近日,中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所楊立峰研究組和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院王琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)在Life Metabolism雜志,合作發(fā)表了題為“Dietary sulfur amino acids restriction improves metabolic health by reducing fat mass”的研究論文,并選為該期的封面文章。該研究發(fā)現(xiàn)了小鼠含硫氨基酸(SAAs,包括甲硫氨酸和(半)胱氨酸)限制飲食,在不影響小鼠正常進(jìn)食和運(yùn)動(dòng)的前提下,通過(guò)調(diào)節(jié)全身各器官的葡萄糖,氨基酸和脂質(zhì)的時(shí)空代謝網(wǎng)絡(luò)重塑,可實(shí)現(xiàn)1周內(nèi)快速減脂減重達(dá)30%,并顯著改善胰島素敏感性。這為肥胖者實(shí)現(xiàn)“健康減肥”和糖尿病人增強(qiáng)胰島素敏感性的精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)干預(yù)治療,提供了理論依據(jù)和潛在的治療靶點(diǎn)。
肥胖是誘發(fā)代謝綜合征的重要危險(xiǎn)因素,目前的臨床干預(yù)手段如藥物治療、減重手術(shù)及生活方式管理可取得顯著成效,但其高昂費(fèi)用、術(shù)后安全性、長(zhǎng)期依賴(lài)及停藥后反彈等問(wèn)題,也引發(fā)公眾相關(guān)困擾。近年來(lái)廣泛研究的飲食干預(yù)策略,如間歇性禁食(IF)、生酮飲食(KDs)及特定營(yíng)養(yǎng)素限制,已被證實(shí)通過(guò)增強(qiáng)代謝信號(hào),促進(jìn)脂肪氧化等方式對(duì)體重控制有效。然而,長(zhǎng)期禁食引發(fā)的情緒低落、認(rèn)知障礙、毛囊干細(xì)胞死亡以及長(zhǎng)期高脂肪攝入引發(fā)的血脂、胃腸道異常等問(wèn)題都難以避免。在限制特定營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入的方法中,飲食氨基酸限制已被證實(shí)是一種強(qiáng)有效的抗肥胖策略。限制支鏈氨基酸(BCAAs)的攝入量,可通過(guò)抑制mTORC1活性、促進(jìn)線粒體呼吸,從而增加能量消耗。但因BCAAs在肌肉蛋白質(zhì)合成中的重要性,其攝入限制在不同人群中的安全性和適用性仍有待考量。SAAs也因其在慢病進(jìn)展中的多方面作用,近年來(lái)備受關(guān)注。甲硫氨酸限制被發(fā)現(xiàn)在不同物種中均與壽命延長(zhǎng)、胰島素敏感性增強(qiáng)及氧化應(yīng)激減少相關(guān),(半)胱氨酸則在氧化還原穩(wěn)態(tài)及鐵死亡(ferroptosis)等領(lǐng)域,尤其是腫瘤學(xué)中被廣泛研究。然而,甲硫氨酸與(半)胱氨酸的單獨(dú)及聯(lián)合作用對(duì)減重的調(diào)控機(jī)制仍不清楚。
本研究采用熱量相同的飲食方案,以小鼠為研究對(duì)象 ,系統(tǒng)對(duì)比了不同濃度的含硫氨基酸限制飲食(SAAR)和支鏈氨基酸限制飲食(BCAAR)對(duì)減肥相關(guān)代謝的影響。即與標(biāo)準(zhǔn)氨基酸飲食相比,去除(半)胱氨酸并將甲硫氨酸含量降低至1/6,在1周內(nèi)即可引發(fā)體重下降約30%,其中雄性小鼠的性腺白色脂肪組織重量減少了75%,雌性小鼠減少55%。而BCAAR僅顯示出輕微的體重減輕并存在性別差異。更重要的是,即使在每周SAAR飲食和標(biāo)準(zhǔn)氨基酸飲食交替干預(yù)模式下,SAAR的益處仍得以維持。在保留肌肉、心臟等重要生存器官質(zhì)量的同時(shí),小鼠正?;顒?dòng)和食欲也完全不受影響,而胰島素的敏感性顯著性增強(qiáng)。
為了進(jìn)一步研究SAAR減脂減重的調(diào)控機(jī)制,研究人員利用糖、氨基酸和脂質(zhì)的不同種類(lèi)穩(wěn)定同位素示蹤,分別在生理?xiàng)l件和肥胖模型小鼠中,追蹤體內(nèi)各個(gè)器官的代謝變化:在進(jìn)食期間,SAAR增加了葡萄糖攝取和三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))在各器官中的代謝流量,以保證小鼠的正常生命活動(dòng)。同時(shí)抑制了白色脂肪組織(WAT)和肝臟中的脂質(zhì)從頭合成,導(dǎo)致小鼠脂肪來(lái)源受阻;在禁食期間,SAAR動(dòng)員全身脂肪庫(kù),增強(qiáng)脂肪降解,產(chǎn)生大量游離脂肪酸并增強(qiáng)β氧化進(jìn)行供能。由此,SAAR通過(guò)對(duì)糖、氨基酸和脂質(zhì)的系統(tǒng)性時(shí)空代謝重塑,實(shí)現(xiàn)了小鼠的健康減脂減重,并顯著增強(qiáng)胰島素敏感性。
此外,研究團(tuán)隊(duì)為了探明SAAR的減重效應(yīng)是由甲硫氨酸和/或(半)胱氨酸主導(dǎo),對(duì)小鼠回補(bǔ)了各類(lèi)含硫氨基酸相關(guān)代謝物,如葉酸類(lèi)物質(zhì)、S-腺苷甲硫氨酸、甜菜堿、N-乙酰-D-半胱氨酸、谷胱甘肽、H?S、輔酶A和?;撬幔茨芑謴?fù)體重和脂肪含量;而只有補(bǔ)充(半)胱氨酸或N-乙酰-L-半胱氨酸才可完全逆轉(zhuǎn)SAAR引發(fā)的減重效應(yīng),恢復(fù)脂肪細(xì)胞大小并消除脂肪流失。這表明甲硫氨酸產(chǎn)生的(半)胱氨酸或者來(lái)自食物中的(半)胱氨酸才是調(diào)控減脂減重的關(guān)鍵代謝物。接著通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)添加不同濃度的(半)胱氨酸孵育脂肪細(xì)胞,進(jìn)一步驗(yàn)證了(半)胱氨酸缺失,將直接抑制脂肪細(xì)胞的脂質(zhì)合成,且該效應(yīng)獨(dú)立于鐵死亡和氧化還原穩(wěn)態(tài)。
最后研究團(tuán)隊(duì)將以上結(jié)果拓展到臨床糖尿病探究中,發(fā)現(xiàn)糖尿病患者血漿中的(半)胱氨酸水平與體重指數(shù)和總甘油三酯水平呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān),進(jìn)一步凸顯出(半)胱氨酸是肥胖癥的潛在調(diào)節(jié)因子。
綜上,本研究揭示了SAAR飲食在不影響食欲和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)調(diào)節(jié)全身葡萄糖,氨基酸和脂質(zhì)代謝的平衡,實(shí)現(xiàn)快速減重,從而改善代謝健康(圖1),這與近期Nature?期刊Evgeny Nudler團(tuán)隊(duì)和Nature Metabolism期刊上Vishwa Deep Dixit團(tuán)隊(duì)的報(bào)道結(jié)果遙相呼應(yīng),為解決肥胖問(wèn)題的精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)干預(yù)提供了新的思路和治療靶點(diǎn)。然而SAAs限制對(duì)人類(lèi)健康的益處或潛在的危害尚未得到完全挖掘,仍需要更多研究驗(yàn)證其分子機(jī)制并挖掘其在臨床上的潛在應(yīng)用價(jià)值。
中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所楊立峰研究員、陶用珍副研究員和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院王琳研究員為本論文的共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所博士研究生辛晨浩、蔡明成、賈千禧為本論文的共同第一作者。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院非營(yíng)利性中央研究院基金、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)資金、北京市自然科學(xué)基金的資助。同時(shí)也得到了上海長(zhǎng)征醫(yī)院李圣賢主任,中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所陳雁研究員、丁秋蓉研究員、周章森研究員以及所級(jí)公共技術(shù)中心的幫助和支持。
文章鏈接:
https://doi.org/10.1093/lifemeta/loaf009

圖1:SAAR飲食對(duì)小鼠體重及碳水化合物-脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響

圖2:被選為當(dāng)期封面文章