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棕色脂肪组织中支链氨基酸作为氮供体调节代谢健康的机制

泰然健康网
2024-12-15 03:34

棕色脂肪组织（BAT）是哺乳动物重要的产热组织。BAT产热可以带来多种代谢益处，如改善葡萄糖稳态，降低心血管风险等。目前，以啮齿动物为模型的研究报道中，这些代谢益处与BAT产热导致的能量消耗增加和体重减轻密切相关。然而，人类 BAT 的多种代谢益处被发现与能量消耗或体重指数无关。这种BAT独立于能耗之外的生理调控机制仍知之甚少。

BAT产热增加葡萄糖，脂肪酸和氨基酸，尤其是支链氨基酸（BCAA）的代谢通量。循环系统中BCAA水平升高被报道与2型糖尿病发病率呈正相关，而增强BCAA清除可以改善胰岛素敏感性。之前的研究表明BAT产热可以极大的增加BCAA的利用和清除。然而，尽管BAT活跃的吸收BCAA，相对于葡萄糖和脂肪酸来说，BCAA并不是其TCA循环的主要原料。因此，一个重要的科学问题是，BCAA在BAT中的代谢，是否存在独立于能耗之外的生理调控机制？

2024年4月22日，美国哈佛医学院贝斯以色列女执事医疗中心（BIDMC）的Kajimura课题组在Cell期刊上在线发表了题为BCAA-nitrogen flux in brown fat controls metabolic health independent of thermogenesis的研究论文。该研究构建了BAT特异性线粒体 BCAA 通道蛋白敲除的老鼠模型，该模型中，BAT BCAA的线粒体分解代谢受损，导致全身胰岛素抵抗，而能量消耗和体重并未受到影响。该研究基于液相色谱-质谱（LC-MS）技术，进行稳定同位素标记的代谢流分析（Isotope labeling based metabolic flux analysis），揭开了BCAA在BAT中作为功能性含氮代谢物的氮供体，而非TCA循环燃料来调节代谢健康的生理机制。

首先，该研究以15N与13C稳定同位素标记的BCAA 为示踪剂，平行的对BCAA的碳流和氮流进行示踪分析。15N-BCAA示踪结果表明，BCAA 衍生的氮用于合成谷氨酸、丙氨酸及其下游产物，包括 N-乙酰基-谷氨酸、N-乙酰基- 天冬氨酸，以及还原型和氧化形式的谷胱甘肽。同时作者研究了各个代谢物的标记时间动态，谷氨酸的15N标记最为快速和显著。表明BCAA 进入线粒体后，作为 BCAA 转氨酶 2 (BCAT2) 分解脱氨的载体和下游代谢物合成的原料，谷氨酸作为重要枢纽，将BCAA的氮进一步流向多种含氮代谢物。13C-BCAA示踪结果提供了不同的视角。相比于90%以上的BCAA α-酮酸被13C标记，TCA循环中间体的标记百分比低于10% 甚至更少。而大部分13C 标记的 BCKA 和 3-羟基异丁酸 (3-HIB) 都会分泌到细胞外。总之，与传统的 BCAA 通过能耗，即碳流进入 TCA 循环发挥作用的假设相反，BCAA 的氮流被用作合成其他重要非必需氨基酸和谷胱甘肽的原料，而碳流则以 BCKA 和 3-HIB 的形式从棕色脂肪细胞中释放。

承接该实验室在2019年报道的SLC25A44（MBC）是线粒体膜上BCAA的重要运输蛋白的发现，本研究构建了MBC敲除的棕色脂肪细胞系，基于15N-BCAA 代谢示踪发现MBC敲除导致15N-BCAA 到谷氨酸及下游代谢物（包括 Pro、Gly、N-乙酰基-Glu、N-乙酰基-Asp，以及还原型和氧化形式的谷胱甘肽）的标记氮转移量显著降低。同时，该研究检测了细胞培养基中相应的 15N 标记代谢物。结果表明几乎所有BCAA衍生的代谢物均会从棕色脂肪细胞中大量分泌，而在MBC敲除导致分泌量显著降低。类似的结果也在BCAA 转氨酶 2 (BCAT2) 敲低/抑制的条件下被发现。表明MBC是BCAA作为氮供体发挥作用的重要前提。

为了更好地了解通过 MBC 进行线粒体 BCAA 分解代谢的机制，作者通过Turbo-ID邻近标记及基于串联质量标签（TMT）的精确蛋白质组学技术，对MBC邻近蛋白/互作蛋白进行研究。结果发现谷氨酸载体（GC1，由Slc25a22编码）与MBC邻近/互作。GC1可能通过转运来自BCAA转氨作用的线粒体Glu来支持线粒体BCAA分解代谢。氧耗率（OCR）分析结果表明，MBC 或 GC1单独的敲低/敲除都会减弱细胞呼吸对 BCAA 补充和去甲肾上腺素刺激的反应，而GC1 和 MBC同时敲低/敲除会导致细胞呼吸进一步减弱。MBC 和 GC1 之间的这种功能性相互作用也15N-BCAA代谢示踪分析中被验证，MBC 的敲除降低了 15N-BCAA 到 Glu、Ala、N-乙酰基-Asp、N-乙酰基-Glu 和谷胱甘肽的氮转化率。当 GC1 和 MBC同时敲低/敲除时，这些BCAA衍生物的15N 标记量会进一步减少。

为了验证细胞水平的发现，作者首先构建了MBC全身敲低的小鼠模型，发现BCAA的清除受损增加了血液循环中BCAA水平。同时，15N-BCAA体内的代谢示踪分析结果与细胞水平一致，MBC-KD 小鼠血清中 15N-代谢物的水平降低，且BAT 中谷胱甘肽含量显著下降。虽然在MBC-KD 小鼠中没有观察到体重或组织质量有任何差异，但空腹条件下血糖显着升高，且现出葡萄糖和胰岛素不耐受。为了进一步研究BAT对BCAA的清除作用，作者开发了BAT特异性MBC敲除小鼠模型。结果表明，该小鼠模型的能量消耗和体重没有显著变化，而该模型的胰岛素耐受性受损。这些结果表明，BCAA 氮流代谢受损以及随后 BAT 中 BCAA 衍生代谢物合成的下降在不影响全身能量消耗和体重的情况下，减弱了胰岛素耐受性。

为了确定哪些器官导致BAT特异性MBC敲除小鼠模型的全身胰岛素抵抗，作者评估了该小鼠模型外周代谢器官中作为胰岛素信号传导标志的 AKT 磷酸化。结果表明肝脏中胰岛素诱导的 AKTSer473 磷酸化减弱，但 BAT、腹股沟白色脂肪或肌肉中却没有减弱。磷酸蛋白质组学分析发现，该小鼠模型肝脏中 Irs1、Akt2 和 Gys2（糖原合酶的肝脏亚型）的磷酸化显着降低。此外，该小鼠模型肝脏 PDH 活性显着降低。这些观察结果表明 BAT 中的 BCAA 分解代谢对肝功能有影响。BAT 中BCAA分解代谢受损如何导致肝脏胰岛素抵抗而不影响能量消耗？血清代谢组学分析发现包括谷氨酸、天冬氨酸、谷胱甘肽和谷胱甘肽二硫化物在模型小鼠的血液循环中显著降低，而这些代谢物都在之前15N-BCAA示踪实验结果中显示为BCAA 氮衍生代谢物。此外，模型小鼠表现出显着升高的氧化应激标记物水平，包括蛋白质羰基含量和脂质过氧化标记物丙二醛（MDA）和4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）。

这些结果得出这样的假设：BAT 中的 BCAA 分解代谢会影响全身氧化还原平衡。为了测试这一点，我们向小鼠补充谷胱甘肽，以弥补模型小鼠中观察到的谷胱甘肽水平的降低。在补充谷胱甘肽之前，模型小鼠表现出胰岛素耐受性受损。补充十天后，模型小鼠的谷胱甘肽血清含量和肝脏含量恢复至正常水平，并且模型小鼠的胰岛素不耐受完全恢复。同时，给小鼠补充谷胱甘肽合成抑制物减弱了小鼠的胰岛素耐受性。总之，这些结果表明BAT中BCAA分解受损及BCAA 衍生代谢物（尤其是谷胱甘肽）合成的减少导致肝脏氧化应激升高并减少胰岛素信号传导。

那么，BCAA衍生代谢物的合成在生理病理条件下是如何调节的？为了回答这个问题，作者构建了高脂喂养的肥胖小鼠模型。BAT线粒体蛋白质组分析发现，肥胖小鼠BAT中涉及BCAA分解代谢的通路显著降低。15N-BCAA的体内代谢示踪分析结果表明，肥胖小鼠表现出显着较低的15N-BCAA处置率。此外，肥胖小鼠的 BAT 中 15N-BCAA 衍生代谢物的水平显著降低。接着，作者又研究了温度如何影响BAT中BCAA 衍生代谢物的合成。代谢组学分析发现，在冷刺激条件下，BAT及血液循环中许多BCAA 衍生代谢物都有显著增加。最后，作者研究了成年人 BAT 的冷激活是否与循环中谷胱甘肽水平相关。结果表明冷暴露后循环谷胱甘肽水平与 BAT 活性之间存在显着的正相关。总之，这些数据表明，冷暴露后 BAT 活性增强，同时 BCAA 氮流衍生代谢物（如谷胱甘肽）合成增加，而饮食诱导的肥胖会损害 BAT 中 BCAA 分解代谢和这些代谢物的合成。

综上，本研究回答了该领域的一个重要问题，BAT 的代谢益处是如何在独立于能耗和体重之外发生的？本研究发现了一个十分适合用来研究这一问题的小鼠模型，BAT 特异的BCAA 分解代谢缺陷模型。该模型导致小鼠胰岛素信号传导受损，但不影响小鼠全身能量消耗和体重。研究人员通过建立和优化一系列基于LC-MS的同位素标记的体外和体内代谢流示踪技术，发现BCAA在BAT中作为功能性含氮代谢物的氮供体，而非TCA循环燃料发挥作用。而这些BCAA衍生的含氮代谢物可以分泌到血液循环并在调节全身氧化还原平衡及葡萄糖稳态方面有重要作用。这一工作同时也体现了基于质谱的同位素标记代谢流分析技术在研究复杂代谢生物学问题中的重要应用价值。