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氨基酸代谢在非酒精性脂肪性肝病中的作用机制

2024-04-24 62 上传者：管理员

摘要：非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是全球最普遍的慢性肝病之一，影响全球约1/4的人口，预计到2030年将成为肝移植的主要适应证。NAFLD可导致包括支链氨基酸在内的多种氨基酸水平显著异常，进而促进NAFLD的发生发展。提示除葡萄糖代谢和脂质代谢外，氨基酸代谢也在NAFLD疾病进展中发挥了重要作用。为系统了解氨基酸代谢在NAFLD中的作用及其机制，本文针对氨基酸代谢在NAFLD中的研究进展进行了综述。拟探讨氨基酸代谢在NAFLD疾病进展中发挥的作用及其相关机制，为临床防治提供思路和理论依据。

关键词：
NAFLD
代谢组学
慢性肝病
氨基酸类
非酒精性脂肪性肝病
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随着过去20年生活方式的急剧变化，非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）成为中国最常见的肝病，患病率为29.6%[1]。迄今为止，仅能通过严格控制热量摄入和增加体力活动等生活方式干预来缓解NAFLD进程，缺乏有效治疗方案。因此，探索新的治疗方案改善NAFLD患者临床现状迫在眉睫[2]。作为机体三大营养物质之一的蛋白质的分解产物，氨基酸及其产物可以通过参与三羧酸循环和脂肪酸β氧化，进而参与机体脂质代谢[3]。多项基于NAFLD患者的临床研究显示，NAFLD患者血清多种氨基酸水平发生明显变化。更重要的是，体内试验表明摄入支链氨基酸等，可明显改善高脂饮食诱导的小鼠肝脏脂肪变性，进而缓解NAFLD进展[4,5]。上述研究均提示，氨基酸可能与NAFLD的疾病进展密切相关。因此，深入解析NAFLD疾病进展中氨基酸代谢变化将有助于阐明NAFLD的发病机制，为新的治疗方案提供理论依据。

1、氨基酸水平在NAFLD中的变化

肝脏是蛋白质和氨基酸生物合成和分解代谢的关键场所，因此，NAFLD患者的循环氨基酸水平存在变化也不足为奇。近年来研究发现，NAFLD患者血浆氨基酸水平确实明显发生变化（表1），其中来自5个不同团队的研究者[6,7,8,9,10]均证实丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、缬氨酸等氨基酸在NAFLD患者中升高，而甘氨酸、丝氨酸水平降低。此外，陆续有研究[6,8,9]发现苯丙氨酸、脯氨酸、色氨酸等氨基酸水平升高，而瓜氨酸、天冬酰胺水平降低。Pietzner等[8]对769例非糖尿病受试者的肝脏脂肪含量和血浆氨基酸水平进行了相关性研究，发现肝脏脂肪含量与血浆支链氨基酸、芳香族氨基酸、丙氨酸、谷氨酸和脯氨酸等氨基酸水平呈正相关，而与甘氨酸和丝氨酸等呈负相关。这些发现极大的促进了研究人员后续对不同氨基酸调控NAFLD疾病进展的研究。

2、氨基酸在NAFLD疾病进展中的作用

氨基酸不仅是蛋白质的基本储存单位，在NAFLD的疾病进展中也发挥着重要作用。首先，氨基酸可以参与合成神经递质和儿茶酚胺等小分子物质[8]，二者调节肝星状细胞的纤维化功能促进NAFLD的进展[14]。其次，氨基酸分解产生碳骨架可以进入代谢途径生成ATP、葡萄糖和脂肪酸等参与NAFLD的发生发展[10]。不同的氨基酸类型对NAFLD疾病进展调控作用不尽相同。

2.1 必需氨基酸

必需氨基酸是无法在机体合成或合成速度远不能适应机体需要，必须从食物蛋白质中获取的一类氨基酸，这类氨基酸往往在疾病的进展中发挥着更大的作用，包括支链氨基酸、芳香族氨基酸中的色氨酸和苯丙氨酸以及含硫氨基酸中的甲硫氨酸等。

2.1.1 支链氨基酸

支链氨基酸是具有非线性脂肪族侧链的氨基酸，包括亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸[15]。除了参与蛋白质合成外，支链氨基酸还发挥着重要的调控功能。其通过AMPK-m TOR-Fox O1途径抑制肝脏中的脂肪酸合成并增强了脂肪酸β-氧化[16]，还可以通过PI3K-AKT途径调节葡萄糖和脂质代谢[17]。因此，支链氨基酸代谢可能在NAFLD中起重要作用[18]。

研究[19,20,21,22]表明，与健康人相比，超重和肥胖的胰岛素抵抗患者以及2型糖尿病患者的血浆支链氨基酸水平升高。Cheng等[23]也报告了NAFLD患者血清支链氨基酸的增加。Lake等[24]证明，在脂肪变性进展至非酒精性脂肪性肝炎（NASH）期间，血清亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸水平显著升高，可能与NAFLD早期肝脏脂肪积累有关。然而，最近一项临床横断面研究[11]表明，女性的血浆中支链氨基酸水平随着NAFLD的严重程度而增加，但男性的支链氨基酸水平往往会降低。提示NAFLD中支链氨基酸水平的变化需要更多的临床证据。从治疗层面上讲，一项研究[25]表明使用支链氨基酸治疗可以有效改善NAFLD，给NASH小鼠喂食支链氨基酸可以通过抑制脂肪酸合成酶基因表达和蛋白水平从而减轻胆碱缺乏高脂肪饮食诱导的肝脂肪变性和肝损伤。进一步提示支链氨基酸水平与NAFLD的疾病进展息息相关，具体支链氨基酸在NAFLD疾病中发挥的作用需要从机制角度深入解析。

机制研究发现，支链氨基酸在NAFLD疾病进展中发挥着多种作用。支链氨基酸可以作为调节葡萄糖、脂质代谢的信号分子[26]，它通过诱导胰岛素信号来调节葡萄糖代谢[27,28]，并且诱导包括黄曲霉在内的肠道菌群的增殖，促使肠道菌群合成大量的乙酸，进一步通过下调肝脏脂肪酸合成酶和乙酰辅酶A羧化酶的表达来改善NAFLD[29]。据文献报道，降低循环BCAA水平，也能有效减少肝脏脂肪变性，White等[30]报道了支链酮酸脱氢酶作为支链氨基酸分解代谢的关键酶，通过调控其激酶或磷酸酶水平可以调节脂肪生成关键酶ATP柠檬酸裂解酶的活性，减少肝脏脂肪变性。然而，单独补充某种支链氨基酸可以加剧NAFLD的疾病进展。单独摄取亮氨酸可激活哺乳动物雷帕霉素靶点，介导细胞增殖和蛋白质合成，并增加胰岛素敏感性，有效缓解2型糖尿病，但是会加剧NAFLD，使其难以用于NAFLD治疗[31]。综上所述，支链氨基酸在NAFLD疾病进展中发挥着重要作用，支链氨基酸可以为NAFLD疾病治疗提供新的方案。

表1 NAFLD患者血浆氨基酸变化的代谢组学

2.1.2 色氨酸和苯丙氨酸

色氨酸和苯丙氨酸是具有芳香环的α-氨基酸，属于芳香族氨基酸。其中，色氨酸在NAFLD进展的研究报道较为明确。2014年，Celinski等[32]证明，色氨酸显著降低了NAFLD患者的促炎细胞因子水平，如IL-1、IL-6和TNF-α，并改善了脂质代谢的相关指标如：γ-谷氨酰转移酶、甘油三酯和低密度脂蛋白等。口服色氨酸也可以缓解小鼠的NAFLD进展程度，如降低肝质量与体质量的比率和总肝脂肪的含量，其潜在机制尚不清楚，但可能涉及稳定小肠的肠屏障和改善失调的肠血清素系统[33]。除此之外，色氨酸在肠道的代谢产物，吲哚-3-乙酸和吲哚-3-丙酸也发挥着重要作用，吲哚-3-乙酸可以通过改善胰岛素抵抗、脂质代谢以及氧化和炎症应激减轻高脂饮食诱导的小鼠肝毒性[34]；吲哚-3-丙酸可以抑制NF-κB信号通路，并降低促炎细胞因子水平，如TNFα、IL-1β和IL-6，抑制肝脏炎症和肝损伤，缓解NAFLD病程[35]。2016年有研究[36]发现，NAFLD患者的血清苯丙氨酸浓度比对照组高两倍。但并未阐明其升高原因，其临床价值也有待进一步研究。

2.1.3 甲硫氨酸

甲硫氨酸是一种重要的含硫氨基酸，主要在肝脏中代谢[37]，它是S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine,SAM）的直接前体，SAM是磷脂酰胆碱合成的关键甲基供体，是肝脏输出极低密度脂蛋白和甘油三酯的必需物质[38,39]。

膳食甲硫氨酸缺乏和甲硫氨酸摄入过多均可导致与NAFLD发展相关的肝脏分子异常，包括脂质含量的失调以及诱导内质网应激。这些病理生理事件可能最终导致肝脏中脂质积聚，促进NAFLD病程的发展[40]。高水平的甲硫氨酸和SAM可能引起溶酶体功能的缺陷导致脂质无法通过自噬途径分解，正常水平的甲硫氨酸和SAM使脂质的自噬分解正常化，从而改善肝脏脂肪变性[41]。缺乏甲硫氨酸的饮食会使大鼠肝脏和血浆中主要不饱和磷脂酰胆碱组分明显升高[42]。通过基因敲除蛋氨酸腺苷转移酶1A，进而破坏肝脏甲硫氨酸代谢会诱导酸性鞘磷脂酶表达增加促进脂肪性肝炎[43]。因此，甲硫氨酸和胆碱缺乏饮食广泛用于NAFLD小鼠模型构建。胆碱缺乏饮食可快速诱导小鼠肝脏脂肪变性、炎症和纤维化[44,45]。虽然该模型的确切病理生理学机制尚未完全了解，但甲硫氨酸是重要的甲基供体，可以参与甲基化修饰，最新研究提示，以m6A为代表的RNA甲基化修饰，可通过调节胆固醇调节元件结合蛋白（Sterolregulatory element binding proteins,SREBP）、脂肪酸合成酶等脂质合成关键基因的mRNA稳定性，影响肝脏甘油三酯合成和沉积[46]，提示甲硫氨酸可能参与RNA甲基化途径进一步调控NAFLD中脂质的积累。此外，胆碱缺乏饮食喂养的小鼠NAFLD的快速发病似乎部分归因于极低密度脂蛋白颗粒在肝细胞排泄异常以及氧化应激的增加[47,48]。综上可以证实，甲硫氨酸在NAFLD疾病进展中发挥着重要作用，并且参与NAFLD小鼠模型的构建。

2.2 半必需氨基酸在NAFLD疾病进展中的作用

半必需氨基酸又称为条件必需氨基酸。主要指酪氨酸和半胱氨酸，它们在体内分别由苯丙氨酸和甲硫氨酸转变而成，如果膳食中能够直接提供这两种氨基酸，则人体对甲硫氨酸和苯丙氨酸的需要相对减少。

2.2.1 酪氨酸

酪氨酸是苯丙氨酸在肝脏中被苯丙氨酸羟化酶催化后形成[7]。2016年，Jin等[49]研究了与青少年肝脏脂肪变性相关的代谢途径证明血浆酪氨酸水平与肝脏脂肪变性的严重程度呈正相关。同时，最近的一项研究[50]证实血清酪氨酸水平可以作为NAFLD的生物标志物。机制研究[49]发现，酪氨酸可能通过酮体生成途径直接分解为乙酰辅酶A，增加乙酰辅酶A水平进而促进脂质生成。上述研究提示，苯丙氨酸和酪氨酸的摄入可能加速了肝脏脂质沉积，但其确切机制仍待进一步研究。

2.2.2 半胱氨酸

半胱氨酸在肝脏经甲硫氨酸脱甲基后生成，是体内主要的细胞内抗氧化剂谷胱甘肽的前体。半胱氨酸对NAFLD的影响目前尚不明确，仅有文献报道[51]高水平的半胱氨酸可能与更严重的组织学肝损伤模式相关，这可能与半胱氨酸的抗氧化功能有关。

2.3 非必需氨基酸在NAFLD疾病进展中的作用

非必需氨基酸可以在体内合成，作为营养源不需要从外部补充。代谢组学研究[52]最近发现了可用作NAFLD潜在生物标志物的特定氨基酸模式。其中，Gaggini等[7]提出了一种新的谷氨酸-丝氨酸-甘氨酸（GSG）指数，它结合了参与谷胱甘肽合成和肝脏脂毒性的三种氨基酸。经活检证实的NAFLD患者的GSG指数显著增高，并且与肝脏胰岛素抵抗有关[7]。此外，在NAFLD早期患者血清中发现，循环不对称二甲基精氨酸显著增加，上述研究均提示非必需氨基酸的水平可以作为NAFLD的诊断指标。

除了可以作为诊断的标志物，非必需氨基酸还具有很大的治疗潜力。精氨酸可以抑制细胞色素P450 2E1活性、降低TNF-α水平、恢复内皮型一氧化氮合酶、抗氧化酶和谷胱甘肽的活性从而阻断氧化应激，抑制NASH发展[53]。基于精氨酸强大的治疗作用，Voloshin等[54]人工合成鹅去氧胆酸精氨酸乙酯化合物，该化合物可以在NAFLD小鼠模型中降低胆固醇和血糖水平，进而减少肝脏脂肪变性，有望未来用于NAFLD治疗。

3、氨基酸调控NAFLD疾病进展的机制

3.1 氨基酸饥饿反应

氨基酸不足时可以激活细胞内一般性调控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible2,GCN2）、真核起始因子2(eukaryotic initiation factor 2,e IF2）等关键分子介导一系列细胞适应性反应，进而调控蛋白质合成速率[55]。研究[56]表明，氨基酸含量丰富时，氨基酸在相应t RNA介导下参与蛋白质合成；然而，当氨基酸不足时，细胞内空载的t RNA积累并与GCN2结合，使GCN2发生二聚化而被激活，促使e IF2α在51位点的丝氨酸处发生磷酸化而失活，减少翻译起始所需的e IF2，从而抑制蛋白质合成。

早期，人们对氨基酸不足与疾病之间相互关系的研究主要集中在蛋白质的合成与功能，直到2007年发表在Cell Metabolism上一篇研究[57]指出，亮氨酸剥夺可以有效激活GCN2-e IF2α，进而应对氨基酸不足；更重要的是，GCN2-e IF2α激活可以抑制肝脏中的脂肪酸合成并刺激脂肪酸动员；同时，动物实验显示GCN2-/-小鼠给予亮氨酸缺乏饮食时，小鼠肝脏出现了明显的脂肪变性[57]。至此，人们才开始关注氨基酸不足在脂质代谢中的作用。但与之相反的是，Yuan等[58]证明氨基酸激活的GCN2可以通过抑制核因子E2相关因子2的转录活性加剧肝脂肪变性，而非抑制脂肪酸合成。基于该发现，研究者指出特异性GCN2抑制剂可能是NAFLD治疗的潜在药物。尽管目前针对氨基酸饥饿反应在NAFLD中的研究尚无一致的结论，但靶向GCN2可能是未来治疗NAFLD的研究方向之一。

3.2 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白途径

除了激活GCN2途径参与NAFLD进展外，激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是参与NAFLD进展的另一机制。作为一种营养传感器，mTOR分别与不同的上下游蛋白质组成信号通路来促进合成代谢，抑制分解代谢[59]。与氨基酸饥饿反应相反，氨基酸水平升高可激活mTOR途径，进而促进蛋白质合成[60]。

Portsmann等[61]于2008年首次报道了m TOR抑制剂雷帕霉素在脂质调控中的作用，研究发现，m TOR抑制剂雷帕霉素可以降低成熟形式的SREBP在细胞核的积累，进而抑制SREBP靶基因的表达，抑制脂质的生物合成。陆续研究发现m TOR抑制剂雷帕霉素，除了降低肝脂质代谢相关SREBP靶基因的表达外，还可以降低乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶[62]和硬脂酰辅酶A去饱和酶1[63]，有效缓解NAFLD临床症状。

4、小结与展望

尽管NAFLD在全球范围内的发病率不断上升，但其发病机制和治疗方案仍存在许多空白。在NAFLD患者的血浆中多种氨基酸水平的变化为研究提供了新的视角。这种异常的氨基酸水平可以归因于不良的饮食习惯以及肝脏和外周组织内氨基酸代谢过程的失调。氨基酸水平的失调可能通过干扰葡萄糖和脂肪代谢而导致肝内脂肪堆积，也可以通过调控代谢通路加重肝脂质代谢紊乱。所以，氨基酸的摄入量对NAFLD患者临床治疗具有重要意义，需要进一步将研究结果转化为强有力的临床建议。对循环氨基酸的作用进行详细的机制研究也有助于解析氨基酸水平失衡与NAFLD之间的复杂相互作用，有助于确定NAFLD新的药理学靶点和治疗方案。

基金资助:国家自然科学基金面上项目(82273423);国家自然科学基金青年基金(82202501)~~;

文章来源:张慧,谭明,程胜桃,等.氨基酸代谢在非酒精性脂肪性肝病中的作用机制[J].临床肝胆病杂志,2024,40(04):810-815.