非酒精性脂肪肝病（NAFLD）是由肝脏脂肪过度堆积所引发的一系列肝脏病症，可能逐步发展为脂肪性肝炎（NASH）、肝纤维化、肝硬化，甚至导致肝癌及其他终末期肝脏疾病的发生。目前，脂肪肝在全球成年人中的发病率已高达三分之一左右，但仅有一款针对NASH的药物刚刚获得FDA批准。近年来，鉴于该疾病中广泛存在的代谢功能障碍，其更名为代谢相关脂肪性肝病（MASLD）及肝炎（MASH），以准确描述疾病的特征及成因。然而，脂肪肝的发生发展涉及到复杂的代谢重编程，其背后的代谢本质仍未得到充分阐明。
脂质从头合成（DNL）是指利用碳水化合物和蛋白质等前体合成脂肪的过程，其升高是肥胖人群脂肪肝的核心代谢变化之一【1】，因此也成为了治疗该疾病的明星靶点。尽管靶向DNL关键酶（如ACC和ACLY）的药物效果良好，这种一刀切的治疗方式也带来了一些毒副作用，这意味着对肝脏脂肪合成途径的理解亟待加深。其中，营养物质的吸收和代谢为脂质从头合成提供了基本的前体物质，这对于维持脂合成的活性至关重要。然而，关于脂肪合成前体的定量分析存在诸多的固有限制，尽管前人为之付出了半个多世纪的努力，肝脏中超过一半的脂肪酸前体来源仍然隐匿在迷雾之中【2】。
2024年10月25日，中科中山药物创新研究院（ZIDD）国际中心廖一烈、新加坡科技研究局（A*STAR）分子细胞研究所（IMCB）韩卫平团队、广州实验室傅肃能团队以及清华大学生命科学学院合作，在Cell Metabolism杂志上发表题为Amino acid is a major carbon source for hepatic lipogenesis的研究论文。该研究首次鉴定了肝脏新生脂肪酸中超过70%的碳原子来源，揭示了膳食蛋白质和氨基酸代谢在肝脏脂合成及脂肪肝发生发展中的核心作用。
为了应对上述挑战，研究团队首先利用美国国家健康和营养检查调查（NHANES）数据库进行了流行病学分析，初步探究了三大宏量营养素（碳水化合物、蛋白质、脂肪）与脂肪肝病的关系。令人意外的是，传统认为的主要脂合成底物——碳水化合物与脂肪肝病的发病率无显著关联，只有蛋白质的摄入与MASLD风险的增加有关。在MASH方面，摄入高膳食蛋白质的人群发病率增加了近一倍（与摄入高脂的人群相当），而高碳水摄入反而与更低的疾病风险相关。这一与既有认知相悖的发现，暗示肝脏可能具有特殊的营养代谢模式。
流行病学的结果指出，蛋白质及其代谢产物氨基酸（amino acid, AA）在脂肪肝的发生发展中可能发挥着重要作用。因此，研究团队分离了小鼠的原代肝脏细胞，并通过代谢流（metabolic flux）分析直接定量不同营养物质在肝细胞代谢中的贡献。底物偏好性测试的数据表明，氨基酸是肝细胞线粒体呼吸的主要底物。13C同位素示踪实验的结果显示，葡萄糖（glucose）对肝细胞三羧酸循环（TCA cycle）的贡献小于5%，而谷氨酰胺（glutamine）的贡献约为60%。这说明在肝细胞的中心碳代谢中，葡萄糖的直接贡献极低，而氨基酸是三羧酸循环的主要底物。
TCA是脂质从头合成最重要的前体物质来源。研究团队进一步对肝细胞的脂肪酸进行了13C标记，发现与TCA的结果一致，谷氨酰胺为肝细胞中新生脂肪酸提供的碳原子明显多于葡萄糖（高出8~40倍），其贡献与果糖相当。然后，研究团队对6种主要的营养底物进行了系统的比较，结果显示，乳酸、乙酸、氨基酸（谷氨酰胺、丙氨酸、19或20种氨基酸的混合物）对肝细胞脂肪酸合成的贡献相当，均显著高于葡萄糖。在体外培养环境的底物浓度下，氨基酸是原代肝细胞脂合成中最主要的碳供体。
为了在生理条件下验证这一结论，研究团队将13C标记的葡萄糖和氨基酸（15%+5%）分别掺入水中并喂养小鼠，进行24小时的同位素标记。利用这一系统，研究团队首次在活体水平上实现了对脂肪酸的高效标记，前所未有地追踪到了肝脏脂合成中约75%的膳食碳源（Liao et al. bioRxiv 2021）【3】。在体内，葡萄糖和氨基酸的碳原子对肝脏新合成的脂肪酸均有显著贡献，在相同质量下，肝脏利用氨基酸进行脂合成的效率是葡萄糖的2倍左右。体内外的结果共同说明，葡萄糖的碳原子主要通过在肝脏外合成次级代谢物（乳酸、乙酸、非必需氨基酸等）来为脂合成提供碳源，而氨基酸则可以直接通过肝脏代谢进入脂合成途径。最终，膳食中的葡萄糖和氨基酸（质量比3:1）分别贡献了45%和30%的新合成脂肪酸。
氨基酸对肝脏脂合成显著且直接的贡献，暗示其代谢可以作为脂肪肝的治疗靶点。研究者进一步检测了脂肪肝模型——肥胖小鼠（ob/ob）中的代谢变化，发现肥胖小鼠肝脏中逆向TCA（还原型羧化）增强，正向TCA介导的氨基酸氧化分解减弱，从而使氨基酸更多地汇入脂合成中。然后，研究者用抑制剂或基因沉默的方式抑制氨基酸摄入或还原型羧化后，的确能够明显抑制肝细胞的脂肪积累。相反，研究者通过在肥胖小鼠肝脏中过表达谷氨酸脱氢酶（GLUD1），将原本去往脂合成的氨基酸代谢流重新导向彻底氧化分解后，降低了脂合成的底物可及性，最终显著缓解了肥胖小鼠的肝脏脂肪变性。
最后，流行病学与代谢流的分析结果提示，限制膳食蛋白（氨基酸的主要来源）的摄入可能有助于脂肪肝的防治。为了证明这一假设，研究团队制作了低蛋白饲料（low protein diet, LPD），对肥胖小鼠进行喂养。结果显示，与对照组（蛋白占比25%）相比，低蛋白组（蛋白占比5%）小鼠的肝脏脂滴明显变小，肝损伤减轻（血液中的谷丙转氨酶ALT活性降低）。转录组学数据也表明，低蛋白组小鼠肝脏中脂合成通路的基因显著下调。同时，低蛋白饮食喂养也减轻了小鼠的体重，但这可能与它对食欲的抑制有关。除了氨基酸作为底物的功能外，这背后可能还涉及了包括氨基酸介导的信号转导在内的复杂作用机制。总之，低蛋白饮食可以减轻肥胖小鼠的脂肪肝，而对肝纤维化、肝硬化等疾病的影响有待进一步探究。
研究者强调，氨基酸在脂合成中的重要作用，并不意味着营养学意义上的高蛋白饮食会加重脂肪肝。实际上，高蛋白饮食（能量占比≥35%）被证明可以减少肝脏脂肪堆积，所以膳食蛋白摄入与脂肪肝的关系整体呈现出“过犹不及”的现象。研究者指出，这可能与蛋白质或氨基酸对DNL以外的其它脂肪代谢周转途径（如脂质吸收、脂蛋白分泌、脂肪酸分解等）的不同调控有关。此外，20种氨基酸对代谢相关的信号通路存在部分相反的调控作用，如支链氨基酸（BCAA）对mTOR信号的激活，以及半胱氨酸等对食欲的抑制作用等。因此，蛋白质和氨基酸对机体代谢的复杂影响，需要更多未来的研究来阐明。
在脂肪组织中，碳水化合物是脂质从头合成的经典底物。然而，在肝脏中，葡萄糖会优先储存为糖原，只有1-2%会进入脂肪合成。大量的同位素示踪研究表明，相较于乳酸、丙酮酸、丙氨酸等中间代谢物（三碳分子），葡萄糖本身对肝脏脂肪酸合成的底物贡献极为有限。考虑到糖的摄入对肝脏脂合成具有明确的促进作用，Joseph Katz和J. Denis McGarry等科学家在1980年代提出了名为“葡萄糖悖论”的假说【4】。尽管近年来关于循环代谢物的代谢流定量分析拓宽了人们对底物代谢的理解，但这些中间代谢物通常是由膳食营养素在肠道或组织内代谢生成的，几乎不会大量存在于日常的食物之中。因此，肝脏脂合成中的大部分膳食前体来源始终扑朔迷离。在半个多世纪之后，本研究工作终于拨云见日，不仅发掘出长期被忽视的肝脏脂合成原料——氨基酸，还揭示了葡萄糖主要通过其次级代谢途径（合成乳酸、乙酸、非必需氨基酸等）为肝脏脂合成供应碳源。这与近年来Rabinowitz团队【5】、傅肃能团队【6】（详见BioArt报道：Cell Metab | 从推理到测算：傅肃能团队首次规模性测定在体代谢反应速率）的新发现一致，即（来源于葡萄糖的）乳酸是TCA及脂合成的中心底物，并填补了代谢框架中的重要一环。
时间回溯到1877年，法国生理学家克劳德·伯纳德（Claude Bernard）在他的《糖尿病讲义》中谈到，“how does the sugar act in this case-as a 'nutritive stimulator' or as a substance which is directly converted to glycogen? I am inclined to believe, I must confess, that the first suggestion is the more correct. （糖是作为‘营养刺激物’起作用，还是作为合成代谢的直接底物？我倾向于相信，前一种说法更为正确。）” 在近150年的漫长等待之后，以Rabinowitz团队、Locasale团队、傅肃能团队为代表的研究者通过一系列的代谢流分析，重新审视了这一论断和早年的同位素示踪研究，完整呈现了葡萄糖及其中间产物的代谢命运和底物贡献。而本研究工作揭下了在糖以外的另一半碳代谢底物的神秘面纱，也为“葡萄糖悖论”写下了最佳的注脚。
对于大部分的细胞而言，由于氨存在难以应付的毒性，氨基酸并非是能量代谢和脂合成的良好底物。不过，作为全身氨基酸的集散地，肝脏具有完整的氨代谢系统和极高的氨基酸代谢酶活性，在将氨基酸脱下的氨基转化为尿素后，剩余的碳需通过糖异生、氧化分解及其它的过程进行处理，这为氨基酸的碳骨架进入脂合成途径提供了可能。另一方面，肝脏是糖和脂肪的储存仓库和中转站，对这两大营养物质的净利用相对较低。研究者认为，这种代谢模式能够帮助肝脏高效进行氨基酸的处理，对其产物“物尽其用”，同时对糖的利用较为“节俭”，从而为机体储存及供应能量。此机制与肝脏为维持全身代谢平衡而“无私奉献”的特性不谋而合，保证了肝脏对营养底物利用的优先级，可能是其作为氨代谢的中心场所以及糖脂储备仓库与中转站的底层基础。
肝脏营养代谢模式图
最后，鉴于氨基酸代谢在肝脏中的核心地位，其紊乱可能成为多种肝脏功能异常和疾病的影响因素或诱因。韩卫平团队一直致力于鉴定肝癌中的代谢重编程和相关靶点，发现了BCAA等多种氨基酸的代谢异常与肝癌的发生发展密切相关【7, 8】。本文的研究工作进一步将相关机制拓展至早期肝脏疾病中，同时提示了氨基酸代谢失调可能是脂肪肝炎向肝癌转变的关键节点之一。
中科中山药物创新研究院国际中心的助理研究员廖一烈（清华大学已毕业博士生、生物岛实验室已出站博士后）为该论文的第一兼通讯作者。广州实验室傅肃能教授和新加坡科技研究局分子细胞研究所韩卫平教授为该论文的共同通讯作者。清华大学已毕业博士生刘雷、广州实验室助理研究员陈绮珊对该论文的研究工作有重要贡献。该研究工作的质谱分析主要由清华大学代谢组学平台完成，部分检测由清华大学药学技术中心协助完成。中山药创院李佳课题组为该工作提供了大力支持和帮助。
Cell Metabolism 封面图
封面图借助中国山水画的意境，以隐喻的手法描绘了氨基酸和糖的不同代谢命运：代表氨基酸的蓝色瀑布飞流直下，直接倾泻入象征肝脏脂肪堆积的池中；代表葡萄糖的红色河流大部分先流入代表糖原合成的湖泊里，其迂回曲折的支流则表示肝脏外的次级代谢（生成乳酸/乙酸等），最后通过间接途径汇入脂肪肝池中。此研究跟随前人的脚步，拨开远山的云雾，追溯到了肝脏脂肪合成的源头，终得一窥肝脏营养代谢的全貌。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413124003978
制版人：十一
1. Lambert, J.E., Ramos-Roman, M.A., Browning, J.D., and Parks, E.J. (2014). Increased de novo lipogenesis is a distinct characteristic of individuals with nonalcoholic fatty liver disease. Gastroenterology 146, 726-735. 10.1053/j.gastro.2013.11.049.
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3. Liao, Y., Liu, L., Li, H., Bai, X., Sun, F., Xiao, X. and Fu, S. (2021). Metabolic complementation between glucose and amino acid drives hepatic de novo lipogenesis and steatosis. bioRxiv, pp.2021-05.
4. Katz, J., and McGarry, J.D. (1984). The glucose paradox. Is glucose a substrate for liver metabolism? The Journal of clinical investigation 74, 1901-1909. 10.1172/JCI111610.
5. Hui, S., Ghergurovich, J.M., Morscher, R.J., Jang, C., Teng, X., Lu, W., Esparza, L.A., Reya, T., Le, Z., Yanxiang Guo, J., et al. (2017). Glucose feeds the TCA cycle via circulating lactate. Nature 551, 115-118. 10.1038/nature24057.
6. Chen, Q., Li, H., Tian, H., Lam, S.M., Liao, Y., Zhang, Z., Dong, M., Chen, S., Yao, Y., Meng, J., et al. (2023). Global determination of reaction rates and lipid turnover kinetics in Mus musculus. Cell Metabolism 35, 711-721 e714. 10.1016/j.cmet.2023.03.007.
7. Ericksen, R.E., Lim, S.L., McDonnell, E., Shuen, W.H., Vadiveloo, M., White, P.J., Ding, Z., Kwok, R., Lee, P., Radda, G.K. and Toh, H.C., et al. (2019). Loss of BCAA catabolism during carcinogenesis enhances mTORC1 activity and promotes tumor development and progression. Cell metabolism, 29(5), pp.1151-1165.
8. Ding, Z., Ericksen, R.E., Escande-Beillard, N., Lee, Q.Y., Loh, A., Denil, S., Steckel, M., Haegebarth, A., Ho, T.S.W., Chow, P. and Toh, H.C., et al. (2020). Metabolic pathway analyses identify proline biosynthesis pathway as a promoter of liver tumorigenesis. Journal of hepatology, 72(4), pp.725-735.
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