Cell | 当酮体遇上氨基酸：揭秘生酮饮食里的体重调控密码

生酮饮食——这种靠高脂肪、极低碳水来逼身体 “燃烧脂肪” 的饮食法，近年来在减肥圈和健康领域赚足了眼球。当碳水摄入不足时，肝脏会生产一种叫 β-羟基丁酸（BHB）的酮体，它不仅是大脑和肌肉的 “备用燃料”，甚至能穿过血脑屏障影响食欲。它既是代谢燃料，也是信号分子，能激活受体或抑制酶，改变细胞和代谢过程。已有研究发现，CNDP2酶（胞质非特异性二肽酶）能催化乳酸和氨基酸的缩合，形成新的代谢物n-乳基氨基酸，这些代谢物可抑制食物摄入和体重。考虑到BHB和乳酸盐的结构很相似，研究者推测BHB也可能与氨基酸结合，从而形成新的代谢物n-β-羟基丁基氨基酸（BHB-氨基酸）。

研究者首先通过体外实验探究CNDP2酶是否能促进BHB与氨基酸的酰基化反应。将BHB和Phe与转染了FLAG-tagged CNDP2或GFP的HEK293T细胞裂解液分别混合，并通过WB验证CNDP2的过表达。结果显示，CNDP2-转染细胞裂解液的BHB-酰化活性显著高于GFP-转染细胞，证实在体外CNDP2能催化BHB和Phe合成BHB-Phe。

图1. CNDP2体外催化氨基酸的BHB酰化

证实体外CNPD2能催化氨基酸的BHB酰化后，研究者进一步探索小鼠组织中内源性CNDP2是否催化氨基酸的BHB酰化。

研究首先使用抗CNDP2抗体通过WB检测了CNDP2在不同组织中的表达，并用CNDP2基因敲除（KO）小鼠组织验证了抗体的特异性，结果显示CNDP2蛋白在肾脏和肠道中表达最高，其他组织中较低。随后，研究人员使用野生型（WT）和CNDP2基因敲除小鼠进行体外BHB-Phe合成活性研究，发现WT小鼠肾脏和肠道的BHB-Phe合成活性最高，而KO小鼠组织中，肾脏和肠道的BHB-Phe合成活性大幅降低，其他组织也显著降低。使用亮氨酸或缬氨酸作为底物时，也显现出相似的结果。实验得出内源性CNDP2是小鼠组织中BHB氨基酸合成活性的主要酶。

为了验证这一点，并确定BHB氨基酸是否为内源性代谢物，研究人员利用靶向代谢组学技术通过合成BHB-Phe标准品获悉该代谢物的质谱信息，研究在小鼠血浆中检测到了与BHB-Phe标准品相同保留时间的内源性峰。排除其他物质的可能性后，确定BHB-Phe是小鼠内源性代谢物，其他氨基酸也类似。进一步的实验显示，在碳水化合物不足时，小鼠血浆中的BHB-氨基酸水平显著升高，证实了这些代谢物的内源性特性并且可以通过酮症诱导。

图2. CNPD2是鼠组织中主要的氨基酸合成酶

图3. 小鼠血浆中BHB氨基酸的检测及其酮症诱导性

为了测试CNDP2对BHB-氨基酸生物合成的生理贡献，研究测量了CNDP2基因敲除小鼠（CNDP2-KO）在酮酯饮料挑战或1周生酮饮食后血浆中BHB-氨基酸的含量，结果发现，两组CNPD2-KO小鼠血浆中多种BHB-氨基酸的含量都明显降低。HMGCL是肝脏生酮过程中的关键上游酶，研究进一步检查了肝脏特异性缺失HMGCL的影响，结果也发现多种BHB-氨基酸的含量明显降低。最终确定两种上游酶HMGCL和CNDP2对BHB-氨基酸水平有重要的调控作用。

图4. CNDP2和HMGCL对BHB氨基酸的遗传调控

考虑到BHB-Phe与Lac-Phe化学结构相似，可能其在功能上也能够调节食物摄入和体重，小鼠腹腔注射实验显示，BHB-Phe能减少饮食诱导肥胖小鼠的食物摄入量，表明其对食物摄入有特异性抑制作用，长期给药BHB-Phe能持续抑制食物摄入和体重增加。使用CNDP2-KO小鼠的实验也进一步证实了BHB-Phe具有抑制食欲和抗肥胖的潜力。

图5. BHB-Phe抑制食物摄入和体重

为了探究BHB-Phe抑制摄食行为的神经生物学机制，研究人员采用了药理学和遗传学方法来确定BHB-Phe的作用途径。研究人员使用活性依赖遗传标记策略（TRAP）来识别BHB-Phe激活的神经元，结果显示，BHB-Phe和Lac-Phe都激活了多个大脑区域的神经元群，包括下丘脑室旁核（PVH）、视交叉上核（SCN）等多个与摄食行为相关的脑区，但同时被BHB-Phe和Lac-Phe激活的神经元比例较低，表明BHB-Phe和Lac-Phe激活的神经元群在很大程度上是不同的。这些发现表明，BHB-Phe通过激活多个下丘脑和脑干区域的神经元来抑制摄食行为，但其作用机制与Lac-Phe不完全相同，涉及摄食行为的神经网络有一定的重叠，但也有其独特性。

图6. 脑内BHB-Phe和Lac-Phe激活神经元的TRAP/c-Fos图谱

研究最后探索了CNDP2依赖的BHB酰化途径在人类中的保守性。研究发现，重组人类CNDP2蛋白在体外表现出与小鼠CNDP2相似的BHB酰化活性，能够催化BHB与苯丙氨酸结合。此外，研究还发现U937、Caco-2和PANC-1三种人类细胞系中均表达CNDP2。通过CRISPR-Cas9技术敲除CNDP2后，这些细胞的BHB-氨基酸合成活性几乎完全丧失，表明CNDP2是人类细胞中BHB酰化的主要酶。

进一步研究发现，BHB-氨基酸是人类的内源性代谢物。在一项外源性酮体补充试验中，参与者在禁食一夜后摄入酮体单酯饮料，结果显示，血浆中BHB-Phe、BHB-Leu、BHB-Val和BHB-Met水平在基线时即可检测到，并在摄入酮体酯后显著升高。这些结果表明，CNDP2介导的氨基酸BHB酰化途径及其代谢产物在人类中是保守的，提示这一途径可能在人类能量代谢和食欲调节中发挥重要作用。

图7. 人血浆中CNDP2活性和BHB氨基酸

β-羟基丁酸（BHB）是一种酮体，在碳水供应不足时，水平会升高，关于BHB的代谢途径都涉及和初级能量中间体的转换。酶CNDP2能催化BHB与氨基酸的缩合反应，生成一种新型的代谢物N-β-羟基丁酰氨基酸（BHB-氨基酸），其中的BHB-Phe（苯丙氨酸）具有抗肥胖作用，能够抑制食欲和体重。这一代谢途径在人类中也是保守的，对于理解BHB在能量平衡和肥胖中的作用具有重要意义。

参考文献

A β-hydroxybutyrate shunt pathway generates anti-obesity ketone metabolites. Cell. 2024

请扫描二维码阅读原文