酪氨酸通过心脏高收缩性增加心律失常风险的整合证据：孟德尔随机化与动物模型研究

《Food Frontiers》：Integrative Evidence From Metabolome-Wide Mendelian Randomization and Animal Models Implicates Tyrosine in Cardiac Hypercontractility and Arrhythmia Risk

本刊推荐：本研究通过代谢组范围的孟德尔随机化（MR）分析发现酪氨酸与心律失常存在最强因果关联，并在动物实验中验证其通过激活心肌细胞肾上腺素能信号通路（涉及RYR2、SCN5A、CAMK2A/B等关键基因），促进心脏传导与肌肉收缩，导致射血分数（EF）和短轴缩短率（FS）升高，提示饮食酪氨酸过量可能诱发心脏高收缩性及心律失常风险。

　　

研究背景

心律失常约占心源性猝死的80%，对公共健康构成重大威胁。尽管代谢性疾病和心血管疾病（CVD）如肥胖、高脂血症、2型糖尿病（T2D）、动脉粥样硬化、高血压和心力衰竭是已知的风险因素，但心律失常的病理生理机制复杂且尚未完全阐明。当前抗心律失常药物的疗效有限且伴随明显副作用，因此探索新的诊断标志物和治疗靶点至关重要。血液代谢物谱为理解疾病机制提供了新视角，而孟德尔随机化（MR）方法利用遗传变异作为工具变量，能够推断暴露因素与健康结局之间的因果关系，有效规避传统观察性研究的混杂偏倚。

研究设计与方法

本研究采用多阶段整合分析策略（图1）。首先，利用多个全基因组关联研究（GWAS）数据集对735种循环代谢物与心律失常进行两样本MR分析，并通过荟萃分析合并结果。遗传工具变量（IV）筛选遵循严格标准：显著性阈值设定为p < 5×10^?8（对于486种血液代谢物放宽至p < 5×10^?6），进行连锁不平衡（LD）修剪（R² < 0.01），计算F统计量以剔除弱工具变量（F < 10），并排除与结局或混杂因素相关的单核苷酸多态性（SNP）。采用逆方差加权（IVW）作为主要分析方法，辅以加权中位数法和MR-Egger回归进行验证。同时进行异质性检验（Cochrane's Q检验）、水平多效性检验（MR-Egger截距检验、MR-PRESSO全局检验）和“留一法”敏感性分析。

为增强统计效能，研究对四个酪氨酸相关GWAS数据集和三个心律失常相关GWAS数据集进行了荟萃分析。随后，利用新识别的遗传变异进行MR分析，评估酪氨酸对心律失常及其风险因素（如肥胖、T2D、动脉粥样硬化、高血压等）的因果效应。此外，还开展了全表型关联分析（PheWAS）、小鼠基因组信息学（MGI）数据库查询以及基于STRING数据库的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析。

在实验验证部分，研究对C57BL/6雄性小鼠进行为期10周的酪氨酸灌胃干预（剂量分别为0、20、100、500 mg/kg/天），通过经胸超声心动图评估心功能，利用RNA测序（RNA-seq）进行心房转录组分析，并采用超高效液相色谱-三重四极杆飞行时间质谱（UPLC-Triple-TOF/MS）进行非靶向代谢组学分析。同时，通过建立液相色谱-质谱联用（LC-MS）方法定量血清酪氨酸、去甲肾上腺素和肾上腺素水平，并利用免疫组织化学检测关键蛋白表达。

研究结果

代谢组范围MR识别酪氨酸对心律失常的因果效应

对486种血液代谢物和249种代谢生物标志物的MR分析结果显示，41种代谢物与心律失常存在潜在因果关联（p < 0.05）。然而，经过错误发现率（FDR）校正后，仅有酪氨酸与心律失常风险增加显示出显著因果关联（FDR = 0.01），其效应值为0.0023（p = 4.59×10^?5）（表1，图2）。其他代谢物如X-10395水平、3-(4-羟苯基)乳酸水平等虽有关联但未通过多重检验校正。

酪氨酸与心律失常因果关系的验证

通过对四个酪氨酸GWAS数据的荟萃分析，研究在12,800,093个遗传变异中鉴定出241个与酪氨酸水平全基因组显著相关的位点（图3A）。对三个心律失常GWAS数据集（总计1,159,984名个体）的荟萃分析则识别出27个显著相关位点（图3B）。利用这些新识别的变异进行MR分析，IVW、加权中位数和加权模式等多种方法均一致证实酪氨酸与心律失常存在正向因果关联（图3C）。在芬兰基因组（FinnGen）数据库的独立队列中进行的验证分析进一步支持了这一结论（荟萃MR结果p = 5.33×10^?7）（图3D）。亚型分析显示，酪氨酸与室性心律失常、房性早搏、心房颤动（AF）、心房扑动等常见亚型呈正相关。反向MR分析未发现心律失常对酪氨酸水平的显著因果效应，表明因果关系是单向的。

MR揭示酪氨酸与心律失常风险因素的正相关

MR分析表明，血液酪氨酸水平与多种心律失常风险因素存在因果关联。酪氨酸显著增加肥胖（p = 0.01）、T2D（p = 0.02）和高甘油三酯血症（p = 1.23×10^?14）的风险（图4A-C）。同时，酪氨酸也与动脉粥样硬化（p = 1.50×10^?4）、高血压（p = 7.60×10^?4）、心力衰竭（p = 3.04×10^?3）和高心室率（p = 8.15×10^?3）等心血管疾病显著相关（图4D-F）。这些发现表明，酪氨酸可能通过影响代谢和心血管健康间接增加心律失常易感性。

酪氨酸相关遗传位点与心血管健康的关联

PheWAS分析显示，部分与酪氨酸水平显著相关的SNP也同时与心律失常风险因素表型相关。例如，rs35493868位点（位于MLXIPL基因内）与酪氨酸水平负相关，并与CVD、舒张压（DBP）、收缩压（SBP）、高脂血症和高血压等表型显著相关（图S4）。MGI数据库查询发现，酪氨酸相关基因的敲除（KO）小鼠模型表现出心脏表型异常，如SORBS2敲除导致心率增加和心脏重量增加，ESRRB敲除导致心室肌收缩力下降和左心室扩张。基于表达数量性状位点（eQTL）映射构建的PPI网络（250个节点，243条边，PPI富集p = 1.03×10^?7）显示，与心血管健康相关的人类表型显著富集，包括总胆固醇测量（FDR = 9.73×10^?8）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）测量（FDR = 2.70×10^?5）、甘油三酯测量（FDR = 1.70×10^?4）、CVD生物标志物测量（FDR = 2.10×10^?4）和血压（FDR = 1.20×10^?3）（图5）。

酪氨酸干预对小鼠心功能的影响

动物实验表明，酪氨酸干预虽不影响小鼠体重和进食量，但显著降低了心脏重量（图S5C-D）。经胸超声心动图显示，酪氨酸显著降低了收缩期和舒张期左心室内径（LVIDs和LVIDd）（图6C-D），而对舒张期和收缩期室间隔厚度（IVSd和IVSs）无显著影响（图S5E-F）。更重要的是，酪氨酸显著提高了射血分数（EF）和短轴缩短率（FS）（图6E-F），表明心脏泵血效率和收缩功能增强。对照组EF约为60%，而高剂量酪氨酸干预组EF升高至约80%，提示出现高动力左心室射血分数（HLVEF）状态，这与心脏电生理不稳定性相关。

转录组学分析揭示酪氨酸调节心脏电生理和节律

心房转录组测序鉴定出60个受酪氨酸显著调控的差异表达基因（DEGs）（FDR < 5%）（图7A）。基因本体（GO）富集分析发现107条显著富集的通路（FDR < 5%），涉及钙离子调控、血管发育与重塑、血管及上皮管发育等过程（图7B）。PPI网络分析显示，与心脏形态和功能相关的哺乳动物表型（如异常心脏右心室流出道形态、异常心脏形态、异常血管平滑肌形态）显著富集（图7C）。基因集富集分析（GSEA）表明，酪氨酸显著上调了心肌细胞中的肾上腺素能信号传导、细胞骨架调控、心脏肌肉收缩、心脏传导、钠钾离子转运以及心率调节等通路（图7D-E）。关键基因如兰尼碱受体2（Ryr2）、电压门控钠通道Nav1.5（Scn5a）、钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶IIα和β（Camk2a、Camk2b）的mRNA水平显著上调（图7F-G）。免疫组化结果进一步证实，酪氨酸干预显著增加了CAMK2A和CAMK2B的蛋白表达水平，RYR2和SCN5A也呈上升趋势（图8）。这些结果提示酪氨酸通过激活肾上腺素能信号通路及其下游离子通道，影响心脏电生理稳定性。

酪氨酸改变与心律失常相关的血清代谢物谱

非靶向代谢组学分析显示，酪氨酸干预显著改变了小鼠血清代谢物谱（图9A-B）。富集分析发现，受调控的代谢物与肥胖、尿毒症、精神分裂症等疾病特征相关（图9C），并显著富集于甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸生物合成及嘌呤代谢等通路（图9D）。值得注意的是，多个已知与心律失常相关的代谢物，如p-甲酚硫酸盐（p-cresol sulfate）、甜菜碱（betaine）、亮氨酸（leucine）和二甲基甘氨酸（dimethylglycine）的水平在酪氨酸干预后发生显著改变，且变化方向与既往报道一致（图9E）。

酪氨酸对儿茶酚胺水平的影响

LC-MS定量分析证实，酪氨酸干预后血清酪氨酸浓度呈剂量依赖性显著升高（图10A）。虽然去甲肾上腺素水平无显著变化（图10B），但血清肾上腺素水平被酪氨酸剂量依赖性地显著提升（图10C）。这为酪氨酸作为肾上腺素前体，通过转化为肾上腺素激活肾上腺素能信号通路提供了直接证据。

讨论与结论

本研究通过代谢组范围的MR分析、大规模GWAS荟萃分析、独立队列验证、风险因素MR分析、遗传位点功能注释以及动物实验验证，提供了酪氨酸与心律失常存在因果关联的整合证据。酪氨酸作为一种常见氨基酸，广泛存在于肉类、鱼类和奶酪等食物中，也可在体内由苯丙氨酸合成。既往观察性研究曾报道心律失常患者心脏组织或血浆中酪氨酸水平升高，但其因果方向不明。

本研究的主要机制研究表明，酪氨酸通过转化为肾上腺素，激活心肌细胞肾上腺素能信号通路，上调Ryr2、Scn5a、Camk2a/b等关键离子通道和激酶基因的表达，增强心脏传导性和心肌收缩力，导致EF和FS升高，即心脏高收缩状态。这种高动力状态可能破坏心脏电生理稳定性，增加心律失常易感性。此外，酪氨酸还显著改变血清代谢物谱，影响与心律失常风险相关的代谢通路。

研究还探讨了其他潜在机制。酪氨酸是甲状腺激素和多巴胺的前体，二者均可影响心率和心肌收缩力。酪氨酸代谢异常可能通过促进氧化应激和线粒体损伤间接影响心脏电生理。肠道微生物对酪氨酸的代谢作用及其对宿主生理的影响也是未来值得探索的方向。

本研究存在一些局限性。分析主要基于欧洲血统人群数据，需要在更多样化人群中验证。MR分析依赖于工具变量假设，潜在的未知多效性可能带来偏倚。需要大规模队列研究进一步验证饮食酪氨酸与心律失常风险的流行病学关联。关键基因在心律调节中的功能有待体内模型深入验证。未来研究需通过心电图或电生理评估直接证实酪氨酸诱发心律失常，并使用肾上腺素能受体拮抗剂验证肾上腺素能信号的中介作用。

综上所述，本研究汇聚遗传学与实验证据，表明循环酪氨酸水平升高与心律失常风险存在因果关联，其机制可能与激活心脏肾上腺素能信号通路、诱导心脏高收缩性有关。这为心律失常的预防和干预提供了新的潜在靶点。