首頁(yè) 資訊棕色脂肪組織中支鏈氨基酸作為氮供體調(diào)節(jié)代謝健康的機(jī)制

棕色脂肪組織中支鏈氨基酸作為氮供體調(diào)節(jié)代謝健康的機(jī)制

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月15日 03:34

棕色脂肪組織（BAT）是哺乳動(dòng)物重要的產(chǎn)熱組織。BAT產(chǎn)熱可以帶來多種代謝益處，如改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，降低心血管風(fēng)險(xiǎn)等。目前，以嚙齒動(dòng)物為模型的研究報(bào)道中，這些代謝益處與BAT產(chǎn)熱導(dǎo)致的能量消耗增加和體重減輕密切相關(guān)。然而，人類 BAT 的多種代謝益處被發(fā)現(xiàn)與能量消耗或體重指數(shù)無關(guān)。這種BAT獨(dú)立于能耗之外的生理調(diào)控機(jī)制仍知之甚少。

BAT產(chǎn)熱增加葡萄糖，脂肪酸和氨基酸，尤其是支鏈氨基酸（BCAA）的代謝通量。循環(huán)系統(tǒng)中BCAA水平升高被報(bào)道與2型糖尿病發(fā)病率呈正相關(guān)，而增強(qiáng)BCAA清除可以改善胰島素敏感性。之前的研究表明BAT產(chǎn)熱可以極大的增加BCAA的利用和清除。然而，盡管BAT活躍的吸收BCAA，相對(duì)于葡萄糖和脂肪酸來說，BCAA并不是其TCA循環(huán)的主要原料。因此，一個(gè)重要的科學(xué)問題是，BCAA在BAT中的代謝，是否存在獨(dú)立于能耗之外的生理調(diào)控機(jī)制？

2024年4月22日，美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心（BIDMC）的Kajimura課題組在Cell期刊上在線發(fā)表了題為BCAA-nitrogen flux in brown fat controls metabolic health independent of thermogenesis的研究論文。該研究構(gòu)建了BAT特異性線粒體 BCAA 通道蛋白敲除的老鼠模型，該模型中，BAT BCAA的線粒體分解代謝受損，導(dǎo)致全身胰島素抵抗，而能量消耗和體重并未受到影響。該研究基于液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）技術(shù)，進(jìn)行穩(wěn)定同位素標(biāo)記的代謝流分析（Isotope labeling based metabolic flux analysis），揭開了BCAA在BAT中作為功能性含氮代謝物的氮供體，而非TCA循環(huán)燃料來調(diào)節(jié)代謝健康的生理機(jī)制。

首先，該研究以15N與13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記的BCAA 為示蹤劑，平行的對(duì)BCAA的碳流和氮流進(jìn)行示蹤分析。15N-BCAA示蹤結(jié)果表明，BCAA 衍生的氮用于合成谷氨酸、丙氨酸及其下游產(chǎn)物，包括 N-乙?；?谷氨酸、N-乙酰基- 天冬氨酸，以及還原型和氧化形式的谷胱甘肽。同時(shí)作者研究了各個(gè)代謝物的標(biāo)記時(shí)間動(dòng)態(tài)，谷氨酸的15N標(biāo)記最為快速和顯著。表明BCAA 進(jìn)入線粒體后，作為 BCAA 轉(zhuǎn)氨酶 2 (BCAT2) 分解脫氨的載體和下游代謝物合成的原料，谷氨酸作為重要樞紐，將BCAA的氮進(jìn)一步流向多種含氮代謝物。13C-BCAA示蹤結(jié)果提供了不同的視角。相比于90%以上的BCAA α-酮酸被13C標(biāo)記，TCA循環(huán)中間體的標(biāo)記百分比低于10% 甚至更少。而大部分13C 標(biāo)記的 BCKA 和 3-羥基異丁酸 (3-HIB) 都會(huì)分泌到細(xì)胞外?？傊?，與傳統(tǒng)的 BCAA 通過能耗，即碳流進(jìn)入 TCA 循環(huán)發(fā)揮作用的假設(shè)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，而碳流則以 BCKA 和 3-HIB 的形式從棕色脂肪細(xì)胞中釋放。

承接該實(shí)驗(yàn)室在2019年報(bào)道的SLC25A44（MBC）是線粒體膜上BCAA的重要運(yùn)輸?shù)鞍椎陌l(fā)現(xiàn)，本研究構(gòu)建了MBC敲除的棕色脂肪細(xì)胞系，基于15N-BCAA 代謝示蹤發(fā)現(xiàn)MBC敲除導(dǎo)致15N-BCAA 到谷氨酸及下游代謝物（包括 Pro、Gly、N-乙?；?Glu、N-乙?；?Asp，以及還原型和氧化形式的谷胱甘肽）的標(biāo)記氮轉(zhuǎn)移量顯著降低。同時(shí)，該研究檢測(cè)了細(xì)胞培養(yǎng)基中相應(yīng)的 15N 標(biāo)記代謝物。結(jié)果表明幾乎所有BCAA衍生的代謝物均會(huì)從棕色脂肪細(xì)胞中大量分泌，而在MBC敲除導(dǎo)致分泌量顯著降低。類似的結(jié)果也在BCAA 轉(zhuǎn)氨酶 2 (BCAT2) 敲低/抑制的條件下被發(fā)現(xiàn)。表明MBC是BCAA作為氮供體發(fā)揮作用的重要前提。

為了更好地了解通過 MBC 進(jìn)行線粒體 BCAA 分解代謝的機(jī)制，作者通過Turbo-ID鄰近標(biāo)記及基于串聯(lián)質(zhì)量標(biāo)簽（TMT）的精確蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，對(duì)MBC鄰近蛋白/互作蛋白進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)谷氨酸載體（GC1，由Slc25a22編碼）與MBC鄰近/互作。GC1可能通過轉(zhuǎn)運(yùn)來自BCAA轉(zhuǎn)氨作用的線粒體Glu來支持線粒體BCAA分解代謝。氧耗率（OCR）分析結(jié)果表明，MBC 或 GC1單獨(dú)的敲低/敲除都會(huì)減弱細(xì)胞呼吸對(duì) BCAA 補(bǔ)充和去甲腎上腺素刺激的反應(yīng)，而GC1 和 MBC同時(shí)敲低/敲除會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞呼吸進(jìn)一步減弱。MBC 和 GC1 之間的這種功能性相互作用也15N-BCAA代謝示蹤分析中被驗(yàn)證，MBC 的敲除降低了 15N-BCAA 到 Glu、Ala、N-乙酰基-Asp、N-乙酰基-Glu 和谷胱甘肽的氮轉(zhuǎn)化率。當(dāng) GC1 和 MBC同時(shí)敲低/敲除時(shí)，這些BCAA衍生物的15N 標(biāo)記量會(huì)進(jìn)一步減少。

為了驗(yàn)證細(xì)胞水平的發(fā)現(xiàn)，作者首先構(gòu)建了MBC全身敲低的小鼠模型，發(fā)現(xiàn)BCAA的清除受損增加了血液循環(huán)中BCAA水平。同時(shí)，15N-BCAA體內(nèi)的代謝示蹤分析結(jié)果與細(xì)胞水平一致，MBC-KD 小鼠血清中 15N-代謝物的水平降低，且BAT 中谷胱甘肽含量顯著下降。雖然在MBC-KD 小鼠中沒有觀察到體重或組織質(zhì)量有任何差異，但空腹條件下血糖顯著升高，且現(xiàn)出葡萄糖和胰島素不耐受。為了進(jìn)一步研究BAT對(duì)BCAA的清除作用，作者開發(fā)了BAT特異性MBC敲除小鼠模型。結(jié)果表明，該小鼠模型的能量消耗和體重沒有顯著變化，而該模型的胰島素耐受性受損。這些結(jié)果表明，BCAA 氮流代謝受損以及隨后 BAT 中 BCAA 衍生代謝物合成的下降在不影響全身能量消耗和體重的情況下，減弱了胰島素耐受性。

為了確定哪些器官導(dǎo)致BAT特異性MBC敲除小鼠模型的全身胰島素抵抗，作者評(píng)估了該小鼠模型外周代謝器官中作為胰島素信號(hào)傳導(dǎo)標(biāo)志的 AKT 磷酸化。結(jié)果表明肝臟中胰島素誘導(dǎo)的 AKTSer473 磷酸化減弱，但 BAT、腹股溝白色脂肪或肌肉中卻沒有減弱。磷酸蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，該小鼠模型肝臟中 Irs1、Akt2 和 Gys2（糖原合酶的肝臟亞型）的磷酸化顯著降低。此外，該小鼠模型肝臟 PDH 活性顯著降低。這些觀察結(jié)果表明 BAT 中的 BCAA 分解代謝對(duì)肝功能有影響。BAT 中BCAA分解代謝受損如何導(dǎo)致肝臟胰島素抵抗而不影響能量消耗？血清代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)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環(huán)中顯著降低，而這些代謝物都在之前15N-BCAA示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果中顯示為BCAA 氮衍生代謝物。此外，模型小鼠表現(xiàn)出顯著升高的氧化應(yīng)激標(biāo)記物水平，包括蛋白質(zhì)羰基含量和脂質(zhì)過氧化標(biāo)記物丙二醛（MDA）和4-羥基-2-壬烯醛（4-HNE）。

這些結(jié)果得出這樣的假設(shè)：BAT 中的 BCAA 分解代謝會(huì)影響全身氧化還原平衡。為了測(cè)試這一點(diǎn)，我們向小鼠補(bǔ)充谷胱甘肽，以彌補(bǔ)模型小鼠中觀察到的谷胱甘肽水平的降低。在補(bǔ)充谷胱甘肽之前，模型小鼠表現(xiàn)出胰島素耐受性受損。補(bǔ)充十天后，模型小鼠的谷胱甘肽血清含量和肝臟含量恢復(fù)至正常水平，并且模型小鼠的胰島素不耐受完全恢復(fù)。同時(shí)，給小鼠補(bǔ)充谷胱甘肽合成抑制物減弱了小鼠的胰島素耐受性?？傊?，這些結(jié)果表明BAT中BCAA分解受損及BCAA 衍生代謝物（尤其是谷胱甘肽）合成的減少導(dǎo)致肝臟氧化應(yīng)激升高并減少胰島素信號(hào)傳導(dǎo)。

那么，BCAA衍生代謝物的合成在生理病理?xiàng)l件下是如何調(diào)節(jié)的？為了回答這個(gè)問題，作者構(gòu)建了高脂喂養(yǎng)的肥胖小鼠模型。BAT線粒體蛋白質(zhì)組分析發(fā)現(xiàn)，肥胖小鼠BAT中涉及BCAA分解代謝的通路顯著降低。15N-BCAA的體內(nèi)代謝示蹤分析結(jié)果表明，肥胖小鼠表現(xiàn)出顯著較低的15N-BCAA處置率。此外，肥胖小鼠的 BAT 中 15N-BCAA 衍生代謝物的水平顯著降低。接著，作者又研究了溫度如何影響B(tài)AT中BCAA 衍生代謝物的合成。代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在冷刺激條件下，BAT及血液循環(huán)中許多BCAA 衍生代謝物都有顯著增加。最后，作者研究了成年人 BAT 的冷激活是否與循環(huán)中谷胱甘肽水平相關(guān)。結(jié)果表明冷暴露后循環(huán)谷胱甘肽水平與 BAT 活性之間存在顯著的正相關(guān)?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明，冷暴露后 BAT 活性增強(qiáng)，同時(shí) BCAA 氮流衍生代謝物（如谷胱甘肽）合成增加，而飲食誘導(dǎo)的肥胖會(huì)損害 BAT 中 BCAA 分解代謝和這些代謝物的合成。

綜上，本研究回答了該領(lǐng)域的一個(gè)重要問題，BAT 的代謝益處是如何在獨(dú)立于能耗和體重之外發(fā)生的？本研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分適合用來研究這一問題的小鼠模型，BAT 特異的BCAA 分解代謝缺陷模型。該模型導(dǎo)致小鼠胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損，但不影響小鼠全身能量消耗和體重。研究人員通過建立和優(yōu)化一系列基于LC-MS的同位素標(biāo)記的體外和體內(nèi)代謝流示蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)BCAA在BAT中作為功能性含氮代謝物的氮供體，而非TCA循環(huán)燃料發(fā)揮作用。而這些BCAA衍生的含氮代謝物可以分泌到血液循環(huán)并在調(diào)節(jié)全身氧化還原平衡及葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面有重要作用。這一工作同時(shí)也體現(xiàn)了基于質(zhì)譜的同位素標(biāo)記代謝流分析技術(shù)在研究復(fù)雜代謝生物學(xué)問題中的重要應(yīng)用價(jià)值。