支链氨基酸通过氨基酸平衡间接影响健康和寿命
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
4澳大利亚新南威尔士州康科德医院老龄和阿尔茨海默氏症研究所及老龄教育和研究中心。
4澳大利亚新南威尔士州康科德医院老龄和阿尔茨海默氏症研究所及老龄教育和研究中心。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
5澳大利亚新南威尔士州悉尼大学健康与医学系医学院。
5澳大利亚新南威尔士州悉尼大学健康与医学系医学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
4澳大利亚新南威尔士州康科德医院老龄和阿尔茨海默氏症研究所及老龄教育和研究中心
2澳大利亚新南威尔士州悉尼大学理学院生命与环境科学学院。
RNAseq数据已保存在NCBI的基因表达总览中，并可通过GEO系列登录号获取。支持本文中的情节和本研究的其他发现的数据可在合理的要求下从相应的作者处获得。
支链氨基酸(BCAA)升高与肥胖和胰岛素抵抗有关。长期食用支链氨基酸对晚年健康和寿命的影响尚不清楚。在这里，我们表明，当饮食中的支链氨基酸与固定的、等卡路里的大量营养素背景相对应时，长期接触高支链氨基酸饮食会导致吞噬功能亢进、肥胖和寿命缩短。这些影响不是由于支链氨基酸本身或肝脏mTOR活性的升高，而是由于饮食中支链氨基酸和其他氨基酸(特别是色氨酸和苏氨酸)的相对数量的变化。增加支链氨基酸与这些氨基酸的比例会导致吞噬功能亢进，并与中枢5-羟色胺耗竭有关。通过限制卡路里或配对喂养来防止过度吞噬，可以避免高支链氨基酸饮食的健康成本。我们的数据强调了氨基酸质量在能量平衡中的作用，并表明慢性高支链氨基酸摄入量的健康成本不一定是由于固有毒性，而是由于氨基酸失衡导致的吞噬过度的结果。
营养，代谢健康，衰老，支链氨基酸，肥胖，膳食平衡，饮食限制，寿命，食欲，血清素。
大量营养素(蛋白质、脂肪和碳水化合物)在将饮食与健康联系起来方面的作用一直是许多研究的重点。最近的工作强调了在混合框架内研究这些联系的必要性，混合框架不仅对大量营养素的个体效应敏感，而且对它们的交互作用也很敏感1。特别是，蛋白质被证明与膳食脂肪和碳水化合物有很强的相互作用，通过对食欲和消化后生理的影响来影响健康。在包括人类在内的许多动物中观察到的一种这样的相互作用是“蛋白质杠杆”，即当食用蛋白质稀释的食物时，对蛋白质的强烈胃口导致脂肪和碳水化合物的过度消耗。另一个是证明饮食中蛋白质和碳水化合物的比例会影响生殖、衰老、免疫功能、微生物群、晚年心脏代谢健康、大脑健康和寿命。
然而，蛋白质本身是氨基酸(AA)的复杂混合物，经过修饰后，可以对生长、早期生命健康和长寿产生深远影响。限制特定的AAs，如蛋氨酸，模拟了慢性饮食限制对健康和寿命的影响，尽管能量摄入增加了。事实上，大多数AAs除了在蛋白质合成中发挥作用外，在代谢健康方面也有重要的功能。支链氨基酸(支链氨基酸：异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸)之所以被特别突出，是因为它们在影响胰岛素、胰岛素样生长因子(IGF-1)和雷帕霉素的机械靶点(MTOR)方面发挥着重要作用；在啮齿动物中，它们的循环水平与肥胖、胰岛素抵抗和代谢功能障碍正相关，在人类中，它们的循环水平也与肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病有关。我们之前曾报道，与喂食低蛋白质、高碳水化合物饮食的小鼠相比，终生喂食高蛋白、低碳水化合物的小鼠低摄食、晚年代谢受损，循环中支链氨基酸增加，肝脏mTOR活性增加，中位寿命缩短。这些结果表明，通过滴定大量营养素的平衡，可以改变小鼠的健康和衰老，从而影响循环中的支链氨基酸和mTOR的激活。
在这里，我们试图确定饮食支链氨基酸操作是否以及如何影响小鼠的健康和寿命。我们证明了高支链氨基酸的代谢和寿命成本：当非支链氨基酸的摄入与高碳水化合物、低脂肪的营养背景相结合时，与肝脏mTOR活性的增加无关，而是可以通过它们与其他关键的代谢必需的氨基酸的相互作用来解释，从而导致极度的吞噬。通过添加色氨酸(Trp)或苏氨酸(Thr)来重新平衡饮食中的AA结构，抑制了食物的摄入量，同时通过20%卡路里限制(CR)或配对喂养来防止添加BCAA的饮食中的过度吞噬，逆转了代谢功能障碍和寿命成本。这些发现说明了影响小鼠食欲信号、代谢健康和寿命的复杂营养相互作用。
312只C57BL/6J雄性和雌性C57BL/6J小鼠分别饲喂蛋白质质量和氨基酸平衡不同的4种等热量饲料(总蛋白质18%，碳水化合物64%，脂肪18%，总能量密度14.3kJ/g)。小白鼠被
我们假设，一个或多个非支链氨基酸被调节到一个目标摄入量，如果由于饮食失衡而不能达到这个目标，小鼠就会过度消耗食物(因此是总能量和支链氨基酸)来达到这个摄入量目标。作为这种补偿喂养的结果，过度摄食的小鼠体重和脂肪质量显著增加，而瘦肉质量没有变化(图1c-g)。循环中的支链氨基酸水平与支链氨基酸摄入量密切相关，稳定在大约40μg/ml(图1H)。服用BCAA200和BCAA100饲料的小鼠血浆支链氨基酸没有差异(补充图4H)，尽管BCAA200饲料中存在吞噬作用和支链氨基酸含量翻了一番，这表明支链氨基酸的血液水平是在摄食后受到调节的。肥胖与循环中的支链氨基酸水平密切相关(图1I)，并受到喂养BCAA200饮食的小鼠瘦素水平升高的支持(图1J)。循环瘦素升高并不伴有下丘脑LepR或SOCS3基因表达的变化，这是在许多肥胖动物中可见的瘦素抵抗的主要特征(补充图2C，d)。
鉴于支链氨基酸激活了mTOR信号通路，我们对肝脏中mTOR、S6K和AKT的激活进行了量化，发现各组之间的差异很小(图1K-m)，这可能归因于操纵支链氨基酸的膳食大量营养素背景(即高碳水化合物、低脂肪)。尽管肝脏mTOR活性没有增加，但BCAA200小鼠的中位寿命与其他饮食组(图1N；BCAA200：92.8w，BCAA100：102.3w，BCAA50：102.6w，BCAA20：104.6w；所有比较p<；0.05)相比缩短了~10%，这可能是由于过度吞噬和肥胖的影响。
为了确定是否有特定的非支链氨基酸介导这一效应，计算了每种必需氨基酸(EAA)的摄入量。非支链氨基酸补充物中的氨基酸比例在不同的治疗饮食中并不相同(补充表1)，这为解开非支链氨基酸的影响提供了机会。三种EAA，Trp，Thr和蛋氨酸(Met)的摄入量在饮食处理中保持一致(图2A)，这表明这些AAs被优先考虑和调节，影响食物的摄入量和摄食行为。
我们接下来测试了这样的假设，即这三种EaA中的一种或多种都有一个摄取目标，就像在BCAA200小鼠中观察到的那样，尽管能量和支链氨基酸消耗过多，小鼠仍会试图实现这一目标。进行了为期六周的干预，小鼠饲喂添加蛋氨酸、苏氨酸或色氨酸的BCAA200日粮(添加150%的标准饲料浓度，从而使这些单独的AA和膳食BCAA之间的比率正常化；补充表2)。补充Trp或Thr，两种代谢必需的AA，但不是Met，抑制了BCAA200饮食中的食物摄入量，使其达到BCAA100饮食中对照小鼠的水平(图2B)。当与外显子组匹配时，Trp和Thr，而不是Met，是BCAA200日粮的限制氨基酸(补充图1)。这些结果表明，BCAA、Trp和Thr之间的相互作用可以调节摄食量，从而通过正常化它们的比例，这些EAA的添加在很大程度上逆转了不平衡的高BCAA饮食引起的过度吞噬。
利用靶向LC-QQQ-MS进行血浆代谢组学研究，结果表明谷胱甘肽代谢和氨基酰tRNA合成途径与高BCAA：非BCAA摄入量呈正相关，而TCA循环和Trp代谢途径呈负相关(图3A，b和补充表3)。色氨酸代谢的下调在进食行为中特别重要，因为色氨酸是产生5-羟色胺(5HT，5-羟色胺)的唯一前体，5-羟色胺是一种控制食欲的单胺类神经递质。高支链氨基酸摄入的小鼠血浆中色氨酸、5HT及其主要代谢物5-羟基吲哚乙酸(5-HIAA)的减少反映了外周色氨酸的限制(图3C)。事实上，BCAAs和Trp之间的反向关系，它们通过L型AA转运蛋白LAT1(SLC7A5)竞争外周和中心转运，也反映在血浆和皮质中Trp：BCAA的比率，其中BCAA200小鼠表现出最低的Trp：BCAA比率(图3D)。
为了确定血浆和皮质中Trp/BCAA比值的降低是否反映了中枢Trp介导的5HT耗竭，我们用BCAA200饮食或BCAA100饮食喂养小鼠6周作为对照。我们从中缝背侧神经元制作膜片钳记录，并局部电刺激以唤起5HT的突触释放(图3e)。刺激中缝背侧诱发对照组BCAA100小鼠的抑制性突触后电流(EIPSC)(以黑色显示)，该电流可被5HT1A受体拮抗剂NaN-190(以蓝色显示)所阻断。BCAA200小鼠在刺激下表现出明显的eIPSC钝化，这与假设的饮食相关的5HT耗竭是一致的。BCAA2组eIPSC平均波幅明显降低
各组之间没有检测到能量消耗的差异(EE；图6A，补充图3H和补充表5)，也没有UCP1蛋白表达的差异(图6C)。当BAT肿块的UCP1表达正常化时，BCAA200小鼠的UCP1表达降低(图6d)。BCAA20小鼠对碳水化合物燃料的优先氧化由呼吸商(RQ；图6B)表明，并得到肝脏PEPCK mRNA表达(图6E)的支持，PEPCK mRNA是糖异生的标志。BCAA20小鼠也表现出胰岛胰高血糖素含量的增加(图6f，g)，这是一种激素，它发出肝脏转化和从糖原释放葡萄糖的信号，这是调节血糖水平的核心过程。BCAA20小鼠中胰高血糖素的增加对应于观察到的空腹胰岛素水平和胰腺质量的降低(图6h，补充图2f)，尽管胰岛面积增加，胰岛胰岛素含量没有变化，但这种情况仍然存在(补充图2g-h)。我们没有发现基础血糖水平或葡萄糖耐量的差异，但发现血浆支链氨基酸与空腹血糖和胰岛素的乘积(胰岛素敏感性指数)之间存在显著的正相关(图6I-l)。此外，血浆甘油三酯和血浆IGF1水平在不同组之间没有差异(图6M，n)。当男性和女性结合在一起时，不同饮食中的FGF21水平没有显著差异(补充图2J)，但显示出显著的性别-饮食交互作用，饮食显著影响男性的血浆FGF21(BCAA200中FGF21水平升高)，但女性不影响(补充图3A和补充表5)。FGF21耐药的可能性不大，因为下游调节辅助受体Fgfr1c和KLb在白色脂肪组织中的mRNA表达，即建议的FGF21耐药部位(补充图2e和补充图3G)在各组之间没有差异。相反，升高的FGF21水平可能反映AA失衡和/或对高支链氨基酸：非支链氨基酸饮食的限制，而不是FGF21抵抗状态。
我们的结果表明，长期高支链氨基酸饮食的负面健康和寿命成本：非支链氨基酸饮食是吞噬过度和肥胖的结果，而不是任何内在毒性。服用BCAA200饮食的肥胖小鼠循环中的支链氨基酸和代谢物升高，与心脏代谢结果不佳有关。然而，服用循环支链氨基酸水平相似的BCAA100饮食的小鼠(补充图4H)没有表现出吞噬功能亢进、代谢功能障碍或寿命缩短，这表明循环支链支链氨基酸水平本身并不能预测代谢健康和寿命。因此，问题是，支链氨基酸的高摄入量对健康和寿命的负面影响中，有多少是支链氨基酸本身造成的，又有多少是吞噬过度的后果？
为了区分这些替代方案，我们探索了通过20%卡路里限制(CR)或成对喂养来防止过度吞噬是否能防止在添加支链氨基酸的饮食中观察到的随意喂养的小鼠的代谢和寿命成本。另一组小鼠在整个生命过程中以BCAA200和BCAA100日粮喂养(占BCAA100小鼠自由摄入量的80%)，每天提供一份等量的食物(BCAA100小鼠自由摄入量的80%)，另一组小鼠在整个生命过程中以BCAA200和BCAA100饲料喂养。与随意喂养的对照相比，CR使BCAA200和BCAA100饮食的中位寿命增加了大约30%(图7A；BCAA200和BCAA100分别为134.8比92.8w和143.7比102.3 w)。而随意喂养的BCAA200动物的寿命比随意喂养的BCAA100小鼠短10%(p=0.01)，而在CR下，这种差异减少到6%(图7A；CR200 134.8w vs CR100 143.7w；p=0.68)。用20%CR防止BCAA200饲料的吞噬反应导致体重和体脂百分比的降低(图7b，c)，并导致肝脏甘油三酯含量、空腹胰岛素、血浆IGF1和血浆BCAAs的降低(图7d-g)。身体成分和代谢差异。
.