低蛋白飲食可以促進嚙齒動物和人類的代謝健康，而低蛋白飲食的益處可通過在飲食中特異性減少3種支鏈氨基酸（branched-chain amino acid，BCAA）：亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的水平來實現(xiàn)（是不是很方便?。?，但究竟是哪種支鏈氨基酸在從中作梗？3種BCAA起作用的機制又有何異同？以往的研究并有對 BCAA 的種類進行細分，也沒有進行深入的機制探索。本研究證明了每種BCAA都有不同的代謝效應。首先，低異亮氨酸（Ile）飲食可以使肝臟和脂肪進行代謝重編程，來增加肝臟胰島素敏感性和酮體生成，增加能量消耗，激活FGF21-UCP1軸。而低纈氨酸（Val）飲食可以帶來相近但更溫和的代謝益處，但是低亮氨酸（Leu）飲食則不會產(chǎn)生上述作用。再者，本研究發(fā)現(xiàn)，減少異亮氨酸或纈氨酸攝入可以迅速恢復飲食誘導的肥胖小鼠的代謝健康。重要的是，本研究證明了飲食中異亮氨酸水平與人體的BMI指數(shù)密切相關，并揭示了異亮氨酸是代謝健康和飲食中BCAA不良代謝反應的關鍵調(diào)節(jié)因子，提出了減少飲食攝入異亮氨酸作為治療和預防肥胖和糖尿病的新方法。1、減少異亮氨酸或纈氨酸（而非亮氨酸）可促進小鼠的代謝健康
2、低蛋白飲食的代謝益處需要減少異亮氨酸攝入
3、FGF21部分介導限制異亮氨酸攝入的代謝益處
4、人類飲食中異亮氨酸的水平與BMI指數(shù)呈正相關
肥胖在世界范圍內(nèi)仍是一個日益嚴重的健康問題，在大多數(shù)國家中的患病率正在迅速上升。肥胖也是導致糖尿病、心血管疾病、癌癥和阿爾茨海默氏癥等其他疾病的危險因素之一。雖然通過節(jié)食來減少熱量攝入是預防這一流行病的有效解決方案之一，但通過長期限制熱量攝入去減肥，對大多數(shù)人來說是很難做到的。最近，越來越多的研究證明，攝入膳食蛋白，特別是動物來源的蛋白質(zhì)，會增加糖尿病、胰島素抵抗和癌癥的風險。多項研究發(fā)現(xiàn)，在不限制熱量攝入的情況下， 低蛋白(low-protein，LP)飲食可以降低體重，減少肥胖，降低空腹血糖，甚至延長壽命，而高蛋白飲食則與之相反。
蛋白質(zhì)作為人體最重要的營養(yǎng)素之一，對維持人體正常生理活動發(fā)揮著不可替代的作用。如果說蛋白質(zhì)在人體內(nèi)是“守衛(wèi)軍隊”，那么作為其基本單位的氨基酸就是不可缺少的“沖鋒士兵”。近年來，低蛋白飲食被廣泛認為可以促進代謝健康，并且有文獻已經(jīng)發(fā)現(xiàn)喂食LP飲食的小鼠和人類中，血漿支鏈氨基酸含量特異性降低。為了進一步探究LP飲食為什么具有如此高效的作用，Dudley W. Lamming 團隊推測，特定的氨基酸與LP飲食的有益作用有關 ，并將目光鎖定3種支鏈氨基酸上。實際上，必需氨基酸中有3種BCAA（branched-chain amino acid，支鏈氨基酸），包括亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）和纈氨酸（Val）。之前普遍認為這3種BCAA有益于健康，它們可以直接為肌肉提供能量，有助于促進訓練后的肌肉恢復；補充BCAA還可以通過減少肝細胞凋亡來延緩慢性肝病進展。但是，隨后的研究發(fā)現(xiàn)BCAA與2型糖尿病病因相關聯(lián)，在一定程度上損害了代謝健康（想更進一步的了解BCAA，歡迎前往Cell Metabolism五月刊 飲食干預專題——拓展閱讀）。例如，在人類和嚙齒動物研究中發(fā)現(xiàn)，血漿BCAA水平與胰島素抵抗、肥胖和糖尿病呈正相關。此外，當采取一定干預措施來改善肥胖和代謝健康時，血漿中BCAA的水平會隨之降低。而本文則更為詳盡地闡述了BCAA介導不良代謝效應的原因?，F(xiàn)在流行“素食主義”在一定程度上也是利用了調(diào)節(jié)BCAA水平這一概念，因為與動物源性食物相比，植物源性食物中的必需氨基酸水平更低，因此素食主義者或者食用植物源性食物的人比肉食主義者體內(nèi)的BCAA水平更低。
之前已有研究報道，特異性限制飲食中BCAA水平可以重現(xiàn)LP飲食的多種代謝效應，包括改善小鼠的終生代謝健康，延長年輕男性壽命等。在不限制熱量的情況下，特異性限制飲食中的BCAA還可以恢復西方飲食誘導的肥胖（DIO）小鼠的代謝健康，可迅速降低體重、改善肥胖和控制血糖。在肥胖大鼠模型中，低BCAA飲食同樣可以減緩脂肪積累，并保持胰島素敏感性?？偠灾?，上述研究表明了飲食中BCAA在代謝健康中起關鍵作用。雖然到目前為止，BCAA聯(lián)合使用的生理作用已被廣泛報道，但近年來關注的熱點主要集中在不同種類的BCAA是否對分子過程、新陳代謝和健康具有不同的影響。例如，有研究報道這3種BCAA激活雷帕霉素復合物1(mTORC1)蛋白激酶靶點的機制是不同的。此外，盡管不同BCAA經(jīng)歷了相似的分解代謝過程，但每種BCAA的中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物是不同的。
因此，本文提出了一個假設，即每種BCAA對LP飲食的有益效果都有不同的貢獻。研究發(fā)現(xiàn)限制Ile對于LP飲食的有益代謝作用是必不可少的，原來并不是每一個BCAA都那么“罪無可恕”的！那么，作者是如何一步步為BCAA“翻案”的呢？快跟上節(jié)奏！我們帶你一起觀看BCAA的“平反”之路！ 減少飲食中Ile可以重現(xiàn)限制BCAA產(chǎn)生的代謝效應為了探究飲食中BCAA對代謝健康的具體作用，作者設置了Ctrl AA飲食組 (一種由氨基酸定義的對照飲食，包含20種常見的氨基酸，可以反映天然飲食的結構，其中21%的熱量來自蛋白質(zhì))，在此基礎上又設置了3組氨基酸水平低于Ctrl AA組67%的飲食組，包括Low AA（低全部氨基酸）、Low BCAA (低3種支鏈氨基酸)和Low non-BCAA（低其他必需氨基酸）。這四種飲食都是等熱量飲食，脂肪水平相同，在后兩種飲食中，增加了非必需氨基酸，以保持來自氨基酸的熱量恒定。結果顯示，與飼喂Ctrl AA飲食的小鼠相比，飼喂Low AA或Low BCAA飲食的小鼠的葡萄糖耐量顯著改善，并減緩了體重增加，而限制其他必需AA對葡萄糖耐量沒有影響，且對體重的影響較小(圖1A和1B)。這些結果表明BCAA對LP飲食的代謝效應具有特殊的貢獻。
為了確定每種BCAA的作用，作者又設計了一系列新的飲食控制組，包括Low Leu(低亮氨酸)、Low Ile(低異亮氨酸)、Low Val(低纈氨酸)和Low BCAA，這些組別中氨基酸水平都低于Ctrl AA組的67%，在降低特定氨基酸的飲食中，增加了非必需的氨基酸含量，以保證從氨基酸中獲得的卡路里不變。即所有飲食都是等熱量和等脂肪含量（圖1C）。與Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，Low Ile或Low BCAA飲食喂養(yǎng)3周的小鼠糖耐量得到了顯著改善，Low Val飲食喂養(yǎng)的小鼠也表現(xiàn)出糖耐量改善的趨勢，而Low Leu飲食喂養(yǎng)對小鼠的糖耐量則沒有影響(圖1D)。PTT（丙酮酸耐量實驗，想知道具體如何操作的小朋友快去傳送門）結果也與GTT一致(圖1E和S1A)。接著作者測定了空腹和葡萄糖刺激下的血糖和胰島素水平，結果發(fā)現(xiàn)雖然Low Ile、Low Val和Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠的血糖水平較低，但不同組別之間的胰島素水平?jīng)]有顯著差異(圖S1B)。之前的研究顯示LP飲食和Low BCAA飲食都可以增加攝食量，同時促進減肥。于是作者監(jiān)測了小鼠的攝食量和體重，發(fā)現(xiàn)Low Ile或Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠在體重歸一化后攝食量增加了，但這兩組小鼠的體重、體脂（脂肪重量和瘦肉重量）都低于Ctrl AA組小鼠(圖1F和S1C-S1H)。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)在整個研究過程中，Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠體重是最輕的，而Low Val飲食喂養(yǎng)的小鼠體重也增加得較少(圖1F)。Low Ile或Low BCAA飲食喂養(yǎng)抑制了脂肪增加(圖S1G)，同時Low Ile、Low Val或Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠的瘦肉量也明顯低于Ctrl-AA組的小鼠(圖S1H)。Low Leu飲食喂養(yǎng)的小鼠的體重、脂肪量和瘦肉量與Ctrl-AA喂養(yǎng)的小鼠相似，隨著肥胖程度的增加，這些小鼠的體重有增加的趨勢。在飼喂3個月后，Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠的肥胖程度最低，并且比所有組小鼠都要瘦(圖S1I)。作者對Low Leu飲食喂養(yǎng)沒有改善小鼠代謝這一現(xiàn)象十分不解，因為之前的研究認為限制Leu是可以改善代謝健康的。于是作者猜測是否是因為Low Leu飲食中并沒有充分限制Leu含量，于是設計了ExLow Leu新的飲食控制組，其中Leu的含量減少了87%，結果發(fā)現(xiàn)嚴格限制Leu時，盡管體重略有減輕，但攝食量仍然沒有增加，也沒有導致體脂出現(xiàn)顯著變化(圖S1J-S1M)。與Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，ExLow Leu飲食喂養(yǎng)的小鼠葡萄糖耐量仍沒有改善(圖S1N和S1O)。因此，當僅減少膳食中的Ile或Val時，就可以帶來限制3種BCAA或膳食蛋白質(zhì)時產(chǎn)生的有益生理作用(圖1G)。尤其是減少Ile能有效控制血糖和體重，雖然降低Val的代謝效果不太明顯，但始終是有益的。相反，減少Leu不僅不會產(chǎn)生代謝益處，甚至可能會損害代謝健康。圖 1. 飲食限制Ile或Val（而非Leu）可以改善代謝健康
圖 S1. 飲食限制Ile或Val（而非Leu）可以改善代謝健康由于減少飲食中Ile對葡萄糖和丙酮酸耐量都有顯著影響，于是作者又額外喂養(yǎng)了一組小鼠，發(fā)現(xiàn)無論是飼喂Ctrl AA飲食還是Low Ile飲食，都可以觀察到Low Ile飲食喂養(yǎng)小鼠的糖耐量顯著改善(圖1H)。接著，作者使用高胰島素-正常血糖鉗夾來測量胰島素敏感性(圖1I-1L)，結果顯示為達到正常血糖水平，Low Ile飲食喂養(yǎng)小鼠的GIR（葡萄糖輸注率）顯著高于Ctrl AA飲食喂養(yǎng)小鼠(圖1I和1J)。根據(jù)循環(huán)中標記葡萄糖的比例來計算全身葡萄糖攝取量和肝臟葡萄糖生成量，顯示Low Ile飲食喂養(yǎng)顯著改善了小鼠肝臟的胰島素敏感性(圖1K和1L)。
降低飲食中的Ile水平對LP飲食的代謝益處是必要的
接下來，作者想要確定LP飲食是否需要降低某一種BCAA或所有3種BCAA的膳食水平來促進代謝健康。為了研究這個問題，作者進行了“added back”處理，即Low AA分別“補回”Leu（Low AA+Leu）、Ile（Low AA+Ile）和Val（Low AA+Val），或所有3種BCAA（Low AA+BCAA），使這些組別的BCAA水平恢復到Ctrl AA飲食水平，然后進行小鼠的代謝表型分析(圖2A)。與之前的結果一致，體重歸一化后，Low AA飲食喂養(yǎng)小鼠的攝食量比Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠多，而補回所有3種BCAA可以恢復攝食量，但單獨補回每種BCAA的效果不盡相同(圖2B、S2A和S2B)。GTT實驗結果表明，與Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，Low AA飲食喂養(yǎng)3周的小鼠的葡萄糖耐量顯著改善。當補回Ile或所有3種BCAA后，葡萄糖耐量改善程度有所減弱；而補回Leu或Val對小鼠的糖耐量沒有明顯影響(圖2C)。ITT實驗結果顯示，與Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，Low AA飲食喂養(yǎng)小鼠的胰島素敏感性也顯著改善，這一改善效果在補回Ile、Val或所有3種BCAA后有所減弱，但在補回Leu時沒有受到明顯影響(圖2D)。PTT實驗結果也顯示，單獨補回Ile或所有3種BCAA都可以減弱LP飲食對丙酮酸耐受性的影響，而補回Leu或Val則沒有顯著影響(圖2E)。盡管Low AA飲食喂養(yǎng)的小鼠的攝食量增加(圖2B)，但在整個研究過程中，該組別的小鼠體重都明顯低于Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠(圖2F)，且脂肪重量和瘦肉重量的增加都相應減少了(圖S2C和S2D)。單獨補回Ile或所有3種BCAA都會減弱Low AA飲食對體重和瘦肉重量的影響，補回所有3種BCAA則會完全阻斷Low AA飲食對脂肪重量的影響(圖2F、S2C和S2D)。相反，補回Val對體重或體成分沒有影響，而補回Leu則會促進脂肪和瘦肉的減少(圖2F、S2C和S2D)。代謝數(shù)據(jù)也顯示，Low AA飲食增加了小鼠的食物消耗量、呼吸交換率(RER)和能量消耗(圖S2E-S2L)。與單個BCAA對體重和體成分的影響一致，補回Ile或所有3種BCAA都削弱了Low AA飲食對能量平衡和利用的影響(圖S2E-S2L)。相反，補回Val所造成的影響最小，而補回Leu反而會導致食物消耗和能量消耗增加(圖S2E-S2L)。
研究還發(fā)現(xiàn)單獨補回Ile或所有3種BCAA會阻礙Low AA飲食對代謝健康的益處，而補回Val可部分阻止Low AA飲食改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)的能力，但不影響體重和體脂。相反，補回Leu反而會增強Low AA飲食的代謝效果（圖2G）。因此，降低飲食中Ile水平可以實現(xiàn)LP飲食的有益代謝作用，也就是說降低飲食中的Ile水平是LP飲食促進代謝健康所必需的。低Ile飲食中產(chǎn)生的代謝效應不是由肝臟mTORC1和GCN2介導的實際上，最近研究發(fā)現(xiàn)Ile、Val和Leu一樣都是mTORC1的激動劑。但令人驚訝的是，Low AA和Low Ile飲食喂養(yǎng)并沒有改變肝臟中mTORC1的下游S6和其底物4EBP1的磷酸化水平(圖3A)。于是作者進一步探究肝臟mTORC1是否直接與Low Ile飲食的代謝效應有關。
作者發(fā)現(xiàn)當用Ctrl AA或Low Ile飲食喂養(yǎng)L-TSC1 KO（肝臟特異性敲除mTORC1的負調(diào)控因子TSC1）小鼠及WT小鼠時，Low Ile飲食喂養(yǎng)的L-TSC1 KO小鼠及WT小鼠的葡萄糖耐量都能得到改善(圖3B-C)。PTT實驗結果顯示，通過Low Ile飲食喂養(yǎng)，L-TSC1 KO和WT小鼠的胰島素敏感性也有一定改善(圖S3B)。而且WT和L-TSC1 KO小鼠在飼喂Low Ile飲食后，其體重、體脂及代謝表型相似(圖3D，S3C-S3E)，這說明Low Ile飲食產(chǎn)生的代謝效應不是由肝臟中mTORC1所介導的。
于是作者將目光投向GCN2(general control nonderepressible 2，主要的氨基酸敏感激酶，它由不帶電荷的tRNAs激活，是適應缺乏氨基酸的飲食所必需的)。首先，觀察到飼喂Low AA飲食的小鼠的GCN2底物eIF2a磷酸化水平增加，下游轉錄因子ATF4表達也增加，但在Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠中沒有觀察到這些變化(圖3E)。因此，作者決定進一步研究肝臟中GCN2信號是否與Low Ile飲食的代謝效應有關，于是分別給肝臟GCN2敲除(L-GCN2 KO)小鼠和WT小鼠飼喂Ctrl AA或Low Ile飲食(圖3F)。由于GCN2已被證明對LP飲食的初期適應是至關重要的，因此作者分別在喂養(yǎng)12天后(圖S3F)和3周后(圖3G)進行GTT實驗，發(fā)現(xiàn)Low Ile飲食改善了WT和L-GCN2 KO小鼠的葡萄糖耐量，兩組小鼠的體重和體脂都有所降低(圖S3G-S3I)。綜上，作者認為Low Ile飲食并不是通過激活肝臟GCN2來促進代謝健康的(圖3H)。圖3.限制Ile的代謝效應與肝臟mTORC1和GCN2活性無關圖 S3.限制Ile的代謝效應與肝臟mTORC1和GCN2活性無關氨基酸是mTORC1的關鍵調(diào)控因子，mTORC1在營養(yǎng)物質(zhì)充分時，包括在富含生長因子、氨基酸和葡萄糖等條件下（如飽食后），能夠被激活，進而促進一系列合成代謝相關途徑的活化。不同的氨基酸既可以通過各自的受體，活化Rags（Rags亞家族是Ras小G蛋白家族的一員，可以控制mTORC1在溶酶體表面的定位，以響應營養(yǎng)水平的變化），也可以直接通過相對應的氨酰tRNA合成酶，對 Rags進行相應的修飾，從而激活mTORC1。在氨基酸水平上升時，Rags抑制分子如GATOR1能被降解，從而引起Rags的激活。此外， SLC38A9被認為是精氨酸傳感器，是一種與氨基酸轉運體同源的溶酶體跨膜蛋白，也是mTORC1通路的正調(diào)節(jié)器。Gcn2是一個主要的氨基酸敏感激酶，由不帶電荷的tRNAs激活，是適應缺乏氨基酸飲食必不可少的酶，激活的GCN2激酶通過磷酸化真核啟動因子2α(eIF2α)，可以刺激合成氨基酸相關基因的表達。有研究報道，亮氨酸的減少可以通過激活GCN2和降低mTOR/ S6K1信號來改善肝臟胰島素敏感性。此外還發(fā)現(xiàn)在缺乏亮氨酸的情況下，肝臟中脂肪生成基因的表達和脂肪酸合酶的活性受到抑制，脂肪組織中的脂質(zhì)存儲被調(diào)動。Gcn2缺陷小鼠也會發(fā)生肝脂肪變性并表現(xiàn)出脂質(zhì)動員減少。因此，研究發(fā)現(xiàn)GCN2在亮氨酸限制過程中除了調(diào)節(jié)氨基酸代謝外，還具有調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的功能。GCN2作為氨基酸傳感器，也可以將蛋白質(zhì)限制與FGF21的誘導聯(lián)系起來。 參考文獻
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接下來，作者對Ctrl AA或Low Ile飲食喂養(yǎng)3周的小鼠的肝臟進行轉錄譜和代謝組學分析，并觀察到Low Ile飲食對肝臟的基因表達產(chǎn)生了顯著影響。在禁食（fast）小鼠和重新進食（refed）小鼠中分別有184個基因和55個基因發(fā)生了顯著變化(圖4A；表S3)。通過靶向代謝組學發(fā)現(xiàn)，在fast小鼠和refed小鼠中分別有6種和24種代謝物顯著變化(圖4B)。
作者利用Metaboanalyst發(fā)現(xiàn)Low Ile飲食造成了包括碳水化合物代謝和糖酵解，BCAA降解和脂肪酸的生物合成這幾個中心代謝過程發(fā)生了改變(圖4C)。在fast小鼠中，觀察到Low Ile飲食增加了糖酵解基因表達，乙酰輔酶A和TCA循環(huán)中間產(chǎn)物琥珀酸和α-酮戊二酸的含量(圖4D)。此外，還觀察到其他2種BCAA（Leu和Val）水平降低，其分解中間產(chǎn)物HMG-CoA (β-羥基β-甲基戊二酰輔酶A)和丙酰輔酶A水平升高(圖4E)。同時Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠血液中BCAA（Ile也沒有降低）水平?jīng)]有降低，而肝臟中Leu和Val的水平呈上升趨勢，這反映BCAA分解代謝發(fā)生了改變 (圖S4B；表S3)。此外，還觀察到禁食和進食狀態(tài)下肝細胞BHB (羥基丁酸)水平升高，這表明可能是因為乙酰乙酸鹽和乙酰輔酶A增加導致酮類生成增加(圖4B)。同時，脂肪酸合成酶 (FASN)的表達顯著上調(diào)，提示脂肪生成可能增加。因此，上述結果表明，攝入Low Ile飲食后，肝臟代謝發(fā)生了極大變化。為了深入探究響應Low Ile飲食代謝效應的潛在轉錄調(diào)控因子，作者利用Magic分析工具鑒定了13個顯著富集的轉錄因子（ENCODE記錄了在多種生長和維持條件下，117個人類細胞系中684個TFs和輔助因子的2314條ChIP-seq軌跡。Magic分析工具就是使用ENCODE ChIP-seq數(shù)據(jù)尋找基因體和基因列表中的TFs和輔助因子的統(tǒng)計富集）(圖S4C)。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)了與肝臟胰島素敏感性和酮體生成密切相關的轉錄因子FOXA2，與MAGIC預測結果一致，在Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠肝臟中核FOXA2水平顯著增加(圖4F)。（小編注：FOXA2活性受定位調(diào)節(jié)，細胞質(zhì)FOXA2是不活躍的，而細胞核FOXA2是活躍的。）
圖 4. 限制ILe可重編程肝臟代謝
減少飲食中Ile可誘導FGF21-UCP1軸并促進能量消耗
轉錄圖譜分析顯示在Low Ile飲食喂養(yǎng)下，F(xiàn)OXA2的靶基因上調(diào)最多，前50個上調(diào)基因中包含F(xiàn)GF21（用轉錄圖譜分析得出）(圖4A和S4D)。FGF21是一種促進肝臟胰島素敏感性和調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)的激素，可由多種應激誘導，包括LP飲食。雖然前期工作表明，在Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠的血漿中FGF21表達沒有增加，但Low BCAA飲食會顯著誘導DIO小鼠FGF21的表達，且在進行Low BCAA飲食的糖尿病人中也能觀察到FGF21表達升高。FGF21可以促進肝酮體生成，本研究中也發(fā)現(xiàn)Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠體內(nèi)BHB水平升高(圖4B；表S3)。
肝臟中脂肪酸通過β-氧化生成大量的乙酰輔酶A，其中一部分乙酰輔酶A可以生成酮體（包括β-羥丁酸（β-OHB）、乙酰乙酸（AcAc）以及丙酮）。酮體能夠作為生物的替代燃料能源，其雖然是在肝臟中合成，但肝臟中缺乏利用酮體的酶。因此酮體需要運輸?shù)礁瓮饨M織中進行代謝。酮類代謝在心力衰竭、肥胖、NAFLD/NASH、2型糖尿病和癌癥中方面都有益處。
在氧化應激模型中，可以通過酮體代謝重編程來維持不同的細胞信號、氧化還原電位等。在缺乏營養(yǎng)時，酮體的新陳代謝可以為大腦提供能量，其能夠降低神經(jīng)元的細胞損傷和死亡。另一方面，酮體還具有抗炎作用，長期缺乏營養(yǎng)時可以減少炎癥。參考文獻
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在Low Ile飲食喂養(yǎng)小鼠的肝臟、iWAT (腹股溝白色脂肪組織)和骨骼肌中均觀察到FGF21 基因表達增加(圖5A)。與此一致的是，Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠血漿中FGF21水平也升高了(圖5B)，而Low Leu或Low Val飲食則沒有出現(xiàn)這一現(xiàn)象(圖S4E)。與Low Ile飲食通過FGF21誘導酮生成的模型一致，只有Low Ile和Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠血液中BHB水平升高了(圖S4F)。由于FGF21可以通過促進WAT棕色化來推動能量消耗，因此在Low Ile、Low Val或Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠iWAT中(圖5C，圖S4G)，都觀察到多房狀米色脂肪細胞。相反，在Low Leu飲食喂養(yǎng)的小鼠iWAT中或在任何飲食（on any diet）喂養(yǎng)的小鼠性腺WAT中都沒有觀察到棕色化現(xiàn)象(圖S4G)。與此一致的是，作者還發(fā)現(xiàn)Ucp1和其他2個關鍵產(chǎn)熱基因（Cidea和Elovl3）的表達增加(圖5D)。由于iWAT米色化的特征是誘導脂質(zhì)分解和脂肪生成的無效循環(huán)【小編注：無效循環(huán)也稱之底物循環(huán)（substrate cycle）是指一對催化兩個途徑的中間代謝物之間循環(huán)的方向相反、代謝上不可逆的反應】，因此作者探究了幾個關鍵的脂生成基因，包括Acc1和Acc2 (乙酰輔酶A羧化酶1和2)和FASN，以及脂肪分解關鍵基因Atgl (脂肪甘油三酯脂酶)和Lipe (激素敏感脂酶)的表達，發(fā)現(xiàn)在Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠中均出現(xiàn)表達上調(diào)(圖5E)。
接下來作者檢測了分別減少每一種BCAA或減少所有3種BCAA的飲食喂養(yǎng)小鼠的能量平衡，并評估了能量利用率(圖5F和S4H-S4O)，結果發(fā)現(xiàn)飼喂Low Ile或Low Val飲食喂養(yǎng)的小鼠的活動量雖然沒有差異，但食物消耗量都有一定增加(圖S4H-S4J和S4O)。體重歸一化后，Low Ile、Low Val或Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠的能量消耗增加(圖5F和S4L)。在Low Val或Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠中，反映底物利用率的RER在夜間增加，這表明碳水化合物的利用率增加了(圖S4N)。RER(respiratory exchange rate)是生成的二氧化碳(CO2)與消耗的氧氣(O2)的比率，可以表示在穩(wěn)定狀態(tài)下供能物質(zhì)的利用情況。隨著運動時間和強度的增加，RER會受到我們身體產(chǎn)生的酸性代謝物（例如乳酸鹽）的影響，而無法體現(xiàn)供能物質(zhì)的利用情況。
為了探究FGF21是否介導了Low Ile飲食的代謝效果，作者給WT和全身FGF21敲除 (FGF21 KO) 小鼠飼喂Ctrl AA或Low Ile飲食并監(jiān)測代謝變化，結果顯示Low Ile飲食喂養(yǎng)的WT小鼠的食物消耗量增加，而FGF21 KO小鼠沒有增加(圖5G、S5A和S5B)。但是，在Low Ile飲食喂養(yǎng)下，WT和FGF21 KO小鼠的體重和體脂變化相似(圖S5C)。（討論中提到，需要進一步的研究來充分確定膳食Ile調(diào)節(jié)FGF21表達和程序新陳代謝的機制，并確定FGF21在大腦中的作用是否介導了膳食ILE對能量平衡的影響）。
接下來，作者利用代謝籠監(jiān)測并分析Low Ile飲食是如何改變WT和FGF21 KO小鼠的能量平衡(圖5H和S5D-S5F)。結果顯示，WT小鼠的能量消耗顯著增加，而在FGF21 KO小鼠中顯著減弱，不論是在光照還是黑暗周期，WT或KO小鼠分別飼喂不同飲食或相同飲食，都存在顯著差異(圖5H)。然而，WT和KO小鼠同時飼喂Low Ile飲食時，糖耐量改善能力沒有差異(圖S5G)。因此，可以得知Low Ile飲食的部分(但不是全部)代謝效應是依賴于FGF21。鑒于Low AA和Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠的肥胖率較低，于是作者利用在熱中性條件下飼養(yǎng)的小鼠進行冷刺激實驗，結果發(fā)現(xiàn)熱中性條件下Low Ile和Low AA飲食對代謝的影響和室溫條件下幾乎相同，并且這兩種飲食都改善了葡萄糖耐量和體脂(圖5I、5J、S5H和S5I)。因此，小鼠所處的環(huán)境溫度并不影響Ile飲食的整體代謝反應。
圖 5.減少飲食中的Ile誘導FGF21-UCP1軸，促進能量消耗圖 S5.減少飲食中的Ile誘導FGF21-UCP1軸，促進能量消耗
在不健康的西方飲食的背景下，限制飲食中Ile益處更大
先前的研究發(fā)現(xiàn)，在DIO小鼠持續(xù)攝入高脂肪、高糖的WD（西方飲食）情況下，減少飲食中的BCAA仍可以恢復DIO小鼠的代謝健康。于是作者研究了在西方飲食飲食喂養(yǎng)12周的小鼠中降低單個BCAA水平對代謝的影響(圖6A)。WD喂養(yǎng)12周后，再飼喂Low Ile、Low Val或Low BCAA飲食的小鼠攝食量高于WD喂養(yǎng)12周再喂養(yǎng)Ctrl AA飲食的小鼠(圖6B、S6A和S6B)。雖然吃得更多，但飼喂這些飲食的小鼠很快就減掉了多余的體重和脂肪，且瘦肉的變化較小，總體是肥胖減輕的(圖6C、6D、S6C和S6D)。與從未飼喂過WD的對照組（Ctrl AA）相比，WD Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠的體重和肥胖的減少最為明顯。另外，與飼喂WD Ctrl AA飲食的小鼠相比，飼喂WD Low Leu飲食的小鼠的體重和體脂沒有區(qū)別(圖6C、6D、S6C和S6D)。
與Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，WD Ctrl AA和WD Low Leu飲食喂養(yǎng)的小鼠表現(xiàn)出葡萄糖不耐受和胰島素抵抗。然而，WD Low Ile、WD Low Val或WD Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠的葡萄糖耐量和胰島素敏感性顯著改善(圖6E和S6E)，并在丙氨酸耐量試驗中對肝糖異生的抑制作用顯著改善(圖S6F)。總體而言，作者發(fā)現(xiàn)，減少飲食中的Ile、Val或所有3種BCAA都可以恢復飼喂WD的DIO小鼠的代謝健康，而降低Leu水平則不會帶來有益影響(圖6F)。
然后作者使用高胰島素-正常血糖鉗夾來檢測WD Ctrl AA和WD Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠的胰島素敏感性(圖6G-6J和S6G-S6I)，結果發(fā)現(xiàn)WD Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠所需的GIR明顯高于對照組小鼠(圖6G)。在WD Low Ile飲食喂養(yǎng)的小鼠中，幾個關鍵代謝組織，包括BAT (棕色脂肪組織)、心臟、iWAT和骨骼肌中的葡萄糖攝取率顯著較高(圖6H、6I、S6G和S6H)，同時肝臟胰島素敏感性顯著改善(圖6J和S6I)。
WD Low Ile、WD Low Val或WD Low BCAA飲食在體脂和血糖控制方面的積極作用往往伴隨著能量消耗的增加(圖6K、S6J和S6K)。盡管WD Low Ile、WD Low Val或WD Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠的食物消耗量和RER更高(圖S6L-S60)，但除了WD Low Ile喂養(yǎng)的小鼠在白天時活動量有顯著增加外，其余小鼠的自主活動量沒有顯著變化(圖S6P)。最后，由于WD喂養(yǎng)會導致肝臟脂肪變性，于是作者檢測了小鼠肝臟中的脂質(zhì)積聚。雖然WD Ctrl AA和WD Low Leu飲食喂養(yǎng)的小鼠肝臟中的脂類顯著積累，但WD Low Ile、WD Low Val或WD Low BCAA飲食喂養(yǎng)的小鼠肝臟脂質(zhì)沉積減少，脂滴變小，與Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠的表型相似(圖6L、6M和S6Q)。圖 6.飲食限制Ile或Val可以改善DIO小鼠的代謝健康圖 S6.飲食限制Ile或Val可以改善DIO小鼠的代謝健康由于在瘦小鼠中，需要減少飲食中的Ile才能發(fā)揮LP飲食的代謝益處，因此作者猜測在DIO小鼠中可能有同樣的效果。于是又采用和前面類似的“add back”進行回補試驗，設置了WD Low AA+ Leu、WD Low AA+ Ile、Low AA+ Val以及WD Low AA+ BCAA飲食組別。與WD Low AA飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，補回了任一種或所有3種BCAA都顯著抑制了小鼠的食物消耗量(圖7B和S7B)。與WD Ctrl AA喂養(yǎng)的小鼠相比，WD Low AA喂養(yǎng)的小鼠的體重體脂都有所降低，而補回Ile或BCAA會減弱Low AA飲食對體重和體脂的影響(圖7C-7E和S7C-S7E)。與之前的研究結果一致，補回Val對體重體脂的影響很小，而補回Leu則起到了相反效果(圖S7F-S7H)。
正如預期的那樣，WD Low AA飲食改善了糖耐量，補回Ile或BCAA都削弱了這種效應，而補回Leu或Val則不能(圖7F和S7I)。最后，ITT結果也同樣顯示了WD Low AA飲食可以改善胰島素敏感性，補回Ile或Leu都削弱了這種效應(圖S7J)。
總體而言，作者發(fā)現(xiàn)，降低飲食中Ile水平是實現(xiàn)LP飲食產(chǎn)生代謝益處所必須的，而飲食中補回Ile，而不是Val或Leu，就可以使WD Low AA喂養(yǎng)的小鼠與WD Ctrl AA飲食喂養(yǎng)的小鼠出現(xiàn)相似的代謝表型(圖7G)。
圖 7.Ile攝入量的增加可減弱LP對肥胖的有益影響，并與人類高BMI有關
圖 S7. Ile攝入量的增加可減弱LP對肥胖的有益影響，并與人類高BMI有關接下來，作者探究了飲食中的Ile水平是否與人體代謝健康有關。于是，在一個隨機選擇的、基于人群的橫斷面成人人群（cross-sectional population-based sample of adults）(>18歲)中，測定了Ile的攝入量(相對于總蛋白)和BMI(kg/m2)之間的關系。結果發(fā)現(xiàn)，飲食中攝入的Ile相對于總蛋白質(zhì)每增加一個百分點（例如從蛋白質(zhì)的4%到5%），就與BMI增加2.46個單位顯著相關(圖7H；表S6)。這些結果與動物研究結果一致，這表明在一般人群樣本中，攝入含有較高比例Ile的蛋白質(zhì)會增加BMI，而Val或Leu的攝入量與BMI沒有明顯的相關性(表S6)。綜上所述，這些結果表明膳食蛋白質(zhì)，尤其是膳食蛋白質(zhì)中Ile的比例，可能是調(diào)節(jié)人體代謝健康的一個重要因素。表 S6: Leu、ILe和Val攝入與人群樣本BMI之間的關系
本研究發(fā)現(xiàn)，限制Val雖然可以改善新陳代謝，但對于實現(xiàn)LP飲食的有益效果來說并不是必需的。相反，作者發(fā)現(xiàn)減少飲食中的Ile可以進行肝臟代謝重編程，誘導胰島素增敏和能量平衡激素FGF21的表達，并激活FGF21-UCP1軸，促進脂肪組織形成和能量消耗。并且，通過減少飲食中的Ile或Val的方式恢復的代謝健康，可以讓DIO小鼠繼續(xù)“無所顧忌”的食用不健康的西方飲食。令人驚訝的是，限制Leu并沒有這種效果， Low Leu飲食喂養(yǎng)的小鼠的體重體脂，葡萄糖耐量、丙酮酸耐受性等都沒有得到顯著改善，甚至可能會損害代謝健康。值得注意的是，作者發(fā)現(xiàn)膳食蛋白質(zhì)的攝入與人體BMI的增加有關。綜上所述，這篇文章發(fā)現(xiàn)膳食Ile是調(diào)節(jié)代謝健康和膳食中BCAA的關鍵因子，降低膳食中Ile水平可能是未來促進和恢復我們體內(nèi)代謝健康的一種可行性方式。
