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Cell丨Jonathan Long/徐勇合作揭示β-羟基丁酸旁路途径可以通过产生酮代谢物抑制进食、对抗肥胖

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-13 00:00

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β-羟基丁酸 （β-hydroxybutyrate， BHB ）是哺乳动物体内大量存在的一种酮体。鉴于BHB对于肥胖、糖尿病、癌症、以及与年龄相关的慢性疾病具有潜在的改善效果，近年来通过禁食、长时间运动、营养酮症等方式增加BHB的研究引起广泛关注。目前已知的所有BHB的代谢通路都是BHB与初级代谢产物之间的相互转化，为直接合成ATP提供能量。当葡萄糖供应不足、脂肪分解增加时，BHB在肝脏中合成并向外周组织输送能量。大脑和心脏等组织随即通过分解BHB产生ATP，并通过G蛋白欧联受体、蛋白质翻译后修饰、以及核组蛋白抑制等不同的分子机制发挥信号传导功能。BHB除了上述的经典途径，是否还存在其它的调控途径呢？

2024年11月12日，美国斯坦福大学 Jonathan Z. Long 教授和贝勒医学院徐勇教授展开合作在 Cell 上发表了文章 A β-hydroxybutyrate shunt pathway generates anti-obesogenic ketone metabolites ， 首次揭示了β-羟基丁酸（β-hydroxybutyrate，BHB）旁路途径可以产生酮代谢物，从而抑制进食、抵抗肥胖。

BHB与乳酸在结构、功能上都相似，并且都可以在特定的生理情况升高至毫摩尔浓度。之前的研究发现 胞质非特异性二肽酶2 （ CNDP2 ）可以催化乳酸和氨基酸的缩合反应 【1】 。Jonathan Z. Long教授课题组之前已证实这个生化通路与生理状态下的体内合成酶反应相关，即运动和二甲双胍可以诱导产生N-乳酰-苯丙氨酸（Lac-Phe），这种含量最高的N-乳酰-氨基酸可以抑制进食 【2】 。基于这些发现，研究人员大胆猜测CNDP2除了以乳酸为底物外，还可以以BHB为底物。如果证实，这意味着CNDP2介导的氨基酸β-羟基丁酰化（BHB-ylation）是一种此前未知的BHB代谢通路。

研究人员首先通过体外、体内等一些列实验证实了CNDP2催化氨基酸的BHB酰化反应。具体方法是在有或者没有CNDP2转染的情况下，用来自HEK293T细胞的细胞裂解物孵育BHB和苯丙氨酸（Phe），并通过代谢组学结合液相层析-质谱联用的分析技术（LC-MS）检测缩合的β-羟基丁酰-苯丙氨酸（BHB-Phe）。与对照组相比，CNDP2转染的细胞裂解物中的氨基酸的BHB酰化活性增加了140多倍，证实了CNDP2调控BHB-Phe的合成。同时，与其他疏水性氨基酸相比，CNDP2对以Phe为底物的BHB酰化反应的速率最高。为了比较CNDP2介导的BHB酰化和N-乳酰化的动力学，研究人员利用纯化的带有FLAG蛋白标签的CNDP2进行了动力学分析后发现BHB对于CNDP2的活性位点的亲和性比乳酸更高。此外，小鼠的肾脏、肠道、大脑、肝脏等组织表达CNDP2蛋白并且具有BHB-Phe合成活性。敲除CNDP2后，小鼠多个组织中的BHB-Phe合成活性降低。通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术敲除CNDP2后发现BHB-氨基酸活性几乎被完全消除，提示人源细胞中存在内源性氨基酸BHB酰化作用，并且主要由CNDP2介导。

CNDP2催化BHB酰化反应，那么其产物BHB-氨基酸是不是内源性的代谢物呢？研究人员设计并通过靶向代谢组学的方法确定了小鼠血浆中含有BHB-氨基酸。同时观察到一个星期生酮饮食、24小时禁食、以及口服酮酯饮料后小鼠血浆中BHB-氨基酸的水平会升高2-10倍。遗传切除CNDP2的小鼠中，生酮饮食或者口服酮酯饮料后BHB-氨基酸的水平都降低了超过90%。这些结果均提示BHB-氨基酸的内源性特性并且可以通过酮症诱导。

BHB-Phe和Lac-Phe具有化学相似性，并且都与CNDP2介导的生物合成通路有关。研究人员由此提出疑问，BHB-Phe会不会有类似Lac-Phe的调控食物摄入和体重的作用（详见BioArt报道：专家解读Nature丨“迈开腿也能管住嘴？” ——运动产生的抑食减肥小分子） 【3】 ？在代谢笼或家笼中，给高脂饮食诱导的肥胖小鼠单剂量注射BHB-Phe （50mg/kg）可以显著抑制进食，与进食相关的激素如ghrelin，leptin，GDF15等并未发生变化。多剂量注射BHB-Phe （50mg/kg）可以显著抑制进食、降低体重增加，并降低谷丙转氨酶、天门冬氨酸转移酶、甘油三酯等。

研究人员还探索了BHB-Phe抑制进食的神经生物机制。通过遗传或药物等方法测试了与进食紧密相关的MC4R、GLP1-R、GDF15等通路，发现它们并不相关。之后，研究人员利用依赖神经元活性（c-Fos）的遗传标记手段发现了被BHB-Phe激活的神经元（TRAP mice）。注射BHB-Phe后，被激活的神经元将被依赖c-Fos活性的tdTomato荧光蛋白永久标记（TRAP-tdTomato）。BHB-Phe激活多个与进食相关的下丘脑与脑干的神经核团，并且与Lac-Phe激活的脑区不尽相同。

此项工作扩展了我们对于BHB代谢通路的认识，首次揭示了BHB旁路途径可以通过产生酮代谢物抑制进食、对抗肥胖，为防治肥胖以及与其相关的慢性疾病提供新的可能。

Jonathan Z. Long实验室的Maria Dolores Moya-Garzon博士、徐勇实验室的王梦婕博士，以及Long实验室的博士生Veronica L. Li为共同第一作者。徐勇教授和Jonathan Z. Long教授为共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.032

制版人：十一

参考文献

1. Jansen RS, Addie R, Merkx R, Fish A, Mahakena S, Bleijerveld OB, Altelaar M, L IJ, Wanders RJ, Borst P, van de Wetering K. N-lactoyl-amino acids are ubiquitous metabolites that originate from CNDP2-mediated reverse proteolysis of lactate and amino acids. Proc Natl Acad Sci U S A . 2015;112(21):6601-6. Epub 20150511. doi: 10.1073/pnas.1424638112. PubMed PMID: 25964343; PMCID: PMC4450436.

2. Xiao S, Li VL, Lyu X, Chen X, Wei W, Abbasi F, Knowles JW, Tung AS, Deng S, Tiwari G, Shi X, Zheng S, Farrell L, Chen ZZ, Taylor KD, Guo X, Goodarzi MO, Wood AC, Chen YI, Lange LA, Rich SS, Rotter JI, Clish CB, Tahir UA, Gerszten RE, Benson MD, Long JZ. Lac-Phe mediates the effects of metformin on food intake and body weight. Nat Metab . 2024;6(4):659-69. Epub 20240318. doi: 10.1038/s42255-024-00999-9. PubMed PMID: 38499766; PMCID: PMC11062621.

3. Li VL, He Y, Contrepois K, Liu H, Kim JT, Wiggenhorn AL, Tanzo JT, Tung AS, Lyu X, Zushin PH, Jansen RS, Michael B, Loh KY, Yang AC, Carl CS, Voldstedlund CT, Wei W, Terrell SM, Moeller BC, Arthur RM, Wallis GA, van de Wetering K, Stahl A, Kiens B, Richter EA, Banik SM, Snyder MP, Xu Y, Long JZ. An exercise-inducible metabolite that suppresses feeding and obesity. Nature . 2022;606(7915):785-90. Epub 20220615. doi: 10.1038/s41586-022-04828-5. PubMed PMID: 35705806; PMCID: PMC9767481.

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