首頁資訊棕色脂肪組織中支鏈氨基酸作為氮供體調節(jié)代謝健康的機制

棕色脂肪組織中支鏈氨基酸作為氮供體調節(jié)代謝健康的機制

來源：泰然健康網時間：2024年12月15日 03:34

棕色脂肪組織（BAT）是哺乳動物重要的產熱組織。BAT產熱可以帶來多種代謝益處，如改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，降低心血管風險等。目前，以嚙齒動物為模型的研究報道中，這些代謝益處與BAT產熱導致的能量消耗增加和體重減輕密切相關。然而，人類 BAT 的多種代謝益處被發(fā)現與能量消耗或體重指數無關。這種BAT獨立于能耗之外的生理調控機制仍知之甚少。

BAT產熱增加葡萄糖，脂肪酸和氨基酸，尤其是支鏈氨基酸（BCAA）的代謝通量。循環(huán)系統中BCAA水平升高被報道與2型糖尿病發(fā)病率呈正相關，而增強BCAA清除可以改善胰島素敏感性。之前的研究表明BAT產熱可以極大的增加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，一個重要的科學問題是，BCAA在BAT中的代謝，是否存在獨立于能耗之外的生理調控機制？

2024年4月22日，美國哈佛醫(yī)學院貝斯以色列女執(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-質譜（LC-MS）技術，進行穩(wěn)定同位素標記的代謝流分析（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)燃料來調節(jié)代謝健康的生理機制。

首先，該研究以15N與13C穩(wěn)定同位素標記的BCAA 為示蹤劑，平行的對BCAA的碳流和氮流進行示蹤分析。15N-BCAA示蹤結果表明，BCAA 衍生的氮用于合成谷氨酸、丙氨酸及其下游產物，包括 N-乙?；?谷氨酸、N-乙?；? 天冬氨酸，以及還原型和氧化形式的谷胱甘肽。同時作者研究了各個代謝物的標記時間動態(tài)，谷氨酸的15N標記最為快速和顯著。表明BCAA 進入線粒體后，作為 BCAA 轉氨酶 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的氮進一步流向多種含氮代謝物。13C-BCAA示蹤結果提供了不同的視角。相比于90%以上的BCAA α-酮酸被13C標記，TCA循環(huán)中間體的標記百分比低于10% 甚至更少。而大部分13C 標記的 BCKA 和 3-羥基異丁酸 (3-HIB) 都會分泌到細胞外?？傊?，與傳統的 BCAA 通過能耗，即碳流進入 TCA 循環(huán)發(fā)揮作用的假設相反，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胞中釋放。

承接該實驗室在2019年報道的SLC25A44（MBC）是線粒體膜上BCAA的重要運輸蛋白的發(fā)現，本研究構建了MBC敲除的棕色脂肪細胞系，基于15N-BCAA 代謝示蹤發(fā)現MBC敲除導致15N-BCAA 到谷氨酸及下游代謝物（包括 Pro、Gly、N-乙酰基-Glu、N-乙?；?Asp，以及還原型和氧化形式的谷胱甘肽）的標記氮轉移量顯著降低。同時，該研究檢測了細胞培養(yǎng)基中相應的 15N 標記代謝物。結果表明幾乎所有BCAA衍生的代謝物均會從棕色脂肪細胞中大量分泌，而在MBC敲除導致分泌量顯著降低。類似的結果也在BCAA 轉氨酶 2 (BCAT2) 敲低/抑制的條件下被發(fā)現。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 進行線粒體 BCAA 分解代謝的機制，作者通過Turbo-ID鄰近標記及基于串聯質量標簽（TMT）的精確蛋白質組學技術，對MBC鄰近蛋白/互作蛋白進行研究。結果發(fā)現谷氨酸載體（GC1，由Slc25a22編碼）與MBC鄰近/互作。GC1可能通過轉運來自BCAA轉氨作用的線粒體Glu來支持線粒體BCAA分解代謝。氧耗率（OCR）分析結果表明，MBC 或 GC1單獨的敲低/敲除都會減弱細胞呼吸對 BCAA 補充和去甲腎上腺素刺激的反應，而GC1 和 MBC同時敲低/敲除會導致細胞呼吸進一步減弱。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證，MBC 的敲除降低了 15N-BCAA 到 Glu、Ala、N-乙?；?Asp、N-乙?；?Glu 和谷胱甘肽的氮轉化率。當 GC1 和 MBC同時敲低/敲除時，這些BCAA衍生物的15N 標記量會進一步減少。

為了驗證細胞水平的發(fā)現，作者首先構建了MBC全身敲低的小鼠模型，發(fā)現BCAA的清除受損增加了血液循環(huán)中BCAA水平。同時，15N-BCAA體內的代謝示蹤分析結果與細胞水平一致，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量有任何差異，但空腹條件下血糖顯著升高，且現出葡萄糖和胰島素不耐受。為了進一步研究BAT對BCAA的清除作用，作者開發(fā)了BAT特異性MBC敲除小鼠模型。結果表明，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致BAT特異性MBC敲除小鼠模型的全身胰島素抵抗，作者評估了該小鼠模型外周代謝器官中作為胰島素信號傳導標志的 AKT 磷酸化。結果表明肝臟中胰島素誘導的 AKTSer473 磷酸化減弱，但 BAT、腹股溝白色脂肪或肌肉中卻沒有減弱。磷酸蛋白質組學分析發(fā)現，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。這些觀察結果表明 BAT 中的 BCAA 分解代謝對肝功能有影響。BAT 中BCAA分解代謝受損如何導致肝臟胰島素抵抗而不影響能量消耗？血清代謝組學分析發(fā)現包括谷氨酸、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示蹤實驗結果中顯示為BCAA 氮衍生代謝物。此外，模型小鼠表現出顯著升高的氧化應激標記物水平，包括蛋白質羰基含量和脂質過氧化標記物丙二醛（MDA）和4-羥基-2-壬烯醛（4-HNE）。

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

那么，BCAA衍生代謝物的合成在生理病理條件下是如何調節(jié)的？為了回答這個問題，作者構建了高脂喂養(yǎng)的肥胖小鼠模型。BAT線粒體蛋白質組分析發(fā)現，肥胖小鼠BAT中涉及BCAA分解代謝的通路顯著降低。15N-BCAA的體內代謝示蹤分析結果表明，肥胖小鼠表現出顯著較低的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。代謝組學分析發(fā)現，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。結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?？傊?，這些數據表明，冷暴露后 BAT 活性增強，同時 BCAA 氮流衍生代謝物（如谷胱甘肽）合成增加，而飲食誘導的肥胖會損害 BAT 中 BCAA 分解代謝和這些代謝物的合成。

綜上，本研究回答了該領域的一個重要問題，BAT 的代謝益處是如何在獨立于能耗和體重之外發(fā)生的？本研究發(fā)現了一個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。該模型導致小鼠胰島素信號傳導受損，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的同位素標記的體外和體內代謝流示蹤技術，發(fā)現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。這一工作同時也體現了基于質譜的同位素標記代謝流分析技術在研究復雜代謝生物學問題中的重要應用價值。