李雙玲 王志華

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院1 心血管內(nèi)科,2 中心實(shí)驗(yàn)室，湖北省武漢市 430060，電子郵箱：xiangzhihuawang@whu.edu.cn)

【提要】 支鏈氨基酸由亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸3種必需氨基酸組成，不能由體內(nèi)直接合成，依賴于從食物中的攝取。支鏈氨基酸的代謝過(guò)程涉及多個(gè)復(fù)雜的酶促反應(yīng)，代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展使支鏈氨基酸與人類慢性疾病之間關(guān)系的研究不斷深入，血漿支鏈氨基酸已被認(rèn)為是心血管疾病、糖尿病等多種慢性疾病的潛在生物標(biāo)志物。本文就支鏈氨基酸與心血管疾病關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，探討支鏈氨基酸代謝異常在心力衰竭、冠心病、高血壓等疾病中的作用，為心血管疾病的治療提供新的靶點(diǎn)。

支鏈氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)由亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸組成，屬于必需氨基酸。BCAA含量十分豐富，人體所有必需氨基酸中大約有35%為BCAA[1]。BCAA氧化代謝活動(dòng)廣泛發(fā)生在骨骼肌、脂肪、肝臟、腎臟、心肌等組織中[2]，BCAA代謝通路需要超過(guò)40種線粒體酶的參與，代謝酶活性需精確調(diào)控，這對(duì)維持BCAA代謝穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[3]。BCAA代謝穩(wěn)態(tài)對(duì)機(jī)體生理調(diào)節(jié)具有重要作用，BCAA參與蛋白質(zhì)的合成、分解、代謝以及全身能量供給，可激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號(hào)通路，調(diào)控多種物質(zhì)代謝，BCAA代謝異?？蓪?dǎo)致多種系統(tǒng)疾病的發(fā)生[1]。研究表明[1]，BCAA代謝與心血管疾病發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后密切相關(guān)，血漿BCAA及其代謝產(chǎn)物可能成為診斷心血管疾病的潛在生物標(biāo)志物，BCAA代謝酶也可成為心血管疾病新的治療靶點(diǎn)，改善心臟功能。

1 BCAA的代謝

BCAA不能在體內(nèi)直接合成，依賴于從食物中攝取，因此體內(nèi)BCAA代謝穩(wěn)態(tài)的維持主要依靠腸道吸收和組織降解之間的平衡。研究表明，腸道菌群直接或間接參與BCAA的生物合成，將肥胖人群糞便轉(zhuǎn)移到無(wú)菌小鼠體內(nèi)，小鼠血漿BCAA明顯增加[4]。BCAA的3種氨基酸成分在各組織分解代謝過(guò)程中共享同一通路。BCAA分解代謝活動(dòng)發(fā)生在骨骼肌、脂肪、心肌等多種組織中，可能與肝臟中肝細(xì)胞轉(zhuǎn)氨酶缺乏有關(guān)[2]。支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶(branched-chain amino transferase，BCAT)含有兩種同工酶，即BCAT1和BCAT2，其中BCAT1位于細(xì)胞質(zhì)中，而B(niǎo)CTA2位于線粒體中。BCAT可催化BCAA發(fā)生可逆氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成支鏈酮酸，生成的支鏈酮酸運(yùn)輸至肝臟，這是BCAA代謝的主要場(chǎng)所。肝臟中支鏈酮酸脫氫酶復(fù)合物(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex,BCKDC)催化支鏈酮酸不可逆氧化脫羧，最終形成乙酰輔酶A和琥珀酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid,TCA)，參與氧化供能[3]。BCAA分解代謝過(guò)程主要由限速酶BCKDC調(diào)節(jié)，BCKDC位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)中，是由3個(gè)亞基E1、E2和E3組成的多蛋白酶[4]，其中E1亞基的磷酸化與支鏈酮酸脫氫酶(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase，BCKD)的激酶活性密切相關(guān)。BCKD激酶和磷酸酶連接至E1亞基并共同調(diào)節(jié)BCKDC的活性，BCKD激酶磷酸化E1，抑制BCKDC活性，而B(niǎo)CKD磷酸酶去磷酸化E1，激活BCKDC[4]。

2 BCAA代謝與疾病的關(guān)系

BCAA代謝穩(wěn)態(tài)對(duì)人體健康具有重要意義。研究表明，BCAA的過(guò)量攝入與多種疾病密切相關(guān)，血漿BCAA及代謝產(chǎn)物積累對(duì)人體直接產(chǎn)生毒害作用，并間接通過(guò)調(diào)控食物攝入和物質(zhì)代謝縮短個(gè)體壽命[5]。在負(fù)能量平衡的情況下飲食補(bǔ)充BCAA對(duì)健康有潛在的促進(jìn)作用，對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏的目標(biāo)人群產(chǎn)生積極影響[6]。BCAA可參與維持機(jī)體腸道健康、人體正常的免疫功能和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝[6]。BCAA不僅可以作為合成原料參與蛋白質(zhì)的生物合成，也能作為信號(hào)分子參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[6-7]。亮氨酸可激活mTOR信號(hào)通路，引起mTOR信號(hào)通路下游蛋白真核起始因子4E結(jié)合蛋白1(eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1,4E-BP1)和 p70核糖體蛋白S6激酶Ⅰ(p70 ribosomal S6 kinase 1,S6K1)磷酸化，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的mRNA在核糖體內(nèi)的翻譯過(guò)程，使得細(xì)胞內(nèi)蛋白合成增加[1]。此外，亮氨酸可通過(guò)激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和蛋白激酶C信號(hào)通路促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、蛋白表達(dá)和轉(zhuǎn)運(yùn)功能，增加細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的攝取和利用，BCAA代謝異?？蓪?dǎo)致胰島素抵抗和2型糖尿病的發(fā)生[7]。

BCAA分解代謝酶在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝中發(fā)揮重要的生理功能。ATP檸檬酸裂解酶(ATP-citrate lyase,ACL)是脂肪酸從頭合成的關(guān)鍵酶之一，參與調(diào)節(jié)脂肪酸氧化[8]。BCKD激酶和Mg2+/Mn2+依賴的蛋白磷酸酶1K(protein phosphatase,Mg2+/Mn2+dependent 1K，PPM1K)既能以BCKD為底物參與調(diào)節(jié)BCAA代謝，也可以分別磷酸化和去磷酸化ACL，調(diào)節(jié)脂肪從頭生成途徑，其變化對(duì)物質(zhì)代謝能產(chǎn)生廣泛的影響[8]。在肥胖嚙齒動(dòng)物模型中，脂肪組織BCAA分解代謝酶的相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄受到抑制，BCAA氧化速率降低；肝臟中PPM1K表達(dá)抑制而B(niǎo)CKD激酶表達(dá)增加，BCKDC活性下降，血液循環(huán)中BCAA的含量增加[4]。PPM1K和BCKD激酶的表達(dá)受糖類應(yīng)答元件結(jié)合蛋白β(carbohydrate response element binding protein β,ChREBP-β)的調(diào)節(jié)，ChREBP-β是一種碳水化合物反應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子，攝入高碳水化合物(包括果糖)時(shí)，肝臟ChREBP-β激活[8]。BCAA代謝、糖代謝和脂質(zhì)代謝之間相互作用，表明BCAA代謝穩(wěn)態(tài)對(duì)于機(jī)體維持正常生理功能具有重要作用。

大量研究表明[4,9]，BCAA代謝異常與心血管疾病、腫瘤、癲癇等多種疾病發(fā)生和發(fā)展過(guò)程有關(guān)。編碼BCAA代謝酶基因缺陷可導(dǎo)致先天性代謝性疾病。當(dāng)編碼BCKD酶的基因發(fā)生純合突變，患者的血漿BCAA水平降低，導(dǎo)致先天性BCKD激酶缺乏癥[10]。

3 BCAA與心血管疾病的關(guān)系

3.1 BCAA與心力衰竭 心臟每天消耗大量的能量，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝異常會(huì)影響心肌重塑的進(jìn)程和正常心肌的功能。在心力衰竭的臨床研究和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型研究中[11-12]，心臟主要的能量供應(yīng)由脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?，?dāng)前多數(shù)研究集中在脂肪酸和糖類這兩類代謝物質(zhì)改變對(duì)心功能衰竭的作用及其調(diào)節(jié)機(jī)制，而有關(guān)氨基酸特別是BCAA代謝變化對(duì)心力衰竭有關(guān)病理過(guò)程影響研究十分有限。代謝重編程已成為心臟病理性重塑的重要組成部分，BCAA分解代謝活動(dòng)存在缺陷及BCAA升高是與心力衰竭相關(guān)的一種新興的代謝分子特征[13]。

研究表明，慢性心力衰竭患者的血漿亮氨酸和異亮氨酸濃度高于健康人群[14]。在壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭小鼠衰竭心臟中，BCAA代謝產(chǎn)物積累，關(guān)鍵的BCAA分解代謝基因，包括BCAA轉(zhuǎn)氨酶2(branched-chain amino-acid transaminase 2，BCAT2)，BCKD亞基E1α、E1β、E2，以及BCKD磷酸酶PP2Cm的表達(dá)均下調(diào)[15]。BCAA分解代謝缺陷導(dǎo)致BCAA代謝產(chǎn)物異常積累是損害心臟收縮功能的獨(dú)立危險(xiǎn)因素BCAA代謝產(chǎn)物，可激活mTOR信號(hào)通路，導(dǎo)致活性氧和線粒體功能障礙，加速壓力超負(fù)荷引起的心力衰竭[15]。研究表明，在3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸(BCKD激酶抑制劑)治療心力衰竭小鼠后，BCAA氧化增加，心臟射血分?jǐn)?shù)增加，心臟功能改善[16]。

Krüppel樣因子15(Krüppel-like factor 15,KLF15)調(diào)控心肌糖類和脂質(zhì)代謝，并負(fù)性調(diào)控壓力負(fù)荷引起的心肌重塑和心臟成纖維細(xì)胞的結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(connective tissue growth factor,CTGF)的表達(dá)。Sun等[15]的研究表明，KLF15在心力衰竭小鼠中低表達(dá)是誘導(dǎo)BCAA分解代謝缺陷的基礎(chǔ)，KLF15與心肌細(xì)胞內(nèi)源性PP2Cm啟動(dòng)子結(jié)合，激活PP2Cm轉(zhuǎn)錄，并且作為BCAT2直接轉(zhuǎn)錄激活因子，調(diào)節(jié)BCAA分解代謝。而在PP2Cm基因敲除小鼠中，KLF15對(duì)心臟的保護(hù)作用消失[17]。KLF15在壓力誘導(dǎo)的心力衰竭進(jìn)展中的保護(hù)作用可能依賴于其對(duì)BCAA代謝的調(diào)控，葡萄糖可作為KLF15上游負(fù)性調(diào)控因子，形成葡萄糖-KLF15-BCAA代謝調(diào)控通路，共同調(diào)節(jié)BCAA代謝及心力衰竭進(jìn)程[17]。

隨著對(duì)BCAA代謝異常與心力衰竭關(guān)系研究的深入，血漿BCAA水平可能可用于心力衰竭診斷和判斷預(yù)后。BCAA和BCAA代謝產(chǎn)物的異常參與了心力衰竭形成過(guò)程，促進(jìn)了疾病的發(fā)生與發(fā)展。3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸和KLF15通過(guò)調(diào)控BCAA代謝酶的活性來(lái)參與BCAA代謝過(guò)程，可成為心力衰竭的潛在治療物。

3.2 BCAA與冠心病 冠狀動(dòng)脈疾病是一種由多因素導(dǎo)致的復(fù)雜疾病，是世界范圍內(nèi)主要的死亡原因之一。研究顯示，血漿BCAA濃度是獨(dú)立于血糖、血壓、血脂和體重指數(shù)之外的冠狀動(dòng)脈疾病發(fā)病的危險(xiǎn)因素，與冠狀動(dòng)脈疾病的發(fā)生和嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[18]。Du等[19]的研究表明，采用經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入(percutaneous coronary intervention，PCI)治療ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者后，血漿BCAA高濃度與患者院內(nèi)心血管不良事件發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，促進(jìn)BCAA分解代謝以降低BCAA血漿濃度可以改善STEMI患者PCI治療后的預(yù)后。

研究表明，心肌梗死后血漿BCAA濃度升高，BCAA積累以mTOR依賴性方式加重了心肌梗死后的病理重塑和功能障礙[20]。BCAA積累能抑制葡萄糖代謝，加重心肌梗死后胰島素敏感性的下降和心臟對(duì)缺血再灌注損傷的易感性[21]；BCAA積累可促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡和增強(qiáng)Caspase-3活性，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和超氧化物生成，加重心肌缺血再灌注損傷[22]；BCAA代謝終產(chǎn)物乙酰輔酶A和丙酰輔酶A參與血小板原肌球蛋白調(diào)節(jié)蛋白3(tropomodulin 3，TMOD3)丙?；揎椷^(guò)程，通過(guò)對(duì)TMOD3第255位的賴氨酸丙?；揎?，增加血小板活性，促進(jìn)動(dòng)脈血栓的形成，增加冠心病患病風(fēng)險(xiǎn)[23]。研究顯示，氨基己糖生物合成通路(hexosamine biosynthesis pathway，HBP)和O-糖基化蛋白修飾可保護(hù)心肌細(xì)胞免受多種應(yīng)激的侵害，對(duì)心臟起保護(hù)作用，分解代謝缺陷引起的BCAA的長(zhǎng)期積累導(dǎo)致HBP表達(dá)下調(diào)，減少其對(duì)蛋白質(zhì)O-糖基化的修飾，導(dǎo)致O-糖基化蛋白修飾失去對(duì)心臟的保護(hù)作用[24]，并且下調(diào)O-糖基化修飾減少能抑制丙酮酸脫氫酶復(fù)合物蛋白的活性，導(dǎo)致心肌細(xì)胞對(duì)葡萄糖的利用率顯著下降，這可能是心肌梗死的關(guān)鍵因素[21]。研究表明，3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸可明顯減輕心肌梗死損傷，抑制BCKD磷酸化，顯著改善BCAA 分解紊亂，減輕心肌梗死后心功能不全和抑制心肌重構(gòu)[20]。

3.3 BCAA與高血壓 很多研究都表明了氨基酸攝入量和血壓存在密切關(guān)系。Yanagisawa等[25]的研究表明，在肺性高血壓患者中，血漿芳香族氨基酸和BCAA水平升高，其與肺性高血壓疾病的嚴(yán)重程度和預(yù)后密切相關(guān)。還有研究顯示，增加BCAA的攝入量會(huì)導(dǎo)致高血壓的患病率升高，在對(duì)年齡、性別、體質(zhì)指數(shù)和糖尿病等變量進(jìn)行調(diào)整后，BCAA的攝入量仍是高血壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素[26]。BCAA水平增高促進(jìn)高血壓的發(fā)生，可能是依賴于mTOR信號(hào)通路激活，與胰島素抵抗和糖尿病相關(guān)[7]。研究表明，膳食攝入BCAA與2型糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)，BCAA的攝入會(huì)增加2型糖尿病的發(fā)生率[27]。而另一研究發(fā)現(xiàn)，攝入BCAA可降低2型糖尿病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[28]。其原因可能為：一方面，亮氨酸通過(guò)增加其對(duì)二磷酸腺苷的親和力來(lái)激活谷氨酸脫氫酶，進(jìn)一步增加三磷酸腺苷的能量電荷，從而增加胰島素的分泌，但是持續(xù)激活的mTOR信號(hào)通路使胰島素受體與胰島素受體底物解偶聯(lián)，形成胰島素抵抗[29]；另一方面，在骨骼肌中，纈氨酸分解代謝中間產(chǎn)物3-羥基異丁酸 受上游轉(zhuǎn)錄激活因子過(guò)氧化酶活化增生受體共激活因子-1α的正向調(diào)控，促進(jìn)血管脂肪酸跨內(nèi)皮細(xì)胞向骨骼肌轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致肌肉中脂質(zhì)的積累，3-羥基異丁酸和BACC代謝終產(chǎn)物丙酰輔酶A和琥珀酰輔酶A共同促進(jìn)脂質(zhì)不完整氧化，并且抑制胰島素分泌相關(guān)的蛋白激酶B信號(hào)通路的激活，從而導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙和胰島素抵抗[1]。盡管飲食攝入BCAA與2型糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)存在爭(zhēng)議，但是BCAA表達(dá)水平升高已被認(rèn)為是胰島素抵抗和糖尿病發(fā)展的潛在因素，胰島素抵抗的發(fā)生又能促進(jìn)血液循環(huán)中BCAA的積累，并促進(jìn)BCAA氧化從脂肪組織向肌肉組織轉(zhuǎn)移，形成惡性循環(huán)[2]。

盡管BCAA與高血壓相關(guān)的具體機(jī)制尚未完全明確，但BCAA代謝異常間接通過(guò)促進(jìn)胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)生，成為導(dǎo)致高血壓發(fā)生的又一高風(fēng)險(xiǎn)因素。

4 小 結(jié)

BCAA及其代謝產(chǎn)物在心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中起重要的作用，但作用機(jī)制仍未完全闡明，許多問(wèn)題亟待解決。盡管BCAA分解代謝途徑在人體中高度保守，但是糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)與BCAA代謝相互作用的復(fù)雜性，以及飲食和內(nèi)部因素對(duì)BCAA的影響，對(duì)心血管疾病患者的個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)治療形成了巨大的挑戰(zhàn)。研究BCAA分解代謝或者血液循環(huán)BCAA水平升高的上游決定因素對(duì)于探索BCAA在心血管疾病中的作用，以及對(duì)心血管疾病的干預(yù)治療至關(guān)重要。