支链氨基酸通过PKM2介导的足细胞代谢重编程与凋亡促进糖尿病肾病进展

本研究揭示了糖尿病肾病(DKD)中足细胞特异性支链氨基酸(BCAA)代谢缺陷的关键作用。研究人员发现BCAA通过诱导PKM2解聚失活，抑制葡萄糖氧化磷酸化(OXPHOS)，同时促进丝氨酸生物合成和叶酸代谢，并通过PKM2-DDIT3共转运激活Chac1和Trib3转录，最终导致足细胞凋亡。该研究为DKD防治提供了新靶点，发表于《Nature Communications》。

　　

糖尿病肾病(DKD)是糖尿病患者最常见的微血管并发症之一，约30-40%的糖尿病患者最终会发展为DKD。尽管近年来在血糖控制和血压管理方面取得了进展，但DKD进展至终末期肾病的发生率仍居高不下。这提示我们，除了传统的高血糖和高血压因素外，可能还存在其他决定DKD发生发展的关键因素。特别值得注意的是，在病程超过50年的1型糖尿病患者中，仅部分患者出现DKD，这种个体差异暗示着存在某些内源性决定因素。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，Huishou Zhao等科学家团队将目光投向了支链氨基酸(BCAA)代谢。BCAA包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，是一类必需氨基酸，占膳食蛋白质摄入量的15-25%。前期研究表明BCAA与糖尿病相关并发症存在关联，但其在DKD中的具体作用机制尚不清楚。研究人员假设足细胞——这种高度特化的肾小球上皮细胞，可能是BCAA代谢异常作用的关键靶点。

为验证这一假设，研究团队采用了多层次的实验策略。在临床样本分析方面，他们收集了DKD患者和非DKD糖尿病患者的肾脏活检样本和尿液样本进行代谢组学分析。在动物模型方面，构建了足细胞特异性PP2Cm(BCAA分解代谢关键酶)敲除小鼠和高脂饮食联合BCAA补充的小鼠模型。细胞实验主要使用原代足细胞和MPC-5足细胞系。关键技术包括RNA测序分析、代谢流分析(使用[U-¹³C₆]葡萄糖示踪)、高分辨率质谱检测、免疫共沉淀和染色质免疫沉淀等技术。

研究结果部分，首先在"肾小球足细胞在DKD患者和db/db小鼠中表现出BCAA分解代谢缺陷"中发现，DKD患者和db/db小鼠的足细胞特异性表现出PP2Cm和BDK表达降低，P-BCKDE1α(Ser 293)表达增加，提示BCAA分解代谢受损。通过非靶向代谢组学还发现DKD患者尿液中BCAA代谢物4-甲基-2-氧代戊酸和甲基丙二酸水平显著升高。

在"BCAA分解代谢缺陷加剧高脂饮食诱导的小鼠肾脏损伤"部分，研究人员发现足细胞特异性PP2Cm敲除或外源性BCAA补充均可诱导高脂饮食小鼠出现典型的DKD表型，包括足细胞功能障碍/凋亡、肾小球病理改变和蛋白尿。电镜观察显示足细胞足突融合和基底膜增厚，同时足细胞标志物Nephrin、Nphs2、P-cadherin和Synpo表达下降。

"BCAA诱导的足细胞代谢重编程表现为抑制葡萄糖氧化，促进葡萄糖代谢向丝氨酸生物合成和叶酸代谢转变"部分揭示了机制层面的发现。RNA测序显示BCAA处理显著上调了与丝氨酸生物合成和叶酸代谢相关的基因(Phgdh、Psat1、Psph、Shmt2、Mthfd2等)。¹³C标记葡萄糖示踪实验证实BCAA抑制了葡萄糖衍生的丙酮酸、乳酸和三羧酸循环中间产物的生成，同时促进了丝氨酸和甘氨酸的生物合成。

在"DKD患者肾脏中丝氨酸和叶酸代谢显著增加"部分，研究人员通过对DKD患者尿液代谢组学分析发现，叶酸代谢通路和甘氨酸、丝氨酸及苏氨酸代谢通路显著富集。免疫荧光染色显示DKD患者肾小球中MTHFD2、SHMT2和PSPH表达增加，且这些酶均定位于WT1阳性的足细胞。

"BCAA通过诱导PKM2解聚和失活引发足细胞代谢重编程"部分阐明了关键分子机制。BCAA处理显著增加了PKM2的Ser37和Tyr105位点磷酸化，促进PKM2由活性四聚体向无活性二聚体/单体转变。使用PKM2激动剂TEPP46可逆转BCAA诱导的代谢异常，恢复葡萄糖OXPHOS能力。

最后在"BCAA通过促进PKM2-DDIT3共转运入核激活Chac1和Trib3转录诱导足细胞凋亡"部分，研究人员发现BCAA促进PKM2与转录因子DDIT3结合并共转运至细胞核，增强DDIT3对促凋亡基因Chac1和Trib3的转录激活。通过足细胞特异性PKM2敲除小鼠证实，TEPP46的肾脏保护作用依赖于其对足细胞PKM2的激活。

在讨论部分，该研究首次系统阐明了足细胞BCAA代谢缺陷在DKD发生发展中的关键作用，提出了"BCAA-PKM2-DDIT3"轴调控足细胞代谢重编程和凋亡的新机制。从转化医学角度看，研究提示激活BCAA分解代谢(如使用BDK抑制剂BT2)或靶向PKM2(如使用TEPP46)可能成为防治DKD的新策略。这些发现不仅为理解DKD的发病机制提供了新视角，也为开发精准治疗策略提供了理论依据。