支链氨基酸代谢在心血管疾病中作用的研究进展▲

李双玲 王志华

(武汉大学人民医院1 心血管内科,2 中心实验室，湖北省武汉市 430060，电子邮箱：xiangzhihuawang@whu.edu.cn)

【提要】 支链氨基酸由亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸3种必需氨基酸组成，不能由体内直接合成，依赖于从食物中的摄取。支链氨基酸的代谢过程涉及多个复杂的酶促反应，代谢组学技术的发展使支链氨基酸与人类慢性疾病之间关系的研究不断深入，血浆支链氨基酸已被认为是心血管疾病、糖尿病等多种慢性疾病的潜在生物标志物。本文就支链氨基酸与心血管疾病关系的研究进展进行综述，探讨支链氨基酸代谢异常在心力衰竭、冠心病、高血压等疾病中的作用，为心血管疾病的治疗提供新的靶点。

支链氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)由亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸组成，属于必需氨基酸。BCAA含量十分丰富，人体所有必需氨基酸中大约有35%为BCAA[1]。BCAA氧化代谢活动广泛发生在骨骼肌、脂肪、肝脏、肾脏、心肌等组织中[2]，BCAA代谢通路需要超过40种线粒体酶的参与，代谢酶活性需精确调控，这对维持BCAA代谢稳态至关重要[3]。BCAA代谢稳态对机体生理调节具有重要作用，BCAA参与蛋白质的合成、分解、代谢以及全身能量供给，可激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路，调控多种物质代谢，BCAA代谢异常可导致多种系统疾病的发生[1]。研究表明[1]，BCAA代谢与心血管疾病发生、发展和预后密切相关，血浆BCAA及其代谢产物可能成为诊断心血管疾病的潜在生物标志物，BCAA代谢酶也可成为心血管疾病新的治疗靶点，改善心脏功能。

1 BCAA的代谢

BCAA不能在体内直接合成，依赖于从食物中摄取，因此体内BCAA代谢稳态的维持主要依靠肠道吸收和组织降解之间的平衡。研究表明，肠道菌群直接或间接参与BCAA的生物合成，将肥胖人群粪便转移到无菌小鼠体内，小鼠血浆BCAA明显增加[4]。BCAA的3种氨基酸成分在各组织分解代谢过程中共享同一通路。BCAA分解代谢活动发生在骨骼肌、脂肪、心肌等多种组织中，可能与肝脏中肝细胞转氨酶缺乏有关[2]。支链氨基转移酶(branched-chain amino transferase，BCAT)含有两种同工酶，即BCAT1和BCAT2，其中BCAT1位于细胞质中，而BCTA2位于线粒体中。BCAT可催化BCAA发生可逆氨基转移反应，生成支链酮酸，生成的支链酮酸运输至肝脏，这是BCAA代谢的主要场所。肝脏中支链酮酸脱氢酶复合物(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex,BCKDC)催化支链酮酸不可逆氧化脱羧，最终形成乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A，进入三羧酸循环(tricarboxylic acid,TCA)，参与氧化供能[3]。BCAA分解代谢过程主要由限速酶BCKDC调节，BCKDC位于线粒体内膜的基质中，是由3个亚基E1、E2和E3组成的多蛋白酶[4]，其中E1亚基的磷酸化与支链酮酸脱氢酶(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase，BCKD)的激酶活性密切相关。BCKD激酶和磷酸酶连接至E1亚基并共同调节BCKDC的活性，BCKD激酶磷酸化E1，抑制BCKDC活性，而BCKD磷酸酶去磷酸化E1，激活BCKDC[4]。

2 BCAA代谢与疾病的关系

BCAA代谢稳态对人体健康具有重要意义。研究表明，BCAA的过量摄入与多种疾病密切相关，血浆BCAA及代谢产物积累对人体直接产生毒害作用，并间接通过调控食物摄入和物质代谢缩短个体寿命[5]。在负能量平衡的情况下饮食补充BCAA对健康有潜在的促进作用，对营养缺乏的目标人群产生积极影响[6]。BCAA可参与维持机体肠道健康、人体正常的免疫功能和营养物质代谢[6]。BCAA不仅可以作为合成原料参与蛋白质的生物合成，也能作为信号分子参与细胞内信号转导[6-7]。亮氨酸可激活mTOR信号通路，引起mTOR信号通路下游蛋白真核起始因子4E结合蛋白1(eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1,4E-BP1)和 p70核糖体蛋白S6激酶Ⅰ(p70 ribosomal S6 kinase 1,S6K1)磷酸化，促进转录的mRNA在核糖体内的翻译过程，使得细胞内蛋白合成增加[1]。此外，亮氨酸可通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和蛋白激酶C信号通路促进葡萄糖转运、蛋白表达和转运功能，增加细胞内葡萄糖的摄取和利用，BCAA代谢异常可导致胰岛素抵抗和2型糖尿病的发生[7]。

BCAA分解代谢酶在营养物质代谢中发挥重要的生理功能。ATP柠檬酸裂解酶(ATP-citrate lyase,ACL)是脂肪酸从头合成的关键酶之一，参与调节脂肪酸氧化[8]。BCKD激酶和Mg2+/Mn2+依赖的蛋白磷酸酶1K(protein phosphatase,Mg2+/Mn2+dependent 1K，PPM1K)既能以BCKD为底物参与调节BCAA代谢，也可以分别磷酸化和去磷酸化ACL，调节脂肪从头生成途径，其变化对物质代谢能产生广泛的影响[8]。在肥胖啮齿动物模型中，脂肪组织BCAA分解代谢酶的相关基因转录受到抑制，BCAA氧化速率降低；肝脏中PPM1K表达抑制而BCKD激酶表达增加，BCKDC活性下降，血液循环中BCAA的含量增加[4]。PPM1K和BCKD激酶的表达受糖类应答元件结合蛋白β(carbohydrate response element binding protein β,ChREBP-β)的调节，ChREBP-β是一种碳水化合物反应性转录因子，摄入高碳水化合物(包括果糖)时，肝脏ChREBP-β激活[8]。BCAA代谢、糖代谢和脂质代谢之间相互作用，表明BCAA代谢稳态对于机体维持正常生理功能具有重要作用。

大量研究表明[4,9]，BCAA代谢异常与心血管疾病、肿瘤、癫痫等多种疾病发生和发展过程有关。编码BCAA代谢酶基因缺陷可导致先天性代谢性疾病。当编码BCKD酶的基因发生纯合突变，患者的血浆BCAA水平降低，导致先天性BCKD激酶缺乏症[10]。

3 BCAA与心血管疾病的关系

3.1 BCAA与心力衰竭 心脏每天消耗大量的能量，营养物质代谢异常会影响心肌重塑的进程和正常心肌的功能。在心力衰竭的临床研究和实验动物模型研究中[11-12]，心脏主要的能量供应由脂肪酸转变为葡萄糖，当前多数研究集中在脂肪酸和糖类这两类代谢物质改变对心功能衰竭的作用及其调节机制，而有关氨基酸特别是BCAA代谢变化对心力衰竭有关病理过程影响研究十分有限。代谢重编程已成为心脏病理性重塑的重要组成部分，BCAA分解代谢活动存在缺陷及BCAA升高是与心力衰竭相关的一种新兴的代谢分子特征[13]。

研究表明，慢性心力衰竭患者的血浆亮氨酸和异亮氨酸浓度高于健康人群[14]。在压力超负荷诱导心力衰竭小鼠衰竭心脏中，BCAA代谢产物积累，关键的BCAA分解代谢基因，包括BCAA转氨酶2(branched-chain amino-acid transaminase 2，BCAT2)，BCKD亚基E1α、E1β、E2，以及BCKD磷酸酶PP2Cm的表达均下调[15]。BCAA分解代谢缺陷导致BCAA代谢产物异常积累是损害心脏收缩功能的独立危险因素BCAA代谢产物，可激活mTOR信号通路，导致活性氧和线粒体功能障碍，加速压力超负荷引起的心力衰竭[15]。研究表明，在3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸(BCKD激酶抑制剂)治疗心力衰竭小鼠后，BCAA氧化增加，心脏射血分数增加，心脏功能改善[16]。

Krüppel样因子15(Krüppel-like factor 15,KLF15)调控心肌糖类和脂质代谢，并负性调控压力负荷引起的心肌重塑和心脏成纤维细胞的结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)的表达。Sun等[15]的研究表明，KLF15在心力衰竭小鼠中低表达是诱导BCAA分解代谢缺陷的基础，KLF15与心肌细胞内源性PP2Cm启动子结合，激活PP2Cm转录，并且作为BCAT2直接转录激活因子，调节BCAA分解代谢。而在PP2Cm基因敲除小鼠中，KLF15对心脏的保护作用消失[17]。KLF15在压力诱导的心力衰竭进展中的保护作用可能依赖于其对BCAA代谢的调控，葡萄糖可作为KLF15上游负性调控因子，形成葡萄糖-KLF15-BCAA代谢调控通路，共同调节BCAA代谢及心力衰竭进程[17]。

随着对BCAA代谢异常与心力衰竭关系研究的深入，血浆BCAA水平可能可用于心力衰竭诊断和判断预后。BCAA和BCAA代谢产物的异常参与了心力衰竭形成过程，促进了疾病的发生与发展。3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸和KLF15通过调控BCAA代谢酶的活性来参与BCAA代谢过程，可成为心力衰竭的潜在治疗物。

3.2 BCAA与冠心病 冠状动脉疾病是一种由多因素导致的复杂疾病，是世界范围内主要的死亡原因之一。研究显示，血浆BCAA浓度是独立于血糖、血压、血脂和体重指数之外的冠状动脉疾病发病的危险因素，与冠状动脉疾病的发生和严重程度呈正相关[18]。Du等[19]的研究表明，采用经皮冠状动脉介入(percutaneous coronary intervention，PCI)治疗ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者后，血浆BCAA高浓度与患者院内心血管不良事件发生的高风险相关，促进BCAA分解代谢以降低BCAA血浆浓度可以改善STEMI患者PCI治疗后的预后。

研究表明，心肌梗死后血浆BCAA浓度升高，BCAA积累以mTOR依赖性方式加重了心肌梗死后的病理重塑和功能障碍[20]。BCAA积累能抑制葡萄糖代谢，加重心肌梗死后胰岛素敏感性的下降和心脏对缺血再灌注损伤的易感性[21]；BCAA积累可促进心肌细胞凋亡和增强Caspase-3活性，导致氧化应激和超氧化物生成，加重心肌缺血再灌注损伤[22]；BCAA代谢终产物乙酰辅酶A和丙酰辅酶A参与血小板原肌球蛋白调节蛋白3(tropomodulin 3，TMOD3)丙酰化修饰过程，通过对TMOD3第255位的赖氨酸丙酰化修饰，增加血小板活性，促进动脉血栓的形成，增加冠心病患病风险[23]。研究显示，氨基己糖生物合成通路(hexosamine biosynthesis pathway，HBP)和O-糖基化蛋白修饰可保护心肌细胞免受多种应激的侵害，对心脏起保护作用，分解代谢缺陷引起的BCAA的长期积累导致HBP表达下调，减少其对蛋白质O-糖基化的修饰，导致O-糖基化蛋白修饰失去对心脏的保护作用[24]，并且下调O-糖基化修饰减少能抑制丙酮酸脱氢酶复合物蛋白的活性，导致心肌细胞对葡萄糖的利用率显著下降，这可能是心肌梗死的关键因素[21]。研究表明，3,6-二氯-2-苯并噻吩羧酸可明显减轻心肌梗死损伤，抑制BCKD磷酸化，显著改善BCAA 分解紊乱，减轻心肌梗死后心功能不全和抑制心肌重构[20]。

3.3 BCAA与高血压 很多研究都表明了氨基酸摄入量和血压存在密切关系。Yanagisawa等[25]的研究表明，在肺性高血压患者中，血浆芳香族氨基酸和BCAA水平升高，其与肺性高血压疾病的严重程度和预后密切相关。还有研究显示，增加BCAA的摄入量会导致高血压的患病率升高，在对年龄、性别、体质指数和糖尿病等变量进行调整后，BCAA的摄入量仍是高血压发生的风险因素[26]。BCAA水平增高促进高血压的发生，可能是依赖于mTOR信号通路激活，与胰岛素抵抗和糖尿病相关[7]。研究表明，膳食摄入BCAA与2型糖尿病发病风险关联，BCAA的摄入会增加2型糖尿病的发生率[27]。而另一研究发现，摄入BCAA可降低2型糖尿病的发生风险[28]。其原因可能为：一方面，亮氨酸通过增加其对二磷酸腺苷的亲和力来激活谷氨酸脱氢酶，进一步增加三磷酸腺苷的能量电荷，从而增加胰岛素的分泌，但是持续激活的mTOR信号通路使胰岛素受体与胰岛素受体底物解偶联，形成胰岛素抵抗[29]；另一方面，在骨骼肌中，缬氨酸分解代谢中间产物3-羟基异丁酸 受上游转录激活因子过氧化酶活化增生受体共激活因子-1α的正向调控，促进血管脂肪酸跨内皮细胞向骨骼肌转运，导致肌肉中脂质的积累，3-羟基异丁酸和BACC代谢终产物丙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A共同促进脂质不完整氧化，并且抑制胰岛素分泌相关的蛋白激酶B信号通路的激活，从而导致细胞功能障碍和胰岛素抵抗[1]。尽管饮食摄入BCAA与2型糖尿病发病风险存在争议，但是BCAA表达水平升高已被认为是胰岛素抵抗和糖尿病发展的潜在因素，胰岛素抵抗的发生又能促进血液循环中BCAA的积累，并促进BCAA氧化从脂肪组织向肌肉组织转移，形成恶性循环[2]。

尽管BCAA与高血压相关的具体机制尚未完全明确，但BCAA代谢异常间接通过促进胰岛素抵抗和糖尿病的发生，成为导致高血压发生的又一高风险因素。

4 小 结

BCAA及其代谢产物在心血管疾病的发生和发展中起重要的作用，但作用机制仍未完全阐明，许多问题亟待解决。尽管BCAA分解代谢途径在人体中高度保守，但是糖类、脂质、蛋白质与BCAA代谢相互作用的复杂性，以及饮食和内部因素对BCAA的影响，对心血管疾病患者的个性化营养治疗形成了巨大的挑战。研究BCAA分解代谢或者血液循环BCAA水平升高的上游决定因素对于探索BCAA在心血管疾病中的作用，以及对心血管疾病的干预治疗至关重要。