苯丙氨酸羟化酶（PAH）通路的系统生物学全景解析：从苯丙氨酸羟化到酪氨酸及下游代谢网络的综合图谱

《Biochemistry and Cell Biology》：Beyond phenylalanine to tyrosine: Mapping the comprehensive phenylalanine hydroxylase (PAH) pathway for systems biology

　　

摘要专业翻译 苯丙氨酸羟化酶（PAH）通路是一个酶促代谢通路，主要聚焦于将氨基酸L-苯丙氨酸（Phe）羟基化为L-酪氨酸（Tyr）。然而，该通路的正常运作亦能对下游其他代谢产物产生显著影响。此外，常见及罕见的遗传变异已被证实能够显著损害PAH通路的正常功能。然而，据研究人员所知，涵盖其对相关下游代谢通路影响的综合性PAH通路尚未以整合方式被系统绘制。为此，研究人员对现有文献进行了叙述性综述，以描述综合性PAH通路（包括对下游相关代谢通路的影响），并绘制了这些整合过程的可视化图谱。除Phe至Tyr的羟基化反应外，该综合性通路叙述还涵盖了Phe的代谢及其跨血脑屏障（BBB）的转运过程（包括与其他大分子中性氨基酸（LNAAs）的竞争）、Tyr的分解代谢及其他相关过程。研究人员亦就PAH基因遗传变异背景下这些代谢过程的重要性进行了讨论。随着以系统生物学视角开展健康研究的日益受重视，本研究对于增进理解氨基酸代谢的下游效应及其对健康结局的潜在影响具有关键意义。

论文主体内容学术性总结

1. 引言

苯丙氨酸羟化酶（PAH）通路是一个酶促代谢通路，主要功能是将必需氨基酸L-苯丙氨酸（Phe）代谢为L-酪氨酸（Tyr）。Phe主要来源于肉类、乳制品、蛋类等蛋白质食物以及阿斯巴甜。Phe向Tyr的羟基化反应主要发生在肝脏，是更大范围代谢网络中的首个步骤，该网络进一步涉及多种下游代谢产物，并与其他氨基酸（如L-色氨酸（Trp））发生相互作用。编码该通路及相关下游通路酶的基因发生突变，可导致具有严重症状的代谢性疾病。其中最为明确的遗传变异是PAH基因的双等位基因突变，由此导致的病症在本论文中被统称为PAH缺乏症，涵盖苯丙酮尿症（PKU）和轻度高苯丙氨酸血症（mHPA）。PAH缺乏症导致Phe向Tyr的转化受损，进而引起Phe及其代谢产物升高、Tyr及其代谢产物降低，并改变大分子中性氨基酸（LNAAs）跨血脑屏障（BBB）的转运。该通路下游代谢产物包括多巴胺、肾上腺素、黑色素及血清素等，其生理水平失衡可导致精神健康问题、发育障碍、癫痫发作及皮肤病变等一系列临床症状。近年来，系统生物学方法日益被用于理解健康与疾病。尽管PAH缺乏症历来在Phe向Tyr羟基化受损的背景下被研究，但理解其对儿茶酚胺、黑色素、三碘甲状腺原氨酸（T3）及甲状腺素（T4）等下游代谢产物产生的影响同样至关重要。目前，PAH缺乏症患者通常在出生时即被诊断，治疗主要依赖低Phe饮食，并通过蛋白质限制和无Phe氨基酸配方补充进行管理。药物治疗选择包括合成四氢生物蝶呤（BH₄）沙丙蝶呤、PAH酶替代疗法培维肽酶以及BH₄前体物质sepiapterin。然而，临床监测通常仅限于Phe和Tyr水平，其他下游代谢产物未被常规监测。据研究人员所知，涵盖下游代谢产物的综合性PAH通路此前尚未被系统绘制。

2. 综合性苯丙氨酸羟化酶（PAH）通路

2.1. A. 肝脏和肾脏中Phe向Tyr的羟基化

Phe向Tyr的羟基化主要发生在肝脏，少量发生在肾脏。PAH酶催化Phe通过添加羟基转化为Tyr，该反应需要还原性辅因子四氢生物蝶呤（BH₄）。在此过程中，BH₄首先被转化为中间产物4a-羟基-BH₄，随后重排为醌型二氢生物蝶呤（qBH₂），再经蝶呤4α-甲醇胺脱水酶氧化为二氢生物蝶呤（BH₂）。随后，二氢蝶啶还原酶利用NADH或NADPH作为还原剂，将BH₂再生为BH₄，恢复辅因子功能并维持循环。

2.2. A. 临床意义

PAH酶活性受损导致Phe向Tyr的转化能力较健康个体下降。PAH缺乏症患者未经治疗时表现为Phe水平升高、Tyr水平降低。这种代谢损伤可导致多种神经认知及其他健康风险，包括注意力缺陷多动障碍（ADHD）、焦虑、冲动、疲劳、注意力难以集中及癫痫发作，尤其在Phe超过生理水平且Tyr水平较低（即Phe:Tyr比值升高）时更为明显。BH₄缺乏亦可导致PAH酶效率降低，进而引起Phe水平升高。具有更多残余PAH酶活性的轻症PKU患者对沙丙蝶呤（合成BH₄）药物治疗的应答率更高。

2.3. B. 肝脏和结肠中Phe向苯乳酸、苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸的代谢

在健康个体中，少量Phe在结肠和肝脏中经转氨反应代谢。该反应由Phe转氨酶催化，将丙氨酸侧链替换为丙酮酸，生成代谢产物苯丙酮酸。苯丙酮酸随后经两条潜在途径代谢：一是被NADH还原形成苯乳酸；二是在氧化脱羧过程中移除羧基，形成苯乙酸。此外，苯乙酸亦可通过Phe的脱羧反应产生：Phe经芳香族氨基酸脱羧酶催化生成苯乙胺，再经单胺氧化酶氧化转化为苯乙酸。苯乙酸随后可与谷氨酰胺或甘氨酸结合，分别生成苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸。苯乙酸与谷氨酰胺的结合分两步进行：首先苯乙酸与辅酶A（CoA）反应，并从三磷酸腺苷（ATP）获得磷酸，生成苯乙酰CoA、腺苷一磷酸和焦磷酸；第二步经谷氨酰胺-N-酰基转移酶催化的转氨反应，将苯乙酰CoA和谷氨酰胺转化为苯乙酰谷氨酰胺和CoA。苯乙酸与甘氨酸的结合方式类似，由甘氨酸-N-酰基转移酶催化苯乙酰CoA和甘氨酸转化为苯乙酰甘氨酸和CoA。

2.4. B. 临床意义

在PAH缺乏症患者中，Phe向这些Phe代谢产物的转化程度远高于普通人群。当Phe无法有效羟基化为Tyr时，更多Phe可进入这条替代途径。尿液代谢产物的分析可作为评估PAH缺乏症患者含Phe食物摄入量的客观工具。苯乳酸、苯乙酸、苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸等代谢产物的生成可能通过增加氧化应激导致神经毒性，但具体机制尚不明确。

2.5. C. Phe跨血脑屏障的转运及其与其他大分子中性氨基酸（LNAAs）的竞争

血脑屏障（BBB）主要由内皮细胞和壁细胞构成，通过紧密连接和细胞黏附分子维持低通透性，保护中枢神经系统（CNS）免受外源和内源毒素侵害。大分子中性氨基酸（LNAAs）主要依赖L型氨基酸转运体1（LAT1）跨越BBB。LAT1以1:1化学计量的强制性反向转运机制运作，利用脑内谷氨酸交换血清LNAAs进入CNS。LAT1的功能性表达需要与糖蛋白4F2hc（SLC3A2）形成异二聚体复合物，该复合物在BBB中的表达量较其他组织位点高100倍。LAT1对Phe的亲和力更高（K_m = 14.2 μmol/L），因此优先转运Phe，而非Tyr（K_m = 28.3 μmol/L）和Trp（K_m = 21.4 μmol/L）。当血清Phe水平升高时，CNS中Phe浓度升高，而其他LNAAs浓度降低。氨基酸衍生神经递质的合成依赖于必需氨基酸跨越BBB的外源性来源。例如，血清素的合成需要Trp跨越BBB进入CNS，在血清素能神经元中，Trp经色氨酸羟化酶（以BH₄为辅因子）羟基化为5-羟色氨酸，再经芳香族L-氨基酸脱羧酶（辅因子为吡哆醛-5'-磷酸，即维生素B6）脱羧为血清素（5-羟色胺）。血清素可进一步在松果体中经两步反应转化为褪黑素。

2.6. C. 临床意义

BBB转运系统功能障碍可导致癌症、炎症和神经发育缺陷等神经病理状况。在未经治疗的PAH缺乏症中，由于Phe相对于其他LNAAs更为丰富，Phe被优先转运跨越BBB。这种竞争性抑制导致脑内蛋白质合成减少，多巴胺、去甲肾上腺素和血清素等生物胺浓度降低，并可能导致神经功能缺陷。儿茶酚胺类神经递质的紊乱与抑郁和焦虑等精神健康问题密切相关。血清素与情绪密切相关，CNS中血清素水平降低与抑郁症状相关。血清素下游的褪黑素亦通过该通路产生，睡眠障碍与CNS中褪黑素和血清素缺乏相关，PKU患者中已有睡眠质量差的报道。此外，LAT1基因的遗传变异可导致BBB通透性改变及代谢产物和神经递质水平变化。例如，rs113883650 LAT1基因变异可能在BBB对Phe的通透性中发挥关键作用。LNAA补充已被用作PAH缺乏症的治疗选择，以抑制CNS中Phe水平升高并防止神经毒性损伤。

2.7. D. 甲状腺中Tyr合成T3和T4

甲状腺激素的生物合成发生在甲状腺滤泡腔中。滤泡腔含有甲状腺球蛋白，这是一种由甲状腺滤泡细胞产生的糖蛋白，包含约120个Tyr残基，其中靠近C端和N端的残基作为碘化底物参与甲状腺激素合成。T3和T4的合成由促甲状腺激素触发。甲状腺球蛋白中的Tyr残基与一个或两个碘分子结合，分别生成一碘酪氨酸（MIT）或二碘酪氨酸（DIT）。随后，MIT和DIT残基通过醚键偶联，生成T3和T4，其中两个DIT偶联生成T4，而一个MIT与一个DIT偶联则生成T3。

2.8. D. 临床意义

多种遗传变异可影响甲状腺激素合成中涉及的酶和转运体，导致原发性先天性甲状腺功能减退症。例如，NKX2-1或PAX8基因突变可导致甲状腺滤泡细胞形成异常，TSHR基因变异则引起促甲状腺激素受体异常。若未经治疗，甲状腺功能减退可导致神经发育迟缓。在早期治疗的PAH缺乏症患者中，临床甲状腺功能障碍的发生率较低。然而，已观察到血Phe水平升高与促甲状腺激素水平降低之间存在显著负相关，患者亦表现出较健康对照更高的游离甲状腺素和更低的促甲状腺激素。因此，坚持饮食Phe限制并维持充足的Tyr浓度至关重要。

2.9. E. Tyr分解代谢与三羧酸（TCA）循环

Tyr的分解代谢主要发生在肝脏肝细胞中，亦见于肾脏近端小管细胞。该过程的重要终产物之一是延胡索酸，其为三羧酸（TCA）循环所必需。该过程始于酪氨酸氨基转移酶催化的L-酪氨酸转氨反应（依赖α-酮戊二酸），生成4-羟基苯丙酮酸和谷氨酸；随后经4-羟基苯丙酮酸双加氧酶脱羧为尿黑酸。尿黑酸经尿黑酸氧化酶分解为马来酰乙酰乙酸，再经马来酰乙酰乙酸顺反异构酶（MAAI）（以谷胱甘肽为辅因子）转化为延胡索酰乙酰乙酸。最后，延胡索酰乙酰乙酸羟化酶（FAH）介导延胡索酰乙酰乙酸的水解，生成乙酰乙酸和延胡索酸。在TCA循环中，延胡索酸经延胡索酸还原酶还原为琥珀酸，该反应可逆，琥珀酸脱氢酶可将琥珀酸氧化为延胡索酸。

2.10. E. 临床意义

Tyr代谢的其他先天性错误，如马来酰乙酰乙酸顺反异构酶缺乏症或I型酪氨酸血症，分别由MAAI和FAH缺乏引起。这些代谢紊乱导致血液和尿液中琥珀酰丙酮浓度升高，未经治疗可造成严重肝损伤甚至死亡。关于PAH缺乏症与TCA循环潜在扰动的研究有限。一项近期研究比较了PAH缺乏症患者与健康对照的代谢谱，发现TCA循环在PAH缺乏症中可能下调，表现为苹果酸、异柠檬酸和乳酸等代谢产物水平降低，谷氨酸水平亦较低。TCA循环紊乱与癫痫发作等神经学结局相关，但PAH缺乏症与TCA循环相关能量代谢之间的可能联系仍需进一步研究。

2.11. F. Tyr向儿茶酚胺类神经递质的转化

Tyr亦是多种神经递质合成的重要前体。儿茶酚胺类神经递质（多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素）的合成主要发生在CNS中，涉及限速酶酪氨酸羟化酶。酪氨酸羟化酶首先将Tyr羟基化为左旋二羟基苯丙氨酸（L-DOPA），随后芳香族L-氨基酸脱羧酶（亦称DOPA脱羧酶）通过脱羧反应将L-DOPA转化为多巴胺。多巴胺随后经多巴胺-β-羟化酶羟基化为去甲肾上腺素，再经苯乙醇胺N-甲基转移酶甲基化生成肾上腺素。当儿茶酚胺能突触对儿茶酚胺类神经递质的需求增加时，酪氨酸羟化酶被激活。例如，当流向工作骨骼肌的血流量增加且心率升高时，应激诱导的去甲肾上腺素和肾上腺素被合成并释放。

2.12. F. 临床意义

酪氨酸羟化酶基因的双等位基因突变导致酪氨酸羟化酶缺乏症，这是一种常染色体隐性遗传病，导致L-DOPA产生减少。该疾病表现具有严重程度谱系，通常以肌张力障碍、运动迟缓、震颤和不稳定为特征。PAH缺乏症与儿茶酚胺产生之间存在明确联系。研究一致报道，PAH缺乏症患者的儿茶酚胺类神经递质（多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素）产生较低，尤其在治疗依从性差的情况下。儿茶酚胺合成减少可影响情绪、精神健康和认知功能（如记忆力和注意力），这些症状即使在早期治疗的PAH缺乏症中也常有报道。

2.13. G. Tyr向真黑素和褐黑素的转化

黑色素细胞调节黑色素合成所需的合成代谢反应。该过程始于黑素体，酪氨酸酶以Tyr为底物催化初始步骤。黑色素合成通过酪氨酸酶将Tyr羟基化为L-DOPA，随后进一步氧化为L-多巴醌（DQ）。DQ是一个分支点，取决于黑素细胞中半胱氨酸的水平，可生成真黑素或褐黑素。真黑素主要与深色头发和皮肤相关，在半胱氨酸水平较低时通过自发环化和氧化产生。多巴色素是真黑素代谢的连接点，可生成5,6-二羟基吲哚-2-羧酸（DHICA）或5,6-二羟基吲哚（DHI）。在多巴色素互变异构酶存在时，多巴色素经异构化反应转化为DHICA，再经酪氨酸酶氧化聚合为吲哚-5,6-醌-2-羧酸（IQCA），随后经一系列化学反应生成真黑素。当多巴色素互变异构酶活性较低时，多巴色素经自发脱羧和重排产生DHI，DHI被氧化为吲哚-5,6-醌，再参与偶联反应和氧化还原循环，最终产生真黑素。对于半胱氨酸水平较高的黑素体，则产生更多褐黑素。褐黑素是与红发或金发及较浅肤色相关的黄至红棕色色素。在此情况下，半胱氨酸被掺入DQ形成半胱氨酰多巴异构体，进一步氧化为半胱氨酰-DQ，随后环化和重排形成苯并噻嗪和苯并噻唑中间体，聚合后最终合成褐黑素。

2.14. G. 临床意义

眼皮肤白化病1型由TYR基因双等位基因突变引起，导致酪氨酸酶功能降低。患者表现为黑色素合成极低或缺失，临床表现为白发、白睫毛、乳白皮肤及浅蓝色或透明外观的眼睛。在PAH缺乏症中，当Tyr水平较低时，黑色素等代谢产物无法正常合成，已报道黑色素浓度降低。黑色素减少可导致皮肤和头发颜色变浅（色素减退），这是PAH缺乏症患者的常见特征。尽管黑色素缺乏通常无需治疗（仅需眼睛和皮肤防护），但低Tyr、低黑色素与PAH缺乏症表型表现之间的明确联系，凸显了亚临床与临床结局之间的广泛关联。

3. 运用系统生物学视角增强对综合性PAH通路及相关临床意义的理解

综合性PAH通路对代谢和健康研究具有广泛意义。血Phe水平通过Guthrie足跟采血检测在几乎所有新生儿中测量，Phe水平升高提示PAH缺乏症诊断。该疾病表现具有严重程度谱系，经典型PKU（血Phe水平 > 1200 μmol/L）最为严重，mHPA（血Phe水平介于120至600 μmol/L之间）最轻。PAH缺乏症中Phe向Tyr的转化主要受损，这些氨基酸的参考范围已广泛建立。安全血Phe水平因年龄、症状严重程度和妊娠等个体化因素而异。从出生即接受治疗的患者被视为“早期治疗”患者，虽可避免严重症状（如重大发育迟缓、学习障碍），但仍常出现焦虑、抑郁、注意力难以集中、脑雾等症状。然而，除Phe和Tyr外，下游代谢产物和其他氨基酸相互作用的临床监测目前尚未实施。BH₄是该综合性代谢通路中广泛涉及的辅因子，其缺乏可产生广泛的代谢后果。BH₄缺乏时，PAH酶功能受损，Phe向Tyr的羟基化受损。此外，BH₄亦是色氨酸羟化酶和酪氨酸羟化酶的辅因子，因此BH₄缺乏个体在Trp和Tyr代谢方面受到额外限制，影响神经和认知功能相关下游代谢产物的有效生成。Phe、Tyr和Trp之间存在复杂相互作用，血清素和儿茶酚胺系统可作用于相同脑区，并对情绪和精神疾病产生相似影响。此外，升高的Phe水平已被证明可竞争性抑制酪氨酸羟化酶和色氨酸羟化酶，这可能为PAH缺乏症患者中报道的较低神经递质浓度提供更有力的机制解释。采用系统生物学方法管理PAH缺乏症可促进更具针对性的治疗。尽管该人群的治疗在减轻严重共病方面总体成功，但许多患者仍经历精神健康问题、注意力难以集中、睡眠障碍等症状。对PAH缺乏症患者进行超越Phe和Tyr的代谢谱分析是更好地表征该疾病并理解下游代谢扰动临床影响的重要下一步。

4. 结论

综合性PAH通路的叙述和可视化描绘突出了Phe向Tyr的代谢，包括下游代谢产物的生成。该通路紊乱可导致PAH缺乏症（如PKU），其特征为毒性水平Phe的积累，导致神经功能障碍及其他重大健康风险，尤其在未经治疗时。对PAH通路及其与其他相关生物学通路相互作用的全面概念化，对于增进对氨基酸代谢的理解至关重要。系统生物学视角可通过增进对PAH缺乏症相关健康和疾病结局的理解来改善患者护理。据研究人员所知，这是首篇全面绘制和描述该综合性通路（包括下游代谢产物生成）的文章。增进对该通路的理解可能有助于在未来PAH缺乏症及其他人群的生物医学健康与疾病研究中采用系统生物学视角。