ACLY有助于db/db小鼠肝脏中的丙氨酸流动：一项基于高极化[1-13C]丙酮酸磁共振波谱（MRS）的研究

《Frontiers in Endocrinology》：ACLY facilitates alanine flux in the livers of db/db mice: a hyperpolarized [1-13C]pyruvate MRS study

ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）通过调控丙氨酸代谢促进糖尿病肝糖异生，高极化磁共振波谱（HP-MRS）显示db/db小鼠肝脏中ACLY磷酸化增强导致丙氨酸生成增加，BMS-303141抑制ACLY后丙氨酸信号和血糖反应显著降低。

　　在当今全球范围内，非酒精性脂肪肝病（NAFLD）和2型糖尿病（T2DM）已成为严重的公共卫生问题。这些疾病不仅影响着大量的患者，而且其代谢特征也引发了科学界的广泛关注。特别是，NAFLD和T2DM的肝脏表现出一种看似矛盾的现象：在肝脏中，葡萄糖的内源性生成与脂质合成同时增强。这一现象背后的具体机制尚未完全阐明，但其对疾病进展和治疗策略具有深远影响。因此，深入理解这些代谢过程的相互作用，对于开发新的治疗手段至关重要。

ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）是一种关键的代谢酶，其功能在于将线粒体来源的柠檬酸转化为细胞质中的乙酰辅酶A和草酰乙酸（OAA）。这两种代谢产物分别参与脂质合成和葡萄糖生成。乙酰辅酶A作为脂肪酸合成的前体，而OAA则是葡萄糖生成过程中不可或缺的物质。ACLY因此成为连接碳水化合物、脂质和能量代谢的重要枢纽。已有研究表明，ACLY的抑制可以有效改善代谢综合征模型中的脂肪肝和血糖控制，但其在氨基酸驱动的葡萄糖生成中的具体作用仍不明确。

为了进一步探讨ACLY在糖尿病肝脏代谢中的作用，研究人员采用了一种先进的非侵入性技术——超极化（HP）13C磁共振波谱（MRS）。这项技术通过增强13C标记底物的信号，能够实时监测肝脏中的代谢通量。在本研究中，研究人员观察到在db/db小鼠的肝脏中，HP [1-13C]丙酮酸代谢后生成的[1-13C]丙氨酸信号显著增强，这表明糖尿病肝脏中丙氨酸转氨酶（ALT）介导的转氨作用能力提高。这一发现促使研究团队进一步验证ACLY是否在氨基酸驱动的葡萄糖生成中发挥功能作用。

通过给予db/db小鼠ACLY抑制剂BMS-303141，研究人员发现其显著降低了由丙氨酸和谷氨酰胺诱导的高血糖反应。同时，这种治疗还使肝脏中的[1-13C]丙氨酸信号恢复正常，而未对ALT基因表达产生明显影响。这表明，ACLY的抑制效果可能是通过调控酶的活性或改变代谢通路的流向实现的，而非通过基因表达的改变。此外，研究人员还通过Western blot技术检测了ACLY的磷酸化状态，发现db/db小鼠肝脏中的磷酸化ACLY水平显著升高，而总ACLY蛋白表达水平则保持一致。这提示在糖尿病状态下，ACLY的激活可能与代谢通量的增加或信号传导的改变有关。

进一步的分析显示，磷酸化ACLY（pACLY）与丙氨酸转化率（KpA）之间存在显著的正相关，而pACLY与丙氨酸/乳酸信号比值的变化也呈现出负相关，这进一步支持了ACLY在调控ALT介导的丙氨酸通量中的作用。同时，肝脏中的ALT1活性也与KpA值呈正相关，表明ALT的活性可能与丙氨酸通量的增加密切相关。这些结果不仅揭示了ACLY在代谢调控中的重要性，还为理解糖尿病肝脏中葡萄糖生成和脂质合成的机制提供了新的视角。

值得注意的是，尽管ACLY的抑制能够显著改善代谢紊乱，但其对ALT基因表达的影响并不显著，这提示ACLY的作用可能是通过酶的活性调节而非基因表达的改变。此外，研究团队还发现，db/db小鼠肝脏中的丙氨酸含量显著高于对照组，而乳酸水平的增加并未在HP [1-13C]乳酸通量中显现，这表明丙氨酸的增加可能与ALT的活性增强有关。同时，ALT和AST（天冬氨酸转氨酶）的活性在db/db小鼠中也显著升高，但其mRNA表达水平并未发生明显变化，进一步支持了代谢通量的调控机制。

研究还指出，ACLY的激活可能与胰岛素抵抗有关。在高血糖状态下，葡萄糖-6-磷酸（G6P）和果糖-6-磷酸（F6P）的水平升高，这些物质已被证实是ACLY的激活因子。ACLY的激活不仅促进了乙酰辅酶A和OAA的生成，还可能通过增强ALT的活性，支持氨基酸驱动的葡萄糖生成。此外，丙氨酸在细胞质中通过ALT1转化为α-酮戊二酸（αKG），αKG随后参与αKG/苹果酸反向转运系统，促进葡萄糖生成。这一过程可能与ACLY的激活有关，因为ACLY的活性依赖于柠檬酸的输出，而柠檬酸的输出又与αKG/苹果酸转运系统密切相关。

本研究的另一重要发现是，HP [1-13C]丙酮酸MRS技术在监测肝脏代谢通量方面具有显著优势。相比传统的代谢物检测方法，该技术能够实时捕捉代谢变化，提供动态的代谢信息。这不仅有助于理解糖尿病肝脏中的代谢异常，还为评估治疗效果提供了新的工具。例如，在给予ACLY抑制剂后，肝脏中的丙氨酸信号迅速恢复正常，这一现象在HP-MRS中得到了清晰的体现。

尽管本研究提供了重要的见解，但也存在一些局限性。首先，db/db小鼠虽然是一种常用的T2DM模型，但其病理生理特征可能无法完全反映人类NAFLD的情况。其次，虽然观察到了丙氨酸通量的变化，但未直接评估ALT1和ALT2的亚细胞定位或后翻译修饰，这可能对进一步阐明代谢机制有所帮助。此外，研究未量化肝脏中BMS-303141的浓度，也未评估超过4小时的代谢变化，这可能影响对ACLY抑制效果的全面理解。最后，虽然颜色反应法测定的ALT和AST活性提供了重要的信息，但这些结果是在体外条件下获得的，可能无法完全反映体内情况。

综上所述，本研究揭示了ACLY在糖尿病肝脏中通过调控ALT介导的葡萄糖生成中的重要作用。通过使用HP [1-13C]丙酮酸MRS技术，研究人员不仅观察到了ACLY抑制对代谢紊乱的改善效果，还为评估动态肝脏代谢通量和治疗反应提供了新的方法。未来的研究需要进一步探索ALT同工酶的亚细胞定位和后翻译修饰，以及在其他代谢模型或人类样本中的应用，以更全面地评估ACLY在代谢疾病中的治疗潜力。这些发现不仅加深了我们对NAFLD和T2DM代谢机制的理解，也为开发新的治疗策略提供了科学依据。