Nat Metab | 徐剑团队报道代谢区室（Metabolon）可调节支链氨基酸的氧化和稳态

2022-12-03 15:04:21, Qi

撰文 | Qi

支链氨基酸（BCAAs）亮氨酸 (Leu)、异亮氨酸 (Ile) 和缬氨酸 (Val) 是正常生长发育所需的必需氨基酸，BCAAs代谢失调通过各种细胞机制与包含枫糖浆尿病、心血管疾病等在内的多种疾病相关。支链氨基转移酶BCAT1和BCAT2分别在不同亚细胞区室和组织中启动BCAA分解代谢。然而，它们是否以及如何与下游酶合作以控制完整生物体中的BCAA稳态在很大程度上仍然未知。

2022年11月28日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的徐剑团队在Nature Metabolism杂志上发表了一篇题为 Metabolon formation regulates branched-chain amino acid oxidation and homeostasis的文章，他们分析了BCAT1和BCAT2缺陷小鼠模型的代谢组学变化，发现BCAT2缺失所导致BCAA和支链α-酮酸(BCKA)积累以及发病率和死亡率增高的情况可以通过限制饮食中的BCAA来改善。通过邻近标记技术、同位素示踪和酶促测定，为涉及BCAT2和支链α-酮酸脱氢酶的线粒体BCAA代谢物的形成提供了证据。总之，这项工作为进一步研究BCAT同工酶及其与BCAA代谢的相互作用提供了基本原理，以开发更有效和普遍适用的策略来针对遗传和代谢疾病中的BCAA代谢失调。

研究人员通过分析来自人和小鼠不同发育时间点的7个不同器官中与BCAA代谢相关基因的表达情况后，发现BCAT1/2的明显差异，比如BCAT2和其他BCAA代谢基因的表达与发育时间之间存在强烈的正相关，而BCAT1 却相反；BCAT1 mRNA仅在少数组织中检测到，而BCAT2在几乎所有小鼠和人体组织中普遍表达。为了进一步了解BCAT1/2在代谢中的作用，作者利用CRISPR生成了Bcat1 和 Bcat2 组成型敲除小鼠模型，相较于WT、Bcat1^+/-、 Bcat2^+/-和Bcat1^-/-小鼠，Bcat2^-/-小鼠从6周龄开始出现体重显着降低，8至12周龄出现急性死亡，尸检显示脂肪细胞体积变小，后肢骨骼肌重量降低，心脏和肾脏增大、肝功能受损等改变。为了深入了解差异表型，作者收集了6至8周大的雄性和雌性WT、Bcat1^−/−和Bcat2^−/−小鼠的11个器官进行靶向代谢物分析。相对于对照组而言，作者分别在Bcat1^−/−和Bcat2^−/−组织中检测到58和107种显着改变的代谢物，尤其是Bcat2^−/−表现出明显的BCAA和BCKA积累，如果限制BCAAs饮食可缓解积累，这类似于人类MSUD表型，可能是急性发病和死亡的原因。

Bcat2^−/−小鼠中 BCKA 的全身性升高引出一个基本问题，即 BCAT2 的缺失如何影响下游 BCKA 氧化？考虑到BCKAs 被 BCKDH 不可逆地氧化，作者推断 BCKA 的积累可能是由 BCKDH 催化的氧化脱羧作用受损引起的。为了验证这一点，作者通过邻近标记以及免疫共沉淀等实验证明了BCAT2–BCKDH相互作用能形成多酶超分子复合物。那么活细胞中BCAA的有效氧化是否依赖于多酶复合物的形成呢？为此，作者利用¹³C标记的α-酮异戊酸 ([U-13C]-KIV) 进行同位素示踪量化BCAA体内代谢产物。结果显示，BCKDH催化的BCKA氧化过程在BCAT2缺失的情况下受损，提示BCAT2-BCKDH多酶复合物的完整性是BCKA有效氧化所必需的，以维持活生物体中的BCAA代谢稳态。

鉴于BCKA升高带来的有害影响，作者推断BCAA代谢的主要功能之一是防止BCKA积累，因此降低BCKAs可能会改善由BCKDH突变引起的BCAA代谢缺陷，于是作者构建了BCAT1组成型过表达小鼠（Bcat1^OE）。虽然单独的BCAT1过表达对体重和存活没有显着影响，但与BCAT2 KO（Bcat1^OE；Bcat2^-/-）一起则能挽救BCAT2缺陷诱导的表型和早期死亡率。随后，作者想知道Bcat1^OE对全身BCAA代谢的影响，通过代谢组分析发现BCAT1过表达使Bcat1^OE；Bcat2^-/-小鼠主要组织中的BCAA和BCKA积累正常化至WT水平。为了进一步探索观察到的代谢改变的潜在基础，作者检查了mTORC1及其下游靶点的激活，BCAT2 KO导致mTORC1激活增强，而这一结果与Bcat2^−/−组织中部分氨基酸的消耗相关。基于这一结果，作者进而使用SUnSET【1】量化蛋白质合成，并通过3-甲基组氨酸和肌酐的尿液排泄来测量蛋白质降解，发现小鼠BCAT2缺陷导致蛋白质合成和降解增强，而BCAT1过表达则能逆转BCAT2缺陷诱导的代谢表型。

总之，这项工作通过严格的遗传学研究和体内代谢的系统分析提供证据表明，通过调节BCAT1活性以控制体内BCAA稳态，可以缓解由BCAA代谢受损（例如BCAT2缺陷或BCKDH突变）引起的代谢缺陷。这些发现提供了靶向遗传或代谢紊乱中BCAA代谢异常的新见解。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s42255-022-00689-4

制版人：十一

参考文献

1. Schmidt, E. K., Clavarino, G., Ceppi, M. & Pierre, P. SUnSET, a nonradioactive method to monitor protein synthesis. Nat. Methods 6, 275–277 (2009).