亮氨酸調節哺乳動物骨骼肌蛋白質合成的研究進展

毛湘冰 黃志清 陳小玲 余 冰 陳代文

瘦肉率和生長速度一直以來都是豬生產中的重要目標性狀,而其與骨骼肌的含量及骨骼肌內蛋白質沉積的能力有很大關系。哺乳動物骨骼肌蛋白質合成受到諸多因素的調節,這些因素包括采食、體內各種激素水平、運動、營養物質(如蛋白質、氨基酸和葡萄糖等)水平等[1-2]。近年的大量研究表明,亮氨酸可以誘導骨骼肌蛋白質合成,而在這一過程中,亮氨酸可作為一種調節因子來調控肌細胞內信號通路,從而提高哺乳動物骨骼肌蛋白質的合成[1]。因此,本文總結了近年關于亮氨酸調節哺乳動物(主要是鼠和豬)骨骼肌蛋白質合成及其作用機制,為亮氨酸營養的深入研究與亮氨酸在臨床和生產上的科學利用提供參考。

1 亮氨酸的概述

亮氨酸(leucine,又稱白氨酸)是 Proust首先從奶酪中分離出來的,之后 Braconnot在肌肉、羊毛酸水解物中得到其結晶,分析出它的化學結構為 α-氨基異己酸,并將其命名為亮氨酸。作為一種支鏈氨基酸,亮氨酸是機體內的必需氨基酸,哺乳動物自身不能合成,必須由飼糧提供,而亮氨酸也是目前飼糧中數量最大的必需氨基酸[3]。

亮氨酸的從頭合成限于植物和微生物中,在哺乳動物體內不能從頭合成。而哺乳動物體內亮氨酸的分解過程如下:起始步驟是轉氨,即亮氨酸在支鏈氨基酸轉氨酶(branched-chain aminotransferase,BCAT)催化下,生成 α-酮異己酸,其為一種支鏈酮酸(branched-chain ketoacid,BCKA),該反應為可逆反應[4];然后,α-酮異己酸在支鏈氨基酸脫氫酶(branched-chain dehydogense,BCDH)催化下發生不可逆的氧化脫羧反應,生成少 1個碳原子的酮酸與乙酰輔酶 A衍生物;最終,分解生成乙酰乙酸和乙酰輔酶 A進入檸檬酸循環,因此,亮氨酸是一種生酮氨基酸[5]。一般來說,哺乳動物體內絕大多數氨基酸代謝均在肝臟內進行,而亮氨酸的代謝則主要位于骨骼肌當中,這與以上關鍵酶的分布有很大關系[5]。

關于亮氨酸功能的研究發現,亮氨酸在機體中發揮著重要的營養生理作用,概括起來主要包括 3個方面,即氧化供能、調節機體免疫功能和調節機體(尤其是骨骼肌)的蛋白質代謝。

2 亮氨酸對骨骼肌蛋白質合成的刺激作用

關于亮氨酸營養生理作用的研究,近年多集中于其對哺乳動物骨骼肌蛋白質代謝(尤其是合成)的影響。

2.1 亮氨酸對健康動物骨骼肌蛋白質合成的影響

諸多以仔豬和大鼠為模型的試驗均表明,亮氨酸可以刺激骨骼肌蛋白質的合成。美國的Davis團隊和 Kimball團隊在這一方面最先進行了大量的研究,這些研究主要集中在體內急性試驗,他們通過給禁飼的大鼠灌服或新生仔豬靜脈注射一次性給予亮氨酸溶液(亮氨酸給予的劑量分別為1.35和 3.2 g/kg BW),結果發現,與未給予亮氨酸的禁飼大鼠或新生仔豬相比,給予亮氨酸的大鼠或新生仔豬骨骼肌蛋白質合成顯著增加,且發現補充亮氨酸時供給其他必需氨基酸更有利于氨基酸的利用與骨骼肌蛋白質合成[6-12]。而法國的Balage研究小組則進行了一些關于亮氨酸調節骨骼肌蛋白質合成的長期試驗研究,所選用的試驗對象為大鼠。 Dardevet等[13]和 Rieu等[14-15]分別使用添加 4.45%亮氨酸飼糧或通過不同蛋白質來源配制飼糧進行長期飼喂發現,提高的亮氨酸水平刺激了老齡大鼠骨骼肌蛋白質合成,而且在停止飼喂添加亮氨酸飼糧后,這種作用依然得到延續;但是,飼糧中亮氨酸水平的增加對成年大鼠骨骼肌蛋白質的合成沒有顯著影響;另外,在進一步的研究中,Debras等[16]發現,飼糧中亮氨酸的缺乏有降低正常生長大鼠骨骼肌蛋白質合成的趨勢,但差異不顯著。除此之外,Lynch等[17]通過飲水長期供給生長大鼠亮氨酸[(2.2～3.2)g/(kg BW?d)],也提高了其骨骼肌蛋白質合成。Yin等[18]在斷奶仔豬為試驗模型的研究中發現,在蛋白含量為16.9%的低蛋白飼糧中添加 0.27%或 0.55%的亮氨酸,可以顯著提高仔豬骨骼肌內蛋白質合成。對于其他哺乳動物,亮氨酸調節骨骼肌蛋白質合成也存在類似的作用,桑丹等[19]給綿羊飼喂添加了 0.05%～0.15%瘤胃保護性亮氨酸的飼糧,發現亮氨酸的添加可以顯著提高綿羊骨骼肌蛋白質的合成。而在人上的研究也發現,給青年人提供過量的亮氨酸也可以提高其骨骼肌蛋白質合成能力,并促進骨骼肌蛋白質的沉積[20]。

2.2 亮氨酸對疾病引起骨骼肌群流失的緩解作用

根據以上健康狀態動物試驗的研究結果,各國學者認為亮氨酸在緩解骨骼肌群流失上可能具有相應的作用,因此建立了目前引起骨骼肌蛋白質流失的各種疾病模型,如敗血癥、癌癥和糖尿病等,并進行了相應的亮氨酸處理研究。Anthony等[21]利用丙酮二酰注射誘導大鼠產生糖尿病,并對其一次性灌服 1.35 g/kg BW的亮氨酸發現,與灌服生理鹽水的對照組相比,亮氨酸的灌服可以顯著提高糖尿病大鼠的骨骼肌合成。Ventrucci等[22]先給大鼠飼喂添加 3%亮氨酸的飼糧,之后通過植入癌細胞誘導大鼠癌癥的發生,結果表明亮氨酸的添加可以顯著提高癌癥大鼠骨骼肌蛋白質合成能力,減輕癌癥引起的骨骼肌群流失。Vary[23]通過手術給大鼠腹腔植入大腸桿菌和脆弱類桿菌誘導慢性敗血癥,繼而進行一次性灌服1.35 g/kg BW的亮氨酸,發現亮氨酸的添加可抑制敗血癥引起的骨骼肌蛋白質合成減少,從而緩解其帶來的體重下降等負面效應。

2.3 體外試驗中亮氨酸的蛋白質合成刺激作用

在以肌肉細胞為體外模型的研究中,研究者們也發現亮氨酸對于蛋白質合成具有顯著刺激作用。Kimballs等[24]和 Mordier等[25]分別去除了L6和 C2C12肌管培養基中的亮氨酸后,發現肌管的蛋白質合成顯著下降。而 Du等[26]和 Han等[27]分別在饑餓后的 C2C12成纖維細胞和原代肌肉衛星細胞的培養基中添加了 2 mmol/L的亮氨酸進行試驗,結果表明亮氨酸的添加顯著提高了細胞內蛋白質合成水平。

在研究亮氨酸刺激蛋白質合成過程中,很多研究者還發現亮氨酸可在體內和體外刺激某些特定蛋白質的合成。Roh等[28]和 Lynch等[29]發現,亮氨酸可以刺激脂肪細胞和組織產生和分泌瘦素。Tomiya等[30-31]也研究表明,亮氨酸可以刺激肝臟星狀細胞產生肝臟生長因子。Ijichi等[32]的研究還發現,在原代培養的肝上皮實質細胞的培養基中添加亮氨酸,可以刺激其白蛋白合成。另外,Mao等[33]通過亮氨酸處理 C2C12肌管發現,亮氨酸可以顯著提高肌管內瘦素受體的表達。

3 亮氨酸調節骨骼肌蛋白質合成的機制

亮氨酸可作為能量來源。研究表明,1 mol亮氨酸完全氧化可產生 40 mol ATP,氧化產生 ATP的效率高于其他氨基酸[32,34]。這說明亮氨酸可以為蛋白質合成提供能量,且亮氨酸本身也是蛋白質合成的重要基質。除了這些之外,更重要的是,亮氨酸對于骨骼肌蛋白質合成的促進作用還在于其可以調節細胞內各種信號通路。歸納近年的研究結果可以發現,亮氨酸調節骨骼肌蛋白質合成主要是通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)依賴與非依賴 2條通路來進行的。

3.1 亮氨酸對 mTOR依賴的信號通路的調節

各國學者通過動物或細胞為模型的研究發現,亮氨酸調節骨骼肌蛋白質合成機制主要是通過細胞內轉錄后調節通路之一——mTOR信號通路,圖 1描述了亮氨酸通過 mTOR信號通路刺激肌肉蛋白質合成的可能信號轉導情況。

首先,亮氨酸分別激活磷脂酰肌醇 3激酶/蛋白激酶 B/40 ku的脯氨酸富集的蛋白激酶 B基質(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B/proline-rich Akt substrate of 40 ku,PI3K/PKB/PRAS40)通路、一組鳥苷三磷酸酶(a family of four related small guanosine triphosphatases,Rag)或富集于大腦的 Ras同源物(Ras homolog enriched in brain,Rheb),進而活化無活性的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物 1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1),這一過程的表現即為,mTOR蛋白上某些位點的蘇氨酸和絲氨酸發生了磷酸化[35-37]。而 mTORC1的活化將促使其下游的 2個重要的效應物——核糖體蛋白 S6激酶(ribosomal protein S6 kinase,p70S6K)和真核翻譯起始因子 4E結合蛋白 1(eukaryotic initiation factor 4E-binding protein-1,4E-BP1)發生磷酸化。4E-BP1磷酸化后釋放了真核翻譯起始因子 4E(eukaryotic initiation factor 4E,eIF4E),使 eIF4E與真核翻譯起始因子 4G(eukaryotic initiation factor 4G,eIF4G)結合,形成真核翻譯起始因子 4F(eukaryotic initiation factor 4F,eIF4F),進而提高了 mRNA的穩定性,促進了 mRNA翻譯的起始[38]。而p70S6K的活化促使核糖體蛋白 S6(ribosomal protein S6,S6)的磷酸化,增加了 mRNA翻譯(特別是涉及到蛋白質合成的編碼蛋白的mRNA)[39]。最終,亮氨酸激活了蛋白質的合成。

3.2 亮氨酸對非 mTOR依賴信號通路的調節

在對亮氨酸提高骨骼肌蛋白質合成機制的進一步探討中,Anthony[40]利用 mTOR的特異性抑制劑(rapamycin)處理大鼠后,發現 rapamycin并沒有完全的抑制亮氨酸對肌肉蛋白質合成的增強作用,因此,推斷亮氨酸對于蛋白質合成的調節作用還存在mTOR非依賴途徑。但是,目前相關研究很少。除此之外,近年的一些研究還發現,亮氨酸可以促進機體內多種激素(如胰島素和瘦素等)的產生。而且,在進一步研究亮氨酸與胰島素調節骨骼肌蛋白質合成是否具有依賴關系中,O'Connor等[41]發現,亮氨酸與胰島素刺激新生仔豬骨骼肌蛋白質合成的作用并不具有相互依賴性;而以豬原代衛星細胞為模型的研究中,亮氨酸與類胰島素生長因子 -Ⅰ刺激蛋白質合成的作用可能具有協同效應,但對于 mTOR信號通路的激活作用并不具有協同作用[27]。另外,Sans等[42]以大鼠和小鼠為試驗模型研究還發現,亮氨酸可以通過mTOR信號通路激活胰腺腺泡內的 mRNA翻譯機制,而這一過程不受膽囊收縮素和胰島素的影響。毛湘冰[43]以 C2C12肌管和 ob/ob小鼠為模型研究發現,亮氨酸與瘦素在調節骨骼肌蛋白質合成中具有協同作用,但沒有進一步對相關的信號通路和機制進行探討。

圖1 亮氨酸通過m TOR信號通路刺激肌肉蛋白質合成的可能信號轉導圖Fig.1 Signaling events of mTOR signaling pathway in the stimulation of protein synthesis in muscle by leucine

4 小 結

雖然目前已有大量關于亮氨酸刺激骨骼肌蛋白質合成以及相關機制的研究,但是還存在諸多方面需要開展大量試驗來進一步探討。如近年的研究發現飼糧中亮氨酸的過量添加(≥5%)能夠刺激骨骼肌蛋白質合成,卻會導致采食量下降,進而影響機體的生長[44-46],因此,亮氨酸的補充劑量或需要量需要進一步確定。另外,關于補充亮氨酸的途徑和方式的研究也沒有得到一致的結果。而對于亮氨酸調節骨骼肌蛋白質合成的機制方面,目前各國學者已公認 mTOR信號通路的調節作用,但是對于 mTOR上游的因子以及 mTOR非依賴信號通路的研究報道還是十分缺乏的。未來的研究必須在這些方面進行深入,探明這些問題,才能為亮氨酸在臨床和生產上的應用提供堅實的理論基礎。

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