赖氨酸通过AASS依赖性分解代谢调控GABA含量与信号转导增强胰岛素分泌的机制研究

《Metabolism》：Lysine potentiates insulin secretion via AASS-dependent catabolism and regulation of GABA content and signaling

本研究针对2型糖尿病(T2D)中β细胞功能紊乱的机制，揭示了赖氨酸通过AASS依赖性分解代谢途径调控GABA/谷氨酸代谢平衡的新功能。研究人员通过基因沉默、多组学分析和功能实验，证实AASS介导的赖氨酸分解代谢为TCA循环提供anaplerotic底物、维持GABA含量，对葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)至关重要。该发现为理解氨基酸代谢在β细胞功能调控中的作用提供了新视角，为T2D治疗提供了新靶点。

　　

在人体内，胰腺β细胞如同精密的代谢传感器，能够精确感知血糖变化并分泌胰岛素来维持葡萄糖稳态。然而，在2型糖尿病(T2D)患者中，这一精密的调控系统会出现故障，导致胰岛素分泌不足。除了葡萄糖，氨基酸也是调控胰岛素分泌的重要信号分子。其中，赖氨酸作为一种必需氨基酸，早在50多年前就被发现具有促进胰岛素分泌的作用，但其作用机制一直未被完全阐明。传统观点认为，赖氨酸与精氨酸类似，主要通过带正电特性引起细胞膜去极化而发挥作用。然而，赖氨酸在β细胞内的代谢命运及其对胰岛素分泌的调控作用却长期未被探索。

发表在《Metabolism》杂志上的这项研究，首次揭示了赖氨酸通过AASS(氨基己二酸-半醛合酶)依赖性分解代谢途径调控γ-氨基丁酸(GABA)含量和信号转导，从而增强胰岛素分泌的分子机制。研究人员发现，在T2D患者的胰岛中，赖氨酸分解代谢通路的关键基因表达显著下调，提示这一代谢途径的异常可能与β细胞功能障碍密切相关。

为了深入探究AASS依赖性赖氨酸分解代谢在β细胞功能中的作用，研究团队运用了多种关键技术方法。他们利用大规模的人类胰岛转录组数据库(n=188)进行生物信息学分析，并通过siRNA介导的基因沉默技术在INS1 832/13β细胞系和原代人类胰岛中特异性敲低AASS表达。整合转录组学和代谢组学分析揭示了基因表达和代谢物变化的全局图谱。此外，研究还采用了葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)实验、线粒体耗氧率(OCR)测定、ATP/ADP比值量化、钙成像技术以及靶向代谢物检测等多项功能分析方法，全面评估了β细胞的代谢和分泌功能。

研究结果部分，首先证实了赖氨酸对胰岛素分泌的促进作用。研究人员发现，10mM赖氨酸能够显著增强INS1 832/13β细胞和非糖尿病(ND)供体胰岛的GSIS，但在T2D供体胰岛中这一促进作用消失，提示T2D胰岛中可能存在赖氨酸反应性缺陷。

对赖氨酸分解代谢通路基因表达的分析显示，T2D胰岛中AASS、ALDH7A1、DHTKD1和HADH等关键基因的表达均显著下调。更重要的是，AASS表达水平与人类胰岛的GSIS能力呈正相关，且AASS表达最低的十分位数组胰岛表现出明显的GSIS缺陷，确立了AASS表达与β细胞功能之间的直接联系。

通过基因沉默技术特异性抑制AASS表达后，研究人员观察到β细胞和人类胰岛的GSIS均显著受损，而对高钾引起的膜去极化反应保持不变，表明AASS依赖性赖氨酸分解代谢主要通过代谢依赖性机制而非单纯的膜去极化作用来调控胰岛素分泌。

整合转录组和代谢组分析揭示了令人惊讶的结果：AASS敲低细胞表现出GABA含量显著降低和谷氨酸积累的代谢表型。GABA/谷氨酸比值在葡萄糖刺激下发生改变，且这一比值在AASS缺陷细胞中严重失调。同时，GABA分流通路相关基因(如gls、abat、glud1等)的表达也发生显著改变，提示AASS依赖性赖氨酸分解代谢与GABA/谷氨酸代谢稳态存在密切联系。

在机制层面，AASS敲低导致线粒体功能严重受损，表现为TCA循环中间代谢物(柠檬酸、琥珀酸、富马酸)含量减少，乳酸/丙酮酸比值升高，线粒体耗氧率(OCR)和ATP/ADP比值下降。这些代谢缺陷最终导致葡萄糖刺激的钙振荡减弱，胰岛素分泌功能受损。

药理干预实验进一步阐明了机制细节。令人意外的是，GAD抑制剂烯丙基甘酸反而增强了GSIS，而GABA-T抑制剂氨己烯酸则无显著影响，提示GABA合成减少可能不是导致分泌缺陷的主要原因。GDH激活剂α-酮异己酸和亮氨酸+谷氨酰胺的处理部分恢复了胰岛素分泌，表明GDH介导的anaplerosis(回补反应)受限可能是重要因素。最为关键的是，外源性GABA能够完全恢复AASS敲低细胞和人类胰岛的GSIS，证实了GABA在维持β细胞功能中的核心地位。

研究结论部分强调，AASS依赖性赖氨酸分解代谢是维持β细胞代谢完整性的关键调节器。该通路通过提供GDH底物支持TCA循环anaplerosis，维持GABA含量平衡，从而保证正常的线粒体功能和胰岛素分泌。在T2D胰岛中，赖氨酸分解代谢通路基因的下调可能导致GABA耗竭、线粒体功能障碍和分泌衰竭。这一发现不仅揭示了氨基酸代谢在β细胞功能调控中的新作用，还为理解T2D发病机制提供了新视角。

讨论部分深入分析了GABA在胰岛素分泌中的双重角色争议。研究表明，GABA既可作为线粒体代谢底物通过GABA分流支持TCA循环，也可作为自分泌信号分子通过GABA-A受体调控胰岛素分泌。在AASS缺陷情况下，外源性GABA可能主要通过补充代谢底物而非受体激活来恢复分泌功能，因为GABA-A受体在纳摩尔浓度即可饱和，而研究中需要微摩尔级GABA才能完全恢复GSIS。

该研究的临床意义深远，不仅为T2D的β细胞功能障碍提供了新的代谢解释，还为治疗干预提供了潜在靶点。恢复赖氨酸分解代谢或GABA/谷氨酸平衡可能成为维持β细胞功能的新策略。此外，研究结果还与神经系统疾病如吡哆醇依赖性癫痫(PDE)存在有趣的平行关系，这两种疾病均涉及赖氨酸分解代谢异常导致的GABA耗竭，提示代谢通路的组织间共性。

总之，这项研究确立了AASS依赖性赖氨酸分解代谢在β细胞功能中的核心地位，揭示了其通过调控GABA含量和信号转导增强胰岛素分泌的机制，为理解T2D发病机制和开发新的治疗策略提供了重要理论基础。