《Nature Communications》：Branched-chain α-keto acids impair glucose-stimulated insulin secretion in pancreatic β-cells under diabetes by reactivating the LDHA-lactate axis
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本研究旨在解決2型糖尿病中支鏈氨基酸代謝異常對胰島素分泌的影響機制不明的問題。研究人員圍繞支鏈α-酮酸（BCKA）如何損害β細胞功能開展研究，發現BCKA通過重新激活乳酸脫氫酶A（LDHA）-乳酸軸，將葡萄糖代謝從TCA循環分流，從而抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌。該結果揭示了連接異常支鏈氨基酸代謝與糖尿病胰島β細胞功能障礙的新機制，為糖尿病治療提供了新靶點。
糖尿病已成為全球性的重大公共衛生挑戰，其核心病理生理環節之一是胰島β細胞功能進行性衰竭，導致胰島素分泌不足。在2型糖尿病中，支鏈氨基酸（BCAA）水平的升高已被廣泛觀察到，并與胰島素抵抗密切相關。然而，一個長期懸而未決的關鍵科學問題是：這些代謝物的變化究竟是糖尿病的“果”，還是參與驅動疾病進展的“因”？更重要的是，除了影響肝臟、肌肉等外周組織的胰島素敏感性，這些循環中升高的代謝物是否會“毒性”地直接影響胰島素的生產者——胰島β細胞本身的功能？這如同在馬年新春探尋生機之源頭的奧秘，解答這個問題，對于理解糖尿病發病全貌和尋找新的干預策略至關重要。
為了回答這些問題，一支研究團隊在《Nature Communications》上發表了一項研究，深入揭示了支鏈氨基酸代謝下游產物——支鏈α-酮酸（BCKA）在損害β細胞功能中的核心作用及其分子機制。他們的研究發現，BCKA能直接抑制人胰島、小鼠胰島及小鼠β細胞的葡萄糖刺激的胰島素分泌（GSIS）和葡萄糖代謝通量。在糖尿病患者中，循環BCKA水平升高與胰島素分泌能力呈負相關。機制上，BCKA并非通過常規猜想途徑，而是巧妙地“劫持”了β細胞的代謝程序。正常情況下，β細胞為高效產生能量（ATP）以觸發胰島素分泌，會極力抑制將丙酮酸轉化為乳酸的酶——乳酸脫氫酶A（LDHA），此現象被稱為“β細胞不允許（β-cell disallowed）”代謝特征。而BCKA則直接結合LDHA蛋白，促進其形成有活性的二聚體，從而重新激活了這個被壓抑的LDHA-乳酸代謝軸。這使得葡萄糖代謝流從高效的TCA循環“短路”分流至乳酸生成，減少了驅動胰島素釋放的能量供給，最終導致GSIS受損。在動物模型中，β細胞特異性敲除LDHA能夠逆轉BCKA喂養引起的糖耐量異常和胰島素分泌缺陷。這項研究首次闡明了BCKA通過重新激活LDHA破壞β細胞代謝與分泌功能的具體通路，將異常的支鏈氨基酸代謝與糖尿病β細胞功能障礙直接聯系起來，為針對該代謝軸開發糖尿病治療藥物提供了嶄新的理論依據和潛在靶點。
研究人員為開展此項研究，綜合運用了多種關鍵技術方法。他們使用了人胰島（來自非糖尿病和糖尿病供體）、小鼠胰島以及小鼠β細胞系（MIN6）作為研究模型。通過代謝物處理、基因敲低或過表達等手段在細胞和離體胰島水平研究功能。利用穩定同位素標記的代謝流分析追蹤葡萄糖的命運。通過分子對接、表面等離子共振、酶活性分析及點突變等技術深入探究BCKA與LDHA的直接互作及其對酶活性的影響。在體內研究中，他們構建了β細胞特異性LDHA敲除小鼠，并結合高脂飲食誘導的糖尿病模型，通過口服糖耐量試驗、高血糖鉗夾技術及胰島素分泌測定來評估整體糖代謝和β細胞功能。臨床關聯分析則基于糖尿病患者隊列的血液代謝組學與胰島素分泌功能參數。
BCKA損害人及小鼠胰島β細胞的GSIS
研究人員首先發現，用BCKA處理人胰島、小鼠胰島及MIN6細胞，能夠顯著抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌。利用13C標記的葡萄糖進行代謝流分析，證實BCKA減少了葡萄糖進入TCA循環的碳流量。
糖尿病患者循環BCKA水平與β細胞功能負相關
對糖尿病患者隊列數據的分析顯示，血液中BCKA的濃度與基于高血糖鉗夾測定的胰島素分泌指數（第一時相和第二時相）均呈顯著負相關，提示BCKA與人類β細胞功能障礙存在臨床關聯。
BCKA在體內外損害胰島素分泌和糖耐量
在動物實驗中，給小鼠喂食BCKA或通過藥物抑制其分解代謝，可導致GSIS受損和糖耐量異常。反之，使用藥物降低糖尿病小鼠體內的BCKA水平，則能改善其糖耐量和GSIS，且在雄性和雌性小鼠中均有效。
BCKA重新激活β細胞中的LDHA-乳酸軸
機制探索表明，BCKA處理使β細胞的代謝發生重編程，表現為乳酸生成顯著增加，而丙酮酸進入TCA循環減少。蛋白質組學和酶活性分析顯示，BCKA特異性增強了LDHA的活性，而非其mRNA或蛋白表達量。
BCKA直接結合并激活LDHA
進一步的生物化學和生物物理學實驗證明，BCKA能夠直接與LDHA蛋白結合。分子對接模擬預測了結合口袋，點突變實驗證實了關鍵結合位點。BCKA的結合促進了LDHA活性二聚體的形成，從而激活其酶功能。
β細胞特異性敲除LDHA可逆轉BCKA的有害效應
為確認LDHA在此通路中的必要性，研究人員構建了β細胞特異性LDHA敲除小鼠。在高脂飲食背景下，與野生型小鼠相比，敲除LDHA能完全阻止BCKA喂養所引起的GSIS損害和糖耐量減退，明確證明了LDHA是BCKA發揮毒性作用的核心介質。
該研究的結論清晰地表明，支鏈氨基酸代謝異常產生的支鏈α-酮酸，是連接代謝紊亂與胰島β細胞功能缺陷的關鍵分子。它通過直接結合并激活原本在β細胞中被“禁用”的乳酸脫氫酶A（LDHA），重新啟動了LDHA-乳酸代謝軸。這一代謝轉換劫持了葡萄糖代謝流，使其從產能的TCA循環轉向產乳酸，最終導致驅動胰島素分泌的能量供應不足，GSIS受到抑制。在討論中，作者強調了這一發現的轉化醫學意義：它不僅為“支鏈氨基酸代謝異常如何參與2型糖尿病發病”這一長期問題提供了β細胞角度的全新機制性答案，更重要的是，LDHA-乳酸軸作為一個可藥物化的靶點，為開發旨在保護或恢復β細胞功能的新型糖尿病療法開辟了全新的途徑。這項研究將循環代謝物、細胞代謝重編程與關鍵酶的直接調控精密地串聯起來，為理解代謝性疾病中器官間對話和細胞內在代謝調節提供了重要范式。
