摘要
支鏈氨基酸代謝紊亂與 2 型糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，支鏈 α- 酮酸脫氫酶激酶（BCKDK）作為支鏈氨基酸代謝的關(guān)鍵調(diào)控激酶，可通過(guò)磷酸化抑制支鏈 α- 酮酸脫氫酶（BCKDH）復(fù)合物活性。既往研究多聚焦 BCKDK 對(duì) BCAA 代謝的調(diào)控，但其在肝臟糖異生中的非經(jīng)典功能與分子機(jī)制尚不明確。本研究以肝臟特異性基因敲除小鼠為模型，結(jié)合 EchoMRI 無(wú)創(chuàng)體成分定量與糖代謝功能檢測(cè)，系統(tǒng)揭示 BCKDK 以不依賴 BCKDHA 的全新機(jī)制調(diào)控肝臟糖異生，為 2 型糖尿病的靶向干預(yù)提供新理論與新靶點(diǎn)。
圖1：論文封面概要
方法
本研究構(gòu)建肝臟特異性 BCKDK 敲除小鼠、BCKDHA 敲除小鼠，并設(shè)置正常飲食、高脂飲食、高脂聯(lián)合 BCAA 飲食三組干預(yù)方案。采用EchoMRI 體成分分析儀對(duì)清醒小鼠進(jìn)行無(wú)創(chuàng)、快速、精準(zhǔn)檢測(cè)，避免麻醉應(yīng)激干擾，客觀量化全身脂肪量與瘦體重；通過(guò)葡萄糖耐受試驗(yàn)（GTT）、胰島素耐受試驗(yàn)（ITT）、丙酮酸耐受試驗(yàn)（PTT）系統(tǒng)評(píng)估糖代謝與肝糖輸出能力；結(jié)合原代肝細(xì)胞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 BCKDK 抑制劑 BT2 的效應(yīng)，并利用 Western blot、qPCR 及免疫共沉淀解析 CREB/FOXO1 信號(hào)通路的分子機(jī)制。
體成分分析儀應(yīng)用情況
EchoMRI 體成分分析儀為本研究提供核心量化支撐。在清醒無(wú)創(chuàng)狀態(tài)下快速、精準(zhǔn)測(cè)定小鼠脂肪量與瘦體重，客觀反映不同飲食與基因修飾對(duì)體成分的影響，直接關(guān)聯(lián)體成分表型與肝臟糖異生、胰島素敏感性，是評(píng)估代謝效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)手段。
體成分研究結(jié)果
體成分檢測(cè)結(jié)果顯示，正常飲食條件下，肝臟 BCKDK 或 BCKDHA 敲除均未對(duì)小鼠體成分產(chǎn)生顯著影響；高脂飲食可使 BCKDK 敲除小鼠脂肪量顯著上升，而瘦體重保持穩(wěn)定；在高脂飲食基礎(chǔ)上補(bǔ)充 BCAA 后，體成分差異消失并恢復(fù)至對(duì)照水平。EchoMRI 的精準(zhǔn)量化結(jié)果，直觀揭示飲食背景可顯著調(diào)控 BCKDK 缺失介導(dǎo)的體成分表型，為糖異生機(jī)制研究提供穩(wěn)定的代謝表型基礎(chǔ)。
圖 2（原文 Fig.2B）：高脂 + BCAA 飲食下，BCKDK 敲除與對(duì)照組體脂、瘦體重?zé)o顯著差異
研究結(jié)果
肝臟敲除 BCKDK 顯著降低 PEPCK、G6Pc、FBP 表達(dá)，抑制肝糖輸出；敲除 BCKDHA 則不影響糖異生。BCKDK 抑制劑 BT2 可阻斷 cAMP 誘導(dǎo)的糖異生，通過(guò)解離 CREB-CBP、促進(jìn) FOXO1 泛素化降解發(fā)揮作用。高脂飲食抵消 BCKDK 敲除的降糖效果，補(bǔ)充 BCAA 可恢復(fù)其抑制糖異生作用。
圖 3（原文 Fig.1L）：肝臟 BCKDK 敲除小鼠丙酮酸耐量降低，肝糖生成顯著減少
糖代謝與機(jī)制研究表明，肝臟特異性敲除 BCKDK 可顯著下調(diào)糖異生關(guān)鍵酶 PEPCK、G6Pc、FBP 的表達(dá)，有效抑制肝糖輸出；而敲除 BCKDHA 對(duì)糖異生無(wú)明顯影響，提示該調(diào)控效應(yīng)獨(dú)立于經(jīng)典 BCKDHA 通路。BCKDK 抑制劑 BT2 可阻斷 cAMP 誘導(dǎo)的糖異生過(guò)程，通過(guò)抑制 CREB-CBP 轉(zhuǎn)錄復(fù)合物形成、促進(jìn) FOXO1 泛素化降解實(shí)現(xiàn)降糖效應(yīng)。高脂飲食可抵消 BCKDK 敲除帶來(lái)的血糖改善，而補(bǔ)充 BCAA 能夠恢復(fù)其對(duì)糖異生的抑制作用。
結(jié)論
BCKDK 通過(guò)CREB-CBP/FOXO1信號(hào)軸調(diào)控肝臟糖異生，該作用不依賴 BCKDHA 介導(dǎo)的支鏈氨基酸代謝通路，屬于全新非經(jīng)典調(diào)控機(jī)制。EchoMRI 無(wú)創(chuàng)精準(zhǔn)量化為明確不同飲食條件下的體成分特征提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，提示靶向肝臟 BCKDK 可安全抑制糖異生、改善糖代謝紊亂。
圖 4（原文 Fig.7J）： BCKDK 抑制劑 BT2 顯著促進(jìn) FOXO1 泛素化降解，揭示核心分子機(jī)制
文獻(xiàn)解決的核心問(wèn)題
1. 突破 BCKDK 經(jīng)典代謝認(rèn)知，首次揭示其不依賴 BCKDHA 的肝臟糖異生全新調(diào)控機(jī)制，完善糖代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
2. 明確 BCKDK 通過(guò)CREB-CBP 解離與 FOXO1 泛素化降解抑制糖異生，闡明分子靶點(diǎn)與信號(hào)通路。
3. 借助 EchoMRI 證實(shí)飲食與 BCAA 可調(diào)控 BCKDK 缺失的代謝表型，為臨床精準(zhǔn)干預(yù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
4. 驗(yàn)證 BCKDK 作為2 型糖尿病治療新靶點(diǎn)的可行性，為新型降糖藥物研發(fā)提供方向。
5. 建立 “基因修飾–飲食干預(yù)–體成分定量–糖代謝功能” 一體化研究范式，為代謝疾病研究提供技術(shù)參考。
原文出處DOI：10.1038/s41419-024-07071-0