非酒精性脂肪肝?。∟AFLD）是一種由肝臟脂肪過(guò)度堆積引發(fā)的系列肝臟病癥，可能逐步演變?yōu)橹拘愿窝祝∟ASH）、肝纖維化、肝硬化，甚至導(dǎo)致肝癌及其他終末期肝臟疾病。盡管全球成年人中脂肪肝的發(fā)病率已高達(dá)三分之一左右，但目前僅有一款針對(duì)NASH的藥物獲得FDA批準(zhǔn)。鑒于該疾病中普遍存在的代謝功能障礙，其名稱已更改為代謝相關(guān)脂肪性肝?。∕ASLD）及肝炎（MASH），以更準(zhǔn)確地描述疾病特征及成因。然而，脂肪肝的發(fā)病機(jī)制涉及復(fù)雜的代謝重編程，其背后的代謝本質(zhì)尚不完全清楚。

脂質(zhì)從頭合成（DNL）是利用碳水化合物和蛋白質(zhì)等前體合成脂肪的過(guò)程，其升高是肥胖人群脂肪肝的核心代謝變化。盡管靶向DNL關(guān)鍵酶的藥物效果良好，但這種單一治療方式也帶來(lái)了一些毒副作用，提示我們需要更深入地理解肝臟脂肪合成的途徑。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝為脂質(zhì)從頭合成提供必要的前體物質(zhì)，對(duì)于維持脂合成的活性至關(guān)重要。然而，關(guān)于脂肪合成前體的定量分析存在諸多固有局限，盡管前人已為此付出半個(gè)多世紀(jì)的努力，但肝臟中超過(guò)一半的脂肪酸前體來(lái)源仍待揭示。

近日，中科中山藥物創(chuàng)新研究院（ZIDD）國(guó)際中心廖一烈、新加坡科技研究局（A*STAR）分子細(xì)胞研究所（IMCB）韓衛(wèi)平團(tuán)隊(duì)、廣州實(shí)驗(yàn)室傅肅能團(tuán)隊(duì)以及清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院合作，在Cell Metabolism雜志上發(fā)表新研究。該研究首次鑒定出肝臟新生脂肪酸中超過(guò)70%的碳原子來(lái)源于氨基酸，揭示了膳食蛋白質(zhì)和氨基酸代謝在肝臟脂合成及脂肪肝發(fā)生發(fā)展中的核心作用。
為了深入探究脂肪肝的發(fā)病機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)首先借助美國(guó)國(guó)家健康和營(yíng)養(yǎng)檢查調(diào)查（NHANES）數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了大規(guī)模的流行病學(xué)分析。這一分析覆蓋了三大宏量營(yíng)養(yǎng)素——碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪，與脂肪肝病的關(guān)系。出乎意料的是，傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為的主要脂合成底物，即碳水化合物，并未顯示出與脂肪肝病發(fā)病率之間的顯著關(guān)聯(lián)。相反，蛋白質(zhì)的攝入量與代謝相關(guān)脂肪性肝病（MASLD）的風(fēng)險(xiǎn)增加呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)。特別是在MASH方面，高膳食蛋白質(zhì)攝入的人群發(fā)病率顯著升高，甚至接近高脂攝入人群的水平，而高碳水?dāng)z入則與更低的疾病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。這一與既有認(rèn)知相悖的發(fā)現(xiàn)，揭示了肝臟在營(yíng)養(yǎng)代謝方面可能存在特殊的模式。

流行病學(xué)研究指出，蛋白質(zhì)及其代謝產(chǎn)物氨基酸在脂肪肝的發(fā)生和發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)小鼠的原代肝臟細(xì)胞進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)代謝流分析，他們直接定量了不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在肝細(xì)胞代謝中的具體貢獻(xiàn)。結(jié)果顯示，氨基酸成為肝細(xì)胞線粒體呼吸的主要底物，其貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于葡萄糖。更進(jìn)一步的13C同位素示蹤實(shí)驗(yàn)揭示，在肝細(xì)胞的中心碳代謝過(guò)程中，葡萄糖的直接貢獻(xiàn)微乎其微，而氨基酸，特別是谷氨酰胺，則成為三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵底物。

由于三羧酸循環(huán)是脂質(zhì)從頭合成的重要前體物質(zhì)來(lái)源，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)肝細(xì)胞的脂肪酸進(jìn)行了13C標(biāo)記研究。結(jié)果令人矚目：與三羧酸循環(huán)的結(jié)果相吻合，谷氨酰胺為肝細(xì)胞中新生脂肪酸提供的碳原子數(shù)量顯著多于葡萄糖，甚至高出8至40倍，其貢獻(xiàn)與果糖相當(dāng)。在對(duì)比了6種主要的營(yíng)養(yǎng)底物后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，包括乳酸、乙酸以及各種氨基酸在內(nèi)的底物，對(duì)肝細(xì)胞脂肪酸合成的貢獻(xiàn)均顯著高于葡萄糖。特別是在體外培養(yǎng)環(huán)境的底物濃度條件下，氨基酸成為原代肝細(xì)胞脂合成過(guò)程中的最主要碳供體。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證之前的結(jié)論，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，將13C標(biāo)記的葡萄糖和氨基酸以15%和5%的比例混合后摻入水中，喂養(yǎng)小鼠持續(xù)24小時(shí)。這一方法使得研究團(tuán)隊(duì)能夠首次在活體水平上對(duì)脂肪酸進(jìn)行高效標(biāo)記，并追蹤到肝臟脂合成中約75%的膳食碳源。結(jié)果顯示，在體內(nèi)環(huán)境下，葡萄糖和氨基酸都對(duì)肝臟新合成的脂肪酸有顯著貢獻(xiàn)。值得注意的是，相同質(zhì)量下，肝臟利用氨基酸進(jìn)行脂合成的效率大約是葡萄糖的兩倍。
這一發(fā)現(xiàn)揭示，葡萄糖的碳原子主要在肝臟外通過(guò)合成次級(jí)代謝物（如乳酸、乙酸、非必需氨基酸等）來(lái)為脂合成提供碳源，而氨基酸則能直接通過(guò)肝臟代謝進(jìn)入脂合成途徑。最終，膳食中的葡萄糖和氨基酸（質(zhì)量比約為3:1）分別貢獻(xiàn)了45%和30%的新合成脂肪酸。

氨基酸對(duì)肝臟脂合成的顯著且直接貢獻(xiàn)，提示其代謝可能成為治療脂肪肝的新靶點(diǎn)。為了進(jìn)一步探索這一可能性，研究者檢測(cè)了脂肪肝模型——肥胖小鼠（ob/ob）中的代謝變化。他們發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，肥胖小鼠肝臟中的逆向TCA（還原型羧化）過(guò)程增強(qiáng)，而正向TCA介導(dǎo)的氨基酸氧化分解則減弱，這導(dǎo)致更多的氨基酸被引入脂合成途徑。

接下來(lái)，研究者嘗試通過(guò)抑制劑或基因沉默的方式抑制氨基酸攝入或還原型羧化過(guò)程，結(jié)果成功地抑制了肝細(xì)胞的脂肪積累。相反，他們通過(guò)在肥胖小鼠肝臟中過(guò)表達(dá)谷氨酸脫氫酶（GLUD1），將原本用于脂合成的氨基酸代謝流轉(zhuǎn)向徹底氧化分解，從而降低了脂合成的底物可及性，并顯著緩解了肥胖小鼠的肝臟脂肪變性。
最后，流行病學(xué)與代謝流的分析結(jié)果提示，減少膳食蛋白（氨基酸的主要來(lái)源）的攝入可能對(duì)脂肪肝的防治有益。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了低蛋白飼料，并用以喂養(yǎng)肥胖小鼠。結(jié)果顯示，與對(duì)照組（蛋白占比25%）相比，低蛋白組（蛋白占比5%）小鼠的肝臟脂滴顯著縮小，肝損傷程度也有所減輕（血液中的谷丙轉(zhuǎn)氨酶ALT活性降低）。轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)，低蛋白飲食導(dǎo)致小鼠肝臟中脂合成通路的基因表達(dá)顯著下調(diào)。同時(shí)，這種飲食還促進(jìn)了小鼠體重的下降，盡管這可能與它對(duì)食欲的抑制作用有關(guān)。值得注意的是，氨基酸在脂合成中的關(guān)鍵作用并非僅限于其作為底物的功能，還可能涉及包括氨基酸介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在內(nèi)的復(fù)雜機(jī)制。綜上所述，低蛋白飲食對(duì)肥胖小鼠的脂肪肝具有改善作用，但其對(duì)肝纖維化、肝硬化等疾病的影響尚需進(jìn)一步研究。
此外，盡管氨基酸在脂合成中扮演著重要角色，但這并不意味著營(yíng)養(yǎng)學(xué)意義上的高蛋白飲食會(huì)加劇脂肪肝的形成。實(shí)際上，高蛋白飲食（能量占比≥35%）已被證明能夠減少肝臟中的脂肪堆積。因此，膳食蛋白攝入與脂肪肝之間的關(guān)系呈現(xiàn)出一種“過(guò)猶不及”的現(xiàn)象。這可能與蛋白質(zhì)或氨基酸對(duì)DNL以外的其他脂肪代謝途徑（如脂質(zhì)吸收、脂蛋白分泌、脂肪酸分解等）的復(fù)雜調(diào)控有關(guān)。同時(shí)，20種氨基酸對(duì)代謝相關(guān)信號(hào)通路的影響也各不相同，例如支鏈氨基酸（BCAA）對(duì)mTOR信號(hào)的激活作用，以及半胱氨酸等氨基酸對(duì)食欲的抑制效應(yīng)。因此，蛋白質(zhì)和氨基酸對(duì)機(jī)體代謝的全面影響仍有待進(jìn)一步研究來(lái)深入闡明。
在脂肪組織中，碳水化合物是脂質(zhì)從頭合成的經(jīng)典底物。然而，在肝臟中，情況則有所不同。葡萄糖會(huì)優(yōu)先儲(chǔ)存為糖原，僅有1-2%的葡萄糖會(huì)進(jìn)入脂肪合成途徑。盡管如此，大量同位素示蹤研究顯示，相較于乳酸、丙酮酸、丙氨酸等中間代謝物，葡萄糖本身對(duì)肝臟脂肪酸合成的貢獻(xiàn)其實(shí)相對(duì)較小。

面對(duì)這一現(xiàn)象，Joseph Katz和J. Denis McGarry等科學(xué)家在1980年代提出了“葡萄糖悖論”的假說(shuō)。他們認(rèn)為，盡管糖的攝入對(duì)肝臟脂合成具有促進(jìn)作用，但肝臟脂合成的主要底物并非直接來(lái)自葡萄糖。盡管近年來(lái)關(guān)于循環(huán)代謝物的代謝流定量分析取得了進(jìn)展，但這些中間代謝物通常是由膳食營(yíng)養(yǎng)素在腸道或組織內(nèi)代謝生成的，而非日常食物中的主要成分。因此，肝臟脂合成中的大部分膳食前體來(lái)源仍然是一個(gè)謎團(tuán)。

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的探索，本研究終于揭開(kāi)了這一謎團(tuán)。我們發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期被忽視的氨基酸竟然是肝臟脂合成的重要原料。同時(shí)，我們也揭示了葡萄糖主要通過(guò)其次級(jí)代謝途徑（如合成乳酸、乙酸、非必需氨基酸等）為肝臟脂合成提供碳源。這一發(fā)現(xiàn)與近年來(lái)Rabinowitz團(tuán)隊(duì)和傅肅能團(tuán)隊(duì)的新研究相一致，即來(lái)源于葡萄糖的乳酸是TCA及脂合成的關(guān)鍵底物，這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了代謝框架中的重要一環(huán)。
回溯到1877年，法國(guó)生理學(xué)家克勞德·伯納德在《糖尿病講義》中探討了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：“糖在這種情境下究竟扮演何種角色——是作為‘營(yíng)養(yǎng)刺激物’發(fā)揮作用，還是直接轉(zhuǎn)化為糖原？我傾向于認(rèn)為，前者更為貼切?！边@一論斷在近150年的歲月里一直吸引著科學(xué)家們的關(guān)注。直至今天，Rabinowitz團(tuán)隊(duì)、Locasale團(tuán)隊(duì)以及傅肅能團(tuán)隊(duì)等眾多研究者，通過(guò)詳盡的代謝流分析，重新審視了早年的同位素示蹤研究，揭示了葡萄糖及其衍生物的詳盡代謝路徑和底物貢獻(xiàn)。我們的研究進(jìn)一步揭開(kāi)了除葡萄糖以外的另一半碳代謝底物的神秘面紗，也為“葡萄糖悖論”提供了強(qiáng)有力的解答。
對(duì)于大多數(shù)細(xì)胞而言，氨基酸并非能量代謝和脂合成的理想底物，這主要?dú)w因于氨的毒性問(wèn)題。然而，肝臟作為全身氨基酸的匯聚地，擁有完善的氨代謝系統(tǒng)和高度活躍的氨基酸代謝酶。在將氨基酸脫下的氨基轉(zhuǎn)化為尿素后，剩余的碳可以通過(guò)糖異生、氧化分解等多種途徑進(jìn)行處理，這為氨基酸的碳骨架進(jìn)入脂合成途徑創(chuàng)造了條件。此外，肝臟還扮演著糖和脂肪的儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)及中轉(zhuǎn)站的雙重角色，對(duì)這兩大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用相對(duì)較少。這種獨(dú)特的代謝模式使肝臟能夠高效處理氨基酸，充分利用其產(chǎn)物，同時(shí)對(duì)糖的利用保持“節(jié)儉”，從而為機(jī)體儲(chǔ)存和供應(yīng)能量。這一機(jī)制與肝臟維持全身代謝平衡的使命高度契合，確保了肝臟在營(yíng)養(yǎng)底物利用方面的優(yōu)先地位，這也可能是其作為氨代謝中心、糖脂儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)與中轉(zhuǎn)站的基礎(chǔ)。

最后，鑒于氨基酸代謝在肝臟中的核心地位，其紊亂可能引發(fā)多種肝臟功能異常和疾病。韓衛(wèi)平團(tuán)隊(duì)的研究揭示，肝癌中存在代謝重編程，尤其是BCAA等多種氨基酸的代謝異常，與肝癌的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)。本文的研究進(jìn)一步將這一發(fā)現(xiàn)拓展至早期肝臟疾病，同時(shí)指出氨基酸代謝失調(diào)可能是脂肪肝炎向肝癌轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

該論文的第一兼通訊作者是中科中山藥物創(chuàng)新研究院國(guó)際中心的助理研究員廖一烈（清華大學(xué)已畢業(yè)博士生、生物島實(shí)驗(yàn)室已出站博士后）。廣州實(shí)驗(yàn)室的傅肅能教授和新加坡科技研究局分子細(xì)胞研究所的韓衛(wèi)平教授擔(dān)任共同通訊作者。清華大學(xué)已畢業(yè)博士生劉雷和廣州實(shí)驗(yàn)室助理研究員陳綺珊對(duì)該研究做出了重要貢獻(xiàn)。研究中的質(zhì)譜分析主要依托清華大學(xué)代謝組學(xué)平臺(tái)，部分檢測(cè)得到清華大學(xué)藥學(xué)技術(shù)中心的協(xié)助。中山藥創(chuàng)院李佳課題組為該研究提供了強(qiáng)有力的支持和幫助。

Cell Metabolism 封面圖
該封面圖巧妙地融合了中國(guó)山水畫(huà)的深遠(yuǎn)意境，通過(guò)隱喻的方式展現(xiàn)了氨基酸與糖在代謝過(guò)程中的不同命運(yùn)。其中，藍(lán)色瀑布象征著氨基酸的代謝流向，它直截了當(dāng)?shù)亓魅氪砀闻K脂肪堆積的池中，彰顯了氨基酸在肝臟脂肪合成中的直接作用。而紅色河流則代表葡萄糖的代謝路徑，大部分葡萄糖先流入象征糖原合成的湖泊，其蜿蜒曲折的支流則象征著肝臟外的次級(jí)代謝過(guò)程，最終通過(guò)間接途徑匯入脂肪肝池中。這一研究不僅深入探索了肝臟脂肪合成的源頭，更全面揭示了肝臟營(yíng)養(yǎng)代謝的復(fù)雜圖景。
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網(wǎng)址: 氨基酸揭示為肝臟脂肪合成的主要碳源，研究揭示營(yíng)養(yǎng)代謝新機(jī)制 http://www.u1s5d6.cn/newsview1605056.html