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在代谢和神经疾病中，支链氨基酸（BCAA）代谢功能障碍普遍存在，但引发神经损伤的机制不明。研究人员构建果蝇 BCAA 分解代谢缺陷模型，发现 BCAA 失衡经抑制神经元 AMPK 活性、破坏自噬致神经损伤，为相关疾病研究提供新靶点和思路。
在生命的微观世界里，代谢与神经系统之间存在着千丝万缕的联系。支链氨基酸（BCAA），这一在机体代谢中扮演重要角色的物质，其代谢平衡一旦被打破，就可能引发一系列严重的健康问题。像枫糖浆尿病（MSUD）这种罕见的遗传性疾病，以及常见的帕金森病、阿尔茨海默病等神经疾病，都与 BCAA 代谢紊乱有着密切关联。然而，长期以来，BCAA 代谢紊乱究竟是如何一步步导致神经损伤的，这个谜题一直困扰着科学界。为了揭开这层面纱，深入探索代谢与神经疾病之间的隐秘联系，来自台湾大学医学院临床检验科学与医学生物技术系、台湾大学医学院附设医院检验医学部以及台湾国家卫生研究院传染病与疫苗研究所等机构的研究人员，踏上了这场充满挑战的科研之旅。
他们的研究成果发表在《Communications Biology》杂志上，为我们理解这类疾病的发病机制带来了新的曙光。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，运用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建果蝇 BCAA 分解代谢相关基因突变体，模拟 BCAA 代谢紊乱的状态；其次，通过液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）技术定量检测果蝇体内 BCAA 水平；再者，利用免疫共沉淀（Co-IP）实验探究蛋白质之间的相互作用；最后，借助 Western blot 分析、免疫染色等技术检测相关蛋白的表达和修饰情况，从分子层面深入剖析疾病发生的机制。
研究结果
- BCAA 分解代谢功能障碍影响果蝇健康：研究人员构建了果蝇 dBCAT、dBCKDHA、dBCKDHB 和 dDLD 基因缺陷型菌株。这些突变体果蝇出现 BCAA 积累，还表现出运动能力差、发育延迟等神经功能障碍症状，并且在高蛋白质饮食下，BCAA 积累更明显，寿命缩短。这表明果蝇中这些基因参与 BCAA 代谢调节，且 BCAA 代谢紊乱对果蝇健康有害。
- BCAA 失调扰乱果蝇自噬反应：在果蝇突变体中，研究人员发现过量的 BCAA 会影响自噬反应。在脂肪体和脑组织中，自噬相关指标如自噬小体形成、Atg8-II 表达和 Atg8 puncta 数量均减少，同时 Ref (2) P 积累，这意味着 BCAA 失调可能改变了大脑能量平衡机制。
- 大脑 AMPK 下降导致 BCAA 相关神经功能障碍：研究监测到突变体果蝇脑组织中 AMP 激活蛋白激酶（AMPK）活性显著下降。通过遗传学方法过表达活性或无活性的 AMPKα，发现激活 AMPKα 可改善突变体的发育和行为缺陷，延长寿命；而无活性 AMPKα 过表达则加重缺陷。这说明大脑中 AMPK 功能受损是 BCAA 分解代谢异常时神经功能障碍的重要原因。
- 大脑 AMPK - 自噬轴在 BCAA 失调时调节健康状况：给 dDBTΔ 突变体果蝇喂食二甲双胍，可激活大脑 AMPK 活性，恢复自噬。通过基因敲低 Atg1 阻断自噬，会削弱二甲双胍的有益作用；而喂食雷帕霉素激活自噬，则能改善突变体的发育和行为缺陷。这表明大脑 AMPK - 自噬轴缺陷与过量 BCAA 导致的神经功能障碍密切相关。
- 功能失调的 BCAA 降解是大脑 AMPK 衰减的决定因素：给 dDBTΔ 突变体果蝇额外喂食亮氨酸，其大脑 AMPK 活性下降，而对照果蝇无此变化。通过体内和体外实验进一步证实，过量的 BCAA 可直接抑制大脑 AMPK 活性。此外，在 dDBTΔ 突变体中补偿 dDBT 功能，可恢复 AMPK 活性，减轻亮氨酸诱导的损伤，这表明循环中的 BCAA 在抑制大脑 AMPK 方面起主要作用。
- 失调的 BCAAs 诱导的线粒体活性氧（ROS）降低 AMPK 活性：研究发现 dDBTΔ 突变体果蝇大脑中的 ROS 应激与循环 BCAA 失调密切相关。喂食抗氧化剂 N - 乙酰半胱氨酸（NAC）可改善亮氨酸导致的 AMPK 活性下降，而用过氧化氢（H?O?）处理则进一步降低 AMPK 活性。同时，降低线粒体 ROS 应激可缓解 AMPK 活性降低和神经损伤，这表明线粒体功能障碍可能是 ROS 应激抑制 AMPK 活性的原因之一。
- 功能失调的 AMPK - 线粒体轴在 dDBTΔ 大脑中相互作用：dDBTΔ 突变体果蝇大脑线粒体膜电位降低，ATP 生成减少，表明线粒体功能异常。增强 AMPK 活性可改善线粒体功能，减轻氧化损伤；而无活性 AMPKα 过表达则加重线粒体功能障碍和氧化损伤。这说明线粒体功能与 AMPK 活性之间存在相互作用，功能失调的 AMPK - 线粒体轴会导致神经损伤。
- 增强的 PP2Ac - AMPK 蛋白相互作用降低 AMPK 活性：研究发现，PP2A 的催化亚基 dPP2Ac 在调节 dDBTΔ 大脑中 AMPK 活性方面起重要作用。用 PP2A 抑制剂冈田酸处理或基因敲低 mts（编码 dPP2Ac）的表达，可恢复 AMPK 活性。通过免疫共沉淀实验发现，dPP2Ac 与 AMPK 在 dDBTΔ 突变体中存在直接相互作用，且过量的 BCAAs 和大脑 mROS 应激会促进这种相互作用，从而降低 AMPK 活性。
- dPP2Ac 消融减轻 dDBTΔ 中的神经损伤和缩短的寿命：过表达无活性的 mts 或敲低 mts 可减轻 dDBTΔ 诱导的神经损伤，缓解发育缺陷，延长成年 dDBTΔ/+ 突变体的寿命；而过表达活性的 mts 则加重损伤和缺陷。这表明 PP2Ac 在 dDBTΔ 诱导的神经损伤中起重要作用，神经元中 AMPK - PP2Ac 轴的信号传导对改善 BCAA 分解代谢减少相关的健康缺陷至关重要。
研究结论与讨论
在这项研究中，研究人员揭示了 BCAA 代谢紊乱导致神经损伤的一系列重要机制。他们发现，破坏果蝇中编码 BCAA 分解代谢关键酶的基因，会导致 BCAA 代谢失衡，进而引发神经功能障碍。深入研究发现，这一过程中 AMPK 信号通路起着关键作用。BCAA 代谢紊乱会增强 PP2Ac 与 AMPK 的相互作用，抑制 AMPK 活性，破坏 AMPK - 线粒体轴的功能，最终导致神经损伤。
这项研究的意义重大。首先，它为理解代谢与神经系统疾病之间的关系提供了新的视角，揭示了 BCAA 代谢紊乱与神经损伤之间的紧密联系，让我们对神经疾病的发病机制有了更深入的认识。其次，研究表明激活神经元 AMPK 可能是治疗 MSUD 等相关神经疾病的潜在策略，为开发新的治疗方法提供了理论依据。然而，目前以 AMPK 为治疗靶点仍面临一些挑战，比如不同的激活方式和时间可能会产生不同的效果，而且二甲双胍等药物在人体内的合适浓度和潜在副作用还需要进一步研究。但无论如何，这项研究为未来相关疾病的治疗和研究指明了方向，开启了新的探索之路，有望在未来为众多受神经疾病困扰的患者带来新的希望。
