支鏈氨基酸在非酒精性脂肪性肝病發生發展中的作用

謝小青， 劉亞賢， 陳 順， 于曉輝

1 中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四〇醫院 消化內科， 蘭州 730050； 2 蘭州大學第二醫院 消化內科， 蘭州 730030

非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)是慢性肝病最常見的病種之一，全球發病率為25%[1]，我國為5%～24%，目前其發病率還在逐年上升[2]。NAFLD定義為>5%的肝細胞存在脂肪變性，且沒有顯著的持續或近期飲酒和其他已知的肝臟疾病原因[1]。NAFLD的組織學范圍從單純性脂肪變性到非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis，NASH)、肝纖維化和肝硬化[3]。NAFLD發生和發展的機制較復雜，有學者認為NAFLD發病機制可能與氨基酸代謝異常有關，其中支鏈氨基酸(branched chain amino acid，BCAA)已成為NAFLD的獨立危險因素，而其代謝異常可引起機體產生一系列的代謝紊亂，這是導致NAFLD發生發展的關鍵因素。

BCAA包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸3種氨基酸，是人體所需的必需氨基酸，其分解代謝最初是在肝外組織中通過支鏈氨基酸氨基轉移酶(branched chain amino acid transaminase，BCAT)和支鏈α-酮酸脫氫酶(branched chain ketoacid dehydrogenase，BCKDH)催化下，經過BCAT轉氨和BCKDH脫羧后，通過一系列酶促反應轉化為乙酰CoA和琥珀酰CoA，進入三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle，TCA)完全氧化分解[4]。其代謝過程涉及胰島素信號轉導、脂肪酸氧化、TCA、糖酵解及線粒體氧化等多種生理過程。因此任何環節異常都可能導致NAFLD的發生，故本文對近年來的相關文獻進行系統綜述，以歸納總結BCAA在NAFLD發生與發展中的作用機制，為進一步深入研究提供理論依據。

雖然2020年國際專家共識將NAFLD定義為代謝性脂肪性肝病(metabolic fatty liver disease，MAFLD)[5-6],但共識指出MAFLD與飲酒量無關，且尚無MAFLD的具體分類，加之既往的文獻中均以NAFLD進行研究報道，故本綜述仍采用NAFLD這一關鍵詞。

1 BCAA與肝細胞氧化應激

1.1 促炎因子 BCAA可刺激促炎基因的表達，導致促炎分子的釋放，實驗表明補充BCAA組小鼠與高脂飲食組相比，顯著上調TNFα、IL-6、IL-1β和MCP-1的水平。

1.2 NF-κB信號 補充BCAA組上調NF-κB，增加人外周血單核細胞和內皮細胞，促進致炎因子釋放、炎性細胞黏附和內皮功能障礙，加劇對肝細胞的損傷[7-8]。

1.3 脂肪合成和游離脂肪酸(free fatty acid，FFA) 補充BCAA會增加肝臟脂肪的從頭合成，促進脂肪變性，還可使FFA蓄積引起氧化應激和脂質過氧化，進一步損害肝臟的結構和功能，導致NASH的發生。在高BCAA飲食中，脂肪生成的標志物明顯增加，如ATP檸檬酸裂解酶(ACLY)、脂肪酸合成酶(FAS)和乙酰輔酶a羧化酶(ACC)。此外，高BCAA可能激活BCKDK，增加ACLY磷酸化，加強脂肪酸的從頭合成[9](圖1)。單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK)是體內的“細胞能量感受器”，它決定身體中的脂肪是儲存還是燃燒，激活后可明顯促進脂解和脂肪酸氧化[10]。研究表明給小鼠補充BCAA可以顯著促進AMPK的激活，并通過AMPKα2途徑抑制磷酸二酯酶活性和促進激素敏感性脂肪酶活化，進一步增強脂解作用，導致FFA釋放，加重肝臟損傷[11]。對112例NAFLD患者行超聲、MRI和生化參數分析評估肝臟，表明BCAA攝入越多，肝臟狀態越差，且BCAA與脂肪含量呈正相關[12]。然而在NAFLD的不同階段，BCAA扮演的角色不一致，研究[13]認為其有明顯的抗氧化作用，無論單獨給予BCAA還是聯合其他抗氧化物質均能減少脫氧核糖核酸損傷，抑制NASH的進展。

注：BCAA在BCAT的作用下生成相應的支鏈α-酮酸(BCKA)，BCKA在BCKDH催化生成2-甲基酰CoA 、異戊酰CoA 、異丁酰CoA,經一系列酶促反應生成乙酰CoA，最終進入TCA,經過復合體Ⅰ(NADH)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ氧化磷酸化后(OXPHOS)生成ATP和水。Cytc，細胞色素酶；Q，輔酶Q；HSL，激素敏感性脂肪酶；DHAP，3-磷酸甘油；HMG-CoA，羥甲基戊二酸單酰輔酶A；PGC-1α，過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子1；Errα，雌激素相關受體α；Gabpα，GA結合蛋白α。

2 BCAA與肝細胞自噬

自噬作為細胞管家，清除損傷的肝細胞是機體的保護過程。BCAA誘導的小鼠中LC3-Ⅱ表達減少和肝自噬蛋白p62表達增加[11]，具體的機制尚不明確，但是存在一些可能的假說：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶信號復合物，在自噬中扮演核心角色，BCAA激活mTOR信號顯著抑制肝臟自噬，加重肝細胞的脂質暴露，損傷肝細胞[14-15]。乙酰CoA通過乙酰化調節mTORC1活性，也從側面說明BCAA可影響自噬[16]。雖然目前BCAA關于自噬的研究匱乏，但已有大量文獻證明BCAA激活mTORC1信號途徑，抑制心肌和骨骼肌細胞中的自噬[17-18]。

3 BCAA與線粒體功能障礙

高BCAA可能通過PGC-1α增強了Errα和Gabpa的表達，進而激活了下游OXPHOS相關基因的表達，影響氧化磷酸化。此外，分解BCAA的大部分酶都在線粒體中，當代謝過程出現異常時，其代謝產物的堆積也可以反映線粒體的功能。

3.1 BCAA代謝產物 Peng等[19]對58例NAFLD和NASH患者肝臟和血漿脂質組學分析，發現肝心磷脂和泛醌在NAFLD患者中積累，酰基肉堿在NASH中顯著累積。心磷脂可以促進復合物 Ⅰ 與泛醌之間的電子傳輸，心磷脂和泛醌不成比例的改變可能會形成不利于最佳電子傳輸的環境[20]。酰基肉堿是一種中間體，通過線粒體內膜運輸后，釋放附著的脂肪酰基進行β氧化，故其累計間接提示線粒體功能障礙和脂肪酸氧化受損[21-22]。

3.2 三羧酸循環(TCA) BCAA分解代謝后生成琥珀酰CoA進入TCA，琥珀酸脫氫酶在TCA中催化琥珀酸到富馬酸的轉化，也是電子轉移鏈中的呼吸復合物Ⅱ。在肝細胞中，BCAA代謝異常所致BCKA升高可以抑制琥珀酸脫氫酶的基因表達，從而阻斷TCA和ATP的產生[23]。

3.3 生酮環境 代謝組學顯示NAFLD患者肝臟BCAA水平升高[24]，而長期高BCAA會導致肝細胞長期暴露于生酮的環境中，顯著誘導生酮基因Hmgcs2和Bdh1表達。肝細胞將更多的乙酰CoA從脂肪合成轉到生酮和TCA，不僅引發促炎信號級聯，還促進慢性ROS的產生和肝細胞應激，加速氧化應激和炎癥環境，進一步加重肝線粒體功能障礙[25]。

4 BCAA與胰島素抵抗

胰島素是調控機體葡萄糖和脂質代謝的關鍵激素。生理條件下，機體分泌胰島素與相應受體結合，促進胰島素受體(IRS)的酪氨酸磷酸化并調節下游級聯信號。NAFLD患者中BCAA升高與胰島素抵抗密切相關[26]，然而影響胰島素敏感性和糖代謝的具體機制有待進一步探討。目前主要存在兩種模型，一種是mTORC1信號通路模型: BCAA激活mTORC引起胰島素抵抗。可能的機制有：(1)大鼠骨骼肌中亮氨酸水平升高抑制AMPK活化，并激活了mTOR / S6K1信號導致胰島素抵抗[27]，此外，降低亮氨酸可激活GCN2(一種氨基酸傳感器)和降低mTOR信號來改善肝胰島素敏感性。(2)BCAA會促使機體產生FFA，FFA可調節IRS蛋白磷酸化或通過組蛋白乙酰化的IRS轉錄水平影響IRS的活性[28]或者通過FFA→PKCδ→NADPH氧化酶和氧化應激→IKKβ/ JNK→肝胰島素信號傳導受損途徑[29](圖2)。(3)實驗證明暴露于高水平BCKA可激活mTORC1抑制胰島素誘導的AKT磷酸化，并用mTORC1抑制劑干預肌肉細胞后可恢復該作用反向驗證信號通路的正確性，強調了BCAA在調節肌肉胰島素信號傳導中的生物學作用[30]。第二種機制是代謝紊亂模型:它認為BCAA不是胰島素抵抗的直接原因，但胰島素抵抗是由BCAA分解代謝紊亂產生的有毒代謝中間體引起的，這些代謝中間體可以損害細胞功能并誘導胰島素抵抗，這種模式目前被高度接受。在骨骼肌中，纈氨酸產生的3-HIB促進骨骼肌脂肪酸攝取，導致骨骼肌中不完全氧化的脂質和血漿中的BCKA積聚，引起胰島素抵抗[30]。在肝臟中，BCKA大量分解，導致多種酰基肉堿積累，破壞線粒體TCA，造成不完全氧化產物積累和胰島素抵抗。在脂肪組織中，BCAT和BCKDH的表達減少，導致血漿BCAA水平升高，從而引起骨骼肌和肝臟等組織中BCAA的大量分解，并誘導胰島素抵抗。

注：S6K1，核糖體蛋白S6激酶1；GCN2，阻遏蛋白激酶2；JNK，c-Jun氨基末端激酶；IKK：kappaB激酶。圖2 BCAA與氧化應激及胰島素抵抗信號通路

5 BCAA與攝食行為

色氨酸是產生5-羥色胺的唯一前體，BCAA可通過血流進入大腦，降低5-羥色胺生成，其作為機體的一種血清素是控制食欲的單胺類神經遞質，含量越低，越促進食欲。故推測長期高BCAA攝入對機體的影響不一定是由內在毒性引起的，而是氨基酸失衡驅動攝食過度的結果，特別是色氨酸的變化，且與中樞血清素耗竭有關。高BCAA小鼠血漿中色氨酸、5-羥色胺及其主要代謝物5-羥基吲哚乙酸均減少。以BCAA200或BCAA100飲食喂養小鼠6周，使用局部電刺激誘發5-羥色胺的突觸釋放。BCAA100小鼠中誘發抑制性突觸后電流(IPSC)，該電流可被5-羥色胺受體1A受體拮抗劑阻斷。BCAA200小鼠在刺激時表現出明顯鈍化。與BCAA100小鼠相比，BCAA200小鼠的平均誘發IPSC振幅顯著降低，向培養基中添加色氨酸可阻斷其反應[31]。Dyrk1a、Ttc7b和Nlrp3三個下丘腦基因分別與食欲、肥胖和炎癥相關。動物實驗[32]表明高BCAA攝入量與這些基因呈強正相關。下丘腦Dyrk1a信使核糖核酸表達增加的轉基因小鼠表現出食物攝入增加，由叉頭盒氧誘導的Npy(食欲調節途徑中的一個關鍵基因)表達介導。Ttc7b表達是脂肪細胞功能和脂質儲存的標志，隨著BCAA攝入量的增加以及炎癥體標志Nlrp3的增加而升高。

6 小結

總之，BCAA水平升高通過影響線粒體功能和炎癥反應進而引起NAFLD，而線粒體功能障礙，氧化應激和胰島素抵抗可能會進一步導致BCAA蓄積，從而導致NAFLD的發生發展。但是，BCAA是否通過其他信號途徑協同引起NAFLD？BCAA異常水平是否可以作為風險預測的有用標志物？BCAA能否做為NAFLD疾病中的新靶點在臨床應用和推廣？這些問題都需要進一步研究。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：謝小青負責課題設計，撰寫論文；劉亞賢、陳順參與修改論文；于曉輝負責擬定寫作思路，指導撰寫文章并最后定稿。