支链氨基酸对多囊卵巢综合征代谢与生殖的影响

冯晓玲，陈瑶，王颖

多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是育龄期女性常见的生殖内分泌疾病，伴有高雄激素、持续无排卵和卵巢多囊样改变等特征，其中胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）和肥胖在临床中较为常见。PCOS的临床发病率高达5%～10%[1]，并且近年有逐渐升高的趋势。PCOS患者易出现不孕症、妊娠结局不良以及糖脂代谢异常等远期并发症[2]，这将对患者的身心健康产生消极影响。研究表明，PCOS患者体内支链氨基酸（branched-chain amino acid，BCAA）的含量较高[3-4]。BCAA是指α碳上有分支侧链的氨基酸，包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，血浆BCAA作为重要的营养信号和代谢调节剂与骨骼肌生长和维持、能量产生、神经递质和糖异生前体的生成有关[5]。已有研究表明BCAA对女性的代谢和生殖存在影响[6-7]，在PCOS患者中BCAA与IR、肥胖和生殖也存在一定的相关性，然而其相关作用机制并不十分明确。本文结合近年国内外针对BCAA的研究进展，探讨有关BCAA对PCOS患者代谢与生殖方面的影响。

1 BCAA的代谢

BCAA只能通过食物摄取，不能在体内直接合成，人体中约有35%的必需氨基酸为BCAA。BCAA可以激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路，调控多种物质的代谢，因此也与多种疾病密切相关[8]。人体中的BCAA维持稳态对健康有着重要的意义，BCAA摄入过量或在体内积聚过多对人体会产生直接负面作用[9]，如引起IR、糖尿病、肝脏疾病和心血管疾病等。

BCAA通过支链氨基酸转移酶的催化在骨骼肌和脂肪组织中发生可逆的氨基酸转移反应，生成的支链α酮酸再次进入肝脏[10]，经肝内支链氨基酸脱氢酶复合物催化发生不可逆的氧化脱羧，3种BCAA的终产物不同，亮氨酸生成乙酰乙酸、乙酰辅酶A，异亮氨酸生成琥珀酰辅酶A、乙酰辅酶A，缬氨酸生成琥珀酰辅酶A，最终均进入到三羧酸循环[9,11]。

BCAA还可以作为信号分子参与胰岛素的调节。体内的BCAA通过多途径激活mTOR复合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1），亮氨酸通过与抗氧化激酶Sestrin2（SESN2）结合促进mTORC1激活；亮氨酸tRNA合成酶在液泡分选蛋白34-磷脂酶D1（vacuolar protein sorting34-phospholipase D1，Vps34-PLD1）的作用下也可以激活mTORC1[12]。同时，溶酶体液泡ATP酶（vacuolar ATPase，V-ATPase）与Rag GTPase可将mTORC1吸至溶酶体表面，参与mTORC1的激活，而V-ATPase形成的复合物可通过氨基酸依赖性方式调节mTORC1的活性[13]。通过mTORC1使mTOR下游蛋白真核翻译起始因子4E结合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4Ebinding protein 1，4E-BP1）和p70核糖体蛋白S6激酶1（S6 kinase 1，S6K1）磷酸化，这一过程调控了细胞内蛋白的合成。此外，BCAA可以通过激活磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）的信号相互转导，激活mTORC2，从而调节并控制细胞的生长发育和增殖。PI3K/Akt/mTOR信号通路是葡萄糖摄取和利用的主要通路，也是机体发生IR和2型糖尿病的潜在影响途径[9,14]。

BCAA在脂肪生成与分化过程中起着重要作用，其分解代谢的主要场所在线粒体中。在脂肪组织生成过程中，BCAA分解代谢酶表达的增强可以为合成奇链脂肪酸和胆固醇提供中间物质。ATP柠檬酸裂解酶（ATP citrate lyase，ACLY）是一种合成脂肪酸的关键酶，可以调节脂肪酸氧化。糖类应答元件结合蛋白β（carbohydrate response element binding proteinβ，ChREBP-β）是肝脏中的一种碳水化合物反应性转录因子，可以与糖酵解和脂肪合成相关基因结合而调控机体的糖脂代谢。White等[15]认为ChREBP-β可以调节Mg2+/Mn2+依赖的蛋白磷酸酶1K（protein phosphatase 1K，PPM1K）和支链α酮酸脱氢酶（branched-chainα-keto acid dehydrogenase，BCKD）激酶的表达，当摄入碳水化合物时，肝内的ChREBP-β被激活并启动一系列的调控机制影响糖脂代谢。BCKD可通过BCKD激酶和PPM1K的作用调节BCAA分解，分别对ACLY磷酸化或去磷酸化，从而影响脂肪的从头合成途径[15]。此外，BCAA可通过促进机体的白色脂肪棕色化来增强脂肪细胞内的线粒体活动，促进脂肪产热分解。同时，白色脂肪棕色化有助于改善胰岛素敏感性、减轻体质量和降低脂肪含量[16]。棕色脂肪组织中的转运体可以将BCAA转运到线粒体中，以消耗循环中的BCAA，有效预防IR和减少肥胖的发生。BCAA通过调节沉默信息调节因子2相关酶1（silence information regulator 2 homolog 1，SIRT1）来调控脂代谢基因的表达，从而减少脂肪[14,17]。

2 过量BCAA加剧PCOS糖脂代谢紊乱

2.1 BCAA水平升高增加PCOS IR的发生风险IR是PCOS的主要症状之一，有50%～70%的PCOS患者会出现IR[2]。IR是指体内胰岛素作用的靶器官对胰岛素作用的敏感性降低，导致机体对葡萄糖代谢能力下降，是2型糖尿病的病理基础。

在PCOS患者中，血浆BCAA的增加与IR具有相关性。Tang等[4]研究发现PCOS患者血浆中存在氨基酸代谢异常，且PCOS组的BCAA水平高于健康组（P＜0.001）。Zhao等[18]对217例PCOS患者和48例健康女性进行了人血浆代谢组学分析，结果表明PCOS患者与对照组相比血浆中缬氨酸和亮氨酸水平升高（P＜0.05）。血浆BCAA的浓度与胰岛素抵抗指数（homeostasis model assessment-insulin resistance，HOMA-IR）呈明显正相关[5，19]。正常情况下，机体通过mTOR/S6K1和PI3K/Akt/mTOR信号通路调节葡萄糖和胰岛素等营养因子。BCAA的水平过高会促进IR。血清中有80%的BCAA来自饮食摄取，剩余的20%与其自身的分解代谢有关。当BCAA摄入过多或存在BCAA代谢异常时，体内BCAA累积量过高，mTOR活性增加，导致mTOR/S6K1信号通路过度激活，从而使胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate 1，IRS1）的丝氨酸残基磷酸化，降低IRS1活性，减少其与胰岛素之间的相互作用，加剧IR。此外，IRS1活性下降的同时抑制PI3K/Akt的信号传导，在此基础上胰岛素敏感性降低，糖原合成减少。值得注意的是，在IR患者体内，长期高于正常水平的氨基酸导致mTOR/S6K1始终保持着过度激活的状态，因此，BCAA代谢异常会加重IR，同时IR也会促进BCAA积累，使机体陷入恶性循环[10,14]。此外，在动物模型和糖尿病患者的研究中发现，研究对象血浆中BCAA水平升高，3羟基异丁酸（3-hydroxyisobutyrate，3-HIB）作为缬氨酸的代谢产物分泌增加，3-HIB通过刺激毛细血管内皮细胞促进脂肪酸的跨内皮运输，使肌肉中脂质大量积聚，从而干扰脂质氧化而引起IR[20]。

Newgard等[21-22]发现游离BCAA代谢失调预示糖耐量异常和IR。Asghari等[23]通过3年的随访研究了1 205名受试者在摄入不同量的BCAA后血清胰岛素的水平，结果显示总BCAA摄入过多，尤其是亮氨酸和缬氨酸摄入过量时，会使成人IR的发生率增加超过60%，而异亮氨酸摄入的增多与IR的发生没有显著关系。另有研究指出，低异亮氨酸饮食可以重新编程肝脏和脂肪代谢，增加肝脏胰岛素敏感性，且减少异亮氨酸或缬氨酸可迅速恢复饮食诱导的肥胖小鼠的代谢[24]。因此，高氨基酸血症可能是PCOS患者IR的一种非常早期的表现，且预示着糖尿病的临床发生[19]。

2.2 BCAA水平升高促进PCOS肥胖的发生PCOS患者常受到肥胖的影响，约30%～70%的PCOS患者出现肥胖症状[25]。研究表明PCOS患者血液中的BCAA水平较高，且与肥胖发生呈正相关[3,18-19]。

PCOS肥胖患者循环中过高水平的BCAA，可能是由于调控BCAA分解代谢的酶基因表达异常，从而影响BCAA参与正常的糖脂代谢调节。在肥胖动物模型中，调控BCAA分解代谢的酶基因表达受到抑制，使BCAA氧化速率降低；与此同时，肝脏中的PPM1K表达减少，BCKD激酶的表达增强，肝脏中支链氨基酸脱氢酶复合物减少，因此血液循环中的BCAA增多。Serralde-Zúñiga等[26]认为BCAA升高可能是脂肪组织紊乱或编码关键BCAA分解代谢酶基因的特异性表达的结果。同时，Hajitarkhani等[27]的研究表明，脂肪组织中BCAA分解代谢基因的破坏可能是PCOS发生的主要相关因素之一。

有研究表明BCAA在正常机体中处于平衡状态，当机体受肥胖影响或是BCAA摄入过高时，则会打破原有平衡，引起糖脂代谢异常，促进肥胖的进展。Yu等[24]发现当膳食中异亮氨酸摄入量相对于总蛋白质增加一个百分点时，体质量指数（body mass index，BMI）增加2.46 kg/m2，但未发现亮氨酸和缬氨酸与BMI的相关性。Newgard等[22]认为过量的BCAA在高脂饮食或组织脂肪酸利用率升高的条件下可能会促进IR的发展。White等[28]的研究也验证了这一观点。因此，我们认为循环中高水平的BCAA会影响脂肪堆积，增加脂质的含量。

然而，有研究发现在高脂饮食诱导的动物模型中适当补充BCAA会使促进脂肪分解的解耦联蛋白（uncoupling protein，UCP）基因和促进白色脂肪组织棕色化的成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21，FGF21）的表达上调，而调节脂肪合成的酶及相关基因均受到抑制[14]。尽管如此，Newgard等[21-22]认为循环中过量的BCAA仍会扰乱正常的代谢。可见，BCAA过量虽然会在一定程度上对体质量有积极影响，减少脂肪堆积，但仍会影响正常的糖脂代谢，长期可导致糖耐量异常，最终发生IR和肥胖。

3 BCAA过量对PCOS生殖产生消极影响

PCOS患者常出现排卵障碍，与健康女性相比其妊娠率较低或妊娠结局不良。研究发现，BCAA在PCOS患者体内的水平过高会对患者的排卵和妊娠结局存在一定程度的影响[18]。

BCAA水平过高导致的IR会使PCOS患者更倾向于出现排卵障碍及不良妊娠结局。由于PCOS患者存在循环中BCAA代谢异常，体内胰岛素的水平较高，高胰岛素血症可通过促进卵巢和肾上腺分泌雄激素，且胰岛素促使肝脏合成性激素结合球蛋白减少，导致游离睾酮和雌二醇浓度升高，使雄激素的水平升高。而PCOS患者循环中雄激素的水平通常较高，高雄激素血症又会加重IR，从而使机体处于恶性循环状态[29]。另外，IR可以通过干扰下丘脑-垂体-卵巢轴，引起PCOS患者排卵功能障碍。这也提示PCOS代偿性高胰岛素血症可促进高雄激素血症和排卵功能障碍。此外，有研究表明卵泡液中BCAA升高导致的IR会引起PCOS患者妊娠结局不良。梁宝珠等[30]证明了PCOS导致的复发性流产与IR呈正相关。Zhang等[6]前瞻性研究表明，卵泡BCAA的升高可能通过诱导卵巢局部IR对妊娠结局产生负面影响。BCAA通过激活mTORC1调控细胞内蛋白质的合成[14]。Xu等[31]通过链脲佐菌素诱导建立糖尿病大鼠模型发现，妊娠大鼠胎盘中mTORC1的活性降低可使胎盘滋养细胞中氨基酸转运蛋白的表达减少。这也进一步说明高糖使mTORC1的活性降低，导致胎盘中氨基酸表达减少，胎儿的营养支持不足，无法满足生长发育的需要，从而引起胎儿生长受限，造成不良妊娠结局。因此，PCOS患者血液和卵泡液中的BCAA升高，机体的胰岛素处于高值状态，IR程度增强，由此引起排卵障碍和不良妊娠结局的风险增加。

高水平的BCAA会导致BMI较高的PCOS患者妊娠失败的风险增加。在体内、体外动物实验中均发现高脂状态会刺激卵丘-卵母细胞复合物开启一系列氧化应激反应，这将会增加颗粒细胞的凋亡、导致卵母细胞的成熟异常，影响胚胎发育潜能，使血脂异常的PCOS患者流产的风险增加[32]。Zhang等[6]认为卵泡中BCAA主要受BMI影响，而BCAA水平升高可能会增加BMI较高患者流产和妊娠失败的概率。Bartolacci等[33]回顾性分析发现，与BMI正常的女性相比，超重或肥胖的女性产生的卵母细胞更少更小，这些卵母细胞产生胚泡的速率更低，胚胎细胞数量更少，并且葡萄糖和氨基酸代谢受到干扰，这些都表明母亲的肥胖和超重与胚胎发育迟缓有关。因此大多数PCOS患者BMI较高，BCAA水平较高，血脂代谢异常，这类患者的胚胎种植率低于血脂正常的PCOS患者。

4 结语

综上，PCOS患者循环中过量的BCAA与代谢和生殖密切相关。较高水平的BCAA使mTOR信号通路过度激活，患者对胰岛素的敏感性降低，胰岛素分泌增加，引起糖代谢紊乱；BCAA分解代谢受损，干扰脂肪酸代谢，影响脂肪的生成与分化。同时，育龄期PCOS患者血液和卵泡液中BCAA含量较高，可导致卵巢局部IR或产生质量欠佳的卵母细胞，也可导致BMI过高而影响卵细胞和胚胎质量，降低胚胎种植率。有研究发现PCOS患者中特定氨基酸的升高可能是PCOS发生的原因或结果[34]。所以进一步研究PCOS患者的氨基酸代谢，可能为确定PCOS在代谢与生殖方面的潜在病理生理机制和开发新的治疗方法提供依据。因此，以BCAA作为靶点对PCOS患者进行早期监测与干预，可以提早预防IR或2型糖尿病的发生、调节BMI水平，以及改善因BCAA糖脂代谢紊乱引起的排卵障碍和不良妊娠结局，对减轻PCOS患者的远期并发症、缓解心理负担和提高生活质量起着重要作用。