1, S6K1)影响机体对食物的摄取[19]，在肌肉组织中促进蛋白质合成[20]，在肝组织中抑制脂肪生成[21]。

AMP蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase, AMPK)是肌细胞能量平衡的调节器，在葡萄糖、脂质和蛋白质代谢中发挥着重要作用。当能量缺乏时，补充不同BCAAs比例的低蛋白质饮食可激活AMPK[22]，刺激分解代谢途径并抑制合成代谢途径，为细胞存活提供ATP[23]。AMPK抑制肌肉蛋白质合成是通过抑制mTORC1复合物实现的[24]，在缺氧、剧烈运动或葡萄糖匮乏等能量应激条件下，能够降低肌肉蛋白质合成[25]。例如，在骨肉瘤细胞中，为了满足能量和代谢的需要AMPK活性增加而mTORC1的表达下调即印证了上述观点[23]。

4 支链氨基酸代谢与疾病的关系

作为机体含量最多的必需氨基酸，BCAAs的代谢异常会引发一系列疾病。BCAAs代谢酶异常会引起相关的先天性代谢疾病，例如枫糖尿病(maple syrup urine disease, MSUD)和自闭症谱系障碍(autism spectrum disorders, ASD)伴癫痫。此外，糖尿病、肝疾病和癌症等则可能与BCAAs的代谢改变和信号功能有关。

4.1 枫糖尿病

MSUD是一种常染色体隐性的先天性代谢紊乱疾病，由线粒体BCKDH的功能性突变引起，BCAAs代谢受阻，相应的酮酸衍生物在体内蓄积，造成线粒体生物能功能障碍[26]。BCAAs浓度升高，与其他氨基酸竞争大型中性氨基酸转运蛋白1(large neutral amino acid transporter, LAT1)进入中枢神经系统，从而造成多种神经损伤[27]；而BCAAs积累的代谢物本身也具有神经毒性，其中以Leu及其代谢产物最为显著[28]。

4.2 神经系统疾病

BCAAs与芳香族氨基酸竞争，通过血脑屏障从而影响神经递质水平。血脑屏障上的LAT1可以转运BCAAs和芳香族氨基酸，而BCAAs相对于芳香族氨基酸更具有竞争性[4]。这种竞争的结果可能影响某些神经递质的合成，尤其是多巴胺、去甲肾上腺素和5-羟色胺[4]，从而影响大脑功能和行为。而如果缺乏BCAAs，芳香族氨基酸将有更多机会到达中枢神经系统并产生相关的神经递质[29]。

此外，BCAAs在大脑代谢中作为氮供体发挥着重要作用。研究已证实，Leu是大脑中合成Glu和Gln的主要氮供体[3]。Hutson等人[30]提出，BCAAs的氮穿梭在谷氨酸能神经元中发挥重要作用。在阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)、血管性痴呆(vascular dementia, VaD)和路易体痴呆(dementia with Lewy bodies, DLB)患者的大脑中发现，BCATm蛋白的表达显著增加，提示BCAAs可能参与到Glu的神经兴奋性毒性中[31]。

BCAAs稳态对神经系统发挥正常功能至关重要。人类星形胶质细胞中存在活跃的BCAAs代谢，若代谢受损，会导致AD患者大脑中的神经递质失衡[32]。在糖尿病和AD患者中，血浆BCAAs水平显著上升，BCAAs的积累可能是由于大脑中BCATc的下调，导致Leu积累，从而以mTOR依赖性方式促进Tau蛋白的磷酸化，随后导致糖尿病相关AD的发展[33]。BCKDK基因突变可导致ASD伴癫痫，这种先天性代谢缺陷的直接后果是BCAAs的分解代谢提高，血清和大脑BCAAs水平异常降低[34]。

4.3 糖尿病

许多报道都表明，BCAAs调控机体的糖代谢，与胰岛素抵抗 (insulin resistance, IR)、肥胖和糖尿病风险呈正相关[35]。BCAAs可以通过刺激mTOR和S6K1使胰岛素受体底物-1 (insulin receptor substrate 1, IRS-1)的丝氨酸残基发生磷酸化，进而干扰胰岛素信号传导[36]，在高脂/BCAA饮食诱导IR发生中具有重要作用[37]。研究发现，BCAAs是机体胰岛素分泌所必需的，缺乏BCAAs会破坏机体的糖代谢稳态。例如，BCAAs会刺激胰岛素和胰高血糖素的分泌[38]；而高BCAAs暴露会导致IRS-1/蛋白激酶B(Akt)信号传导受损和胰岛素刺激的糖原合成受损[39]。然而，BCAAs是否会导致IR的发展或恶化尚未得出结论。有研究发现，在高脂饮食的动物中，富含BCAAs的乳清蛋白饮食不会导致IR[40]；补充BCAAs不会损害肥胖、糖尿病前期受试者的糖代谢，也不是IR患者BCAAs升高的原因[41]。另有研究报道，IR是BCAAs的代谢酶表达下调使BCKAs积聚导致的[42]。

上述2种观点聚焦于是否是BCAAs导致了胰岛素抵抗。但另一思路是，肌肉发生的BCAAs代谢改变使BCAAs水平升高，而BCAAs分解代谢受损可通过扰乱氨基酸和脂肪酸代谢来促进IR的发展[2]。例如，氨基受体减少导致BCAAs转氨基障碍，以及脂肪酸氧化中产生的NADH和酰基辅酶A对BCKA脱氢的抑制作用，导致1型糖尿病(diabetes mellitus type 1, T1DM)患者的血浆BCAAs水平增加[43]。而对于T2DM患者肌肉中BCAT和BCKDH表达降低、BCAAs水平升高的机制，可以通过糖酵解受损和脂肪供应过多对肌肉BCAAs转氨和脱羧的抑制作用来解释[44]。基于这种观点，针对BCAAs代谢的治疗可使糖尿病患者受益。

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4.4 肝疾病

BCAAs与肝疾病关系密切。严重缺乏蛋白质的饮食与肝内脂肪积累和非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)有关。BCAAs减少也是肝硬化患者血液的特征性改变，这一特征与肝性脑病(hepatic encephalopathy, HE)、肌肉萎缩和肝癌(hepatocellular carcinoma, HCC)的发生及患者的不良预后相关[45]。BCAAs可通过抑制FAS基因的表达减轻非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)相关的肝脂肪变性和肝损伤[46]。BCAAs和BCKAs可以通过mTOR途径阻断Akt2-INSIG2a信号传导，抑制肝内脂肪生成，诱导肝、肌肉和肾内脂质的再分配[21]，而PPM1K调节BCAAs代谢中的代谢转录因子ChREBP-β能激活肝内脂肪生成[47]。有研究发现，血浆BCAAs浓度与NAFLD严重程度的相关性具有性别差异，女性血浆BCAAs浓度随着NAFLD和肝纤维化程度加重而增加[48]。

在肝硬化早期代偿时期，肝内下降的氨解毒能力被骨骼肌代偿；而随着疾病进展，当骨骼肌无法代偿、发生低白蛋白血症或高氨血症时，则被认为是肝硬化失代偿期[49]。因此，维持骨骼肌质量并改善糖耐量可能有助于肝硬化患者预后[50]。肝硬化患者的BCAAs全身清除率增加，可能主要通过骨骼肌增加对BCAAs的代谢需求，骨骼肌从血浆中吸收氨和释放谷氨酰胺，从而调节血氨水平[51]。

尽管BCAAs水平与肝疾病的发病机制尚未完全清楚，针对BCAAs和富含BCAAs的补充剂的研究已广泛开展，并常被推荐作为肝病的治疗方法。补充BCAAs可改善肝硬化患者的氮平衡和肝功能，提高白蛋白水平，减少HE等并发症，显著提高生活质量和预后。虽然补充BCAAs可能促使器官间的氨转移，但体内的氮总量是增加的，这可能导致氨积累形成恶性循环，有学者提出可以通过锌补充治疗来改善[49]。

4.5 心血管疾病

BCAAs代谢失调日益成为心血管疾病的特征生化改变[52]。研究证实，BCAAs的升高通过改变细胞电生理致心律失常[53]；在一般人群中也发现，空腹Val血浆水平与心电图参数之间存在显著性关联[53]。血浆BCAAs水平升高与ST段抬高型心肌梗死和急性心力衰竭患者的长期不良心血管事件独立相关[54]，其机制可能与氧化应激[18, 55]和代谢紊乱[9, 52, 56, 57]有关。二氢硫辛酸脱氢酶(dihydrolipoic acid dehydrogenase，PDH)作为丙酮酸氧化的限速酶，是葡萄糖氧化的关键调节剂。研究发现，BCAAs可以通过其分解代谢缺陷导致的糖基化修饰和直接抑制两种方式调节PDH，使得PDH通量降低并抑制心肌细胞的葡萄糖氧化[56]。在心血管中，BCAA代谢的昼夜节律振荡由KLF15介导[9]。KLF15通过GLUT4调节胰岛素分泌、组织胰岛素敏感性和葡萄糖吸收。葡萄糖选择性抑制心肌细胞中KLF15转录，下调BCAA分解代谢以促进心肌细胞肥大[57]。

此外，BCAAs通过调节 GCN2/ATF6 信号通路激活PPAR-α，增强了心肌组织中的脂肪酸氧化，加剧了脂质过氧化毒性，从而加重心肌损伤[18]。另有研究表明，BCAAs通过AMPK-ULK1途径产生过量活性氧，通过自噬诱导心肌损伤[55]。

4.6 癌症

不同肿瘤对BCAAs的利用是不同的，这可能与不同细胞类型、组织起源或突变基因的肿瘤具有不同的首选能源有关(见Table1)。例如胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)风险增加与血浆BCAAs水平升高有关,并且血浆BCAAs水平的升高先于临床表现多年[60]，这一发现在Kras突变驱动的胰管腺癌小鼠实验中也得到证实[61]。胰腺导管内乳头状黏液肿瘤(intraductal papillary mucinous neoplasm, IPMN)恶性程度越高，血浆BCAAs水平也越高[62]。与此类似，在乳腺癌(breast cancer, BC)[63]和多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome, PCOS)[64]患者中，也观察到血浆BCAAs水平升高。然而，高血浆BCAAs水平却与结直肠腺癌(colorectal adenocarcinoma, CRA)风险呈负相关[65]。体外研究证实，BCAAs显著降低胰岛素引发的人结肠癌(colon cancer, CC)细胞系HCT-116和肝癌细胞系HepG2的增殖[66]。即使同样是由Kras和p53突变驱动的PDAC和非小细胞肺癌(non-small-cell lung cancer, NSCLC)，利用BCAAs的方式也有所不同。PDAC对BCAAs的依赖性很小，而NSCLC利用BCAAs作为氮源并增强BCAAs的摄取[67]。总而言之，BCAAs在不同类型或不同阶段癌症中的作用是不同的，这对其临床应用是很大的挑战。

Table 1 Relationship between different cancers and BCAA levels

BCAAs分解代谢酶BCAT和BCKDH也与肿瘤进展密切相关，是癌症预后标志物讨论的热点(见Table2)。目前的研究表明，大多数癌症类型表达高水平BCATc，并利用BCAAs分解代谢产生氮源、促进细胞增殖。然而，并非所有的癌症类型都表达高水平的BCATc，例如BCATc在软骨肉瘤(SW1353)中表达下调[23]。也并非所有癌症对BCAA代谢物的需求都相同，并且BCATc的功能在不同类型的癌症中似乎有所不同。BCATc在BC[63, 70]、骨髓瘤[71]中过表达，通过激活mTORC1途径促进EC细胞增殖。在大脑中，BCATc催化BCAA分解和Glu生成，以增强胶质母细胞瘤的生长[72]。与胶质母细胞瘤相似，软骨肉瘤经常携带IDH1基因，突变IDH1与BCATc之间存在联系[23]。

Table 2 Relationship between BCAA metabolic enzymes and cancer development

BCAAs代谢重编程不仅体现在癌细胞本身，肿瘤微环境中基质成分的代谢改变也对癌症发生发展发挥重要作用。在PDAC中，作为基质细胞的肿瘤相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)参与调节癌细胞的BCAA代谢。CAFs中高表达BCATc，上调BCAA脱氨反应并为癌细胞提供BCKA，从而在BCATm催化下实现蛋白质的从头合成[76]。这一发现有助于解释BCATm在PDAC中升高和癌细胞对BCAAs摄取增加的现象[78]。

5 问题与展望

近年来，BCAAs代谢调控与疾病之间关系研究得愈发广泛和深入。本文对BCAAs代谢、调控以及和疾病的关系进行了综述，发现仍有很多问题亟待进一步研究和探讨。首先，在BCAAs的代谢调控方面，针对BCAT和BCADH的转录、转录后和翻译后修饰水平调控有待进一步深入探索，代谢调控的组织特异性也值得关注。更全面地了解代谢调控机制可以为疾病发生机制的解释和疾病预防提供线索。其次，在疾病层面，目前的证据支持BCAAs代谢、其衍生物和血浆水平与IR、T2DM、肝疾病、心血管疾病和癌症等疾病有着密切的联系。然而，不同疾病与BCAAs水平有不同关系，甚至对同一疾病在不同背景下也有相反观点。BCAAs可以通过其代谢改变和作为信号分子的两种作用对疾病的发生发展产生影响，但对于多数疾病，目前尚无法确定何种作用更为主要，需要更多的研究来进一步阐明，其中不同组织器官的代谢背景和不同疾病的发生机制等都应当纳入考虑。我们期待，以BCAAs代谢为靶点的干预措施能够改善这些疾病的预防和治疗现状。