Nature Metabolism | 支链氨基酸间接通过氨基酸平衡和食欲控制影响健康和寿命

大多数氨基酸除了合成蛋白质功能外还对代谢健康发挥重要作用。支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）可影响胰岛素、胰岛素样生长因子1 (IGF1)及与健康、寿命相关的哺乳动物类雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路。另外，它们的循环水平与啮齿动物肥胖、胰岛素抵抗、代谢功能障碍正相关，与人类肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病正相关。本研究中，Stephen J. Simpson团队试图确定高BCAAs饮食如何影响小鼠健康和寿命，其研究结果表明复杂的营养互作可影响食欲信号、代谢健康和小鼠寿命，相关成果发表在《Nature Metabolism》期刊上。

氨基酸摄入水平不平衡导致过度摄食及寿命缩短

采用四种等热量饮食（饮食结构：18%总蛋白，64%碳水化合物，18%脂肪，总能量14.3 kJ/g）喂养312只雄性和雌性C57BL/6J小鼠，其中蛋白质质量和氨基酸水平不同，BCAA200（200%）、BCAA100（ BCAA标准含量）、BCAA50 （50%）、BCAA20（20%）。BCAAs与其他氨基酸比例不同，但总蛋白占比始终为18%。BCAA200组出现食欲过盛，比其他组过多消耗大约20%的能量（图1a）。当计算非BCAA摄入量（non-BCAA）时，除了BCAA200，其他组non-BCAA摄入水平基本保持一致，说明一种或多种non-BCAA达到目标摄入量，而BCAA和总能量被动摄入（图1b）。由此假设一种或多种non-BCAA摄入量为目标摄入量，但由于饮食不平衡而无法满足这一目标，那么小鼠就会过度消耗食物（相应的过多消耗总能量和BCAAs）以达到这个摄入目标。 由于这种代偿性摄入，小鼠体重和脂肪量出现明显增加，瘦肉没有变化（图1c-g）。BCAAs循环水平与BCAA摄入具有显著相关性，稳定维持在约40µg/ml（图1h）。尽管摄食过量且饮食中BCAA含量增加一倍，BCAA200组小鼠血浆BCAAs水平却和BCAA100组没有差异，这表明BCAAs血液水平在饮食摄入后受到调节。小鼠肥胖状态与循环BCAA水平密切相关（图1i），同时，BCAA200组小鼠瘦素水平升高（图1j）。

鉴于研究报道BCAAs可激活mTOR信号通路，对肝脏中mTOR、核糖体蛋白S6激酶I（S6K）和蛋白激酶B PKB/Akt进行定量检测，发现不同组之间几乎没有差异（图1k-m），这可能归因于饮食中的常量营养背景（即高碳水化合物低脂饮食）。尽管肝脏mTOR活化没有增加，但与其他饮食组相比，BCAA200组小鼠寿命中位值降低约10％，这可能是由于食欲过盛和肥胖造成的。

色氨酸(Trp)和苏氨酸(Thr)平衡BCAA200饮食可抑制食欲过盛

为确定是否存在介导以上现象的特异性non-BCAA，对每种必需氨基酸（EAA）的摄入量进行计算。non-BCAA中氨基酸之间的比例在实验组之间不同，给解开non-BCAA效应提供了机会。 三种必需氨基酸色氨酸（Trp）、苏氨酸（Thr）和蛋氨酸（Met）摄入量在各组中保持一致（图2a），表明这些氨基酸被优先考虑并受到调节，从而影响食物摄入和摄食行为。

假设三种EAA中一种或多种氨基酸为摄入目标从而试图通过摄入过多能量及BCAAs来达到目标水平。通过给BCAA200组补充Met，Thr或Trp（通过提高到标准食物浓度的150％，从而使这些单独氨基酸和BCAA之间的比率正常化）进行为期6周的干预。Trp或Thr，但不是Met，可抑制BCAA200组食物摄入量，接近BCAA100组水平（图2b）。当与外显子组匹配时，Trp和Thr是BCAA200组的限制性氨基酸。这些结果表明食物摄入可以通过BCAAs、Trp和Thr之间的相互作用来调节，添加EAA通过使它们比率正常化从而在很大程度上可逆转由不平衡的高BCAA饮食引起的食欲过盛。

食欲过盛与Trp介导的血清素消耗有关

采用LC-QQQ-MS进行血浆靶向代谢组学检测，结果显示谷胱甘肽代谢和氨酰基转移RNA合成途径与高BCAA摄入呈正相关，而三羧酸循环和Trp代谢途径呈负相关（图3a,b）。Trp代谢下调在摄食行为中特别重要，因为Trp产生控制食欲的单胺神经递质的唯一前体--5-羟色胺（5-HT，血清素）。高BCAA组小鼠血浆中Trp、5-HT及其主要代谢物5-羟基吲哚乙酸的降低说明外周Trp受到限制（图3c）。

实际上，BCAAs和Trp的相反关系（通过L-型氨基酸转运体1（LAT1）竞争逆转外周和中枢转运）也体现在血浆和皮质Trp：BCAA比例上，其中BCAA200组Trp：BCAA比值最低（图3d）。血浆和皮质中Trp：BCAA比值降低是否可反映中枢Trp介导的5-HT消耗？采用BCAA200或BCAA100（对照）喂养6周，从背中缝核进行膜片钳记录，采用局部电刺激诱导突触释放5-HT。背中缝核的刺激引起BCAA100对照组出现抑制性突触后电流（IPSC）可被5-羟色胺受体1A（5HT1A）受体拮抗剂NAN-190阻断。BCAA200组对刺激诱发IPSC表现出明显迟钝，与5-HT消耗的假设一致。与BCAA100组相比，BCAA200组平均诱发IPSC幅度显著降低，其响应可通过添加Trp恢复（图3f）。这表明增加饮食BCAA（相对于Trp）足以降低中枢Trp摄取和5-HT合成所需要的Trp。

增加大脑5-HT的可用性是否会减少BCAA200组饮食摄入量？BCAA200组小鼠喂养6周，用盐水或氟西汀（一种广泛使用的抗抑郁药和选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI））灌胃4天。与治疗第1天的盐水对照组相比，氟西汀治疗组显示出食物摄入量快速且显著减少（图3g），在接下来的3天里，这种模式持续存在。

高BCAA饮食促进肝脏炎症及脂质合成，并影响全身代谢

BCAA200组食欲过盛小鼠肝脏出现脂肪肝（图5a），肝脏甘油三酯含量、脂肪指数和血清α-酮基-δ-（NGNG-双甲基胍基）戊酸水平（DMGV，一种非酒精性脂肪肝标志代谢物）、ALT、AST水平在显著升高（图b-f）。肝脏从头合成脂质指标（ACLY、SCD1、FAS、ACC）出现降低（图5g-h）。不同组间能量消耗、线粒体棕色脂肪解偶联蛋白1（UCP1）表达没有差异（图6a,c）。用棕色脂肪组织（BAT）质量对UCP1校正后，BCAA200组显示UCP1表达降低（图6d）。BCAA20组呼吸商增加，肝脏Pepck mRNA表达（糖异生的标志物）升高说明BCAA20小鼠对碳水化合物优先氧化（图6b，e）。BCAA20组胰高血糖素水平升高，空腹胰岛素水平降低和胰腺指数降低（图6f-h）。不同组间基础血糖水平或葡萄糖耐量并没有差异，但血浆BCAAs与空腹血糖和胰岛素产物（胰岛素敏感指数）之间存在显著正相关（图6i-l）。此外，血浆甘油三酯和血浆IGF1水平在各组之间没有差异（图6m，n）。当雄性和雌性小鼠合并时，成纤维细胞生长因子21（FGF21）水平在不同饮食组中没有显着差异，但性别存在差异，即饮食显著影响雄性血浆FGF21水平（FGF21在BCAA200上升高），而不影响雌性。

高BCAAs饮食对健康的影响是食欲过盛的结果

以上研究结果表明，长期高BCAAs饮食带来的健康负影响和寿命成本是过多饮食和肥胖的结果，而不是高BCAAs内在毒性引起的。BCAA200组肥胖小鼠循环BCAAs和代谢物水平升高，其与心脏不良结果相关。但BCAA100组中具有相似BCAAs循环水平的小鼠没有表现出摄食过多、代谢功能障碍或寿命缩短，这表明单独的循环BCAA水平不能预测代谢健康和寿命。因此，高BCAA摄入量对健康和寿命的负面影响有多少是来自BCAAs本身的影响，又有多少是摄食过多引发的影响？通过20％热量限制或配对喂养来抑制过多摄食以观察是否能预防在随意摄食并补充BCAA的小鼠上发现的代谢损伤及寿命代价。相对于BCAA200和BCAA100自由饮食组，热量限制组小鼠寿命中位值增加约30％（图7a，BCAA200为134.8周 vs 92.8周，BCAA100为143.7周 vs 102.3周）。20％卡路里限制还会引起体重减少和体脂百分比降低，肝脏甘油三酯、空腹胰岛素、血浆IGF1和血浆BCAAs水平均降低（图7b-g）。同时代谢情况也出现了改善。配对喂养组也出现一些相似情况。这些数据表明伴随高BCAA饮食出现的代谢和寿命后果不是由于BCAAs本身引起的，而主要是由于食欲过盛造成的结果。

小结

已有临床研究报道BCAAs循环水平升高可能是肥胖、肝脏炎症、胰岛素抵抗、2型糖尿病相关生物标志物，但问题是，BCAAs循环水平升高与不良健康结果之间的关系究竟能否反映出BCAA内在毒性、饮食摄入量或代谢功能障碍。本研究发现高BCAAs饮食会造成过度摄食、肥胖，缩短寿命，这种结果不是由于BCAAs本身引起，与肝脏mTOR信号途径无关，而主要是由于食欲过盛所致。通过添加色氨酸(Trp)或苏氨酸(Thr)平衡饮食中氨基酸比例，可以抑制食物过多摄入。此外，限制热量摄入，也改善代谢状态及寿命。另外，在代谢健康和不健康的小鼠中均会出现BCAAs循环水平升高，说明BCAAs循环水平升高不能单独预测代谢功能紊乱。

本研究也存在一定的局限性：

1）没有对摄入的BCAA转化与代谢进行直接检测，因此，过多摄食的BCAAs如何代谢以及它们是否直接导致肥胖仍不清楚。

2）本研究所用饮食是由酪蛋白和单个氨基酸组合而成，虽然可以精确地控制蛋白质的质量但会影响胃排空能力，未来的氨基酸平衡研究可以考虑使用整体蛋白质以确保正常的生理反应。

3）氨基酸比例的改变可能会影响食物的适口性、摄入量及体重增加量。不过，适口性也不固定，短期评估也可能无助于解释长期摄入的模式。

4）背中缝核下丘脑基因表达和5-HT突触反应的变化可能是由于平衡饮食BCAAs或收集组织前小鼠过度摄食所致。

5）为了解是否存在BCAA特异性效应，未来研究应该在提供相同的饮食的同时控制能量摄入，随后基因表达或突触反应变化可以直接归因于饮食中的氨基酸平衡。

参考文献

Stephen J. Simpson, et al. Branched-chain amino acids impact health and lifespan indirectly via amino acid balance and appetite control. Nature Metabolism. 2019, 1, 532–545.

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