支鏈氨基酸對(duì)多囊卵巢綜合征代謝與生殖的影響

馮曉玲，陳瑤，王穎

多囊卵巢綜合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是育齡期女性常見(jiàn)的生殖內(nèi)分泌疾病，伴有高雄激素、持續(xù)無(wú)排卵和卵巢多囊樣改變等特征，其中胰島素抵抗（insulin resistance，IR）和肥胖在臨床中較為常見(jiàn)。PCOS的臨床發(fā)病率高達(dá)5%～10%[1]，并且近年有逐漸升高的趨勢(shì)。PCOS患者易出現(xiàn)不孕癥、妊娠結(jié)局不良以及糖脂代謝異常等遠(yuǎn)期并發(fā)癥[2]，這將對(duì)患者的身心健康產(chǎn)生消極影響。研究表明，PCOS患者體內(nèi)支鏈氨基酸（branched-chain amino acid，BCAA）的含量較高[3-4]。BCAA是指α碳上有分支側(cè)鏈的氨基酸，包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸，血漿BCAA作為重要的營(yíng)養(yǎng)信號(hào)和代謝調(diào)節(jié)劑與骨骼肌生長(zhǎng)和維持、能量產(chǎn)生、神經(jīng)遞質(zhì)和糖異生前體的生成有關(guān)[5]。已有研究表明BCAA對(duì)女性的代謝和生殖存在影響[6-7]，在PCOS患者中BCAA與IR、肥胖和生殖也存在一定的相關(guān)性，然而其相關(guān)作用機(jī)制并不十分明確。本文結(jié)合近年國(guó)內(nèi)外針對(duì)BCAA的研究進(jìn)展，探討有關(guān)BCAA對(duì)PCOS患者代謝與生殖方面的影響。

1 BCAA的代謝

BCAA只能通過(guò)食物攝取，不能在體內(nèi)直接合成，人體中約有35%的必需氨基酸為BCAA。BCAA可以激活哺乳動(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)的代謝，因此也與多種疾病密切相關(guān)[8]。人體中的BCAA維持穩(wěn)態(tài)對(duì)健康有著重要的意義，BCAA攝入過(guò)量或在體內(nèi)積聚過(guò)多對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生直接負(fù)面作用[9]，如引起IR、糖尿病、肝臟疾病和心血管疾病等。

BCAA通過(guò)支鏈氨基酸轉(zhuǎn)移酶的催化在骨骼肌和脂肪組織中發(fā)生可逆的氨基酸轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成的支鏈α酮酸再次進(jìn)入肝臟[10]，經(jīng)肝內(nèi)支鏈氨基酸脫氫酶復(fù)合物催化發(fā)生不可逆的氧化脫羧，3種BCAA的終產(chǎn)物不同，亮氨酸生成乙酰乙酸、乙酰輔酶A，異亮氨酸生成琥珀酰輔酶A、乙酰輔酶A，纈氨酸生成琥珀酰輔酶A，最終均進(jìn)入到三羧酸循環(huán)[9,11]。

BCAA還可以作為信號(hào)分子參與胰島素的調(diào)節(jié)。體內(nèi)的BCAA通過(guò)多途徑激活mTOR復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1），亮氨酸通過(guò)與抗氧化激酶Sestrin2（SESN2）結(jié)合促進(jìn)mTORC1激活；亮氨酸t(yī)RNA合成酶在液泡分選蛋白34-磷脂酶D1（vacuolar protein sorting34-phospholipase D1，Vps34-PLD1）的作用下也可以激活mTORC1[12]。同時(shí)，溶酶體液泡ATP酶（vacuolar ATPase，V-ATPase）與Rag GTPase可將mTORC1吸至溶酶體表面，參與mTORC1的激活，而V-ATPase形成的復(fù)合物可通過(guò)氨基酸依賴性方式調(diào)節(jié)mTORC1的活性[13]。通過(guò)mTORC1使mTOR下游蛋白真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4Ebinding protein 1，4E-BP1）和p70核糖體蛋白S6激酶1（S6 kinase 1，S6K1）磷酸化，這一過(guò)程調(diào)控了細(xì)胞內(nèi)蛋白的合成。此外，BCAA可以通過(guò)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）的信號(hào)相互轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活mTORC2，從而調(diào)節(jié)并控制細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育和增殖。PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路是葡萄糖攝取和利用的主要通路，也是機(jī)體發(fā)生IR和2型糖尿病的潛在影響途徑[9,14]。

BCAA在脂肪生成與分化過(guò)程中起著重要作用，其分解代謝的主要場(chǎng)所在線粒體中。在脂肪組織生成過(guò)程中，BCAA分解代謝酶表達(dá)的增強(qiáng)可以為合成奇鏈脂肪酸和膽固醇提供中間物質(zhì)。ATP檸檬酸裂解酶（ATP citrate lyase，ACLY）是一種合成脂肪酸的關(guān)鍵酶，可以調(diào)節(jié)脂肪酸氧化。糖類應(yīng)答元件結(jié)合蛋白β（carbohydrate response element binding proteinβ，ChREBP-β）是肝臟中的一種碳水化合物反應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子，可以與糖酵解和脂肪合成相關(guān)基因結(jié)合而調(diào)控機(jī)體的糖脂代謝。White等[15]認(rèn)為ChREBP-β可以調(diào)節(jié)Mg2+/Mn2+依賴的蛋白磷酸酶1K（protein phosphatase 1K，PPM1K）和支鏈α酮酸脫氫酶（branched-chainα-keto acid dehydrogenase，BCKD）激酶的表達(dá)，當(dāng)攝入碳水化合物時(shí)，肝內(nèi)的ChREBP-β被激活并啟動(dòng)一系列的調(diào)控機(jī)制影響糖脂代謝。BCKD可通過(guò)BCKD激酶和PPM1K的作用調(diào)節(jié)BCAA分解，分別對(duì)ACLY磷酸化或去磷酸化，從而影響脂肪的從頭合成途徑[15]。此外，BCAA可通過(guò)促進(jìn)機(jī)體的白色脂肪棕色化來(lái)增強(qiáng)脂肪細(xì)胞內(nèi)的線粒體活動(dòng)，促進(jìn)脂肪產(chǎn)熱分解。同時(shí)，白色脂肪棕色化有助于改善胰島素敏感性、減輕體質(zhì)量和降低脂肪含量[16]。棕色脂肪組織中的轉(zhuǎn)運(yùn)體可以將BCAA轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中，以消耗循環(huán)中的BCAA，有效預(yù)防IR和減少肥胖的發(fā)生。BCAA通過(guò)調(diào)節(jié)沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1（silence information regulator 2 homolog 1，SIRT1）來(lái)調(diào)控脂代謝基因的表達(dá)，從而減少脂肪[14,17]。

2 過(guò)量BCAA加劇PCOS糖脂代謝紊亂

2.1 BCAA水平升高增加PCOS IR的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)IR是PCOS的主要癥狀之一，有50%～70%的PCOS患者會(huì)出現(xiàn)IR[2]。IR是指體內(nèi)胰島素作用的靶器官對(duì)胰島素作用的敏感性降低，導(dǎo)致機(jī)體對(duì)葡萄糖代謝能力下降，是2型糖尿病的病理基礎(chǔ)。

在PCOS患者中，血漿BCAA的增加與IR具有相關(guān)性。Tang等[4]研究發(fā)現(xiàn)PCOS患者血漿中存在氨基酸代謝異常，且PCOS組的BCAA水平高于健康組（P＜0.001）。Zhao等[18]對(duì)217例PCOS患者和48例健康女性進(jìn)行了人血漿代謝組學(xué)分析，結(jié)果表明PCOS患者與對(duì)照組相比血漿中纈氨酸和亮氨酸水平升高（P＜0.05）。血漿BCAA的濃度與胰島素抵抗指數(shù)（homeostasis model assessment-insulin resistance，HOMA-IR）呈明顯正相關(guān)[5，19]。正常情況下，機(jī)體通過(guò)mTOR/S6K1和PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路調(diào)節(jié)葡萄糖和胰島素等營(yíng)養(yǎng)因子。BCAA的水平過(guò)高會(huì)促進(jìn)IR。血清中有80%的BCAA來(lái)自飲食攝取，剩余的20%與其自身的分解代謝有關(guān)。當(dāng)BCAA攝入過(guò)多或存在BCAA代謝異常時(shí)，體內(nèi)BCAA累積量過(guò)高，mTOR活性增加，導(dǎo)致mTOR/S6K1信號(hào)通路過(guò)度激活，從而使胰島素受體底物1（insulin receptor substrate 1，IRS1）的絲氨酸殘基磷酸化，降低IRS1活性，減少其與胰島素之間的相互作用，加劇IR。此外，IRS1活性下降的同時(shí)抑制PI3K/Akt的信號(hào)傳導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上胰島素敏感性降低，糖原合成減少。值得注意的是，在IR患者體內(nèi)，長(zhǎng)期高于正常水平的氨基酸導(dǎo)致mTOR/S6K1始終保持著過(guò)度激活的狀態(tài)，因此，BCAA代謝異常會(huì)加重IR，同時(shí)IR也會(huì)促進(jìn)BCAA積累，使機(jī)體陷入惡性循環(huán)[10,14]。此外，在動(dòng)物模型和糖尿病患者的研究中發(fā)現(xiàn)，研究對(duì)象血漿中BCAA水平升高，3羥基異丁酸（3-hydroxyisobutyrate，3-HIB）作為纈氨酸的代謝產(chǎn)物分泌增加，3-HIB通過(guò)刺激毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞促進(jìn)脂肪酸的跨內(nèi)皮運(yùn)輸，使肌肉中脂質(zhì)大量積聚，從而干擾脂質(zhì)氧化而引起IR[20]。

Newgard等[21-22]發(fā)現(xiàn)游離BCAA代謝失調(diào)預(yù)示糖耐量異常和IR。Asghari等[23]通過(guò)3年的隨訪研究了1 205名受試者在攝入不同量的BCAA后血清胰島素的水平，結(jié)果顯示總BCAA攝入過(guò)多，尤其是亮氨酸和纈氨酸攝入過(guò)量時(shí)，會(huì)使成人IR的發(fā)生率增加超過(guò)60%，而異亮氨酸攝入的增多與IR的發(fā)生沒(méi)有顯著關(guān)系。另有研究指出，低異亮氨酸飲食可以重新編程肝臟和脂肪代謝，增加肝臟胰島素敏感性，且減少異亮氨酸或纈氨酸可迅速恢復(fù)飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠的代謝[24]。因此，高氨基酸血癥可能是PCOS患者IR的一種非常早期的表現(xiàn)，且預(yù)示著糖尿病的臨床發(fā)生[19]。

2.2 BCAA水平升高促進(jìn)PCOS肥胖的發(fā)生PCOS患者常受到肥胖的影響，約30%～70%的PCOS患者出現(xiàn)肥胖癥狀[25]。研究表明PCOS患者血液中的BCAA水平較高，且與肥胖發(fā)生呈正相關(guān)[3,18-19]。

PCOS肥胖患者循環(huán)中過(guò)高水平的BCAA，可能是由于調(diào)控BCAA分解代謝的酶基因表達(dá)異常，從而影響B(tài)CAA參與正常的糖脂代謝調(diào)節(jié)。在肥胖動(dòng)物模型中，調(diào)控BCAA分解代謝的酶基因表達(dá)受到抑制，使BCAA氧化速率降低；與此同時(shí)，肝臟中的PPM1K表達(dá)減少，BCKD激酶的表達(dá)增強(qiáng)，肝臟中支鏈氨基酸脫氫酶復(fù)合物減少，因此血液循環(huán)中的BCAA增多。Serralde-Zú?iga等[26]認(rèn)為BCAA升高可能是脂肪組織紊亂或編碼關(guān)鍵BCAA分解代謝酶基因的特異性表達(dá)的結(jié)果。同時(shí)，Hajitarkhani等[27]的研究表明，脂肪組織中BCAA分解代謝基因的破壞可能是PCOS發(fā)生的主要相關(guān)因素之一。

有研究表明BCAA在正常機(jī)體中處于平衡狀態(tài)，當(dāng)機(jī)體受肥胖影響或是BCAA攝入過(guò)高時(shí)，則會(huì)打破原有平衡，引起糖脂代謝異常，促進(jìn)肥胖的進(jìn)展。Yu等[24]發(fā)現(xiàn)當(dāng)膳食中異亮氨酸攝入量相對(duì)于總蛋白質(zhì)增加一個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）增加2.46 kg/m2，但未發(fā)現(xiàn)亮氨酸和纈氨酸與BMI的相關(guān)性。Newgard等[22]認(rèn)為過(guò)量的BCAA在高脂飲食或組織脂肪酸利用率升高的條件下可能會(huì)促進(jìn)IR的發(fā)展。White等[28]的研究也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。因此，我們認(rèn)為循環(huán)中高水平的BCAA會(huì)影響脂肪堆積，增加脂質(zhì)的含量。

然而，有研究發(fā)現(xiàn)在高脂飲食誘導(dǎo)的動(dòng)物模型中適當(dāng)補(bǔ)充BCAA會(huì)使促進(jìn)脂肪分解的解耦聯(lián)蛋白（uncoupling protein，UCP）基因和促進(jìn)白色脂肪組織棕色化的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21）的表達(dá)上調(diào)，而調(diào)節(jié)脂肪合成的酶及相關(guān)基因均受到抑制[14]。盡管如此，Newgard等[21-22]認(rèn)為循環(huán)中過(guò)量的BCAA仍會(huì)擾亂正常的代謝?？梢?jiàn)，BCAA過(guò)量雖然會(huì)在一定程度上對(duì)體質(zhì)量有積極影響，減少脂肪堆積，但仍會(huì)影響正常的糖脂代謝，長(zhǎng)期可導(dǎo)致糖耐量異常，最終發(fā)生IR和肥胖。

3 BCAA過(guò)量對(duì)PCOS生殖產(chǎn)生消極影響

PCOS患者常出現(xiàn)排卵障礙，與健康女性相比其妊娠率較低或妊娠結(jié)局不良。研究發(fā)現(xiàn)，BCAA在PCOS患者體內(nèi)的水平過(guò)高會(huì)對(duì)患者的排卵和妊娠結(jié)局存在一定程度的影響[18]。

BCAA水平過(guò)高導(dǎo)致的IR會(huì)使PCOS患者更傾向于出現(xiàn)排卵障礙及不良妊娠結(jié)局。由于PCOS患者存在循環(huán)中BCAA代謝異常，體內(nèi)胰島素的水平較高，高胰島素血癥可通過(guò)促進(jìn)卵巢和腎上腺分泌雄激素，且胰島素促使肝臟合成性激素結(jié)合球蛋白減少，導(dǎo)致游離睪酮和雌二醇濃度升高，使雄激素的水平升高。而PCOS患者循環(huán)中雄激素的水平通常較高，高雄激素血癥又會(huì)加重IR，從而使機(jī)體處于惡性循環(huán)狀態(tài)[29]。另外，IR可以通過(guò)干擾下丘腦-垂體-卵巢軸，引起PCOS患者排卵功能障礙。這也提示PCOS代償性高胰島素血癥可促進(jìn)高雄激素血癥和排卵功能障礙。此外，有研究表明卵泡液中BCAA升高導(dǎo)致的IR會(huì)引起PCOS患者妊娠結(jié)局不良。梁寶珠等[30]證明了PCOS導(dǎo)致的復(fù)發(fā)性流產(chǎn)與IR呈正相關(guān)。Zhang等[6]前瞻性研究表明，卵泡BCAA的升高可能通過(guò)誘導(dǎo)卵巢局部IR對(duì)妊娠結(jié)局產(chǎn)生負(fù)面影響。BCAA通過(guò)激活mTORC1調(diào)控細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成[14]。Xu等[31]通過(guò)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)建立糖尿病大鼠模型發(fā)現(xiàn)，妊娠大鼠胎盤中mTORC1的活性降低可使胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)減少。這也進(jìn)一步說(shuō)明高糖使mTORC1的活性降低，導(dǎo)致胎盤中氨基酸表達(dá)減少，胎兒的營(yíng)養(yǎng)支持不足，無(wú)法滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需要，從而引起胎兒生長(zhǎng)受限，造成不良妊娠結(jié)局。因此，PCOS患者血液和卵泡液中的BCAA升高，機(jī)體的胰島素處于高值狀態(tài)，IR程度增強(qiáng)，由此引起排卵障礙和不良妊娠結(jié)局的風(fēng)險(xiǎn)增加。

高水平的BCAA會(huì)導(dǎo)致BMI較高的PCOS患者妊娠失敗的風(fēng)險(xiǎn)增加。在體內(nèi)、體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)高脂狀態(tài)會(huì)刺激卵丘-卵母細(xì)胞復(fù)合物開(kāi)啟一系列氧化應(yīng)激反應(yīng)，這將會(huì)增加顆粒細(xì)胞的凋亡、導(dǎo)致卵母細(xì)胞的成熟異常，影響胚胎發(fā)育潛能，使血脂異常的PCOS患者流產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)增加[32]。Zhang等[6]認(rèn)為卵泡中BCAA主要受BMI影響，而B(niǎo)CAA水平升高可能會(huì)增加BMI較高患者流產(chǎn)和妊娠失敗的概率。Bartolacci等[33]回顧性分析發(fā)現(xiàn)，與BMI正常的女性相比，超重或肥胖的女性產(chǎn)生的卵母細(xì)胞更少更小，這些卵母細(xì)胞產(chǎn)生胚泡的速率更低，胚胎細(xì)胞數(shù)量更少，并且葡萄糖和氨基酸代謝受到干擾，這些都表明母親的肥胖和超重與胚胎發(fā)育遲緩有關(guān)。因此大多數(shù)PCOS患者BMI較高，BCAA水平較高，血脂代謝異常，這類患者的胚胎種植率低于血脂正常的PCOS患者。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，PCOS患者循環(huán)中過(guò)量的BCAA與代謝和生殖密切相關(guān)。較高水平的BCAA使mTOR信號(hào)通路過(guò)度激活，患者對(duì)胰島素的敏感性降低，胰島素分泌增加，引起糖代謝紊亂；BCAA分解代謝受損，干擾脂肪酸代謝，影響脂肪的生成與分化。同時(shí)，育齡期PCOS患者血液和卵泡液中BCAA含量較高，可導(dǎo)致卵巢局部IR或產(chǎn)生質(zhì)量欠佳的卵母細(xì)胞，也可導(dǎo)致BMI過(guò)高而影響卵細(xì)胞和胚胎質(zhì)量，降低胚胎種植率。有研究發(fā)現(xiàn)PCOS患者中特定氨基酸的升高可能是PCOS發(fā)生的原因或結(jié)果[34]。所以進(jìn)一步研究PCOS患者的氨基酸代謝，可能為確定PCOS在代謝與生殖方面的潛在病理生理機(jī)制和開(kāi)發(fā)新的治療方法提供依據(jù)。因此，以BCAA作為靶點(diǎn)對(duì)PCOS患者進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)與干預(yù)，可以提早預(yù)防IR或2型糖尿病的發(fā)生、調(diào)節(jié)BMI水平，以及改善因BCAA糖脂代謝紊亂引起的排卵障礙和不良妊娠結(jié)局，對(duì)減輕PCOS患者的遠(yuǎn)期并發(fā)癥、緩解心理負(fù)擔(dān)和提高生活質(zhì)量起著重要作用。