Bckdk-flox 基因敲除小鼠

BCKDK，也称为支链α-酮酸脱氢酶激酶，是一种关键的代谢调节因子，负责通过磷酸化和失活支链α-酮酸脱氢酶复合物（BCKDHc）来调控支链氨基酸（BCAA）的代谢。BCAA包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，是人体必需的氨基酸，参与蛋白质合成和能量代谢。BCKDK的活性对维持BCAA的正常代谢水平至关重要，其异常表达或功能改变与多种代谢性疾病相关。

在肥胖相关胰岛素抵抗（IR）的研究中，发现BCKDK在BCAA代谢中发挥着重要作用。在一项研究中，通过整合通路分析发现，肥胖相关IR与人类和小鼠种群中BCAA代谢基因表达存在独特的遗传关联。在遗传性肥胖（ob/ob）小鼠中，由于BCKA脱氢酶的缺乏，导致BCAA和BCKA积累，这是一种代谢特征，同时伴随着BCAA代谢基因的系统抑制。通过使用BCKA脱氢酶激酶（BCKDK）的药理学抑制剂来恢复BCAA代谢通量，减少了BCAA和BCKA的积累，并显著改善了ob/ob小鼠的IR。类似地，减少蛋白质（因此BCAA）的摄入量也产生了相同的效果，而增加BCAA的摄入量则产生了相反的效果，这证实了BCAA和BCKA在ob/ob小鼠IR中的致病作用。此外，BCKAs也通过激活哺乳动物雷帕霉素靶点复合物1（mTORC1）来抑制胰岛素信号传导。最终，小分子BCKDK抑制剂显著改善了高脂饮食诱导的肥胖小鼠的IR[1]。

BCKDK基因的变异也与药物反应相关。在一项研究中，研究者发现BCKDK基因区域的多态性可能影响非洲裔美国人的华法林剂量需求。与欧洲人中rs56314408与VKORC1 rs9923231之间的强连锁不平衡（LD）不同，在非洲裔美国人中，它们之间没有LD。在多元分析中，rs56314408与剂量相关（P=0.027），GATA-4 rs2645400与剂量相关（P=0.032）。这些结果不支持研究的变异对非洲裔美国人的华法林剂量需求有贡献。然而，它们突显了在非洲血统人群中进行的这类研究的价值，因为他们的基因组中LD较低，有助于揭示药物反应相关的遗传变异。同时，这些研究强调了在非洲血统人群中确认关联的重要性[2]。

BCKDK基因的突变还与支链氨基酸代谢相关疾病有关。在一项研究中，研究者通过全外显子测序分析发现，BCKDK基因的p.His162Gln突变与一种轻微的枫糖浆尿症（MSUD）相关。这种突变导致BCKDK蛋白的构象改变，从而降低了抑制性结合对蛋白本身的影响，导致其活性增加，并随后抑制BCKDHc，增加血浆中支链氨基酸的水平。这是首次证明BCKDK基因参与MSUD的证据，尽管需要进一步的数据来阐明这种变异引起的表型的临床意义，但了解BCKDK的调节激活对于新生儿筛查数据解释非常重要[3]。

BCKDK还在肝脏糖异生中发挥作用。在一项研究中，研究者发现肝特异性BCKDK或BCKDHA敲除小鼠表现出正常的葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性。然而，在肝脏中敲除BCKDK抑制了肝糖产生以及关键糖异生酶的表达。而在缺乏肝BCKDHA的小鼠中没有发现异常的糖异生。与体内结果一致，BT2介导的BCKDK抑制或基因敲低降低了原代小鼠肝细胞的肝糖产生和糖异生基因表达，而BCKDK过表达则表现出相反的效果。然而，在沉默BCKDHA的肝细胞中，糖异生基因表达没有改变。机制上，BT2处理减弱了cAMP反应元件结合蛋白（CREB）与CREB结合蛋白的相互作用，并通过增加其泛素化来促进FOXO1蛋白的降解。这些发现表明，BCKDK通过CREB和FOXO1信号通路调节肝糖异生，独立于BCKDHA介导的BCAA代谢[4]。

BCKDK基因的干扰还在BCAA代谢受限的环境中产生了影响。在一项研究中，研究者研究了在支链氨基酸浓度较高的环境中敲除BCKDK基因对从枫糖浆尿症（MSUD）患者获得的成纤维细胞实时氧消耗率的影响。这种细胞表现出支链α-酮酸脱氢酶（BCKDHc）活性降低；研究者们生成了一个场景来研究BCKDK缺乏的直接效应。数据包括敲低的有效性以及BCKDK敲低增加MSUD患者中检测到的缺乏的支链α-酮酸脱氢酶活性的潜力[5]。

BCKDK基因的调节还与三阴性乳腺癌（TNBC）的发生发展相关。在一项研究中，研究者发现BCKDK在三阴性乳腺癌肿瘤组织中上调，并与不良预后相关。BCKDK的耗竭导致体外和体内细胞增殖减少。MYC相关锌指蛋白（MAZ）被确认为直接调节TNBC中BCKDK表达的主要转录因子。机制上，BCKDK与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）相互作用，导致磷酸戊糖途径中的通量增加，用于大分子合成和活性氧的解毒。G6PD的强制表达挽救了BCKDK缺陷细胞中的生长缺陷。值得注意的是，BCKDK的小分子抑制剂3,6-二氯苯并[b]噻吩-2-羧酸在患者来源的肿瘤异种移植模型中表现出抗肿瘤作用。这些发现为开发针对MAZ/BCKDK/G6PD信号通路的目标治疗提供了有希望的线索，通过代谢重编程为治疗TNBC提供了潜在的前进方向[6]。

BCKDK基因的表达也与非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）相关。在一项研究中，研究者发现血浆中支链α-酮酸（BCKA）的水平以及肝脏中BCKDK的表达与非酒精性脂肪性肝病相关。通过分析肝脏样本的基因表达，发现肝脏中BCKDK mRNA的表达与脂肪变性、气球样变性和脂质合成转录因子SREBP1的水平相关。在AML12肝细胞中进行的实验表明，SREBP1的抑制降低了BCKDK mRNA的表达。这些发现表明，血浆中BCKA水平的升高和肝脏中BCKDK的表达是非酒精性脂肪性肝病/非酒精性脂肪性肝炎的特征，并确定了SREBP1作为BCKDK的转录调节因子[7]。

BCKDK基因还在胚胎发育中发挥重要作用。在一项研究中，研究者发现小鼠胚胎发育不需要PDK家族，而BCKDK作为一种补偿机制，通过失活丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）来调节三羧酸循环（TCA循环）。通过敲除所有四个Pdk基因，发现Pdk完全敲除胚胎能够正常发育并出生，但在出生后第4天因低血糖或酮症酸中毒而死亡。此外，这些胚胎中的PDC被磷酸化，这表明另一种激酶补偿了PDK家族。生物信息学分析提示支链酮酸脱氢酶激酶（Bckdk）是支链氨基酸（BCAA）代谢的关键调节因子。确实，敲除Bckdk和Pdk家族导致PDC去磷酸化，PDC活性增加，丙酮酸进入TCA循环，胚胎死亡。这些发现揭示了BCAA和葡萄糖代谢途径之间的调节串扰，这些途径为TCA循环提供营养[8]。

BCKDK基因的表达也与骨骼肌生物学和发病机制相关。在一项研究中，研究者使用基因表达综合数据库来了解BCKDK在骨骼肌发病机制中的作用，包括衰老、肌肉疾病和肌肉代谢中断。他们发现BCKDK表达水平在病理条件下持续下降。这些结果在探索肌肉疾病后与衰老最为一致。基于这些发现，研究者假设BCKDK表达减少会改变BCAA代谢，并影响正常肌肉完整性的丧失和功能。进一步的研究可能会为解决肌肉相关疾病提供有价值的见解[9]。

BCKDK基因的缺乏还会影响线粒体的功能。在一项研究中，研究者分析了BCKDK缺乏对从枫糖浆尿症（MSUD）患者获得的成纤维细胞中线粒体性能的影响，通过测量生物能量学、超微结构和动力学参数。突变成纤维细胞中观察到超氧阴离子产生增加两倍，同时ATP偶联的呼吸和细胞内ATP水平（降至60%）降低，这表明生物能量学的普遍耗竭，这可能会影响线粒体动力学和细胞命运。超微结构分析显示，BCKDK缺陷成纤维细胞中细长的线粒体数量增加，这与线粒体内膜融合介导因子GTPase OPA1形式的变化以及外线粒体膜上的mitofusin 2/MFN2的变化有关。这些数据支持BCKDK缺陷线粒体可能对压力产生超融合反应。细胞命运也似乎受到影响，因为这些成纤维细胞显示出G0/G1和G2/M阶段的细胞比例改变。在对照成纤维细胞中敲低BCKDK基因复制了这些特征的大多数。在MSUD患者的成纤维细胞中敲低BCKDK基因揭示了加速的BCAA代谢直接影响线粒体功能障碍。所有这些数据为我们理解对支链氨基酸超负荷的阳性饮食反应提供了线索。研究者假设，将当前的治疗选择与考虑氧化损伤和能量消耗的方案相结合，以解决患者的个体性，可能对医生有用[10]。

综上所述，BCKDK基因在BCAA代谢、胰岛素抵抗、药物反应、肝脏糖异生、非酒精性脂肪性肝病、胚胎发育、骨骼肌生物学和线粒体功能中发挥着重要作用。BCKDK基因的异常表达或功能改变与多种代谢性疾病相关，包括肥胖相关胰岛素抵抗、非酒精性脂肪性肝病等。深入研究BCKDK基因的功能和机制，有助于开发针对相关疾病的治疗策略，为改善人类健康做出贡献。