非酒精性脂肪肝?。∟AFLD）是一種由肝臟脂肪過度堆積引發(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)病率已高達三分之一左右，但目前僅有一款針對NASH的藥物獲得FDA批準。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脂肪性肝?。∕ASLD）及肝炎（MASH），以更準確地描述疾病特征及成因。然而，脂肪肝的發(fā)病機制涉及復雜的代謝重編程，其背后的代謝本質尚不完全清楚。

脂質從頭合成（DNL）是利用碳水化合物和蛋白質等前體合成脂肪的過程，其升高是肥胖人群脂肪肝的核心代謝變化。盡管靶向DNL關鍵酶的藥物效果良好，但這種單一治療方式也帶來了一些毒副作用，提示我們需要更深入地理解肝臟脂肪合成的途徑。營養(yǎng)物質吸收和代謝為脂質從頭合成提供必要的前體物質，對于維持脂合成的活性至關重要。然而，關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多世紀的努力，但肝臟中超過一半的脂肪酸前體來源仍待揭示。

近日，中科中山藥物創(chuàng)新研究院（ZIDD）國際中心廖一烈、新加坡科技研究局（A*STAR）分子細胞研究所（IMCB）韓衛(wèi)平團隊、廣州實驗室傅肅能團隊以及清華大學生命科學學院合作，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70%的碳原子來源于氨基酸，揭示了膳食蛋白質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)病機制，研究團隊首先借助美國國家健康和營養(yǎng)檢查調查（NHANES）數(shù)據(jù)庫進行了大規(guī)模的流行病學分析。這一分析覆蓋了三大宏量營養(yǎng)素——碳水化合物、蛋白質和脂肪，與脂肪肝病的關系。出乎意料的是，傳統(tǒng)觀念中認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)病率之間的顯著關聯(lián)。相反，蛋白質的攝入量與代謝相關脂肪性肝?。∕ASLD）的風險增加呈現(xiàn)出明顯的正相關。特別是在MASH方面，高膳食蛋白質攝入的人群發(fā)病率顯著升高，甚至接近高脂攝入人群的水平，而高碳水攝入則與更低的疾病風險相關。這一與既有認知相悖的發(fā)現(xiàn)，揭示了肝臟在營養(yǎng)代謝方面可能存在特殊的模式。

流行病學研究指出，蛋白質及其代謝產(chǎn)物氨基酸在脂肪肝的發(fā)生和發(fā)展中扮演著關鍵角色。為了進一步驗證這一發(fā)現(xiàn)，研究團隊對小鼠的原代肝臟細胞進行了深入的研究。通過代謝流分析，他們直接定量了不同營養(yǎng)物質在肝細胞代謝中的具體貢獻。結果顯示，氨基酸成為肝細胞線粒體呼吸的主要底物，其貢獻遠大于葡萄糖。更進一步的13C同位素示蹤實驗揭示，在肝細胞的中心碳代謝過程中，葡萄糖的直接貢獻微乎其微，而氨基酸，特別是谷氨酰胺，則成為三羧酸循環(huán)的關鍵底物。

由于三羧酸循環(huán)是脂質從頭合成的重要前體物質來源，研究團隊進一步對肝細胞的脂肪酸進行了13C標記研究。結果令人矚目：與三羧酸循環(huán)的結果相吻合，谷氨酰胺為肝細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，其貢獻與果糖相當。在對比了6種主要的營養(yǎng)底物后，研究團隊發(fā)現(xiàn)，包括乳酸、乙酸以及各種氨基酸在內的底物，對肝細胞脂肪酸合成的貢獻均顯著高于葡萄糖。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胞脂合成過程中的最主要碳供體。
為了進一步驗證之前的結論，研究團隊設計了一項實驗，將13C標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。這一方法使得研究團隊能夠首次在活體水平上對脂肪酸進行高效標記，并追蹤到肝臟脂合成中約75%的膳食碳源。結果顯示，在體內環(huán)境下，葡萄糖和氨基酸都對肝臟新合成的脂肪酸有顯著貢獻。值得注意的是，相同質量下，肝臟利用氨基酸進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合成次級代謝物（如乳酸、乙酸、非必需氨基酸等）來為脂合成提供碳源，而氨基酸則能直接通過肝臟代謝進入脂合成途徑。最終，膳食中的葡萄糖和氨基酸（質量比約為3:1）分別貢獻了45%和30%的新合成脂肪酸。

氨基酸對肝臟脂合成的顯著且直接貢獻，提示其代謝可能成為治療脂肪肝的新靶點。為了進一步探索這一可能性，研究者檢測了脂肪肝模型——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）過程增強，而正向TCA介導的氨基酸氧化分解則減弱，這導致更多的氨基酸被引入脂合成途徑。

接下來，研究者嘗試通過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程，結果成功地抑制了肝細胞的脂肪積累。相反，他們通過在肥胖小鼠肝臟中過表達谷氨酸脫氫酶（GLUD1），將原本用于脂合成的氨基酸代謝流轉向徹底氧化分解，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，流行病學與代謝流的分析結果提示，減少膳食蛋白（氨基酸的主要來源）的攝入可能對脂肪肝的防治有益。為了驗證這一假設，研究團隊設計了低蛋白飼料，并用以喂養(yǎng)肥胖小鼠。結果顯示，與對照組（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（血液中的谷丙轉氨酶ALT活性降低）。轉錄組學數(shù)據(jù)進一步證實，低蛋白飲食導致小鼠肝臟中脂合成通路的基因表達顯著下調。同時，這種飲食還促進了小鼠體重的下降，盡管這可能與它對食欲的抑制作用有關。值得注意的是，氨基酸在脂合成中的關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的信號轉導在內的復雜機制。綜上所述，低蛋白飲食對肥胖小鼠的脂肪肝具有改善作用，但其對肝纖維化、肝硬化等疾病的影響尚需進一步研究。
此外，盡管氨基酸在脂合成中扮演著重要角色，但這并不意味著營養(yǎng)學意義上的高蛋白飲食會加劇脂肪肝的形成。實際上，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系呈現(xiàn)出一種“過猶不及”的現(xiàn)象。這可能與蛋白質或氨基酸對DNL以外的其他脂肪代謝途徑（如脂質吸收、脂蛋白分泌、脂肪酸分解等）的復雜調控有關。同時，20種氨基酸對代謝相關信號通路的影響也各不相同，例如支鏈氨基酸（BCAA）對mTOR信號的激活作用，以及半胱氨酸等氨基酸對食欲的抑制效應。因此，蛋白質和氨基酸對機體代謝的全面影響仍有待進一步研究來深入闡明。
在脂肪組織中，碳水化合物是脂質從頭合成的經(jīng)典底物。然而，在肝臟中，情況則有所不同。葡萄糖會優(yōu)先儲存為糖原，僅有1-2%的葡萄糖會進入脂肪合成途徑。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，葡萄糖本身對肝臟脂肪酸合成的貢獻其實相對較小。

面對這一現(xiàn)象，Joseph Katz和J. Denis McGarry等科學家在1980年代提出了“葡萄糖悖論”的假說。他們認為，盡管糖的攝入對肝臟脂合成具有促進作用，但肝臟脂合成的主要底物并非直接來自葡萄糖。盡管近年來關于循環(huán)代謝物的代謝流定量分析取得了進展，但這些中間代謝物通常是由膳食營養(yǎng)素在腸道或組織內代謝生成的，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源仍然是一個謎團。

經(jīng)過半個多世紀的探索，本研究終于揭開了這一謎團。我們發(fā)現(xiàn)，長期被忽視的氨基酸竟然是肝臟脂合成的重要原料。同時，我們也揭示了葡萄糖主要通過其次級代謝途徑（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Rabinowitz團隊和傅肅能團隊的新研究相一致，即來源于葡萄糖的乳酸是TCA及脂合成的關鍵底物，這一發(fā)現(xiàn)填補了代謝框架中的重要一環(huán)。
回溯到1877年，法國生理學家克勞德·伯納德在《糖尿病講義》中探討了一個關鍵問題：“糖在這種情境下究竟扮演何種角色——是作為‘營養(yǎng)刺激物’發(fā)揮作用，還是直接轉化為糖原？我傾向于認為，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家們的關注。直至今天，Rabinowitz團隊、Locasale團隊以及傅肅能團隊等眾多研究者，通過詳盡的代謝流分析，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。我們的研究進一步揭開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”提供了強有力的解答。
對于大多數(shù)細胞而言，氨基酸并非能量代謝和脂合成的理想底物，這主要歸因于氨的毒性問題。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化為尿素后，剩余的碳可以通過糖異生、氧化分解等多種途徑進行處理，這為氨基酸的碳骨架進入脂合成途徑創(chuàng)造了條件。此外，肝臟還扮演著糖和脂肪的儲存?zhèn)}庫及中轉站的雙重角色，對這兩大營養(yǎng)物質的利用相對較少。這種獨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，同時對糖的利用保持“節(jié)儉”，從而為機體儲存和供應能量。這一機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、糖脂儲備倉庫與中轉站的基礎。

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)平團隊的研究揭示，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。本文的研究進一步將這一發(fā)現(xiàn)拓展至早期肝臟疾病，同時指出氨基酸代謝失調可能是脂肪肝炎向肝癌轉變的關鍵環(huán)節(jié)。

該論文的第一兼通訊作者是中科中山藥物創(chuàng)新研究院國際中心的助理研究員廖一烈（清華大學已畢業(yè)博士生、生物島實驗室已出站博士后）。廣州實驗室的傅肅能教授和新加坡科技研究局分子細胞研究所的韓衛(wèi)平教授擔任共同通訊作者。清華大學已畢業(yè)博士生劉雷和廣州實驗室助理研究員陳綺珊對該研究做出了重要貢獻。研究中的質譜分析主要依托清華大學代謝組學平臺，部分檢測得到清華大學藥學技術中心的協(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山水畫的深遠意境，通過隱喻的方式展現(xiàn)了氨基酸與糖在代謝過程中的不同命運。其中，藍色瀑布象征著氨基酸的代謝流向，它直截了當?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代謝過程，最終通過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養(yǎng)代謝的復雜圖景。
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網(wǎng)址: 氨基酸揭示為肝臟脂肪合成的主要碳源，研究揭示營養(yǎng)代謝新機制 http://m.u1s5d6.cn/newsview1605056.html