糖尿病已成為全球性的重大公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)，其核心病理生理環(huán)節(jié)之一是胰島β細(xì)胞功能進(jìn)行性衰竭，導(dǎo)致胰島素分泌不足。在2型糖尿病中，支鏈氨基酸（BCAA）水平的升高已被廣泛觀察到，并與胰島素抵抗密切相關(guān)。然而，一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是：這些代謝物的變化究竟是糖尿病的“果”，還是參與驅(qū)動(dòng)疾病進(jìn)展的“因”？更重要的是，除了影響肝臟、肌肉等外周組織的胰島素敏感性，這些循環(huán)中升高的代謝物是否會(huì)“毒性”地直接影響胰島素的生產(chǎn)者——胰島β細(xì)胞本身的功能？這如同在馬年新春探尋生機(jī)之源頭的奧秘，解答這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于理解糖尿病發(fā)病全貌和尋找新的干預(yù)策略至關(guān)重要。

為了回答這些問(wèn)題，一支研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，深入揭示了支鏈氨基酸代謝下游產(chǎn)物——支鏈α-酮酸（BCKA）在損害β細(xì)胞功能中的核心作用及其分子機(jī)制。他們的研究發(fā)現(xiàn)，BCKA能直接抑制人胰島、小鼠胰島及小鼠β細(xì)胞的葡萄糖刺激的胰島素分泌（GSIS）和葡萄糖代謝通量。在糖尿病患者中，循環(huán)BCKA水平升高與胰島素分泌能力呈負(fù)相關(guān)。機(jī)制上，BCKA并非通過(guò)常規(guī)猜想途徑，而是巧妙地“劫持”了β細(xì)胞的代謝程序。正常情況下，β細(xì)胞為高效產(chǎn)生能量（ATP）以觸發(fā)胰島素分泌，會(huì)極力抑制將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸的酶——乳酸脫氫酶A（LDHA），此現(xiàn)象被稱為“β細(xì)胞不允許（β-cell disallowed）”代謝特征。而B(niǎo)CKA則直接結(jié)合LDHA蛋白，促進(jìn)其形成有活性的二聚體，從而重新激活了這個(gè)被壓抑的LDHA-乳酸代謝軸。這使得葡萄糖代謝流從高效的TCA循環(huán)“短路”分流至乳酸生成，減少了驅(qū)動(dòng)胰島素釋放的能量供給，最終導(dǎo)致GSIS受損。在動(dòng)物模型中，β細(xì)胞特異性敲除LDHA能夠逆轉(zhuǎn)BCKA喂養(yǎng)引起的糖耐量異常和胰島素分泌缺陷。這項(xiàng)研究首次闡明了BCKA通過(guò)重新激活LDHA破壞β細(xì)胞代謝與分泌功能的具體通路，將異常的支鏈氨基酸代謝與糖尿病β細(xì)胞功能障礙直接聯(lián)系起來(lái)，為針對(duì)該代謝軸開(kāi)發(fā)糖尿病治療藥物提供了嶄新的理論依據(jù)和潛在靶點(diǎn)。

研究人員為開(kāi)展此項(xiàng)研究，綜合運(yùn)用了多種關(guān)鍵技術(shù)方法。他們使用了人胰島（來(lái)自非糖尿病和糖尿病供體）、小鼠胰島以及小鼠β細(xì)胞系（MIN6）作為研究模型。通過(guò)代謝物處理、基因敲低或過(guò)表達(dá)等手段在細(xì)胞和離體胰島水平研究功能。利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記的代謝流分析追蹤葡萄糖的命運(yùn)。通過(guò)分子對(duì)接、表面等離子共振、酶活性分析及點(diǎn)突變等技術(shù)深入探究BCKA與LDHA的直接互作及其對(duì)酶活性的影響。在體內(nèi)研究中，他們構(gòu)建了β細(xì)胞特異性LDHA敲除小鼠，并結(jié)合高脂飲食誘導(dǎo)的糖尿病模型，通過(guò)口服糖耐量試驗(yàn)、高血糖鉗夾技術(shù)及胰島素分泌測(cè)定來(lái)評(píng)估整體糖代謝和β細(xì)胞功能。臨床關(guān)聯(lián)分析則基于糖尿病患者隊(duì)列的血液代謝組學(xué)與胰島素分泌功能參數(shù)。

研究人員首先發(fā)現(xiàn)，用BCKA處理人胰島、小鼠胰島及MIN6細(xì)胞，能夠顯著抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌。利用¹³C標(biāo)記的葡萄糖進(jìn)行代謝流分析，證實(shí)BCKA減少了葡萄糖進(jìn)入TCA循環(huán)的碳流量。

對(duì)糖尿病患者隊(duì)列數(shù)據(jù)的分析顯示，血液中BCKA的濃度與基于高血糖鉗夾測(cè)定的胰島素分泌指數(shù)（第一時(shí)相和第二時(shí)相）均呈顯著負(fù)相關(guān)，提示BCKA與人類β細(xì)胞功能障礙存在臨床關(guān)聯(lián)。

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，給小鼠喂食BCKA或通過(guò)藥物抑制其分解代謝，可導(dǎo)致GSIS受損和糖耐量異常。反之，使用藥物降低糖尿病小鼠體內(nèi)的BCKA水平，則能改善其糖耐量和GSIS，且在雄性和雌性小鼠中均有效。

機(jī)制探索表明，BCKA處理使β細(xì)胞的代謝發(fā)生重編程，表現(xiàn)為乳酸生成顯著增加，而丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)減少。蛋白質(zhì)組學(xué)和酶活性分析顯示，BCKA特異性增強(qiáng)了LDHA的活性，而非其mRNA或蛋白表達(dá)量。

進(jìn)一步的生物化學(xué)和生物物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，BCKA能夠直接與LDHA蛋白結(jié)合。分子對(duì)接模擬預(yù)測(cè)了結(jié)合口袋，點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)了關(guān)鍵結(jié)合位點(diǎn)。BCKA的結(jié)合促進(jìn)了LDHA活性二聚體的形成，從而激活其酶功能。

為確認(rèn)LDHA在此通路中的必要性，研究人員構(gòu)建了β細(xì)胞特異性LDHA敲除小鼠。在高脂飲食背景下，與野生型小鼠相比，敲除LDHA能完全阻止BCKA喂養(yǎng)所引起的GSIS損害和糖耐量減退，明確證明了LDHA是BCKA發(fā)揮毒性作用的核心介質(zhì)。

該研究的結(jié)論清晰地表明，支鏈氨基酸代謝異常產(chǎn)生的支鏈α-酮酸，是連接代謝紊亂與胰島β細(xì)胞功能缺陷的關(guān)鍵分子。它通過(guò)直接結(jié)合并激活原本在β細(xì)胞中被“禁用”的乳酸脫氫酶A（LDHA），重新啟動(dòng)了LDHA-乳酸代謝軸。這一代謝轉(zhuǎn)換劫持了葡萄糖代謝流，使其從產(chǎn)能的TCA循環(huán)轉(zhuǎn)向產(chǎn)乳酸，最終導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)胰島素分泌的能量供應(yīng)不足，GSIS受到抑制。在討論中，作者強(qiáng)調(diào)了這一發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)意義：它不僅為“支鏈氨基酸代謝異常如何參與2型糖尿病發(fā)病”這一長(zhǎng)期問(wèn)題提供了β細(xì)胞角度的全新機(jī)制性答案，更重要的是，LDHA-乳酸軸作為一個(gè)可藥物化的靶點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)旨在保護(hù)或恢復(fù)β細(xì)胞功能的新型糖尿病療法開(kāi)辟了全新的途徑。這項(xiàng)研究將循環(huán)代謝物、細(xì)胞代謝重編程與關(guān)鍵酶的直接調(diào)控精密地串聯(lián)起來(lái)，為理解代謝性疾病中器官間對(duì)話和細(xì)胞內(nèi)在代謝調(diào)節(jié)提供了重要范式。