支鏈氨基酸代謝與心力衰竭關(guān)系的研究進(jìn)展

楊春陽(yáng)，黃鈺婷，樊官偉

心力衰竭是全球心血管事件發(fā)病和死亡的主要原因。研究表明，心力衰竭的發(fā)生以及發(fā)展與心肌梗死后心臟的能量物質(zhì)代謝紊亂密切相關(guān)。在心力衰竭時(shí)，心肌細(xì)胞葡萄糖、脂肪酸、乳酸、氨基酸等物質(zhì)代謝紊亂，葡萄糖攝取和糖酵解代償性增加，脂肪酸氧化代謝減少，導(dǎo)致心臟能量代謝途徑改變，即“代謝重構(gòu)”。最終致使心肌結(jié)構(gòu)和功能異常。引起心肌代謝重構(gòu)以致心力衰竭發(fā)展的重要原因可能是底物的利用受阻和缺乏能量物質(zhì)，而對(duì)衰竭的心臟進(jìn)行代謝方面的干預(yù)可顯著改善心臟功能。然而，目前針對(duì)心力衰竭代謝改變的研究主要集中在糖類和脂肪的代謝上，氨基酸代謝與心力衰竭的關(guān)系則尚未闡明。研究顯示作為氨基酸中的一員，支鏈氨基酸(BCAA)的代謝與心力衰竭有著密切的聯(lián)系。因此，對(duì)心力衰竭過(guò)程中BCAA代謝的研究是十分必要的。

1 BCAA的組成及生理作用

BCAA是指α-碳上含有分支脂肪烴鏈的中性氨基酸，包括L-亮氨酸(L-Leucine)、L-異亮氨酸(L-isoleucine)、L-纈氨酸(L-valine)，它們有著共同的代謝途徑[1]。BCAA是機(jī)體內(nèi)最主要的供能氨基酸，通過(guò)一系列酶的催化反應(yīng)分解產(chǎn)生ATP來(lái)為機(jī)體提供能量，是重要的能源來(lái)源物質(zhì)。BCAA可參與調(diào)控物質(zhì)代謝、細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、細(xì)胞自噬及胰島素抵抗等過(guò)程[2]。

2 BCAA的分解代謝

在BCAA分解過(guò)程中，肝臟、腎臟和心臟等組織迅速將BCAA氧化進(jìn)入三羧酸(TCA)循環(huán)。BCAA代謝首先通過(guò)支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶(BCAT)進(jìn)行轉(zhuǎn)氨作用以形成支鏈α-酮酸(BCKA)，然后通過(guò)支鏈α-酮酸脫氫酶復(fù)合物(BCKD)進(jìn)行不可逆的氧化脫羧。在BCKD的作用下，BCKA脫氫轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脂酰輔酶A(CoA)，隨后它們?cè)诰€粒體中通過(guò)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生用于呼吸作用的還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸[3]。

研究顯示，BCAT不是BCAA分解代謝途徑的限速酶，而作為BCAA分解代謝過(guò)程的限速酶，BCKD的活性決定于其調(diào)節(jié)亞基E1α ser293位點(diǎn)的磷酸化水平。當(dāng)機(jī)體內(nèi)BCAA含量降低時(shí)，E1α?xí)谝环NBCKD激酶支鏈α-酮酸脫氫酶激酶(BDK)的作用下發(fā)生磷酸化，使BCKD活性受到抑制，BCAA分解代謝減少。當(dāng)機(jī)體內(nèi)BCAA含量增加時(shí)，E1α?xí)诰€粒體蛋白磷酸酶2C(PP2Cm)的作用下發(fā)生去磷酸化，使BCKD激活，導(dǎo)致BCAA分解代謝增加[4]。

3 BCAA代謝在心力衰竭過(guò)程中的表現(xiàn)

在一項(xiàng)PREDIMED研究的一個(gè)隊(duì)列中，在心血管高風(fēng)險(xiǎn)人群中，較高濃度的BCAA水平與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[5]。Du等[6]研究發(fā)現(xiàn)原發(fā)性經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(PCI)后ST段抬高型心肌梗死病人高濃度的循環(huán)BCAA與PCI后發(fā)生的心血管不良事件如心臟破裂、惡性心律失常和心力衰竭相關(guān)。

通過(guò)對(duì)心肌梗死誘發(fā)的慢性心力衰竭(CHF)大鼠模型中改變的23種心臟代謝物進(jìn)行相關(guān)蛋白質(zhì)和基因的靶向分析，證實(shí)了BCAA代謝途徑在大鼠衰竭心臟中被顯著抑制[7]。液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC/MS/MS)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC/MS)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用也證明，包括BCAA在內(nèi)的氨基酸代謝異常與壓力超負(fù)荷和心肌梗死的病理過(guò)程有關(guān)。Lai等[8]在心力衰竭小鼠血漿中觀察到BCAA(Leu/Ile)顯著增加。

Sun等[9]基于轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)BCAA分解代謝途徑是壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的小鼠衰竭心臟中改變最顯著的代謝途徑，其中BCAA分解代謝途徑相關(guān)基因表達(dá)減少。并且發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)應(yīng)激的心臟組織中的BCKA有著顯著積累。Wang等[10]最近的一項(xiàng)研究觀察了心肌梗死后BCKD的動(dòng)態(tài)變化，在心肌梗死后1周內(nèi)觀察到BCKD活性瞬時(shí)性誘導(dǎo)增加，但是在1周后BCKD的磷酸化水平升高，BCKD的活性降低。參與BCAA代謝限制速率步驟的BCKD E1α、E1β和E2亞基的含量均在心力衰竭的心臟中下調(diào)。亮氨酸和異亮氨酸在大鼠心臟積累可引起心臟收縮功能障礙，并對(duì)心臟功能有抑制作用[11]。

4 BCAA代謝對(duì)心力衰竭過(guò)程中心臟代謝的影響

4.1 對(duì)線粒體功能的影響 研究表明，BCAA分解代謝途徑的調(diào)節(jié)激酶和磷酸酶位于線粒體和胞質(zhì)溶膠中[12]。過(guò)量的BCAA及其代謝產(chǎn)物BCKA可抑制丙酮酸脫氫酶復(fù)合物活性，直接抑制心肌線粒體氧化磷酸化并誘導(dǎo)線粒體中超氧化物的產(chǎn)生，表明BCKA對(duì)心肌細(xì)胞氧化還原調(diào)節(jié)和線粒體功能有直接影響。在其他組織(如肝臟或脂肪)中的BCAA分解代謝缺陷也可能引起心臟BCAA/BCKA的異常[13]。因此，BCKA的改變可能成為代謝紊亂與心臟病風(fēng)險(xiǎn)升高之間的潛在聯(lián)系。

心力衰竭過(guò)程中BCAA代謝紊亂會(huì)使細(xì)胞中抗活性氧(ROS)相關(guān)酶基因表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致線粒體中的ROS積累[14]，對(duì)心臟造成一系列損害，加重心力衰竭進(jìn)程。Sun等[9]研究也發(fā)現(xiàn)在PP2Cm表達(dá)缺陷的心臟組織中檢測(cè)到ROS含量升高，心肌蛋白的氧化損傷加重。Lu等[4]研究表明，PP2Cm表達(dá)缺陷的心肌細(xì)胞和組織中BCAA/BCKA增加，可直接導(dǎo)致mPTP開(kāi)放增加，介導(dǎo)線粒體發(fā)生鈣離子的大量釋放，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的發(fā)生。通過(guò)對(duì)BCAA處理會(huì)減少mPTP的開(kāi)放，可以預(yù)防線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞死亡[15]。由此可見(jiàn)，盡管BCAA代謝對(duì)于能量產(chǎn)生影響較少，但BCAA分解代謝對(duì)于維持心臟代謝的穩(wěn)態(tài)是十分必要的。

4.2 對(duì)心臟缺血再灌注(I/R)損傷的影響 研究發(fā)現(xiàn)，BCAA分解代謝缺陷和BCAA的積累可減少蛋白質(zhì)O-連接N-乙酰葡糖胺(O-GlcNAc)修飾，抑制葡萄糖代謝并加劇I/R損傷。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn)，BCAA/BCKA通過(guò)轉(zhuǎn)錄上調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(PPAR-α)表達(dá)來(lái)增強(qiáng)心臟脂肪酸氧化水平，加劇脂質(zhì)過(guò)氧化毒性并使心臟對(duì)I/R損傷敏感，而這可以通過(guò)腺病毒介導(dǎo)的PPAR-α沉默來(lái)逆轉(zhuǎn)。Lian等[17]發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)PP2Cm可減輕糖尿病小鼠的BCAA分解代謝缺陷和氧化應(yīng)激介導(dǎo)的I/R損傷。BCKA通過(guò)抑制壞死而不影響細(xì)胞凋亡或自噬來(lái)保護(hù)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，也可保護(hù)線粒體能量代謝免受氧化損傷。Dong等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在再灌注期間給予BCKA顯著減輕心臟I/R損傷。最近的研究顯示，BCAA治療在心肌I/R損傷中表現(xiàn)出保護(hù)作用，mTOR在這種作用中起重要作用[15]。

4.3 對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的影響 心力衰竭會(huì)發(fā)生心臟BCAA分解代謝受損和胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，并導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟功能障礙，其機(jī)制可能為心力衰竭心臟通過(guò)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激酶1(TAK1)/p38 絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)抑制KLF15表達(dá)和抑制BCAA分解代謝途徑，導(dǎo)致心臟BCAA水平升高。BCAA通過(guò)mTOR激活P-p70S6K /P-IRS1 ser636途徑，導(dǎo)致胰島素信號(hào)傳導(dǎo)減弱。而增強(qiáng)BCAA代謝可以改善衰竭心臟的心臟功能[19]。

4.4 對(duì)BCAA分解通路關(guān)鍵基因表達(dá)的影響 Sun等[9]研究中，轉(zhuǎn)錄因子KLF15被鑒定為BCAA分解代謝基因下調(diào)的上游調(diào)節(jié)因子。KLF15的下調(diào)是心臟肥大發(fā)展和心力衰竭進(jìn)展的重要步驟[20]。有研究顯示，葡萄糖通過(guò)抑制環(huán)腺苷單磷酸反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子KLF15及其下游基因的表達(dá)從而抑制BCAA分解代謝。BCAA累積后可能通過(guò)激活mTORC1，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和心肌肥厚[21-22]。此外，有研究表明，BCAA可通過(guò)磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)-蛋白激酶B(AKT)途徑負(fù)調(diào)節(jié)KLF15表達(dá)[23]。

有研究證實(shí)，KLF15是BCAT2的直接轉(zhuǎn)錄激活因子[24]。在培養(yǎng)的心肌細(xì)胞中，KLF15的過(guò)表達(dá)顯著誘導(dǎo)BCAT2、BCKD亞基和PP2Cm的mRNA表達(dá)。在KLF15缺陷的心臟中發(fā)現(xiàn)BCAT2、BCKD和PP2Cm的表達(dá)減少。所以，在心力衰竭期間BCAA代謝紊亂可能與KLF15調(diào)控其代謝過(guò)程基因有關(guān)。

在心臟中，mTOR活性直接參與心臟肥大過(guò)程，是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵途徑。病理性應(yīng)激心臟中BCAA分解代謝缺陷可導(dǎo)致BCAA和BCKA的顯著積累，可激活心臟mTOR信號(hào)，從而促進(jìn)心臟肥大，抑制心臟保護(hù)性自噬，并抑制心臟中的生物能量調(diào)節(jié)，最終加重相關(guān)心臟疾病的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程[25]。

5 展 望

BCAA分解代謝是一種高度保守的代謝途徑，其對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和正常生理學(xué)重要性的認(rèn)知正逐漸提高。BCAA及其代謝物是心力衰竭的潛在生物標(biāo)志物，也是心力衰竭發(fā)病機(jī)制中的促成因子。改善BCAA分解代謝的新型治療方法已證明可有效減輕心力衰竭的發(fā)生和發(fā)展。

最近研究發(fā)現(xiàn)，作為用于心力衰竭標(biāo)準(zhǔn)治療的輔助藥物，參麥注射液可以增加循環(huán)中的BCAA含量，并為心力衰竭病人提供能量代謝底物以促進(jìn)能量產(chǎn)生[26]。三七-丹參合劑可通過(guò)促進(jìn)心肌激活支鏈α-酮酸脫氫酶復(fù)合體E1 α亞基(BCKDHA)，抑制支鏈α-酮酸脫氫酶激酶(BCKDHK)、BCAA分解代謝紊亂來(lái)發(fā)揮在冠心病期間對(duì)心肌缺血的保護(hù)作用[27]。Sun等[9]發(fā)現(xiàn)BT2治療對(duì)心力衰竭具有顯著的改善作用。Wang等[26]還證實(shí)心肌梗死后的BT2治療顯著改善了心臟損傷后的病理性重塑和功能障礙。

由于BCAA分解代謝紊亂與心力衰竭發(fā)生發(fā)展之間的聯(lián)系尚未認(rèn)識(shí)完全，因此，闡明BCAA代謝在心力衰竭發(fā)展中的作用，對(duì)于認(rèn)識(shí)疾病狀態(tài)下BCAA代謝以及為心力衰竭的臨床治療提供啟發(fā)具有重要意義。