支鏈氨基酸在非酒精性脂肪性肝病發(fā)生發(fā)展中的作用

謝小青， 劉亞賢， 陳 順， 于曉輝

1 中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院 消化內(nèi)科， 蘭州 730050； 2 蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 消化內(nèi)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(jiàn)的病種之一，全球發(fā)病率為25%[1]，我國(guó)為5%～24%，目前其發(fā)病率還在逐年上升[2]。NAFLD定義為>5%的肝細(xì)胞存在脂肪變性，且沒(méi)有顯著的持續(xù)或近期飲酒和其他已知的肝臟疾病原因[1]。NAFLD的組織學(xué)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(fā)生和發(fā)展的機(jī)制較復(fù)雜，有學(xué)者認(rèn)為NAFLD發(fā)病機(jī)制可能與氨基酸代謝異常有關(guān)，其中支鏈氨基酸(branched chain amino acid，BCAA)已成為NAFLD的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，而其代謝異常可引起機(jī)體產(chǎn)生一系列的代謝紊亂，這是導(dǎo)致NAFLD發(fā)生發(fā)展的關(guān)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(guò)支鏈氨基酸氨基轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)BCAT轉(zhuǎn)氨和BCKDH脫羧后，通過(guò)一系列酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為乙酰CoA和琥珀酰CoA，進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)完全氧化分解[4]。其代謝過(guò)程涉及胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、脂肪酸氧化、TCA、糖酵解及線粒體氧化等多種生理過(guò)程。因此任何環(huán)節(jié)異常都可能導(dǎo)致NAFLD的發(fā)生，故本文對(duì)近年來(lái)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)綜述，以歸納總結(jié)BCAA在NAFLD發(fā)生與發(fā)展中的作用機(jī)制，為進(jìn)一步深入研究提供理論依據(jù)。

雖然2020年國(guó)際專家共識(shí)將NAFLD定義為代謝性脂肪性肝病(metabolic fatty liver disease，MAFLD)[5-6],但共識(shí)指出MAFLD與飲酒量無(wú)關(guān)，且尚無(wú)MAFLD的具體分類，加之既往的文獻(xiàn)中均以NAFLD進(jìn)行研究報(bào)道，故本綜述仍采用NAFLD這一關(guān)鍵詞。

1 BCAA與肝細(xì)胞氧化應(yīng)激

1.1 促炎因子 BCAA可刺激促炎基因的表達(dá)，導(dǎo)致促炎分子的釋放，實(shí)驗(yàn)表明補(bǔ)充BCAA組小鼠與高脂飲食組相比，顯著上調(diào)TNFα、IL-6、IL-1β和MCP-1的水平。

1.2 NF-κB信號(hào) 補(bǔ)充BCAA組上調(diào)NF-κB，增加人外周血單核細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，促進(jìn)致炎因子釋放、炎性細(xì)胞黏附和內(nèi)皮功能障礙，加劇對(duì)肝細(xì)胞的損傷[7-8]。

1.3 脂肪合成和游離脂肪酸(free fatty acid，F(xiàn)FA) 補(bǔ)充BCAA會(huì)增加肝臟脂肪的從頭合成，促進(jìn)脂肪變性，還可使FFA蓄積引起氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化，進(jìn)一步損害肝臟的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致NASH的發(fā)生。在高BCAA飲食中，脂肪生成的標(biāo)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(qiáng)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(nèi)的“細(xì)胞能量感受器”，它決定身體中的脂肪是儲(chǔ)存還是燃燒，激活后可明顯促進(jìn)脂解和脂肪酸氧化[10]。研究表明給小鼠補(bǔ)充BCAA可以顯著促進(jìn)AMPK的激活，并通過(guò)AMPKα2途徑抑制磷酸二酯酶活性和促進(jìn)激素敏感性脂肪酶活化，進(jìn)一步增強(qiáng)脂解作用，導(dǎo)致FFA釋放，加重肝臟損傷[11]。對(duì)112例NAFLD患者行超聲、MRI和生化參數(shù)分析評(píng)估肝臟，表明BCAA攝入越多，肝臟狀態(tài)越差，且BCAA與脂肪含量呈正相關(guān)[12]。然而在NAFLD的不同階段，BCAA扮演的角色不一致，研究[13]認(rèn)為其有明顯的抗氧化作用，無(wú)論單獨(dú)給予BCAA還是聯(lián)合其他抗氧化物質(zhì)均能減少脫氧核糖核酸損傷，抑制NASH的進(jìn)展。

注：BCAA在BCAT的作用下生成相應(yīng)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(jīng)一系列酶促反應(yīng)生成乙酰CoA，最終進(jìn)入TCA,經(jīng)過(guò)復(fù)合體Ⅰ(NADH)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ氧化磷酸化后(OXPHOS)生成ATP和水。Cytc，細(xì)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(guò)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(guān)受體α；Gabpα，GA結(jié)合蛋白α。

2 BCAA與肝細(xì)胞自噬

自噬作為細(xì)胞管家，清除損傷的肝細(xì)胞是機(jī)體的保護(hù)過(guò)程。BCAA誘導(dǎo)的小鼠中LC3-Ⅱ表達(dá)減少和肝自噬蛋白p62表達(dá)增加[11]，具體的機(jī)制尚不明確，但是存在一些可能的假說(shuō)：哺乳動(dòng)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(hào)復(fù)合物，在自噬中扮演核心角色，BCAA激活mTOR信號(hào)顯著抑制肝臟自噬，加重肝細(xì)胞的脂質(zhì)暴露，損傷肝細(xì)胞[14-15]。乙酰CoA通過(guò)乙酰化調(diào)節(jié)mTORC1活性，也從側(cè)面說(shuō)明BCAA可影響自噬[16]。雖然目前BCAA關(guān)于自噬的研究匱乏，但已有大量文獻(xiàn)證明BCAA激活mTORC1信號(hào)途徑，抑制心肌和骨骼肌細(xì)胞中的自噬[17-18]。

3 BCAA與線粒體功能障礙

高BCAA可能通過(guò)PGC-1α增強(qiáng)了Errα和Gabpa的表達(dá)，進(jìn)而激活了下游OXPHOS相關(guān)基因的表達(dá)，影響氧化磷酸化。此外，分解BCAA的大部分酶都在線粒體中，當(dāng)代謝過(guò)程出現(xiàn)異常時(shí)，其代謝產(chǎn)物的堆積也可以反映線粒體的功能。

3.1 BCAA代謝產(chǎn)物 Peng等[19]對(duì)58例NAFLD和NASH患者肝臟和血漿脂質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)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(jìn)復(fù)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(huì)形成不利于最佳電子傳輸?shù)沫h(huán)境[20]。酰基肉堿是一種中間體，通過(guò)線粒體內(nèi)膜運(yùn)輸后，釋放附著的脂肪酰基進(jìn)行β氧化，故其累計(jì)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(huán)(TCA) BCAA分解代謝后生成琥珀酰CoA進(jìn)入TCA，琥珀酸脫氫酶在TCA中催化琥珀酸到富馬酸的轉(zhuǎn)化，也是電子轉(zhuǎn)移鏈中的呼吸復(fù)合物Ⅱ。在肝細(xì)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(dá)，從而阻斷TCA和ATP的產(chǎn)生[23]。

3.3 生酮環(huán)境 代謝組學(xué)顯示NAFLD患者肝臟BCAA水平升高[24]，而長(zhǎng)期高BCAA會(huì)導(dǎo)致肝細(xì)胞長(zhǎng)期暴露于生酮的環(huán)境中，顯著誘導(dǎo)生酮基因Hmgcs2和Bdh1表達(dá)。肝細(xì)胞將更多的乙酰CoA從脂肪合成轉(zhuǎn)到生酮和TCA，不僅引發(fā)促炎信號(hào)級(jí)聯(lián)，還促進(jìn)慢性ROS的產(chǎn)生和肝細(xì)胞應(yīng)激，加速氧化應(yīng)激和炎癥環(huán)境，進(jìn)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(diào)控機(jī)體葡萄糖和脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵激素。生理?xiàng)l件下，機(jī)體分泌胰島素與相應(yīng)受體結(jié)合，促進(jìn)胰島素受體(IRS)的酪氨酸磷酸化并調(diào)節(jié)下游級(jí)聯(lián)信號(hào)。NAFLD患者中BCAA升高與胰島素抵抗密切相關(guān)[26]，然而影響胰島素敏感性和糖代謝的具體機(jī)制有待進(jìn)一步探討。目前主要存在兩種模型，一種是mTORC1信號(hào)通路模型: BCAA激活mTORC引起胰島素抵抗。可能的機(jī)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(hào)導(dǎo)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(hào)來(lái)改善肝胰島素敏感性。(2)BCAA會(huì)促使機(jī)體產(chǎn)生FFA，F(xiàn)FA可調(diào)節(jié)IRS蛋白磷酸化或通過(guò)組蛋白乙酰化的IRS轉(zhuǎn)錄水平影響IRS的活性[28]或者通過(guò)FFA→PKCδ→NADPH氧化酶和氧化應(yīng)激→IKKβ/ JNK→肝胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損途徑[29](圖2)。(3)實(shí)驗(yàn)證明暴露于高水平BCKA可激活mTORC1抑制胰島素誘導(dǎo)的AKT磷酸化，并用mTORC1抑制劑干預(yù)肌肉細(xì)胞后可恢復(fù)該作用反向驗(yàn)證信號(hào)通路的正確性，強(qiáng)調(diào)了BCAA在調(diào)節(jié)肌肉胰島素信號(hào)傳導(dǎo)中的生物學(xué)作用[30]。第二種機(jī)制是代謝紊亂模型:它認(rèn)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(chǎn)生的有毒代謝中間體引起的，這些代謝中間體可以損害細(xì)胞功能并誘導(dǎo)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(chǎn)生的3-HIB促進(jìn)骨骼肌脂肪酸攝取，導(dǎo)致骨骼肌中不完全氧化的脂質(zhì)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(dǎo)致多種酰基肉堿積累，破壞線粒體TCA，造成不完全氧化產(chǎn)物積累和胰島素抵抗。在脂肪組織中，BCAT和BCKDH的表達(dá)減少，導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)激及胰島素抵抗信號(hào)通路

5 BCAA與攝食行為

色氨酸是產(chǎn)生5-羥色胺的唯一前體，BCAA可通過(guò)血流進(jìn)入大腦，降低5-羥色胺生成，其作為機(jī)體的一種血清素是控制食欲的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，含量越低，越促進(jìn)食欲。故推測(cè)長(zhǎng)期高BCAA攝入對(duì)機(jī)體的影響不一定是由內(nèi)在毒性引起的，而是氨基酸失衡驅(qū)動(dòng)攝食過(guò)度的結(jié)果，特別是色氨酸的變化，且與中樞血清素耗竭有關(guān)。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(yǎng)小鼠6周，使用局部電刺激誘發(fā)5-羥色胺的突觸釋放。BCAA100小鼠中誘發(fā)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(shí)表現(xiàn)出明顯鈍化。與BCAA100小鼠相比，BCAA200小鼠的平均誘發(fā)IPSC振幅顯著降低，向培養(yǎng)基中添加色氨酸可阻斷其反應(yīng)[31]。Dyrk1a、Ttc7b和Nlrp3三個(gè)下丘腦基因分別與食欲、肥胖和炎癥相關(guān)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[32]表明高BCAA攝入量與這些基因呈強(qiáng)正相關(guān)。下丘腦Dyrk1a信使核糖核酸表達(dá)增加的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出食物攝入增加，由叉頭盒氧誘導(dǎo)的Npy(食欲調(diào)節(jié)途徑中的一個(gè)關(guān)鍵基因)表達(dá)介導(dǎo)。Ttc7b表達(dá)是脂肪細(xì)胞功能和脂質(zhì)儲(chǔ)存的標(biāo)志，隨著BCAA攝入量的增加以及炎癥體標(biāo)志Nlrp3的增加而升高。

6 小結(jié)

總之，BCAA水平升高通過(guò)影響線粒體功能和炎癥反應(yīng)進(jìn)而引起NAFLD，而線粒體功能障礙，氧化應(yīng)激和胰島素抵抗可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致BCAA蓄積，從而導(dǎo)致NAFLD的發(fā)生發(fā)展。但是，BCAA是否通過(guò)其他信號(hào)途徑協(xié)同引起NAFLD？BCAA異常水平是否可以作為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的有用標(biāo)志物？BCAA能否做為NAFLD疾病中的新靶點(diǎn)在臨床應(yīng)用和推廣？這些問(wèn)題都需要進(jìn)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(xiàn)聲明：謝小青負(fù)責(zé)課題設(shè)計(jì)，撰寫論文；劉亞賢、陳順參與修改論文；于曉輝負(fù)責(zé)擬定寫作思路，指導(dǎo)撰寫文章并最后定稿。