음식치료제 : 베타 하이드로뷰티레이트(케톤체) 탐구!!

[문형철]

Annu Rev Nutr. Author manuscript; available in PMC 2019 Jul 19.

Published in final edited form as:

Annu Rev Nutr. 2017 Aug 21; 37: 51–76.

doi: 10.1146/annurev-nutr-071816-064916

PMCID: PMC6640868

NIHMSID: NIHMS1039713

PMID: 28826372

β-Hydroxybutyrate

A Signaling Metabolite

John C. Newman1,2,3 and Eric Verdin1,2

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The publisher's final edited version of this article is available at Annu Rev Nutr

Abstract

Various mechanisms in the mammalian body provide resilience against food deprivation and dietary stress. The ketone body β-hydroxybutyrate (BHB) is synthesized in the liver from fatty acids and represents an essential carrier of energy from the liver to peripheral tissues when the supply of glucose is too low for the body’s energetic needs, such as during periods of prolonged exercise, starvation, or absence of dietary carbohydrates. In addition to its activity as an energetic metabolite, BHB is increasingly understood to have cellular signaling functions. These signaling functions of BHB broadly link the outside environment to epigenetic gene regulation and cellular function, and their actions may be relevant to a variety of human diseases as well as human aging.

포유류의 신체는 

다양한 메커니즘을 통해 

음식 부족과 식이 스트레스에 대한 회복력을 제공합니다. 

케톤체 β-하이드록시부티레이트(BHB)는 

간에서 지방산으로 합성되며 

장기간 운동하거나 

굶거나 

식이 탄수화물이 없을 때와 같이 

포도당 공급이 신체의 에너지 요구에 비해 너무 낮을 때 

간에서 말초 조직으로 에너지를 전달하는 필수 운반체를 나타냅니다. 

에너지 대사 산물로서의 활동 외에도 

BHB는 세포 신호 기능을 하는 것으로 

점점 더 많이 이해되고 있습니다. 

BHB의 이러한 신호 전달 기능은 

외부 환경과 

후성유전학적 유전자 조절 및 

세포 기능을 

광범위하게 연결하며, 

그 작용은 인간의 노화뿐만 아니라 

다양한 인간 질병과 관련이 있을 수 있습니다.

Keywords: metabolism, epigenetics, ketone bodies, fasting, aging

INTRODUCTION

Mammals have developed a variety of mechanisms for adapting to changes in the environment, particularly changes in food availability and nutrient stress. Many of these nutrient-responsive pathways have broader effects on health and are emerging as regulators of fundamental mechanisms of aging. Fasting and dietary restriction, for example, have long been the most consistently effective intervention to slow various effects of aging and prolong the life span of otherwise healthy mammals. It is increasingly understood that the effects of fasting involve the actions of specific molecular signaling pathways. Cellular energy metabolites act as key mediators of many of these pathways, linking the external environment to changes in cellular function (43). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), for example, accepts high-energy electrons from reactions in the catabolism of glucose and fatty acids and transfers them to acceptor molecules to either produce ATP or perform energetically demanding metabolic reactions. However, in its oxidized form (NAD+), NAD is also a cofactor for sirtuin enzymes and poly-ADP-ribose polymerase (PARP), both of which consume NAD in the course of removing acyl groups from and adding poly-ADP to proteins, respectively. Sirtuins and PARP thereby regulate cellular functions ranging from gene expression‎ and DNA damage repair to fatty acid metabolism (134). During times of fasting, or relative scarcity of cellular energy, more NAD is in the oxidized state, and sirtuins and PARP can be more active.

NAD+, a simple energy carrier, thereby acts as a fulcrum around which many cellular processes can be regulated in response to changes in the external environment. Such signaling metabolites include acetyl-CoA (coenzyme A), another carrier of high-energy bonds that is also substrate for a widely preval‎ent protein posttranslational modification (lysine acetylation), and S-adenosyl-methionine, which similarly is substrate for a common posttranslational modification of histones and other proteins (methylation) (43). Independent manipulation of these signaling molecules can recapitulate, or abrogate, some of the broader biological effects of environmental changes such as fasting or dietary restriction. For example, long-term dietary restriction can prevent the onset of common age-related hearing loss in C57BL/6 mice. However, dietary restriction in mice that carry a genetic knockout of the NAD-dependent sirtuin gene SIRT3 has no such beneficial effect (122). Inhibition of the TOR (target of rapamycin) signaling complex by rapamycin (46), activation of AMPK by metformin (81), or provision of NAD+ precursors (161) recapitulates some of the beneficial effects of dietary restriction on diseases of aging and longevity. Understanding the specific molecular actions of these signaling pathways and signaling metabolites that link changes in the environment to broad regulation of cellular functions will permit researchers to more precisely capture the therapeutic potential of metabolic or dietary changes to treat disease. It might also help explain the heterogeneous responses of individuals to such environmental changes, depending on their genetic or epigenetic capacity to generate and respond to these signaling metabolites.

Here, we review the signaling activities of the endogenous metabolite β-hydroxybutyrate (BHB). BHB is the most abundant ketone body in mammals. Ketone bodies are small molecules synthesized primarily in the liver from fats that circulate through the bloodstream during fasting, prolonged exercise, and when carbohydrates are restricted. They are taken up by tissues in need of energy, converted first to acetyl-CoA and then to ATP. Emerging evidence, however, shows that BHB not only is a passive carrier of energy but also has a variety of signaling functions both at the cell surface and intracellularly that can affect, for example, gene expression‎, lipid metabolism, neuronal function, and metabolic rate. Some of these effects are direct actions of BHB itself. Some are indirect effects governed by downstream metabolites into which BHB is converted, such as acetyl-CoA. We focus this review on BHB itself, referring to ketogenic diets only when necessary for translational context. Although ketogenic diets have been widely used both for research into the effects of ketone bodies and as therapeutics for conditions ranging from epilepsy to obesity, a ketogenic diet is a complex physiological state with many possible active components of which BHB is only one. Still, the signaling effects of BHB we summarize are likely relevant to the molecular mechanisms of interventions such as fasting, dietary restriction, and ketogenic diets. Altogether, these observations present a picture of a powerful molecule that offers both opportunities and cautions in its therapeutic application to common human diseases.

소개

포유류는

환경의 변화, 특히 먹이 가용성의 변화와

영양소 스트레스에 적응하기 위한

다양한 메커니즘을 개발해 왔습니다.

이러한 영양소 반응 경로 중 다수는

건강에 광범위한 영향을 미치며

노화의 근본적인 메커니즘을 조절하는 요인으로 떠오르고 있습니다.

예를 들어,

단식과 식이 제한은

노화의 다양한 영향을 늦추고

건강한 포유류의 수명을 연장하는 데

가장 일관되게 효과적인 개입으로 오랫동안 사용되어 왔습니다.

단식의 효과는

특정 분자 신호 전달 경로의 작용과 관련이 있다는 사실이

점점 더 많이 이해되고 있습니다.

세포 에너지 대사 산물은

이러한 많은 경로의 주요 매개체 역할을 하며

외부 환경과 세포 기능의 변화를 연결합니다(43).

https://www.nature.com/articles/npjamd201617

예를 들어

니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NAD)는

포도당과 지방산의 이화 작용 반응에서

고에너지 전자를 받아들여

수용체 분자로 전달하여

ATP를 생성하거나

에너지가 많이 필요한 대사 반응을 수행합니다.

그러나

산화 형태(NAD+)로 존재하는 NAD는

시르투인 효소와

폴리-ADP-리보스 중합효소(PARP)의 보조 인자이기도 하며,

이 두 효소는

각각 단백질에서

아실기를 제거하고

폴리-ADP를 추가하는 과정에서

NAD를 소비합니다.

따라서

시르투인과 PARP는

유전자 발현과 DNA 손상 복구에서 지방산 대사에 이르기까지

다양한 세포 기능을 조절합니다(134).

공복 상태 또는

세포 에너지가 상대적으로 부족한 시기에는

더 많은 NAD가 산화 상태로 존재하며

시르투인과 PARP가 더 활성화될 수 있습니다.

단순한 에너지 운반체인 NAD+는

외부 환경의 변화에 따라

많은 세포 과정을 조절할 수 있는 지렛대 역할을 합니다.

이러한 신호 대사산물에는

널리 퍼져 있는 단백질 번역 후 변형(라이신 아세틸화)의 기질이기도 한

고에너지 결합의 또 다른 운반체인

아세틸-CoA(코엔자임 A)와

히스톤 및 기타 단백질의 일반적인 번역 후 변형(메틸화)의 기질인

S-아데노실 메티오닌이 포함됩니다(43).

이러한

신호 분자를 독립적으로 조작하면

단식이나 식이 제한과 같은 환경 변화의 광범위한

생물학적 효과를 요약하거나 없앨 수 있습니다.

예를 들어,

장기적인 식이 제한은

C57BL/6 마우스에서

일반적인 노화 관련 청력 손실의 발병을 예방할 수 있습니다.

그러나

NAD 의존성 시르투인 유전자 SIRT3의 유전적 녹아웃을 가진 마우스에서

식이 제한은 이러한 유익한 효과가 없습니다(122).

라파마이신에 의한 TOR(라파마이신 표적) 신호 복합체 억제(46),

메트포르민에 의한 AMPK 활성화(81),

NAD+ 전구체 제공(161)은

노화 및 장수 질환에 대한 식이 제한의 일부 유익한 효과를 요약한 것입니다.

환경의 변화를 세포 기능의 광범위한 조절과 연결하는

이러한 신호 전달 경로와 신호 대사산물의 특정 분자 작용을 이해하면

연구자들은 질병 치료를 위한 대사 또는

식이 변화의 치료 잠재력을 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.

또한 이러한

신호 대사산물을 생성하고

이에 반응하는 유전적 또는 후성유전적 능력에 따라

이러한 환경 변화에 대한 개인의 이질적인 반응을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

여기에서는

내인성 대사산물인

β-하이드록시부티레이트(BHB)의 신호 전달 활동을 살펴봅니다.

https://bmcmedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12916-021-02185-0

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10388205/

지질 상호 전환 경로. 식단이나 지질 저장고에서 섭취한 지방산은 간 미토콘드리아에서 산화되어 KB를 생성합니다. AcAc는 간 AACS를 통해 간 세포질에서 지질, 즉 콜레스테롤과 지방산을 생성하는 데 활용될 수 있습니다. AcAc와 BHB는 또한 혈액으로 들어가 지질을 생성하는 다른 조직으로 운반될 수 있습니다. 거기서 AcAc는 AACS를 통해 지질 합성에 활용될 수 있습니다. 결과적으로 식이 또는 저장된 지방산은 KB와 AACS를 통해 다른 지질로 전환됩니다.

BHB는

포유류에서 가장 풍부한 케톤체입니다.

케톤체는

주로 공복, 장시간 운동, 탄수화물 섭취가 제한될 때

혈류를 통해 순환하는

지방에서 간에서 합성되는 작은 분자입니다.

이들은

에너지가 필요한 조직에서 흡수되어

먼저 아세틸-CoA로 전환된 다음

ATP로 전환됩니다.

그러나

새로운 증거에 따르면

BHB는

수동적인 에너지 운반체일 뿐만 아니라

세포 표면과 세포 내에서 유전자 발현,

지질 대사,

신경 기능 및 대사율에 영향을 줄 수 있는 다양한 신호 전달 기능을 가지고 있습니다.

이러한 효과 중 일부는

BHB 자체의 직접적인 작용입니다.

일부는

아세틸-CoA와 같이

BHB가 전환되는 하류 대사산물에 의해 지배되는

간접적인 효과입니다.

이 리뷰에서는

BHB 자체에 초점을 맞추고,

번역 맥락상 필요한 경우에만 케토제닉 식단을 언급합니다.

케톤체의 효과에 대한 연구와

간질에서 비만에 이르는

다양한 질환의 치료제로 케톤 생성 식단이 널리 사용되어 왔지만,

케톤 생성 식단은

여러 가지 가능한 활성 성분이 있는 복잡한 생리적 상태이며

그 중 BHB는 그중 하나에 불과합니다.

그럼에도 불구하고

우리가 요약한 BHB의 신호 전달 효과는

단식, 식이 제한, 케톤 생성 식단과 같은

개입의 분자 메커니즘과 관련이 있을 가능성이 높습니다.

이러한 관찰을 종합하면,

일반적인 인간 질병에 대한 치료적 적용에 있어

기회와 주의를 모두 제공하는 강력한 분자의 그림을 제시합니다.

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BHB: STRUCTURE AND METABOLISM

Ketone bodies are small, lipid-derived molecules that provide energy to tissues when glucose is scarce, such as during fasting or prolonged exercise. Over 80% of the human body’s stored energy resides in the fatty acids contained in adipose tissue (7). During fasting, after muscle and liver stores of glycogen are depleted, fatty acids are mobilized from adipocytes and transported to the liver for conversion to ketone bodies. Ketone bodies are then distributed via blood circulation to metabolically active tissues, such as muscle or brain, where they are metabolized into acetyl-CoA and eventually ATP (7). In humans, serum levels of BHB are usually in the low micromolar range but begin to rise to a few hundred micromolar after 12−-16 h of fasting, reaching 1−-2 mM after 2 days of fasting (13, 109) and 6−-8 mM with prolonged starvation (12). Similarly, serum levels of BHB can reach 1−-2 mM after 90 min of intense exercise (64). Consistent levels above 2 mM are also reached with a ketogenic diet that is almost devoid of carbohydrates (60). The term ketone bodies usually includes three molecules that are generated during ketogenesis: BHB, acetoacetate, and acetone. Most of the dynamic range in ketone body levels is in the form of BHB. When ketogenesis is activated, such as during fasting, blood levels of BHB rise much faster than either acetoacetate or acetone (74).

BHB: 구조와 신진대사

케톤체는

공복이나 장시간의 운동 등 포도당이 부족할 때

조직에 에너지를 공급하는 작은 지질 유래 분자입니다.

인체에 저장된 에너지의 80% 이상이

지방 조직에 포함된

지방산에 존재합니다(7).

단식 중에는

근육과 간에 저장된 글리코겐이 고갈된 후

 지방세포에서 지방산으로 이동하여

간으로 운반되어 케톤체로 전환됩니다.

그런 다음

케톤체는

혈액 순환을 통해

근육이나 뇌와 같은 대사 활성 조직으로 분배되어

아세틸-CoA로 대사되고

최종적으로 ATP로 전환됩니다(7).

사람의 경우 혈청 BHB 수치는

일반적으로 낮은 마이크로몰 범위이지만

12~16시간의 금식 후 수백 마이크로몰로 상승하기 시작하여

2일의 금식 후에는 1~2mM에 도달하고(13, 109),

장기간의 금식에서는

6~8mM에 이릅니다(12).

마찬가지로,

90분간의 격렬한 운동 후

혈청 BHB 수치는 1~2mM에 도달할 수 있습니다(64).

탄수화물이 거의 없는 케톤 생성 식단에서도

2mM 이상의 일관된 수준에 도달할 수 있습니다(60).

케톤체라는 용어는 일반적으로 케톤 생성 중에 생성되는 세 가지 분자를 포함합니다:

BHB, 아세토아세테이트, 아세톤입니다.

케톤체 수준의 동적 범위의 대부분은 BHB의 형태입니다.

금식 중과 같이 케톤 생성이 활성화되면

아세토아세테이트나 아세톤보다

BHB의 혈중 농도가 훨씬 빠르게 상승합니다(74).

Regulation of Ketone Body Metabolism

The biochemistry of ketone body production and utilization is well understood and has been recently summarized both in the literature and in textbooks (e.g., 7, 66, 92) (Figure 1). Two points are particularly relevant to understanding the signaling activities of BHB. First, the same enzyme, β-hydroxybutyrate dehydrogenase (BDH1; EC 1.1.1.30), interconverts BHB and acetoacetate in both the final step of ketogenesis and the first step of BHB utilization. BDH1 imparts chirality to BHB, as described below. Second, regulation of BHB synthesis is controlled via two principal mechanisms: substrate availability in the form of fatty acids and expression‎ and activity of the enzyme HMG-CoA synthase (HMGCS2; EC 2.3.3.10). Ketogenesis occurs mostly in the liver (7), although expression‎ of HMGCS2 may be sufficient to produce ketogenesis in other tissues (128, 160). Insulin and glucagon regulate ketogenesis primarily by modulating the availability of fatty acid substrates at the levels of mobilization from adipose tissue and importation into hepatic mitochondria (71). HMGCS2 gene expression‎ is regulated by insulin/glucagon via acetylation and deacetylation of the FOXA2 transcription factor (144, 145, 136). FOXA2 deacetylation is controlled in part by the NAD-responsive enzyme SIRT1 (136). HMGCS2 gene expression‎ is also regulated indirectly by the target of rapamycin complex mTORC1; mTORC1 inhibition is required for the activation of peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARα) and fibroblast growth factor 21 (FGF21), both of which are required to induce ketogenesis (3, 4, 49, 117). The activity of HMGCS2 is regulated posttranslationally by succinylation and acetylation, regulated by the mitochondrial desuccinylase SIRT5 (104) and deacetylase SIRT3 (118), respectively. Altogether, this network of regulation centered on HMGCS2, involving substrate availability, transcriptional control, and posttranslational modification, lends tight temporal and spatial precision to BHB synthesis.

케톤체 대사의 조절

케톤체 생성 및 활용의 생화학은 잘 알려져 있으며

최근 문헌과 교과서(예: 7, 66, 92)에 요약되어 있습니다(그림 1).

특히 두 가지 점이

BHB의 신호 전달 활동을 이해하는 데 중요합니다.

첫째,

동일한 효소인 β-하이드록시부티레이트 탈수소효소(BDH1; EC 1.1.1.30)가

케톤 생성의 마지막 단계와

BHB 활용의 첫 번째 단계에서

BHB와 아세토아세테이트를 상호 전환합니다.

BDH1은 아래에 설명된 대로 BHB에 키랄성을 부여합니다.

둘째,

BHB 합성의 조절은 두 가지 주요 메커니즘,

즉 지방산 형태의 기질 가용성과

HMG-CoA 합성 효소(HMGCS2; EC 2.3.3.10)의 발현 및 활성에 의해 제어됩니다.

케톤 생성은

주로 간에서 발생하지만(7),

HMGCS2의 발현은 다른 조직에서

케톤 생성을 생성하기에 충분할 수 있습니다(128, 160).

인슐린과 글루카곤은

주로 지방 조직에서 지방산 기질을 동원하고

간 미토콘드리아로 가져오는 수준을 조절하여

케톤 생성을 조절합니다(71).

HMGCS2 유전자 발현은

인슐린/글루카곤에 의해

FOXA2 전사인자의 아세틸화 및 탈아세틸화를 통해 조절됩니다(144, 145, 136).

FOXA2 탈아세틸화는

부분적으로 NAD 반응 효소인 SIRT1에 의해 조절됩니다(136).

HMGCS2 유전자 발현은 또한

라파마이신 복합체 mTORC1의 표적에 의해

간접적으로 조절되며,

mTORC1 억제는

케톤 생성을 유도하는 데 필요한

퍼옥시솜 증식인자 활성화 수용체 알파(PPARα)와

섬유아세포 성장 인자 21(FGF21)의 활성화에 필요합니다(3, 4, 49, 117).

HMGCS2의 활성은 숙시닐화 및 아세틸화에 의해 번역 후 조절되며,

미토콘드리아 탈숙시닐화 효소 SIRT5(104)와

탈아세틸화 효소 SIRT3(118)에 의해 각각 조절됩니다.

기질 가용성, 전사 조절 및 번역 후 변형과 관련된 HMGCS2를 중심으로 한 이 조절 네트워크는 전체적으로 BHB 합성에 시간적, 공간적 정밀성을 부여합니다.

Figure 1

Pathways of BHB metabolism and the regulation of key enzymes.

Some of the molecules into which BHB is metabolized, such as acetyl-CoA, have signaling activities of their own, as do many of the cofactors involved in BHB metabolism, such as NAD.

BHB 대사 경로와 주요 효소의 조절. 

아세틸-CoA와 같이 BHB가 대사되는 일부 분자는 

자체적으로 신호 활동을 하며, 

NAD와 같이 BHB 대사에 관여하는 많은 보조 인자들도 마찬가지입니다. 

Abbreviations: BHB, β-hydroxybutyrate; BDH, β-hydroxybutyrate dehydrogenase; CoA, coenzyme A; FGF, fibroblast growth factor; HMGCS, HMG-CoA synthase; MCT, monocarboxylic acid transporter; mTOR, mechanistic target of rapamycin; NAD, nicotinamide adenine dinucleotide; PPARα, proliferator-activated receptor alpha; SIRT, sirtuin; TCA, tricarboxylic acid; VGLUT, vesicular glutamate transporter.

약어: BHB, β-하이드록시부티레이트; BDH, β-하이드록시부티레이트 탈수소효소; CoA, 코엔자임 A; FGF, 섬유아세포 성장 인자; HMGCS, HMG-CoA 합성 효소; MCT, 모노카복실산 트랜스포터; mTOR, 라파마이신의 기계적 표적; NAD, 니코틴 아미드 아데닌 디뉴클레오티드; PPARα, 증식 인자 활성화 수용체 알파; SIRT, 시르투인; TCA, 트리 카르 복실 산; VGLUT, 소포 성 글루타메이트 수송체.

BHB Transport

BHB transport is relatively less well understood than its synthesis and utilization. As a small, polar molecule, BHB is readily soluble in water and blood (7). Several monocarboxylic acid transporters, including MCT1 and MCT2, carry BHB across the blood-brain barrier (99), and their expression‎ can regulate brain BHB uptake (5). The monocarboxylate transporter SLC16A6 may be the key transporter for exporting BHB from the liver (52), but the putative transporters that facilitate the uptake of BHB into target tissues or its intracellular movement remain to be identified.

BHB 수송

BHB 수송은

합성 및 활용에 비해 상대적으로 덜 잘 알려져 있습니다.

작은 극성 분자인

BHB는 물과 혈액에 쉽게 용해됩니다(7).

MCT1과 MCT2를 포함한 여러 모노카복실산 수송체는

혈액-뇌 장벽을 가로질러 BHB를 운반하며(99),

이들의 발현은 뇌의 BHB 흡수를 조절할 수 있습니다(5).

모노카르복실산 수송체 SLC16A6은 간에서 BHB를 내보내는 핵심 수송체일 수 있지만(52), 표적 조직으로의 BHB 흡수 또는 세포 내 이동을 촉진하는 추정 수송체는 아직 밝혀지지 않았습니다.

BHB Chirality

BHB is a chiral molecule at the 3′ hydroxyl group, an important feature in consideration of its signaling activities and possible therapeutic applications. There are two enantiomers, R/d and S/l. R-BHB is the normal product of human and mouse metabolism. This chiral specificity is introduced by BDH1, which catalyzes the final step in BHB synthesis by reducing the nonchiral 3′ carbonyl group of acetoacetate to the chiral 3′ hydroxyl group of BHB. BDH1 is also required for the utilization of BHB, by catalyzing the same reaction in reverse. As a result of the chiral specificity of BDH, only R-BHB is produced by normal metabolism and only R-BHB can be readily catabolized into acetyl-CoA and ATP. Fasting, exercise, caloric restriction, ketogenic diet, and any other state that results in endogenous production of BHB will produce only R-BHB.

S-BHB itself is not a normal product of human metabolism. However, S-BHB-CoA is a transient intermediate in the final round of β-oxidation of fatty acids. Under normal circumstances, it should not persist long enough to leave the mitochondrion or circulate in the blood. Experiments involving infusions of labeled R-BHB, S-BHB, or mixtures thereof into rats or pigs found that S-BHB is converted mostly to R-BHB (74); the molecular pathway for this is not known, but it may occur through conversion of S-BHB to acetyl-CoA and then production of R-BHB from acetyl-CoA. At least some of the S-BHB is eventually converted to CO2, presumably also after being metabolized to acetyl-CoA. S-BHB is metabolized much more slowly than R-BHB is (139), so that infusion of the same amount of S-BHB may result in higher and more sustained blood levels of S-BHB compared with a similar infusion of R-BHB (19). We discuss the chiral specificity of BHB signaling activities below.

BHB 키랄성

BHB는

3′ 수산기의 키랄 분자로,

신호 전달 활동과 치료 응용 가능성을 고려할 때 중요한 특징입니다.

두 가지 거울상 이성질체, R/d와 S/l이 있습니다.

R-BHB는

인간과 마우스 대사의 정상적인 산물입니다.

이러한 키랄 특이성은

BDH1에 의해 도입되며,

BDH1은 아세토아세테이트의 비키랄 3′ 카르보닐기를

BHB의 키랄 3′ 하이드 록실기로 환원함으로써

BHB 합성의 최종 단계를 촉매합니다.

BDH1은 또한 동일한 반응을 역으로 촉매하여 BHB의 활용에 필요합니다. BDH의 키랄 특이성으로 인해 정상적인 신진대사에서는 R-BHB만 생성되며, R-BHB만이 아세틸-CoA와 ATP로 쉽게 분해될 수 있습니다. 단식, 운동, 칼로리 제한, 케톤 생성 식단 및 기타 BHB의 내인성 생산을 초래하는 모든 상태에서는 R-BHB만 생성됩니다.

S-BHB 자체는 정상적인 인체 신진대사의 산물이 아닙니다. 그러나 S-BHB-CoA는 지방산의 최종 β-산화의 일시적인 중간체입니다. 정상적인 상황에서는 미토콘드리아를 떠나거나 혈액을 순환할 만큼 오래 지속되어서는 안 됩니다. 쥐나 돼지에 표지된 R-BHB, S-BHB 또는 이들의 혼합물을 주입하는 실험에서 S-BHB는 대부분 R-BHB로 전환되는 것으로 나타났습니다(74). 이에 대한 분자 경로는 알려지지 않았지만, S-BHB가 아세틸-CoA로 전환된 다음 아세틸-CoA에서 R-BHB가 생성될 수 있는 것으로 추정됩니다. 적어도 일부 S-BHB는 결국 CO2로 전환되며, 아마도 아세틸-CoA로 대사된 후에도 전환될 것으로 추정됩니다. S-BHB는 R-BHB보다 훨씬 더 느리게 대사되므로(139), 같은 양의 S-BHB를 주입하면 비슷한 양의 R-BHB를 주입하는 것과 비교하여 S-BHB의 혈중 농도가 더 높고 더 오래 지속될 수 있습니다(19). 아래에서 BHB 신호 활동의 키랄 특이성에 대해 설명합니다.

DIRECT SIGNALING ACTIONS OF BHB

Several direct signaling actions of BHB have been described, including binding to cell-surface receptors, competitive inhibition of enzymes, as a substrate for protein posttranslational modification, and modulation of ion channel activity (Figure 2).

BHB의 직접 신호 전달 작용

세포 표면 수용체와의 결합,

단백질 번역 후 변형의 기질로서

효소의 경쟁적 억제 competitive inhibition of enzymes ,

이온 채널 활성의 조절 등

BHB의 몇 가지 직접적인 신호 작용이 설명되어 있습니다(그림 2).

Figure 2

Schematic of direct and indirect signaling functions of the ketone body BHB.

Indirect signaling functions require catabolism to other molecules, whereas direct signaling functions are actions of BHB itself. The major downstream effects of signaling functions are noted. Abbreviations: BHB, β-hydroxybutyrate; CoA, coenzyme A; FFAR3, free fatty acid receptor 3; GABA, γ-amino-butyric acid; HDAC, histone deacetylase; HCAR2, hydroxycarboxylic acid receptor 2; NAD, nicotinamide adenine dinucleotide; VGLUT, vesicular glutamate transporter.

케톤체 BHB의 직접 및 간접 신호 전달 기능의 모식도. 

간접 신호 전달 기능은 

다른 분자에 대한 이화 작용을 필요로 하는 반면, 

직접 신호 전달 기능은 BHB 자체의 작용입니다. 

신호 전달 기능의 주요 다운스트림 효과는 다음과 같습니다. 

약어: BHB, β-하이드록시부티레이트; CoA, 코엔자임 A; FFAR3, 유리 지방산 수용체 3; GABA, γ- 아미노 부티르산; HDAC, 히스톤 탈아세틸화 효소; HCAR2, 하이드 록시 카르 복실산 수용체 2; NAD, 니코틴 아미드 아데닌 디뉴클레오티드; VGLUT, 소포 글루타민산염 수송체.

BHB Inhibits Class I Histone Deacetylases

BHB inhibits class I histone deacetylases (HDACs) (41), a family of proteins that have important roles in regulating gene expression‎ by deacetylating lysine residues on histone and nonhistone proteins (reviewed in References 85, 90, and 151). Class I HDACs (e.g., HDAC1, HDAC2, HDAC3, and HDAC8) are small, mostly nuclear proteins that consist primarily of a deacetylase domain, and are usually found in large regulatory multiprotein complexes. Histone hyperacetylation is generally associated with activation of gene expression‎; so as a broad generality, class I HDAC activity suppresses gene expression‎. Many nonhistone proteins, including NF-κB, TP53, MYC, and MYOD1, among others (34), are also subject to HDAC-mediated deacetylation and regulation.

BHB inhibits HDAC1, HDAC3, and HDAC4 (classes I and IIa) in vitro with an IC50 of 2−-5 mM. BHB treatment of certain cultured cells induces dose-dependent histone hyperacetylation, particularly at histone H3 lysines 9 and 14 (119). Fasting, which increases plasma BHB levels, is associated with increases in histone acetylation in a number of mouse tissues by Western blot analysis (119), as well as in the liver by quantitative mass spectrometry (148). BHB can also increase histone H3 acetylation in vitro in macrophages (154) and neurons (121). Treating mice with BHB via an osmotic pump increases histone hyperacetylation, particularly in the kidney, and causes specific changes in gene expression‎, including induction of forkhead box O3 (Foxo3a), the mammalian ortholog of the stress-responsive transcriptional factor DAF16 that regulates life span in C. elegans (59). Induction of Foxo3a appears to be a direct effect of HDAC inhibition, as HDAC1 and HDAC2 are found on its promoter, knockdown of both relieves HDAC-mediated Foxo3a repression, and BHB causes hyperacetylation of histones at the Foxo3a promoter that results in increased Foxo3a expression‎ (119). BHB regulates Bdnf (brain derived neurotrophic factor) expression‎ in the mouse brain by a similar mechanism after exercise. Exercise increases BHB levels and Bdnf expression‎ in the hippocampus, and Bdnf expression‎ is increased by treating hippocampal slices with BHB or by infusing BHB intraventricularly. Treating primary neurons with BHB increases histone H3 acetylation, reduces Bdnf promoter occupancy by HDAC2 and HDAC3, and increases Bdnf expression‎ (121).

Inhibition of class I HDACs appears to be a direct effect of BHB. Enzymatic inhibition in vitro is observed using immunopurified FLAG-tagged HDAC proteins with a synthetic peptide substrate, which should provide no opportunity for BHB metabolism or secondary effects (119). Competitive inhibition of the catalytic site is the likely mechanism. Crystal structures of the human class I HDAC8 bound to several hydroxamic acid inhibitors (123, 131), as well as modeling of other inhibitors, show that a carbonic or hydroxamic acid group of an inhibitor is commonly bound to the catalytic zinc at the bottom of the hydrophobic active site channel of the HDAC (138). BHB is structurally similar to the canonical HDAC inhibitor butyrate. Butyrate demonstrates the kinetics of a competitive inhibitor (116), suggesting that its carboxylic acid group might chelate the catalytic zinc in a manner similar to that of other acidic moieties on HDAC inhibitors. The structures of butyrate, BHB, and acetoacetate differ only in the oxidation state of the 3′ carbon. Increasing oxidation may be a barrier to binding within the hydrophobic channel of the HDAC active site, and as expected, the IC50 of the three compounds for HDAC1 increases with the oxidation state (116, 119).

BHB는 클래스 I 히스톤 탈아세틸화 효소를 억제

BHB는

히스톤 및 비히스톤 단백질의 라이신 잔기를 탈아세틸화하여

유전자 발현을 조절하는 데 중요한 역할을 하는

단백질 계열인 클래스 I 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)(41)를 억제합니다(참조 85, 90 및 151에서 검토).

클래스 I HDAC(예: HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8)는

주로 탈아세틸화 효소 도메인으로 구성된 작은 핵 단백질로,

일반적으로 대규모 조절 다중 단백질 복합체에서 발견됩니다.

히스톤 과아세틸화는

일반적으로 유전자 발현의 활성화와 관련이 있으므로,

일반적으로 1등급 HDAC 활성은

유전자 발현을 억제합니다.

NF-κB, TP53, MYC, MYOD1을 비롯한

많은 비히스톤 단백질(34)도

HDAC에 의한 탈아세틸화 및 조절의 대상이 됩니다.

BHB는

시험관 내에서 2~5mM의 IC50으로

HDAC1, HDAC3 및 HDAC4(클래스 I 및 IIa)를 억제합니다.

특정 배양 세포의 BHB 처리는 특히 히스톤 H3 라이신 9 및 14(119)에서 용량 의존적 히스톤 과아세틸화를 유도합니다. 혈장 BHB 수치를 증가시키는 단식은 웨스턴 블롯 분석(119)에 의한 여러 마우스 조직에서 히스톤 아세틸화의 증가와 관련이 있으며, 정량적 질량 분석법(148)에 의한 간에서도 히스톤 아세틸화가 증가합니다. BHB는 또한 대식세포(154)와 뉴런(121)에서 시험관 내에서 히스톤 H3 아세틸화를 증가시킬 수 있습니다. 삼투 펌프를 통해 생쥐를 BHB로 처리하면 특히 신장에서 히스톤 과아세틸화가 증가하고, C. elegans에서 수명을 조절하는 스트레스 반응성 전사 인자 DAF16의 포유류 상동체인 포크 헤드 박스 O3(Foxo3a)의 유도를 포함하여 유전자 발현에 특정 변화를 일으킵니다(59). HDAC1과 HDAC2가 프로모터에서 발견되고, 이 둘을 모두 녹다운하면 HDAC 매개 Foxo3a 억제가 완화되고, BHB가 Foxo3a 프로모터에서 히스톤의 과아세틸화를 유발하여 Foxo3a 발현이 증가하기 때문에 Foxo3a의 유도는 HDAC 억제의 직접적인 효과인 것으로 보입니다(119). BHB는 운동 후 유사한 메커니즘으로 마우스 뇌에서 Bdnf(뇌유래신경영양인자) 발현을 조절합니다. 운동은 해마에서 BHB 수치와 Bdnf 발현을 증가시키고, 해마 절편을 BHB로 처리하거나 뇌실 내로 BHB를 주입하면 Bdnf 발현이 증가합니다. 일차 뉴런을 BHB로 처리하면 히스톤 H3 아세틸화가 증가하고, HDAC2 및 HDAC3에 의한 Bdnf 프로모터 점유가 감소하며, Bdnf 발현이 증가합니다(121).

클래스 I HDAC의 억제는 BHB의 직접적인 효과인 것으로 보입니다. 시험관 내 효소 억제는 합성 펩타이드 기질을 가진 면역 정제된 FLAG-태그 HDAC 단백질을 사용하여 관찰되며, 이는 BHB 대사 또는 이차 효과에 대한 기회를 제공하지 않아야 합니다(119). 촉매 부위의 경쟁적 억제가 유력한 메커니즘입니다. 여러 히드록삼산 억제제(123, 131)에 결합된 인간 클래스 I HDAC8의 결정 구조와 다른 억제제의 모델링은 억제제의 탄산 또는 히드록삼산기가 일반적으로 HDAC의 소수성 활성 사이트 채널 하단에 있는 촉매 아연에 결합되어 있음을 보여줍니다(138). BHB는 일반적인 HDAC 억제제인 부티레이트와 구조적으로 유사합니다. 부티레이트는 경쟁 억제제의 동역학을 보여주며(116), 카르복실산 그룹이 HDAC 억제제의 다른 산성 모오티와 유사한 방식으로 촉매 아연을 킬레이트화할 수 있음을 시사합니다. 부티레이트, BHB, 아세토아세테이트의 구조는 3` 탄소의 산화 상태만 다릅니다. 산화가 증가하면 HDAC 활성 부위의 소수성 채널 내에서 결합하는 데 장벽이 될 수 있으며, 예상대로 HDAC1에 대한 세 가지 화합물의 IC50은 산화 상태에 따라 증가합니다(116, 119).

β-Hydroxybutyrylation of Proteins

In addition to inhibiting enzymes involved in the regulation of protein posttranslational modifications such as HDACs, BHB can itself modify proteins at the posttranslational level. Lysine β-hydroxybutyrylation [K(BHB)] was detected via mass spectrometry as a histone modification in yeast, fly, mouse, and human cells (148). Western blot analysis detected that histone K(BHB) increases in human cells in proportion to treatment with exogenous BHB, and increases in mouse liver in proportion to increases in plasma BHB levels with either fasting of normal mice or induction of diabetic ketoacidosis with streptozotocin. At least 40 BHB-modified histone lysine sites were detected in human cells or mouse liver by mass spectrometry, including sites critical for transcriptional regulation such as H3K9. Fasting increased the relative abundance of K(BHB) at these sites by up to 40-fold (148).

Chromatin immunoprecipitation (ChIP) with specific antibodies also revealed that K(BHB) of H3K9 is preferentially associated with the promoters of actively transcribed genes (148). A comparison of ChIP data and RNAseq expression‎ data from fasted mouse liver found a strong correlation between genes with the greatest increase in expression‎ and genes with the greatest increase in K(BHB) at the promoter. H3K9 K(BHB) is correlated with other activation markers, such as acetylated H3K9 and trimethylated H3K4, but has an association with gene activation independent of these other two markers, suggesting an independent function (148). What that function is remains to be determined. The scope of β-hydroxybutyrylation as a posttranslational modification is not clear: It is not known whether nonhistone proteins are modified, or whether K(BHB) exists in organs other than the liver. It is also not known whether any enzymes catalyze the addition or removal of K(BHB), providing opportunities for specific targeting and regulation. The wide diversity of lysine acylations removed by the various mammalian sirtuins (1) hints that hydroxybutyrylation might be removed by a specific sirtuin. In all, histone K(BHB) may be the nexus of an important new network of gene regulatory activity associated with fasting and other conditions linked to increase BHB production.

단백질의 β-하이드록시부티릴화

BHB는

HDAC와 같은 단백질 번역 후 변형 조절에 관여하는 효소를 억제하는 것 외에도

번역 후 수준에서 단백질을 자체적으로 변형할 수 있습니다.

라이신 β-하이드록시부티릴화[K(BHB)]는

효모, 파리, 마우스 및 인간 세포에서

히스톤 변형으로 질량 분석법을 통해 검출되었습니다(148).

웨스턴 블롯 분석 결과,

외인성 BHB 처리에 비례하여

인간 세포에서 히스톤 K(BHB)가 증가하고,

정상 마우스의 금식 또는 스트렙토조토신으로 당뇨병성 케톤산증 유도에 따른

혈장 BHB 수치 증가에 비례하여

마우스 간에서 증가하는 것을 감지할 수 있었습니다.

질량 분석법을 통해 인간 세포 또는 마우스 간에서 최소 40개의 BHB 변형 히스톤 라이신 부위가 검출되었으며, 여기에는 H3K9와 같은 전사 조절에 중요한 부위가 포함되었습니다. 단식을 하면 이 부위에서 K(BHB)의 상대적 풍부도가 최대 40배까지 증가했습니다(148).

특정 항체를 사용한 크로마틴 면역 침전(ChIP)에서도 H3K9의 K(BHB)가 활발하게 전사되는 유전자의 프로모터와 우선적으로 연관되어 있다는 사실이 밝혀졌습니다(148). 공복 마우스 간에서 얻은 ChIP 데이터와 RNAseq 발현 데이터를 비교한 결과, 발현이 가장 많이 증가한 유전자와 프로모터에서 K(BHB)가 가장 많이 증가한 유전자 간에 강한 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. H3K9 K(BHB)는 아세틸화된 H3K9 및 트리메틸화된 H3K4와 같은 다른 활성화 마커와 상관관계가 있지만, 이 두 마커와는 독립적으로 유전자 활성화와 연관성이 있어 독립적인 기능을 가지고 있음을 시사합니다(148). 그 기능이 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았습니다. 번역 후 변형으로서의 β- 하이드 록시 부티릴화의 범위는 명확하지 않습니다. 비 히스톤 단백질이 변형되는지 또는 간 이외의 기관에 K (BHB)가 존재하는지 여부는 알려지지 않았습니다. 또한 어떤 효소가 K(BHB)의 추가 또는 제거를 촉매하여 특정 표적화 및 조절의 기회를 제공하는지도 알려져 있지 않습니다. 다양한 포유류 시르투인에 의해 제거되는 라이신 아실화의 다양성(1)은 히드록시부티릴화가 특정 시르투인에 의해 제거될 수 있음을 암시합니다. 전체적으로 히스톤 K(BHB)는 단식 및 기타 조건과 관련된 유전자 조절 활동의 중요한 새로운 네트워크의 연결고리일 수 있으며, 이는 BHB 생성을 증가시키는 것과 관련이 있습니다.

Cell Surface Receptors: HCAR2 and FFAR3

BHB binds to at least two cell surface G-protein-coupled receptors (GPCRs), HCAR2 (hydroxycarboxylic acid receptor 2) and FFAR3 (free fatty acid receptor 3). These are among several GPCRs with fatty acid ligands that have important roles in metabolism and metabolic disease (9, 70). HCAR2 (also known as HCA2, PUMA-G, and Gpr109) is a Gi/o-coupled GPCR that was first identified as a nicotinic acid receptor (130). It was later shown to bind and be activated by BHB, with an EC50 of 0.7 mM (125). HCAR2 activation reduces lipolysis in adipocytes (95, 125), which might perhaps represent a feedback mechanism to regulate the availability of the fatty acid precursors of ketone body metabolism. However, elevated levels of free fatty acids in plasma from dysregulated adipocytes are also thought to contribute to insulin resistance through a variety of mechanisms, including proinflammatory cytokines, oxidative stress, and endoplasmic reticulum stress (10). Pharmacological agonists of HCAR2 reduce both plasma free fatty acids and plasma glucose levels in humans with type 2 diabetes (21). Infusion of BHB has long been observed to reduce the concentrations of nonesterified fatty acids in plasma, even when insulin levels (which also regulate fatty acid release from adipocytes) are held constant (109). In retrospect, this reduction of free fatty acids in plasma may be due to HCAR2 activation.

HCAR2 is also expressed in a variety of other cell types, including immune cells, microglia, and colonic epithelial cells, in which its activation induces anti-inflammatory effects (38). In the central nervous system, this is associated with neuroprotection mediated in part by the activation of IP3-dependent intracellular calcium release, alterations in prostaglandin production, and downstream inhibition of NF-κB activation (reviewed in Reference 96). More specifically, HCAR activates a neuroprotective subset of macrophages via the production of PGD2 by COX1 (103). The neuroprotective effect of ketogenic diet in a mouse stroke model is abrogated in Hcar2 knockout mice, and it appears that activation of HCAR2 on brain-infiltrating macrophages/monocytes is crucial to this neuroprotection (103). Finally, HCAR2 activation in neurons can potentiate glutaminergic signaling, which in one particular region of the brain helps regulate blood pressure and heart rate (106).

Activation of HCAR2 in the gut epithelium by short-chain fatty acids produced by bacterial fermentation of dietary fiber activates the NLRP3 inflammasome and maintains gut membrane integrity (79). The mechanism for inflammasome activation appears to be potassium efflux stimulated by intracellular calcium release. Inflammasome activation is beneficial in mouse models of colitis, and appears to explain the benefit of a high-fiber diet in these conditions, but stands in interesting contrast to the role of BHB in suppressing NLRP3 inflammasome activation described below.

BHB is also a ligand for FFAR3 (also known as GPR41). FFAR3 is another Gi/o-protein-coupled receptor that is highly expressed in sympathetic ganglions (62) throughout the body of mice (94). Ffar3 knockout mice have reduced basal oxygen consumption and body temperature but are then insensitive to the usual further sympathetic depression seen during prolonged fasting (62). Antagonism of FFAR3 by BHB suppresses sympathetic tone and heart rate and may be responsible for the sympathetic depression commonly seen during fasting (62). However, an electrophysiological study in rats later reported that BHB in fact acts as an agonist of FFAR3 (146), which regulates voltage-dependent calcium channels. In fact, other endogenous short-chain fatty acids, including acetate, butyrate, and propionate, have been reported as agonists of FFAR3 (11).

Further work is needed to confirm‎ the activity of BHB on FFAR3, but a substantial literature is emerging on other biological functions of FFAR3 relevant to human health. One such function is glucose homeostasis. Deletion of Ffar3 (together with Ffar2) in mouse pancreatic β cells improves insulin secretion and glycemic control on a high-fat diet (126). Genetic gain- and loss-of-function models of Ffar3 alone similarly show that lower FFAR3 signaling increases insulin secretion from pancreatic β islet cells (133). An alternative route by which FFAR3 affects glucose metabolism is via activation by gut-derived propionate in the periportal afferent neural system. This feeds into a brain-gut signaling circuit that induces intestinal gluconeogenesis, with beneficial effects on glucose and energy homeostasis (17).

세포 표면 수용체: HCAR2 및 FFAR3

BHB는

적어도 두 개의 세포 표면 G단백질 결합 수용체(GPCR),

HCAR2(하이드록시 카르복실산 수용체 2) 및

FFAR3(유리 지방산 수용체 3)에 결합합니다.

https://www.nature.com/articles/s12276-020-0415-z

β-HB는 다양한 세포 소기관에 있는 많은 세포 단백질과 직간접적으로 상호작용합니다. β-HB는 혈장막에서 두 개의 GPCR FFAR3와 HCAR2에 대한 작용제 또는 길항제로 작용합니다. β-HB는 hnRNP A1에 직접 결합하여 Oct4 mRNA 안정성을 조절합니다. β-HB는 NRLP3 인플라마좀 형성 또는 그 활성 억제를 통해 염증을 억제합니다. 특히 β-HB는 핵 단백질도 조절합니다. β-HB는 β-하이드록시부티릴화를 통해 히스톤과 p53도 조절하는 HDAC 억제제입니다.

이들은 신진대사와 대사성 질환에 중요한 역할을 하는

지방산 리간드를 가진 여러 GPCR 중 하나입니다(9, 70).

HCAR2(HCA2, PUMA-G 및 Gpr109라고도 함)는

니코틴산 수용체(130)로 처음 확인된 Gi/o 결합 GPCR입니다.

나중에 BHB에 결합하여 활성화되는 것으로 밝혀졌으며,

EC50은 0.7mM입니다(125).

HCAR2 활성화는

지방세포에서 지방 분해를 감소시키는데(95, 125),

이는 아마도 케톤체 대사의 지방산 전구체의 가용성을 조절하는

피드백 메커니즘을 나타낼 수 있습니다.

그러나

조절 장애가 있는 지방세포에서 혈장 내 유리지방산 수치가 높아지면

염증성 사이토카인, 산화 스트레스, 소포체 스트레스 등

다양한 기전을 통해 인슐린 저항성에 기여하는 것으로 생각됩니다(10).

HCAR2의 약리 작용제는

제2형 당뇨병 환자의 혈장 유리 지방산과 혈장 포도당 수치를 모두 감소시킵니다(21).

인슐린 수치(지방세포에서 지방산 방출도 조절)가

일정하게 유지되는 경우에도 BHB를 주입하면

혈장 내 비스테로화 지방산 농도가 감소하는 것으로

오랫동안 관찰되어 왔습니다(109).

돌이켜보면

혈장 내 유리지방산의 감소는

HCAR2 활성화 때문일 수 있습니다.

HCAR2는

면역 세포, 미세아교세포, 대장 상피 세포를 포함한

다양한 다른 세포 유형에서도 발현되며,

이러한 활성화는 항염증 효과를 유도합니다(38).

하이드록시 카르복실산 수용체 2(HCA2) 작용제인 니아신은 수십 년 동안 이상지질혈증 치료제로 사용되어 왔지만, 치료받은 사람의 경우 피부 홍조가 흔한 부작용으로 나타나기도 합니다. HCA2 매개 신호 전달의 분자적 기초에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만 부작용이 적은 HCA2 표적 지질 저하제를 찾기 위해 많은 노력을 기울여 왔습니다. 여기에서는 강력한 작용제인 MK-6892와 함께 HCA2-Gi 신호 복합체의 극저온 전자 현미경 구조와 비활성 상태의 HCA2 결정 구조를 보고합니다. 이러한 구조는 포괄적인 약리학적 분석과 함께 HCA2의 리간드 결합 모드와 활성화 및 신호 메커니즘을 밝힙니다. 이 연구는 HCA2 매개 신호 전달에 필수적인 구조적 결정 요인을 규명하고 HCA2 및 관련 수용체에 대한 리간드 발견에 대한 통찰력을 제공합니다.

중추신경계에서

이는 부분적으로 IP3 의존성 세포 내 칼슘 방출의 활성화,

프로스타글란딘 생산의 변화,

NF-κB 활성화의 하류 억제를 통해 매개되는

신경 보호와 관련이 있습니다(참고자료 96에서 검토).

보다 구체적으로,

HCAR은

COX1에 의한 PGD2 생성을 통해

대식세포의 신경 보호 하위 집합을 활성화합니다(103).

마우스 뇌졸중 모델에서 케톤생성식이의 신경 보호 효과는 Hcar2 녹아웃 마우스에서 제거되며, 뇌 침윤 대식세포/단핵구에서 HCAR2의 활성화가 이러한 신경 보호에 중요한 것으로 보입니다(103).

마지막으로,

뉴런에서 HCAR2 활성화는

뇌의 특정 영역에서 혈압과 심박수를 조절하는 데 도움이 되는

글루타민성 신호를 강화할 수 있습니다(106).

식이 섬유의 박테리아 발효에 의해 생성된

단쇄 지방산에 의해

장 상피에서 HCAR2가 활성화되면

NLRP3 인플라마좀이 활성화되고

장 막의 완전성이 유지됩니다(79).

인플라마좀 활성화 메커니즘은

세포 내 칼슘 방출에 의해 자극되는 칼륨 유출인 것으로 보입니다.

인플라마좀 활성화는 대장염 마우스 모델에서 유익하며, 이러한 조건에서 고섬유질 식단의 이점을 설명하는 것으로 보이지만, 아래에서 설명하는 NLRP3 인플라마좀 활성화를 억제하는 BHB의 역할과는 흥미로운 대조를 이룹니다.

BHB는

FFAR3(GPR41이라고도 함)의 리간드이기도 합니다.

FFAR3는 생쥐의 몸 전체에 걸쳐 교감 신경절(62)에서 높게 발현되는 또 다른 Gi/o-단백질 결합 수용체입니다(94). FFAR3 녹아웃 마우스는 기초 산소 소비량과 체온이 감소하지만 장기간 공복 시 나타나는 일반적인 추가 교감신경 저하에는 둔감합니다(62).

BHB에 의한 FFAR3의 길항 작용은

교감신경계와 심박수를 억제하고 공복 중에 흔히 볼 수 있는 교감신경계 우울증의 원인이 될 수 있습니다(62).

그러나 나중에 쥐를 대상으로 한 전기생리학 연구에서 BHB가 실제로 전압 의존성 칼슘 채널을 조절하는 FFAR3의 작용제로 작용한다고 보고했습니다(146). 실제로 아세테이트, 부티레이트, 프로피오네이트 등 다른 내인성 단쇄 지방산도 FFAR3의 작용제로 보고되었습니다(11).

FFAR3에 대한 BHB의 활성을 확인하려면 추가 연구가 필요하지만, 인체 건강과 관련된 FFAR3의 다른 생물학적 기능에 대한 상당한 문헌이 나오고 있습니다. 그러한 기능 중 하나가 포도당 항상성입니다. 마우스 췌장 베타 세포에서 Ffar3(Ffar2와 함께)를 제거하면 고지방 식단에서 인슐린 분비 및 혈당 조절이 개선됩니다(126). Ffar3의 유전적 기능 획득 및 상실 모델에서도 마찬가지로 FFAR3 신호가 감소하면 췌장 β 섬 세포에서 인슐린 분비가 증가한다는 사실이 밝혀졌습니다(133). FFAR3가 포도당 대사에 영향을 미치는 또 다른 경로는 말초 구심성 신경계에서 장에서 유래한 프로피오네이트에 의한 활성화입니다. 이는 장내 포도당 생성을 유도하는 뇌-장 신호 회로에 공급되어 포도당과 에너지 항상성에 유익한 영향을 미칩니다(17).

FFAR3 also regulates inflammation.

Activation of FFAR3 by gut-derived propionate helps rescue allergic airway inflammation in mice by reducing the capacity of lung-resident dendritic cells to promote TH2-mediated inflammation (129). Similarly, activation of FFAR2 and FFAR3 by acetate suppresses the expression‎ of inflammatory cytokines in human monocytes, which suggests FFAR2/3 agonists may help ameliorate inflammatory bowel diseases (2). As these examples illustrate, whether activation or inhibition of FFAR3 is beneficial to health may be highly dependent on the specific tissue and disease contexts.

FFAR3는 또한 염증을 조절.

장 유래 프로피오네이트에 의한 FFAR3의 활성화는 폐 상주 수지상 세포의 능력을 감소시켜 TH2 매개 염증을 촉진함으로써 생쥐의 알레르기성 기도 염증을 완화하는 데 도움이 됩니다(129). 마찬가지로 아세테이트에 의한 FFAR2 및 FFAR3의 활성화는 인간 단핵구에서 염증성 사이토카인의 발현을 억제하는데, 이는 FFAR2/3 작용제가 염증성 장 질환을 개선하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다(2). 이러한 예에서 알 수 있듯이 FFAR3의 활성화 또는 억제가 건강에 유익한지는 특정 조직 및 질병 상황에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

Membrane Channel and Transporter Regulation

Two threads of indirect evidence imply a role for BHB in the modulation of potassium flux across the plasma membrane. Inhibition of potassium efflux is the suggested mechanism by which BHB inhibits activation of the NLRP3 inflammasome (154). An extensive series of careful in vitro experiments excluded other known direct and indirect signaling functions of BHB, including HDACs, HCAR2, and metabolism to acetyl-CoA. The event most upstream of inflammasome activation that is affected by BHB treatment is prevention of the decline in intracellular potassium in response to inflammasome-activating signals (154). This effect is the reverse of HCAR2 activation stimulating potassium efflux.

Application of acetoacetate or R-BHB to brain slices reduces the rate of firing from γ-amino-butyric acid (GABA)ergic neurons, and pharmacological inhibition of ATP-sensitive K (KATP) channels or knockout of the Kir6.2 subunit abrogates the effect (78). Although this might suggest that BHB could increase K channel opening, several lines of evidence indicate that the change in KATP activity is more likely an indirect effect of the absence of glucose on local intracellular ATP concentrations. The nonmetabolized enantiomer S-BHB did not have a similar effect on neuron firing (78); a later study showed that the change in KATP channel opening is due to reduced glycolysis in the presence of BHB (76) and that providing sufficient BHB and oxygen to maintain normal cellular ATP production can prevent the change in KATP activity (77).

BHB appears to have a direct regulatory effect on the neuronal vesicular glutamate transporter VGLUT2 (56). Cl− is an allosteric activator of glutamate uptake in an in vitro system consisting of proteoliposomes containing purified VGLUT2. Acetoacetate, BHB, and pyruvate inhibit this Cl−-dependent glutamate uptake, with kinetics indicating competition for the Cl− binding site. All these effects require the anions to be exposed to the extravesicular side of the membrane transporter. Acetoacetate is >10-fold more potent than BHB at inhibiting VGLUT2, but the IC50 of 3.75 mM for BHB still suggests that biologically relevant effects on glutamate uptake might occur at physiological low-millimolar BHB concentrations. Cl−-dependent activation of other VGLUT transporters were similarly inhibited by acetoacetate, but the vesicular GABA transporter VGAT was not. Consistent with these biochemical findings, acetoacetate inhibits glutamate release from neurons in a manner suggesting a reduced vesicular quantity of glutamate (56). In other contexts, however, BHB enhances glutaminergic transmission by increasing neurotransmitter release (121). Nevertheless, VGLUT inhibition may be a mechanism by which BHB can reduce excitatory glutamate neurotransmission without affecting inhibitory GABA neurotransmission.

막 채널과 수송체 조절

두 가지 간접적인 증거는 혈장막을 통한 칼륨 흐름 조절에서 BHB의 역할을 암시합니다. 칼륨 유출 억제는 BHB가 NLRP3 인플라마좀의 활성화를 억제하는 것으로 추정되는 메커니즘입니다(154). 광범위한 일련의 신중한 시험관 내 실험에서 HDAC, HCAR2 및 아세틸-CoA로의 대사를 포함하여 BHB의 다른 알려진 직간접 신호 기능을 배제했습니다. BHB 치료의 영향을 받는 인플라마좀 활성화의 가장 상류에 있는 사건은 인플라마좀 활성화 신호에 대한 반응으로 세포 내 칼륨이 감소하는 것을 방지하는 것입니다(154). 이 효과는 칼륨 유출을 자극하는 HCAR2 활성화의 반대입니다.

아세토 아세테이트 또는 R-BHB를 뇌 슬라이스에 적용하면 γ- 아미노 부티르산 (GABA)성 뉴런의 발화 속도가 감소하고 ATP- 민감성 K (KATP) 채널의 약리학 적 억제 또는 Kir6.2 서브 유닛의 녹아웃은 효과를 제거합니다 (78). 이는 BHB가 K 채널 개방을 증가시킬 수 있음을 시사할 수 있지만, 여러 증거에 따르면 KATP 활성의 변화는 포도당 부재가 국소 세포 내 ATP 농도에 미치는 간접적인 영향일 가능성이 더 높습니다. 비대사 이성질체 S-BHB는 뉴런 발화에 비슷한 영향을 미치지 않았으며(78), 이후 연구에서는 KATP 채널 개방의 변화가 BHB가 있을 때 해당 작용이 감소하기 때문이며(76) 정상적인 세포 ATP 생산을 유지하기 위해 충분한 BHB와 산소를 공급하면 KATP 활성의 변화를 막을 수 있다는 것을 보여주었습니다(77).

BHB는 신경세포 소포 글루타메이트 수송체 VGLUT2에 직접적인 조절 효과가 있는 것으로 보입니다(56). Cl-은 정제된 VGLUT2를 포함하는 프로테오리포좀으로 구성된 시험관 내 시스템에서 글루타메이트 흡수의 알로스테릭 활성화제입니다. 아세토아세테이트, BHB 및 피루베이트는 이러한 Cl- 의존성 글루타메이트 흡수를 억제하며, 동역학적으로 Cl- 결합 부위에 대한 경쟁을 나타냅니다. 이러한 모든 효과는 음이온이 막 수송체의 소포체 외측에 노출되어야 합니다. 아세토아세테이트는 VGLUT2를 억제하는 데 있어 BHB보다 10배 이상 강력하지만, BHB의 IC50이 3.75mM인 것은 여전히 글루타메이트 흡수에 생물학적으로 관련된 효과가 생리적으로 낮은 밀리몰 BHB 농도에서 발생할 수 있음을 시사합니다. 다른 VGLUT 수송체의 Cl-- 의존적 활성화는 아세토아세테이트에 의해 유사하게 억제되었지만, 소포성 GABA 수송체 VGAT는 그렇지 않았습니다. 이러한 생화학적 결과와 일관되게 아세토아세테이트는 신경세포에서 글루타메이트 방출을 억제하여 소포 내 글루타메이트의 양을 감소시키는 것으로 나타났습니다(56). 그러나 다른 맥락에서 BHB는 신경전달물질 방출을 증가시켜 글루타민산 전달을 향상시킵니다(121).

그럼에도 불구하고,

VGLUT 억제는

억제성 GABA 신경전달에 영향을 미치지 않고

흥분성 글루타메이트 신경전달을 감소시킬 수 있는 메커니즘일 수 있습니다.

Enantiomeric Specificity of Direct Signaling Activities

As noted above, BHB is a chiral molecule, and R-BHB is the enantiomer generated and readily consumed in normal mammalian metabolism. Signaling functions or other effects that depend on the rapid catabolism of BHB therefore are relevant only to the R-enantiomer. Signaling functions that are direct actions of BHB, however, might be recapitulated in part or in full by S-BHB depending on the stereoselectivity of the proteins involved. Indeed, several of the direct signaling functions described here have been reported to be nonstereoselective in the literature.

S-BHB can bind the GPCR HCAR2, albeit with somewhat lower affinity than R-BHB. An in vitro assay with modified Chinese hamster ovary cells expressing human HCAR2, using calcium flux as the readout, found that both R-BHB and S-BHB showed robust, similar receptor activation at concentrations of 15 mM. A quantitative binding assay using radiolabeled GTP to measure nucleotide exchange found that the EC50 was 0.7 mM for R-BHB and 1.6 mM for S-BHB with human HCAR2, and 0.3 mM and 0.7 mM, respectively, with mouse HCAR2. Acetoacetate was inactive (125). The chirality of BHB used to test activation of FFAR was not reported (62).

S-BHB can also block inflammasome activation (154). The use of caspase-1 activation in lipopolysaccharide-treated bone marrow--derived macrophage cells as an in vitro assay of NLRP3 inflammasome activation showed that S-BHB effectively blocks inflammasome activation, albeit perhaps with lower efficacy than R-BHB.

The steroselectivity of HDAC inhibition by BHB remains to be explored, but if, as described above, the relevant biochemical action is chelation of a catalytic zinc at the base of a hydrophobic channel, then the chirality of the trailing 3′ hydroxyl group may not be a critical determinant of activity. There is at least one suggestion that both R-BHB and S-BHB can increase histone acetylation in vitro (154).

The chirality of histone K(BHB) may be important to its biological function. The method used to detect K(BHB) could not distinguish modification with R-BHB from modification with S-BHB (148), but it is likely that both K(S-BHB) and K(R-BHB) are present. First, K(BHB) was detected in yeast and flies, and although generation of S-BHB-CoA as an intermediate of lipid β-oxidation is a conserved pathway in these metazoans, mitochondrial ketogenesis of R-BHB is not. Nor is Saccharomyces cerevisiae known to use polymers of R-BHB as an energy store, as is common in prokaryotes (18). Second, although fasting increases synthesis of R-BHB in mouse liver, it also increases flux of S-BHB-CoA as an intermediary of fatty acid oxidation. A number of factors probably influence whether K(R-BHB) or K(S-BHB) predominates. By analogy with other protein acylations, K(BHB) is likely formed from CoA-activated BHB. β-Oxidation produces S-BHB-CoA from an acyl-CoA precursor. Free R-BHB (as well as free S-BHB) must undergo enzymatic activation by a CoA synthase, which has long been observed to occur (109), although the precise CoA synthase involved and cellular compartment in which the activation occurs are unknown. The balance of K(R-BHB) versus K(S-BHB) in the liver might therefore depend on the rate and site of activation of R-BHB and on the efficiency of extramitochondrial transport of both activated forms. The balance in extrahepatic tissue might also depend on the relative utilization of fatty acids versus BHB for energy. Neurons, for example, which do not utilize fatty acids (7), would likely favor K(R-BHB) under ketogenic conditions. Whether the chirality of K(BHB) matters depends on its biological function, which is not yet understood. If the function is simply to occupy the lysine site and prevent alternative modifications, the chirality may be irrelevant. If the function is to serve as a binding site for other proteins, the 3′ hydroxyl group of BHB should remain both chiral and accessible to influence the binding of any putative K(BHB) recognition proteins.

직접 신호 전달 활동의 거울상 이성질체 특이성

위에서 언급한 바와 같이 BHB는 키랄 분자인 반면, R-BHB는 포유류의 정상적인 신진대사 과정에서 생성되고 쉽게 소비되는 거울상 이성질체입니다. 따라서 BHB의 빠른 이화 작용에 의존하는 신호 전달 기능 또는 기타 효과는 R 거울상 이성질체에만 관련됩니다. 그러나 BHB의 직접적인 작용인 신호 기능은 관련된 단백질의 입체 선택성에 따라 S-BHB에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 요약될 수 있습니다. 실제로 여기에 설명된 직접 신호 기능 중 일부는 문헌에서 입체 선택적이지 않은 것으로 보고되었습니다.

S-BHB는 R-BHB보다 다소 낮은 친화력을 가지고 있지만 GPCR HCAR2와 결합할 수 있습니다. 칼슘 플럭스를 판독값으로 사용하여 인간 HCAR2를 발현하는 변형된 중국 햄스터 난소 세포를 사용한 시험관 내 분석에서 R-BHB와 S-BHB 모두 15mM 농도에서 강력하고 유사한 수용체 활성화를 보인다는 사실이 밝혀졌습니다. 방사성 표지 GTP를 사용하여 뉴클레오티드 교환을 측정하는 정량적 결합 분석 결과, 인간 HCAR2를 사용한 EC50은 R-BHB의 경우 0.7mM, S-BHB의 경우 1.6mM, 마우스 HCAR2의 경우 각각 0.3mM 및 0.7mM로 나타났습니다. 아세토아세테이트는 비활성 상태였습니다(125). FFAR의 활성화를 테스트하는 데 사용된 BHB의 키랄성은 보고되지 않았습니다(62).

S-BHB는 또한 인플라마좀 활성화를 차단할 수 있습니다(154). 리포다당류로 처리한 골수 유래 대식세포에서 카스파제-1 활성화를 NLRP3 인플라마좀 활성화의 시험관 내 분석으로 사용한 결과, S-BHB는 비록 R-BHB보다 효능은 낮지만 인플라마좀 활성화를 효과적으로 차단하는 것으로 나타났습니다.

BHB에 의한 HDAC 억제의 입체 선택성은 아직 밝혀지지 않았지만, 위에서 설명한 것처럼 관련 생화학적 작용이 소수성 채널의 기저부에서 촉매 아연의 킬레이트화라면 후행 3′ 수산기의 키랄성은 활성의 중요한 결정 요인이 아닐 수 있습니다. R-BHB와 S-BHB 모두 시험관 내에서 히스톤 아세틸화를 증가시킬 수 있다는 제안이 하나 이상 있습니다(154).

히스톤 K(BHB )의 키랄성은 히스톤의 생물학적 기능에 중요할 수 있습니다. K(BHB)를 검출하는 데 사용된 방법으로는 R-BHB를 사용한 변형과 S-BHB를 사용한 변형을 구분할 수 없었지만(148), K(S-BHB)와 K(R-BHB)가 모두 존재할 가능성이 높습니다. 첫째, 효모와 파리에서 K(BHB)가 검출되었고, 지질 β 산화의 중간체로서 S-BHB-CoA의 생성은 이러한 메타조동물에서 보존된 경로이지만, R-BHB의 미토콘드리아 케톤 생성은 그렇지 않습니다. 또한 사카로미세스 세레비지애는 원핵생물에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 R-BHB의 중합체를 에너지 저장소로 사용하는 것으로 알려져 있지 않습니다(18). 둘째, 단식은 마우스 간에서 R-BHB의 합성을 증가시키지만, 지방산 산화의 매개체로서 S-BHB-CoA의 플럭스도 증가시킵니다. K(R-BHB) 또는 K(S-BHB)가 우세한지 여부에는 여러 가지 요인이 영향을 미칠 수 있습니다. 다른 단백질 아실화와 유사하게, K(BHB)는 CoA로 활성화된 BHB에서 형성될 가능성이 높습니다. β-산화는 아실-CoA 전구체에서 S-BHB-CoA를 생성합니다. 유리 R-BHB(및 유리 S-BHB)는 CoA 합성효소에 의해 효소적 활성화를 거쳐야 하는데, 이는 오랫동안 관찰되어 왔지만(109), 활성화에 관여하는 정확한 CoA 합성효소와 활성화가 일어나는 세포 구획은 알려져 있지 않습니다. 따라서 간에서 K(R-BHB)와 K(S-BHB)의 균형은 R-BHB의 활성화 속도와 부위, 활성화된 두 형태의 미토콘드리아 외 수송 효율에 따라 달라질 수 있습니다. 간외 조직의 균형은 또한 에너지에 대한 지방산과 BHB의 상대적 이용률에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 지방산을 활용하지 않는 뉴런(7)은 케톤 생성 조건에서 K(R-BHB)를 선호할 가능성이 높습니다. K(BHB)의 키랄성이 중요한지 여부는 아직 밝혀지지 않은 생물학적 기능에 따라 달라집니다. 단순히 라이신 부위를 점유하고 대체 변형을 방지하는 기능이라면 키랄성은 무관할 수 있습니다. 다른 단백질의 결합 부위 역할을 하는 것이 기능이라면, BHB의 3′ 수산기는 키랄성을 유지하면서 접근이 가능하여 추정 K(BHB) 인식 단백질의 결합에 영향을 미칠 수 있어야 합니다.

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INDIRECT SIGNALING ACTIONS VIA BHB CATABOLISM

In addition to its direct signaling activities, BHB might exert additional signaling effects in the course of its catabolism to acetyl-CoA and ATP. These reflect the signaling activities of other intermediate metabolites, including acetyl-CoA, succinyl-CoA, and NAD. Finally, catabolism of BHB can alter the steady state of downstream metabolic pathways, such as those that regulate neurotransmitter synthesis. When considering the possible medical applications of BHB precursors, note that R-BHB should be much more potent at eliciting these indirect signaling actions than S-BHB is, as S-BHB is catabolized much more slowly and through a different route.

BHB 이화 작용을 통한 간접 신호 작용

BHB는

직접적인 신호 전달 활동 외에도

아세틸-CoA와 ATP에 대한 이화 작용 과정에서

추가적인 신호 전달 효과를 발휘할 수 있습니다.

이는 아세틸-CoA, 숙시닐-CoA 및 NAD를 포함한

다른 중간 대사 산물의 신호 활동을 반영합니다.

마지막으로,

BHB의 이화 작용은

신경전달물질 합성을 조절하는 대사 경로와 같은

하류 대사 경로의 정상 상태를 변화시킬 수 있습니다.

BHB 전구체의 의학적 활용 가능성을 고려할 때,

S-BHB는 다른 경로를 통해 훨씬 더 느리게 이화되기 때문에

R-BHB가 S-BHB보다 이러한 간접적인 신호 작용을 유도하는 데 훨씬 더 강력해야 한다는 점에 유의하세요.

Production of Acetyl-CoA, Substrate for Protein Acetylation

Catabolism of BHB into acetyl-CoA should raise intracellular acetyl-CoA levels, favoring both enzymatic and nonenzymatic protein acetylation. This effect complements HDAC inhibition by BHB but may have broader effects in multiple cellular compartments. Protein acetylation in mitochondria appears to be particularly sensitive to acetyl-CoA flux, as a variety of states associated with increased lipid utilization---including dietary restriction, fasting, and high-fat diets---increase mitochondrial protein acetylation. This effect on mitochondrial acetylation occurs despite the fact that neither acetyltransferases nor the HDACs that are inhibited by BHB enter mitochondria (48). Acetylation---and deacetylation by SIRT3---is widespread in mitochondria (105) and regulates the function of several mitochondrial enzymes, including HMGCS2 (118) and the long-chain acyl-CoA dehydrogenase (51).

Increased acetyl-CoA pools also affect nuclear protein acetylation. Mitochondrial acetylcarnitine is a source of acetyl-CoA for histone acetylation (80). Export of acetyl-CoA from the mitochondria is accomplished via a citrate shuttle mediated by citrate synthase inside mitochondria and ATP citrate lyase inside the cytoplasm (141). ATP citrate lyase is a key enzyme in fatty acid biosynthesis, but its role in facilitating acetyl-CoA export from mitochondria is also required for the increase in histone acetylation that occurs with growth factor stimulation (141). An alternative pathway for acetyl-CoA export from mitochondria is via the enzymes carnitine acetyltransferase and carnitine/acylcarnitine translocase (89). Indeed, a muscle-specific knockout of carnitine acetyltransferase in mice compromises glucose tolerance and decreases metabolic flexibility (89), demonstrating the importance of intracellular acetyl-CoA transport to overall metabolic health.

단백질 아세틸화를 위한 기질, 아세틸-CoA 생성

BHB가 아세틸-CoA로 이화되면 세포 내 아세틸-CoA 수준이 높아져 효소적 및 비효소적 단백질 아세틸화가 모두 촉진됩니다. 이 효과는 BHB에 의한 HDAC 억제를 보완하지만 여러 세포 구획에서 더 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 미토콘드리아의 단백질 아세틸화는 식이 제한, 금식, 고지방 식단 등 지질 이용률 증가와 관련된 다양한 상태가 미토콘드리아 단백질 아세틸화를 증가시키기 때문에 아세틸-CoA 플럭스에 특히 민감한 것으로 보입니다. 미토콘드리아 아세틸화에 대한 이러한 효과는 아세틸전달효소나 BHB에 의해 억제되는 HDAC가 미토콘드리아에 들어가지 않음에도 불구하고 발생합니다(48). 아세틸화--그리고 SIRT3에 의한 탈아세틸화--는 미토콘드리아에서 광범위하게 일어나며(105), HMGCS2(118)와 장쇄 아세틸-CoA 탈수소효소(51)를 포함한 여러 미토콘드리아 효소의 기능을 조절합니다.

아세틸-CoA 풀의 증가는 핵 단백질 아세틸화에도 영향을 미칩니다. 미토콘드리아 아세틸카르니틴은 히스톤 아세틸화를 위한 아세틸-CoA의 공급원입니다(80). 미토콘드리아에서 아세틸-CoA의 배출은 미토콘드리아 내부의 시트레이트 합성 효소와 세포질 내부의 ATP 시트레이트 분해 효소에 의해 매개되는 시트레이트 셔틀을 통해 이루어집니다(141). ATP 구연산염 분해효소는 지방산 생합성의 핵심 효소이지만 미토콘드리아에서 아세틸-CoA의 방출을 촉진하는 역할도 하며, 성장 인자 자극으로 발생하는 히스톤 아세틸화의 증가에도 필요합니다(141). 미토콘드리아에서 아세틸-CoA를 내보내는 또 다른 경로는 카르니틴 아세틸 트랜스퍼라제와 카르니틴/아실카르니틴 트랜스포라아제 효소를 이용하는 것입니다(89). 실제로 생쥐에서 카르니틴 아세틸 트랜스퍼라제의 근육 특이적 녹아웃은 포도당 내성을 손상시키고 대사 유연성을 감소시켜(89) 전반적인 대사 건강에 세포 내 아세틸-CoA 수송이 중요하다는 것을 보여줍니다.

Consumption of Succinyl-CoA, Substrate for Protein Succinylation

Utilization of BHB in peripheral tissues uses succinyl-CoA to donate CoA to acetoacetate. This consumption of succinyl CoA may affect the balance of lysine succinylation, which, like acetylation, is widespread in mitochondria (104) and present across diverse organisms (140). A substantial fraction of these succinylation sites are regulated by the mitochondrial desuccinylase, the sirtuin SIRT5 (104). HMGCS2 has long been known to be succinylated, a modification that reduces its activity (102); HMGCS2 enzymatic activity in the liver is suppressed by succinylation and restored by desuccinylation mediated by SIRT5 (104). The mechanism of lysine succinylation is not clearly understood; succinyltransferase is not known to exist in mammalian cells, and because both liver succinyl-CoA abundance and succinylation of HMGCS2 are reduced in rats after treatment with glucagon (101, 102), it is possible that succinylation is primarily a nonenzymatic process dependent on local concentrations of succinyl-CoA. Although HMGCS2 itself is not expressed in the peripheral tissues that utilize BHB, enzymes in many other key mitochondrial pathways, including fatty acid oxidation, branched-chain amino acid catabolism, and the tricarboxylic acid (TCA) cycle, are heavily succinylated and regulated by SIRT5 (104). By analogy with acetylation (and the effect of succinylation on HMGCS2), these pathways may be activated by a reduction in succinylation. Consumption of succinyl-CoA during BHB utilization and consequent reduction in mitochondrial protein succinylation may therefore regulate many of these crucial mitochondrial pathways in peripheral tissues, perhaps favoring the switch to lipid-dependent energy usage.

단백질 숙시닐화를 위한 기질, 숙시닐-CoA의 소비

말초 조직에서 BHB를 이용하면

석시닐-CoA를 사용하여

아세토아세테이트에 CoA를 기증합니다.

이러한 석시닐 CoA의 소비는 아세틸화와 마찬가지로 미토콘드리아에 광범위하게 존재하고(104) 다양한 유기체에 존재하는 라이신 석시닐화의 균형에 영향을 미칠 수 있습니다(140). 이러한 숙시닐화 부위의 상당 부분은 미토콘드리아 탈숙시닐화 효소인 시르투인 SIRT5에 의해 조절됩니다(104). HMGCS2는 오랫동안 숙시닐화되어 활성을 감소시키는 변형으로 알려져 왔으며(102), 간에서 HMGCS2 효소 활성은 숙시닐화에 의해 억제되고 SIRT5를 매개로 한 탈숙시닐화에 의해 회복됩니다(104). 라이신 숙시닐화의 메커니즘은 명확하게 이해되지 않았으며, 포유류 세포에는 숙시닐 트랜스퍼라제가 존재하지 않는 것으로 알려져 있으며, 글루카곤 처리 후 쥐에서 간 숙시닐-CoA 풍부도와 HMGCS2의 숙시닐화가 모두 감소하기 때문에(101, 102), 숙시닐화는 주로 숙시닐-CoA의 국소 농도에 의존하는 비효소적 과정일 가능성이 있습니다. HMGCS2 자체는 BHB를 활용하는 말초 조직에서 발현되지 않지만 지방산 산화, 분지 사슬 아미노산 이화 작용, 트리카르복실산(TCA) 순환을 포함한 다른 많은 주요 미토콘드리아 경로의 효소는 SIRT5에 의해 많이 숙시닐화되고 조절됩니다(104). 아세틸화(및 숙시닐화가 HMGCS2에 미치는 영향)와 유사하게, 이러한 경로는 숙시닐화의 감소에 의해 활성화될 수 있습니다.

따라서

BHB 사용 중 숙시닐-CoA의 소비와

그에 따른 미토콘드리아 단백질 숙시닐화의 감소는

말초 조직에서 이러한 중요한 미토콘드리아 경로를 조절하여

지질 의존적 에너지 사용으로 전환하는 데 유리할 수 있습니다.

Cytoplasmic and Mitochondrial NAD:NADH Equilibrium

Cellular NAD balance is emerging as a crucial factor in metabolic disease and aging (124). NAD utilization during BHB metabolism differs from that during glucose metabolism in two important respects. Fewer NAD+ molecules are consumed per acetyl-CoA produced when BHB is used than when glucose is used, and the cellular compartment in which NAD+ is consumed is different. Metabolism of one molecule of glucose to two molecules of acetyl-CoA involves conversion of four molecules of NAD+ into NADH. Two of these molecules are converted in the cytosol during glycolysis; the other two are converted in the mitochondrion by pyruvate decarboxylase. The cytosolic NADH are shuttled into mitochondria, potentially depleting the cytoplasmic NAD+ pool with high glucose utilization. By contrast, metabolism of one BHB molecule to the same two molecules of acetyl-CoA involves conversion of only two molecules of NAD+ into NADH, both in the mitochondrion by BDH1, thereby preserving the cytoplasmic NAD+ pool (7). The cytoplasmic and mitochondrial NAD pools are relatively distinct, so the preservation of cytoplasmic NAD+ by BHB may have important cellular effects. NAD+ is a cofactor for sirtuin deacylases (such as nuclear/cytoplasmic SIRT1) as well as poly-ADP-ribose polymerase (PARP) (134). Consumption of NAD+ by PARP or overproduction of NADH may promote age-related diseases by decreasing the activity of sirtuins (53). Conversely, repletion of NAD+ by exogenous feeding with nicotinamide mononucleotide improves glucose tolerance in both high-fat-diet-fed and aged mice (153). The relative sparing of NAD+ by utilizing BHB vis à vis glucose may therefore have important consequences for metabolic diseases and diabetes.

In the mitochondrion, BHB utilization is both determined by and changes the NAD:NADH equilibrium, with implications for signaling. The mitochondrial BHB:AcAc equilibrium is so closely linked to the NAD:NADH equilibrium that early metabolic studies of the liver used the former as a proxy for the latter (65). This tight relationship suggests that any influence that pushes the mitochondrial NAD:NADH equilibrium toward NADH (such as consumption of NAD by sirtuins or reduced activity of NADH dehydrogenase/complex I) will reduce BHB consumption. This reduction could increase the local concentration of BHB available for direct signaling functions within and around the mitochondrion, but also potentially reduce the flux of BHB transiting the cytoplasm and nucleus toward mitochondria.

However, BHB utilization also affects the mitochondrial redox state. Increased utilization of BHB is associated with pushing the NAD:NADH equilibrium toward NADH, as well as increasing the oxidation state of coenzyme Q (115). Owing to the increased heat of combustion of BHB compared with that of pyruvate, BHB also increases the efficiency of ATP production from the mitochondrial proton gradient and reduces the production of free radicals (132). Changes in free radical production might alter the activity of signaling networks that sense and respond to mitochondrial free radicals, such as p66Shc (33).

세포질 및 미토콘드리아 NAD:NADH 균형

세포 NAD 균형은

대사 질환과 노화의 중요한 요인으로 떠오르고 있습니다(124).

BHB 대사 중 NAD 이용은

포도당 대사 중과 두 가지 중요한 측면에서 다릅니다.

포도당을 사용할 때보다

BHB를 사용할 때 생성되는

아세틸-CoA당 소비되는 NAD+ 분자의 수가 더 적고,

NAD+가 소비되는 세포 구획이 다릅니다.

한 분자의 포도당이

두 분자의 아세틸-CoA로 대사되는 과정에는

네 분자의 NAD+가 NADH로 전환되는 과정이 포함됩니다.

이 중 두 분자는 해당 작용 중에 세포질에서 전환되고 나머지 두 분자는 피루베이트 탈카르복실 효소에 의해 미토콘드리온에서 전환됩니다. 세포질 NADH는 미토콘드리아로 이동하여 포도당 이용률이 높은 세포질 NAD+ 풀을 고갈시킬 수 있습니다. 대조적으로, 하나의 BHB 분자가 동일한 두 분자의 아세틸-CoA로 대사되면 미토콘드리아에서 BDH1에 의해 두 분자의 NAD+만 NADH로 전환되어 세포질 NAD+ 풀이 보존됩니다(7). 세포질과 미토콘드리아 NAD 풀은 비교적 뚜렷하게 구분되므로 BHB에 의한 세포질 NAD+의 보존은 중요한 세포 효과를 가져올 수 있습니다. NAD+는 시르투인 탈아실화 효소(예: 핵/세포질 SIRT1)와 폴리-ADP-리보스 중합효소(PARP)의 보조 인자입니다(134). PARP에 의한 NAD+의 소비 또는 NADH의 과잉 생산은 시르투인의 활성을 감소시켜 노화 관련 질환을 촉진할 수 있습니다(53). 반대로, 니코틴아마이드 모노뉴클레오타이드를 외인성으로 공급하여 NAD+를 보충하면 고지방 식이를 섭취한 마우스와 노화된 마우스 모두에서 내당능이 개선됩니다(153). 따라서 포도당에 대한 BHB를 활용하여 NAD+를 상대적으로 절약하는 것은 대사 질환과 당뇨병에 중요한 결과를 가져올 수 있습니다.

미토콘드리아에서 BHB 활용은 신호 전달에 영향을 미치며 NAD:NADH 평형에 의해 결정되고 변화합니다. 미토콘드리아 BHB:AcAc 평형은 NAD:NADH 평형과 매우 밀접하게 연결되어 있어, 간을 대상으로 한 초기 대사 연구에서는 전자를 후자의 대리물로 사용했습니다(65). 이러한 긴밀한 관계는 미토콘드리아 NAD:NADH 평형을 NADH 쪽으로 밀어붙이는 모든 영향(예: 시르투인에 의한 NAD 소비 또는 NADH 탈수소효소/복합체 I의 활성 감소)이 BHB 소비를 줄인다는 것을 시사합니다. 이러한 감소는 미토콘드리아 내부 및 주변에서 직접 신호 전달 기능에 사용할 수 있는 BHB의 국소 농도를 증가시킬 수 있지만, 세포질과 핵을 통과하여 미토콘드리아로 이동하는 BHB의 플럭스를 잠재적으로 감소시킬 수도 있습니다.

그러나 BHB 활용도는 미토콘드리아 산화 환원 상태에도 영향을 미칩니다. BHB의 이용률이 증가하면 NAD:NADH 평형이 NADH 쪽으로 기울어지고 코엔자임 Q의 산화 상태가 증가합니다(115). 피루브산에 비해 BHB의 연소 열이 높기 때문에 BHB는 미토콘드리아 양성자 구배에서 ATP 생산 효율을 높이고 활성산소 생성을 감소시킵니다(132). 자유 라디칼 생성의 변화는 p66Shc와 같은 미토콘드리아 자유 라디칼을 감지하고 이에 반응하는 신호 네트워크의 활동을 변화시킬 수 있습니다(33).

Neurotransmitter Synthesis

The potential mechanisms of action of ketogenic diets in treating epilepsy remain complex and controversial and have been the subject of several thorough reviews (47, 83, 156). One mechanism consistently proposed, however, involves how the downstream effects of BHB catabolism on the abundance or flux of other intermediate metabolites might alter the biosynthesis of the inhibitory neurotransmitter GABA.

The biosynthesis of GABA in inhibitory GABAergic neurons begins with the synthesis of glutamine in astrocytes. Glutamine is exported from astrocytes to neurons, where it undergoes conversion to glutamate and then decarboxylation to GABA. An alternative fate for glutamate in neurons is donation of its amino moiety to oxaloacetate, producing aspartate and α-ketoglutarate. Studies of isotopically labeled BHB show that it is used as a substrate for the synthesis of glutamine and other amino acids (158). Data from clinical studies of children on ketogenic diet for epilepsy show that cerebrospinal fluid GABA levels are higher on ketogenic diet, and the highest levels correlate with best seizure control (16).

BHB may affect GABA production via increased synthesis and/or pushing the fate of glutamate toward GABA and away from aspartate. Studies in synaptosomes show that BHB increases the content of glutamate and decreases that of aspartate (25). Studies of ketogenic diet in rodents similarly show that less glutamate is converted to aspartate (158). In cultured astrocytes, the presence of acetoacetate reduces the conversion of labeled glutamate to aspartate (157). Infusion of labeled BHB into rats fed a normal diet rapidly increases the levels of all components of this pathway (glutamine, glutamate, GABA, and aspartate) (113). Even when ketotic states are not associated with an increase in overall GABA levels, the proportion of glutamate shunted to GABA production is increased (84). The reason for this shunt may be the effect of BHB catabolism on TCA cycle intermediates. The relatively greater efficiency of BHB at generating acetyl-CoA compared with that of glucose, described above, increases the flux of acetyl-CoA through the TCA cycle. This increases the proportion of oxaloacetate required to condense with acetyl-CoA to permit its entry into the TCA cycle, reducing the availability of free oxaloacetate to participate in glutamate deamination to aspartate. By indirectly tying up oxaloacetate, BHB pushes the fate of glutamate toward GABA (156). Altogether, one effect of BHB catabolism, alone or as part of a ketogenic diet, appears to increase the capacity of GABAergic neurons to rapidly generate GABA from glutamate (156).

Although BHB is structurally reminiscent of GABA itself, evidence of a direct effect of BHB on activating GABA receptors is lacking. Neither BHB nor acetoacetate alters GABA currents in cultured rodent cortical neurons (22) or in rat hippocampal neurons (127). BHB did enhance the function of GABAA receptors expressed in Xenopus oocytes, but only modestly and at concentrations of 10 mM or higher (150), leaving the physiological significance of this effect unclear. However, GABOB (γ-amino-β-hydroxybutyric acid) is an endogenous agonist of GABA receptors that differs structurally from BHB only in the presence of the γ-amino moiety. It is biochemically plausible that BHB might be a direct substrate for GABOB synthesis, but no such aminotransferase is known to exist. Nor has any pathway for conversion of GABA to GABOB yet been identified in mammals. Of interest in consideration of BHB precursors as therapeutics, the enantiomer of GABOB that would be derived from S-BHB has the more potent antiepileptic affect and is a stronger GABAB receptor agonist (149).

신경전달물질 합성
간질 치료에서 케톤 생성 식단의 잠재적 작용 메커니즘은 여전히 복잡하고 논란의 여지가 있으며 여러 차례의 철저한 검토의 대상이 되었습니다(47, 83, 156). 그러나 일관되게 제안되는 한 가지 메커니즘은 다른 중간 대사 산물의 풍부함이나 플럭스에 대한 BHB 이화 작용의 하류 효과가 억제성 신경전달물질 GABA의 생합성을 어떻게 변화시킬 수 있는지를 포함합니다.

억제성 가바 신경세포에서 가바의 생합성은 성상교세포에서 글루타민의 합성으로 시작됩니다. 글루타민은 성상 세포에서 뉴런으로 수출되어 글루타메이트로 전환된 다음 탈카르복실화 과정을 거쳐 GABA로 전환됩니다. 뉴런에서 글루타메이트의 또 다른 운명은 아미노 모이티를 옥살로아세테이트에 기증하여 아스파르트산염과 α-케토글루타레이트를 생성하는 것입니다. 동위원소 표지 BHB에 대한 연구에 따르면 글루타민 및 기타 아미노산 합성을 위한 기질로 사용되는 것으로 나타났습니다(158). 간질로 케톤식이 요법을 받는 어린이에 대한 임상 연구 데이터에 따르면 뇌척수액 GABA 수치는 케톤식이 요법에서 더 높으며, 가장 높은 수치는 최상의 발작 조절과 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다(16).

BHB는 합성을 증가시키거나 글루타메이트의 운명을 아스파르트산염에서 가바 쪽으로 밀어냄으로써 가바 생성에 영향을 미칠 수 있습니다. 시냅토솜에 대한 연구에 따르면 BHB는 글루타메이트의 함량을 증가시키고 아스파르트산염의 함량을 감소시키는 것으로 나타났습니다(25). 설치류의 케토제닉 식단에 대한 연구에서도 마찬가지로 글루타메이트가 아스파르테이트로 전환되는 양이 줄어드는 것으로 나타났습니다(158). 배양된 성상교세포에서 아세토아세테이트의 존재는 표지된 글루타메이트가 아스파르테이트로 전환되는 것을 감소시킵니다(157). 정상적인 사료를 먹인 쥐에게 표지된 BHB를 주입하면 이 경로의 모든 성분(글루타민, 글루타메이트, GABA 및 아스파르트산염)의 수치가 급격히 증가합니다(113). 케토시스 상태가 전체 GABA 수치의 증가와 관련이 없는 경우에도 GABA 생성으로 전환되는 글루타메이트의 비율은 증가합니다(84). 이러한 분로의 이유는 BHB 이화 작용이 TCA 주기 중간체에 미치는 영향 때문일 수 있습니다. 위에서 설명한 포도당에 비해 아세틸-CoA를 생성하는 BHB의 효율이 상대적으로 높기 때문에 TCA 사이클을 통한 아세틸-CoA의 유입량이 증가합니다. 이는 아세틸-CoA와 응축하는 데 필요한 옥살로아세테이트의 비율을 증가시켜 TCA 주기로의 진입을 허용함으로써 아스파르트산염으로의 글루타메이트 탈아미네이션에 참여할 수 있는 유리 옥살로아세테이트의 가용성을 감소시킵니다. BHB는 옥살로아세테이트를 간접적으로 묶음으로써 글루타메이트의 운명을 GABA 쪽으로 밀어붙입니다(156). 전체적으로, 단독으로 또는 케토제닉 식단의 일부로 BHB 이화 작용의 한 가지 효과는 글루타메이트에서 GABA를 빠르게 생성하는 GABAergic 뉴런의 능력을 증가시키는 것으로 보입니다(156).

BHB는 구조적으로 가바 자체와 유사하지만, BHB가 가바 수용체를 활성화하는 데 직접적인 영향을 미친다는 증거는 부족합니다. 배양된 설치류 피질 뉴런(22) 또는 쥐 해마 뉴런(127)에서 BHB나 아세토아세테이트 모두 GABA 전류를 변화시키지 못했습니다. BHB는 제노푸스 난모세포에서 발현되는 GABAA 수용체의 기능을 향상시키기는 했지만, 10mM 이상의 농도(150)에서만 미미하게 나타나 이 효과의 생리적 중요성은 불분명합니다. 그러나 GABOB(γ- 아미노-β-하이드록시부티르산)는 γ- 아미노 모이오티가 존재할 때만 BHB와 구조적으로 다른 GABA 수용체의 내인성 작용제입니다. BHB가 GABOB 합성의 직접적인 기질이 될 수 있다는 것은 생화학적으로 그럴듯하지만, 그러한 아미노전달효소는 존재하지 않는 것으로 알려져 있습니다. 또한 포유류에서 GABA를 GABOB로 전환하는 경로도 아직 확인되지 않았습니다. 치료제로서 BHB 전구체를 고려할 때 관심을 끄는 것은 S-BHB에서 파생될 수 있는 GABOB의 거울상 이성질체가 더 강력한 항전간 효과를 가지며 더 강력한 GABAB 수용체 작용제라는 점입니다(149).

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BHB SIGNALING IN REGULATION OF METABOLISM

The integration of the various direct and indirect signaling functions of BHB appears to broadly help the organism adapt to a fasting state. The transition to a fasting state is already under way when ketogenesis is activated in the liver. BHB production might further promote that transition in extrahepatic tissues while also fine-tuning the control of lipid and glucose metabolism.

The combinatorial effects of BHB on gene expression‎, described below, might be expected to generally facilitate the activation of new transcriptional programs. The enrichment of histone K(BHB) at genes activated by fasting suggests that this might be particularly important for activating fasting-related gene networks, although this could also reflect a nonspecific association with activated transcription.

Inhibition of class I HDACs by BHB could play a major role in metabolic reprogramming, according to studies of HDAC knockout mice and of HDAC inhibitors. HDAC3 regulates expression‎ of gluconeogenic genes (86), and HDAC3 knockout mice have reduced fasting glucose and insulin levels (8, 26, 63). In fact, chronic treatment with the HDAC inhibitor butyrate essentially keeps mice metabolically normal on a high-fat diet, with lower glucose and insulin levels, better glucose tolerance, reduced weight gain, and improved respiratory efficiency (32). Butyrate also provides some of these benefits even to mice already obese from being fed a high-fat diet (32). Similarly, inhibition of class I HDACs, but not class II HDACs, increases mitochondrial biogenesis, improves insulin sensitivity, and increases metabolic rate and oxidative metabolism in a mouse diabetes model (31). The mechanism for these metabolic benefits of class I HDAC inhibition may be upregulation of PGC1α (Ppargc1a) in in a variety of tissues by relief of HDAC3-mediated transcriptional repression (31, 32). Transcription of Fgf21 is similarly upregulated via inhibition of HDAC3 by butyrate, activating ketogenesis in obese mice (72). Several single nucleotide polymorphisms in HDAC3 have been associated with an elevated risk of type 2 diabetes in a Chinese population (159).

Activation of HCAR2 reduces lipolysis in adipocytes; because the availability of fatty acids in the liver is a critical determinant of ketogenesis (and is strongly regulated by insulin), this may provide a self-feedback mechanism to limit the production of BHB. Why this mechanism is insufficient to prevent dysregulated BHB production in insulin-deficient states such as diabetic ketoacidosis, and whether it could be potentiated to treat such states, such as through HCAR2 agonists, is unclear.

HCAR2 was originally identified as a niacin receptor, spurring efforts to develop more specific agonists to capture the therapeutic benefits of niacin on cardiovascular risk or glycemic control that were thought to be due to HCAR2’s effects on the levels of free fatty acid in blood. An HCAR2 agonist, GSK256073, transiently reduces levels of free fatty acids in blood but has only a modest effect on glycemic control in type 2 diabetes mellitus (20). Two other HCAR2 agonists similarly lowered free fatty acids but without otherwise altering the lipid profile in humans, while niacin was found to produce beneficial changes to the lipid profile in Hcar2 knockout mice (69). Thus, the model that niacin (and by extension BHB) exerts beneficial effects on cardiovascular risk through activation of HCAR2 in adipose tissue is probably too simplistic. It may even be the case that other cell types such as macrophages might mediate the therapeutic effects of HCAR2 agonists (30).

Interpreting the metabolic effects of BHB mediated by FFAR3 depends on whether BHB acts as an agonist or antagonist, and in which contexts. Strong evidence suggests that BHB antagonizes FFAR3 to reduce sympathetic activity, resulting in reduced heart rate, body temperature, and metabolic rate. If BHB also antagonizes FFAR3 in other contexts, it could improve insulin secretion from pancreatic β islet cells and impair intestinal gluconeogenesis. Altogether, these findings suggest that BHB would improve glycemic control, though a decrease in metabolic rate could be obesogenic.

The important role of the NLRP3 inflammasome in regulating obesity-associated inflammation and metabolic dysfunction has been extensively reviewed (15, 45). Briefly, the NLRP3 inflammasome appears to mediate an inflammatory response to nutrient excess and mitochondrial dysfunction. Mice deficient in NLRP3 are grossly normal when fed chow but are protected from obesity and insulin resistance when fed a high-fat diet. One proposed mechanism is through a reduction in inflammasome-induced IL-1β, which otherwise inhibits insulin signaling in adipocytes and hepatocytes while inducing pancreatic β-cell dysfunction. While NLRP3 may have an important homeostatic role in the response to day-to-day nutrient fluctuations, its chronic activation by nutrient excess may contribute to the development of metabolic disease---and inhibition of the NLRP3 inflammasome by BHB might ameliorate these maladaptations.

신진대사 조절을 위한 BHB 신호 전달

BHB의 다양한 직접 및 간접 신호 기능의 통합은 유기체가 공복 상태에 적응하는 데 광범위하게 도움이 되는 것으로 보입니다. 공복 상태로의 전환은 간에서 케톤 생성이 활성화될 때 이미 진행 중입니다. BHB 생산은 간외 조직에서 이러한 전환을 더욱 촉진하는 동시에 지질 및 포도당 대사의 조절을 미세 조정할 수 있습니다.

아래에 설명된 유전자 발현에 대한 BHB의 복합적인 효과는 일반적으로 새로운 전사 프로그램의 활성화를 촉진할 것으로 예상할 수 있습니다. 단식에 의해 활성화된 유전자에서 히스톤 K(BHB) 의 농축은 단식 관련 유전자 네트워크를 활성화하는 데 특히 중요할 수 있음을 시사하지만, 이는 활성화된 전사와의 비특이적 연관성을 반영할 수도 있습니다.

HDAC 녹아웃 마우스와 HDAC 억제제에 대한 연구에 따르면, BHB에 의한 클래스 I HDAC의 억제는 대사 재프로그래밍에 중요한 역할을 할 수 있습니다. HDAC3는 포도당 생성 유전자의 발현을 조절하며(86), HDAC3 녹아웃 마우스는 공복 혈당과 인슐린 수치가 감소했습니다(8, 26, 63). 실제로 HDAC 억제제인 부티레이트로 만성 치료하면 고지방 식이를 하는 마우스의 대사 기능이 정상으로 유지되어 포도당과 인슐린 수치가 낮아지고 내당능이 향상되며 체중 증가가 감소하고 호흡 효율이 개선됩니다(32). 부티레이트는 고지방 사료를 먹여 이미 비만이 된 쥐에게도 이러한 혜택 중 일부를 제공합니다(32). 마찬가지로, 클래스 II HDAC가 아닌 클래스 I HDAC를 억제하면 마우스 당뇨병 모델에서 미토콘드리아 생성이 증가하고 인슐린 감수성이 개선되며 대사율과 산화 대사가 증가합니다(31). 1등급 HDAC 억제의 이러한 대사적 이점에 대한 메커니즘은 HDAC3 매개 전사 억제를 완화함으로써 다양한 조직에서 PGC1α(Ppargc1a)의 상향 조절일 수 있습니다(31, 32). Fgf21의 전사는 부티레이트에 의한 HDAC3의 억제를 통해 유사하게 상향 조절되어 비만 마우스에서 케톤 생성을 활성화합니다(72). HDAC3의 여러 단일염기다형성은 중국인 인구에서 제2형 당뇨병의 위험 증가와 관련이 있는 것으로 나타났습니다(159).

간에서 지방산의 가용성은 케톤 생성을 결정하는 중요한 요소이므로(그리고 인슐린에 의해 강력하게 조절됨), 이는 BHB 생성을 제한하는 자기 피드백 메커니즘을 제공할 수 있습니다. 이 메커니즘이 당뇨병성 케톤산증과 같은 인슐린 결핍 상태에서 조절 장애가 있는 BHB 생성을 예방하기에 불충분한 이유와 HCAR2 작용제 등을 통해 이러한 상태를 치료하기 위해 강화될 수 있는지 여부는 불분명합니다.

HCAR2는 원래 니아신 수용체로 밝혀졌으며, 혈중 유리지방산 수치에 대한 HCAR2의 영향 때문이라고 생각되는 니아신의 심혈관 위험 또는 혈당 조절에 대한 치료 효과를 포착하기 위한 보다 구체적인 작용제 개발에 박차를 가하고 있습니다. HCAR2 작용제인 GSK256073은 혈중 유리 지방산 수치를 일시적으로 감소시키지만 제2형 당뇨병의 혈당 조절에는 미미한 영향만 미칩니다(20). 다른 두 가지 HCAR2 작용제는 유사하게 유리지방산을 낮추지만 사람의 지질 프로필에는 별다른 변화를 주지 않는 반면, 니아신은 Hcar2 녹아웃 마우스에서 지질 프로필에 유익한 변화를 일으키는 것으로 밝혀졌습니다(69). 따라서 니아신(그리고 더 나아가 BHB)이 지방 조직에서 HCAR2의 활성화를 통해 심혈관 위험에 유익한 효과를 발휘한다는 모델은 너무 단순할 수 있습니다. 대식세포와 같은 다른 세포 유형이 HCAR2 작용제의 치료 효과를 매개할 수도 있습니다(30).

FFAR3에 의해 매개되는 BHB의 대사 효과를 해석하는 것은 BHB가 작용제 또는 길항제로 작용하는지, 어떤 맥락에서 작용하는지에 따라 달라집니다. 강력한 증거에 따르면 BHB는 FFAR3를 길항하여 교감신경 활동을 감소시켜 심박수, 체온 및 대사율을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 다른 맥락에서도 BHB가 FFAR3를 길항하면 췌장 베타 섬 세포에서 인슐린 분비를 개선하고 장의 포도당 생성을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 연구 결과를 종합하면, BHB는 대사율 감소가 비만을 유발할 수 있지만 혈당 조절을 개선할 수 있음을 시사합니다.

비만과 관련된 염증 및 대사 기능 장애를 조절하는 데 있어 NLRP3 인플라마좀의 중요한 역할은 광범위하게 검토되었습니다(15, 45). 간단히 말해, NLRP3 인플라마좀은 영양소 과잉과 미토콘드리아 기능 장애에 대한 염증 반응을 매개하는 것으로 보입니다. NLRP3가 결핍된 생쥐는 사료를 먹였을 때는 완전히 정상이지만 고지방 사료를 먹였을 때는 비만과 인슐린 저항성으로부터 보호됩니다. 한 가지 제안된 메커니즘은 인플라마좀에 의해 유도된 IL-1β가 감소하여 지방세포와 간세포에서 인슐린 신호를 억제하는 동시에 췌장 베타세포 기능 장애를 유도하는 것입니다. NLRP3는 일상적인 영양소 변동에 대한 반응에서 중요한 항상성 역할을 할 수 있지만, 영양소 과잉에 의한 만성 활성화는 대사 질환의 발병에 기여할 수 있으며, BHB에 의한 NLRP3 인플라마좀의 억제는 이러한 부적응을 개선할 수 있습니다.

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BHB SIGNALING IN REGULATION OF GENE EXPRESSION‎

Regulation of gene expression‎ is the most common theme that emerges from the direct and indirect signaling functions of BHB. Histones are at the nexus of this theme, with their posttranslational modifications, including acetylation, succinylation, and β-hydroxybutyrylation. Histone acetylation is a well-understood mechanism for both broad and specific regulation of gene expression‎, and BHB can alter histone acetylation by directly inhibiting HDACs and by indirectly promoting acetyltransferase activity via acetyl-CoA flux. The biology of histone β-hydroxybutyrylation largely remains to be elucidated but is an area that should receive strong interest for its potential relevance to gene expression‎ reprogramming in response to metabolic stimuli. Lysine succinylation is another histone posttranslational modification (147) and is regulated by the sirtuin SIRT7 in the context of the DNA damage response (73). Finally, alterations in cytoplasmic and nuclear NAD+ levels can affect the activity of sirtuins, which deacylate a number of histone tail residues (54).

The net integration of all these effects might be expected to facilitate gene transactivation, particularly of quiescent genes that are activated in response to stimuli. Two well-characterized examples of how HDAC inhibition (and acetyltransferase activation) can activate gene expression‎ include reactivation of HIV latency and activation of lineage-specific genes during muscle differentiation. The HIV provirus sits in a transcriptionally inactive state in resting T cells, providing a reservoir of potential virus production that is impossible for current antiretroviral therapy to eradicate (44). The class I HDACs HDAC1, HDAC2, and HDAC3 help maintain this transcriptionally silenced state, as components of several transcriptional repressor complexes, by deacetylating histone tails. Ordinarily, a key step in the reactivation of HIV transcription is the recruitment of complexes containing the acetyltransferase p300 to acetylate histone tails. Inhibition of HDACs with vorinostat or panobinostat also promotes histone acetylation, resulting in the loss of latency and reactivation of HIV transcription (44). In vivo, such HDAC inhibitors broadly reactivate transcription from a diverse pool of latent proviruses (6).

The differentiation of a satellite cell (i.e., muscle stem cell) into the muscle lineage involves the transcriptional activation of a sequence of differentiation-promoting transcription factors (see Reference 120 for a review). One of these factors, MYOD1, further activates a wide range of muscle-specific genes. HDACs, including HDAC1 and HDAC2, reside at the promoters of many of these MYOD1 targets, maintaining histones in a deacetylated state. Activation of the genes requires dissociation of the HDAC from the promoter, and often recruitment of a p300 complex to promote histone acetylation. HDAC inhibitors potentiate this process, much as in HIV latency, and both increase acetylation at MYOD1 target promoters and increase myogenic differentiation. One contrast with HIV latency is that many gene promoters in satellites cells are maintained in a poised or bivalent state, possessing both activating and repressing histone modifications (120). Thus, whereas HIV latency is an example of HDAC inhibition waking a gene from deep silencing, muscle differentiation is an example of potentiating or lowering the threshold of activation for a gene already poised to do so. A similar example of activating poised genes may be relevant to cognition and dementia (see below).

How histone K(BHB) participates in epigenetic regulation largely remains to be determined. K(BHB) was particularly enriched after fasting at genes that were upregulated by fasting (148). Other stimuli or contexts expected to change gene expression‎ were not examined, nor were cells or animals treated with BHB in the context of such stimuli. Thus, we do not yet know whether K(BHB) is specifically associated with a gene network that is responsive to fasting, or whether it is generally associated with newly transactivated promoters. We also have yet to understand the biological meaning of K(BHB)---whether it is an active signal that stimulates transcription through regulatory or binding interactions with the protein machinery of chromatin remodeling and transactivation, or whether it is a bystander modification emplaced at fasting-activated promoters owing to the confluence of increased BHB-CoA levels and newly accessible histone tails.

An additional layer of regulation can occur on nonhistone proteins involved in gene expression‎, as these posttranslational modifications are not restricted to histones. Acetylation and succinylation occur throughout the proteome and can affect protein function. It is possible that β-hydroxybutyrylation will be found to as well. Acetylation of nonhistone proteins is a critical step in both HIV latency and muscle differentiation, where acetylation activates the transcription factors Tat (44) and MYOD1 (120), respectively. The multilayered effects of BHB on gene expression‎ can be illustrated with HMGCS2 itself, the rate-limiting enzyme in BHB synthesis. As described above, the transcription factor FOXA2 helps control Hmgcs2 transcription. FOXA2 is itself acetylated by EP300 in a reaction using acetyl-CoA as the acetyl group donor (increased by BHB). FOXA2 is deacetylated by a class I HDAC (inhibited by BHB) and/or by the sirtuin SIRT1, which requires NAD+ as a cofactor (increased by BHB). Initiation of Hmgcs2 transcription by activated FOXA2 might involve displacing or deactivating HDACs (inhibited by BHB) to permit emplacement of activating histone marks such as H3K9 acetylation by acetyltransferases (via acetyl-CoA increased by BHB). As this example illustrates, the overall impact of BHB might generally favor initiation or upregulation of transcription, but the effects on any specific loci could vary depending on the posttranslational regulation of the proteins involved at that site.

유전자 발현 조절에서의 BHB 신호 전달

유전자 발현 조절은 BHB의 직간접적인 신호 기능에서 가장 많이 나타나는 주제입니다. 히스톤은 아세틸화, 숙시닐화, β-하이드록시부티릴화 등 번역 후 변형과 함께 이 주제의 핵심에 있습니다. 히스톤 아세틸화는 유전자 발현의 광범위하고 구체적인 조절을 위한 잘 알려진 메커니즘이며, BHB는 HDAC를 직접 억제하고 아세틸-CoA 플럭스를 통해 간접적으로 아세틸 트랜스퍼라제 활성을 촉진함으로써 히스톤 아세틸화를 변화시킬 수 있습니다. 히스톤 β-하이드록시부티릴화의 생물학은 아직 밝혀지지 않은 부분이 많지만 대사 자극에 대한 유전자 발현 재프로그래밍과의 잠재적 관련성 때문에 많은 관심을 받아야 하는 분야입니다. 라이신 숙시닐화는 또 다른 히스톤 번역 후 변형이며(147), DNA 손상 반응의 맥락에서 시르투인 SIRT7에 의해 조절됩니다(73). 마지막으로, 세포질 및 핵 NAD+ 수준의 변화는 여러 히스톤 꼬리 잔기를 탈아실화하는 시르투인의 활성에 영향을 미칠 수 있습니다(54).
이러한 모든 효과의 순 통합은 특히 자극에 반응하여 활성화되는 휴면 유전자의 유전자 전사를 촉진할 것으로 예상할 수 있습니다. HDAC 억제(및 아세틸전달효소 활성화)가 어떻게 유전자 발현을 활성화하는지에 대한 잘 알려진 두 가지 예로는 HIV 잠복기의 재 활성화와 근육 분화 중 계통 특이적 유전자의 활성화가 있습니다. HIV 프로바이러스는 휴면 T 세포에서 전사적으로 비활성 상태로 존재하여 현재의 항레트로바이러스 요법으로 박멸할 수 없는 잠재적 바이러스 생산의 저장소를 제공합니다(44). 클래스 I HDAC인 HDAC1, HDAC2, HDAC3는 여러 전사 억제 복합체의 구성 요소로서 히스톤 꼬리를 탈아세틸화하여 이러한 전사 침묵 상태를 유지하는 데 도움을 줍니다. 일반적으로 HIV 전사 재활성화의 핵심 단계는 히스톤 꼬리를 아세틸화하기 위해 아세틸 트랜스퍼라제 p300을 포함하는 복합체를 모집하는 것입니다. 보리노스타트 또는 파노비노스타트로 HDAC를 억제하면 히스톤 아세틸화가 촉진되어 HIV 전사의 지연이 사라지고 재활성화됩니다(44). 생체 내에서 이러한 HDAC 억제제는 다양한 잠복 프로바이러스 풀에서 광범위하게 전사를 재활성화합니다(6).
위성 세포(즉, 근육 줄기세포)가 근육 계통으로 분화하려면 일련의 분화 촉진 전사인자의 전사 활성화가 필요합니다(참고자료 120 참조). 이러한 인자 중 하나인 MYOD1은 광범위한 근육 관련 유전자를 추가로 활성화합니다. HDAC1과 HDAC2를 포함한 HDAC는 이러한 MYOD1 표적의 프로모터에 존재하여 히스톤을 탈아세틸화된 상태로 유지합니다. 유전자가 활성화되려면 프로모터에서 HDAC가 분리되어야 하며, 히스톤 아세틸화를 촉진하기 위해 종종 p300 복합체를 모집해야 합니다. HDAC 억제제는 HIV 잠복기와 마찬가지로 이 과정을 강화하며, MYOD1 표적 프로모터에서 아세틸화를 증가시키고 근육 분화를 증가시킵니다. HIV 잠복기와 대조적인 점은 위성 세포의 많은 유전자 프로모터가 활성화 및 억제 히스톤 변형을 모두 가지고 있는 2가 또는 2가 상태로 유지된다는 점입니다(120). 따라서 HIV 잠복기는 HDAC 억제가 깊은 침묵 상태에서 유전자를 깨우는 예시인 반면, 근육 분화는 이미 활성화된 유전자의 활성화 임계값을 강화하거나 낮추는 예시입니다. 준비된 유전자를 활성화하는 유사한 예는 인지 및 치매와 관련이 있을 수 있습니다(아래 참조).
히스톤 K(BHB)가 후성유전학적 조절에 어떻게 관여하는지는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많습니다. 히스톤 K(BHB)는 단식 후 특히 단식에 의해 상향 조절되는 유전자에서 농축되었습니다(148). 유전자 발현을 변화시킬 것으로 예상되는 다른 자극이나 맥락은 조사되지 않았으며, 그러한 자극의 맥락에서 BHB로 처리된 세포나 동물도 조사되지 않았습니다. 따라서 K(BHB)가 공복에 반응하는 유전자 네트워크와 구체적으로 연관되어 있는지, 아니면 일반적으로 새롭게 활성화되는 프로모터와 연관되어 있는지 여부는 아직 알 수 없습니다. 또한 K(BHB)가 염색질 리모델링 및 전사 활성화의 단백질 기계장치와의 조절 또는 결합 상호작용을 통해 전사를 자극하는 활성 신호인지, 아니면 증가된 BHB-CoA 수준과 새로 접근 가능한 히스톤 꼬리의 합류로 인해 공복 활성화 프로모터에 배치되는 방관자 변형인지에 대한 생물학적 의미도 아직 이해하지 못했습니다.
이러한 번역 후 변형은 히스톤에만 국한되지 않기 때문에 유전자 발현에 관여하는 비히스톤 단백질에 추가적인 조절 층이 발생할 수 있습니다. 아세틸화 및 숙시닐화는 프로테옴 전체에서 발생하며 단백질 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. β-하이드록시부티릴화도 발견될 수 있습니다. 비히스톤 단백질의 아세틸화는 HIV 잠복기와 근육 분화 모두에서 중요한 단계이며, 아세틸화는 각각 전사인자 Tat(44)와 MYOD1(120)을 활성화합니다. BHB가 유전자 발현에 미치는 다층적인 영향은 BHB 합성의 속도 제한 효소인 HMGCS2 자체로 설명할 수 있습니다. 위에서 설명한 것처럼 전사인자 FOXA2는 HMGCS2의 전사를 제어하는 데 도움을 줍니다. FOXA2는 아세틸-CoA를 아세틸기 공여체로 사용하는 반응에서 EP300에 의해 자체적으로 아세틸화됩니다(BHB에 의해 증가). FOXA2는 클래스 I HDAC(BHB에 의해 억제됨) 및/또는 보조 인자로서 NAD+가 필요한 시르투인 SIRT1에 의해 탈아세틸화됩니다(BHB에 의해 증가됨). 활성화된 FOXA2에 의한 Hmgcs2 전사의 시작은 아세틸전달효소에 의한 H3K9 아세틸화와 같은 활성화 히스톤 마크의 위치 이동을 허용하기 위해 (BHB에 의해 억제된) HDAC를 대체하거나 비활성화하는 것을 포함할 수 있습니다(BHB에 의해 증가한 아세틸-CoA를 통해). 이 예에서 알 수 있듯이 BHB의 전반적인 영향은 일반적으로 전사의 시작 또는 상향 조절을 선호할 수 있지만 특정 유전자좌에 대한 영향은 해당 부위에 관련된 단백질의 번역 후 조절에 따라 달라질 수 있습니다.

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BHB IN THE BRAIN: EPILEPSY, DEMENTIA, AND COGNITION

The ketogenic diet has been clinically used for decades to treat epilepsy and currently has a wide range of therapeutic applications, mostly in childhood epilepsies (143). Despite this extensive clinical history, the mechanism of action of the ketogenic diet remains controversial (107). In fact, whether BHB itself is necessary or even active in the therapeutic effect of ketogenic diets is controversial, and the evidence varies between animal models (107). The various possible mechanisms of the antiepileptic effect of ketogenic diets have been reviewed (83, 107). Several of the signaling activities described above may be relevant, particularly modulation of potassium channels, FFAR3 activation, and promotion of GABA synthesis. Epigenetic modifications may also contribute to neuronal hyperexcitability and the long-term effects of epilepsy on the brain through persistent changes in gene expression‎ (112). REST (RE1-silencing transcription factor) is a transcriptional repressor that recruits HDACs, among other chromatin-modifying enzymes, to help silence target genes. REST expression‎ is increased in neurons after seizures and promotes aberrant neurogenesis. However, whether REST activity is helpful or harmful for seizure control differs in different seizure models (112). The contribution of epigenetic modifiers, including those that are modulated by BHB, to epilepsies and their long-term effects requires much further study.

Ironically, given the decades of study on the role of ketogenic diets in epilepsy, more molecular detail is known about the potential mechanisms of BHB in ameliorating dementia. Two major threads link BHB signaling with dementia: epigenetic modifications and neuronal hyperexcitability. There is a growing literature on the importance of epigenetic regulation in learning and memory, specifically in mouse models of dementia. Age-related impairments in learning and memory in wild-type mice are associated with alterations in histone acetylation (98), and treatment with HDAC inhibitors improves memory performance in both young and aged mice (42, 98). HDAC inhibitors also improve cognition in the CK-p25 dementia mouse model (28). HDAC2 appears to be the crucial mediator of these effects, as overexpression‎ of HDAC2, but not HDAC1, impairs learning and memory in wild-type mice (42). Conversely, Hdac2 knockout mice show improved memory formation, which is not further improved by HDAC inhibitors (42). HDAC2 expression‎ is increased in the brains of two mouse dementia models as well as the brains of humans with Alzheimer’s disease (39). One model of how HDAC inhibitors regulate cognition is via epigenetic priming, reminiscent of the poised transcriptional state of genes involved in muscle differentiation (40). The broader role of epigenetics in cognition and neurodegenerative disease has been reviewed (67, 68, 100).

The worlds of epilepsy and dementia have been linked through the finding that mouse models of Alzheimer’s disease show neuronal hyperexcitability and epileptiform spikes from dysfunctional inhibitory interneurons (97, 135). Epilepsy, an extreme manifestation of this hyperexcitability, is associated with more rapid cognitive decline in patients with Alzheimer’s disease (137). Promising treatments that reduce epileptiform spikes, including at least one commonly used antiepileptic drug, improve cognition in these models (114, 135). The various signaling activities by which BHB acts in epilepsy may thus be relevant to ameliorating cognitive decline in Alzheimer’s disease. In small studies, provision of BHB precursor molecules improves cognition in an Alzheimer’s mouse model (58) and in a patient with Alzheimer’s disease (93). Further exploration of the links between BHB signaling, epilepsy, and dementia may prove fruitful in generating new translational therapies.

Inhibition of the NLRP3 inflammasome could also prevent cognitive decline and dementia. β-amyloid protein, which aggregates into the amyloid plaques characteristic of Alzheimer’s disease, activates the NLRP3 inflammasome in microglia, the resident macrophage population in the brain, releasing inflammatory cytokines including IL-1β (reviewed in References 29 and 35). This activation is evident in the brain of humans with both mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease, and Alzheimer’s mouse models that carry deficiencies in NLRP3 inflammasome components are protected from β-amyloid deposition and cognitive decline (50). Microglia, as critical mediators of brain inflammation, may be the site of integration of various BHB-related signals, including HCAR2 activation.

뇌의 BHB: 간질, 치매, 인지력 향상

케톤 생성 식단은 수십 년 동안 간질 치료를 위해 임상적으로 사용되어 왔으며 현재 주로 소아 간질에 광범위하게 적용되고 있습니다(143). 이러한 광범위한 임상 역사에도 불구하고 케톤 생성 식이요법의 작용 메커니즘은 여전히 논란의 여지가 있습니다(107). 실제로 케톤 생성 식이요법의 치료 효과에 BHB 자체가 필요한지 또는 활성인지 여부는 논란의 여지가 있으며, 동물 모델에 따라 증거가 다릅니다(107). 케톤 생성 식단의 항전간 효과에 대한 다양한 가능한 메커니즘이 검토되었습니다(83, 107). 위에서 설명한 신호 활동 중 몇 가지, 특히 칼륨 채널의 조절, FFAR3 활성화, GABA 합성 촉진이 관련될 수 있습니다. 후성유전학적 변형은 또한 유전자 발현의 지속적인 변화를 통해 신경세포의 과흥분성과 뇌에 대한 간질의 장기적인 영향에 기여할 수 있습니다(112). REST(RE1-사일런싱 전사 인자)는 다른 염색질 변형 효소 중에서 HDAC를 모집하여 표적 유전자를 침묵시키는 전사 억제제입니다. 발작 후 뉴런에서 REST 발현이 증가하여 비정상적인 신경 생성을 촉진합니다. 그러나 REST 활동이 발작 조절에 도움이 되는지 해로운지는 발작 모델에 따라 다릅니다(112). BHB에 의해 조절되는 후성유전학적 조절인자를 포함한 후성유전학적 조절인자가 간질에 미치는 영향과 장기적인 영향에 대해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

아이러니하게도 간질에서 케톤 생성 식단의 역할에 대한 수십 년간의 연구를 고려할 때, 치매를 개선하는 BHB의 잠재적 메커니즘에 대해 더 많은 분자 세부 사항이 알려져 있습니다. 후성유전학적 변형과 신경세포의 과흥분성이라는 두 가지 주요 실마리가 BHB 신호와 치매를 연결합니다. 학습과 기억, 특히 치매 마우스 모델에서 후성유전학적 조절의 중요성에 대한 문헌이 증가하고 있습니다. 야생형 마우스의 노화와 관련된 학습 및 기억 장애는 히스톤 아세틸화의 변화와 관련이 있으며(98), HDAC 억제제로 치료하면 젊은 마우스와 노화된 마우스 모두에서 기억력이 향상됩니다(42, 98). HDAC 억제제는 또한 CK-p25 치매 마우스 모델에서 인지능력을 개선합니다(28). HDAC1이 아닌 HDAC2의 과발현은 야생형 마우스에서 학습과 기억을 손상시키기 때문에 HDAC2가 이러한 효과의 중요한 매개체인 것으로 보입니다(42). 반대로, HDAC2 녹아웃 마우스는 기억 형성이 개선된 것으로 나타났는데, 이는 HDAC 억제제에 의해 더 이상 개선되지 않았습니다(42). 알츠하이머병에 걸린 사람의 뇌뿐만 아니라 두 가지 마우스 치매 모델의 뇌에서도 HDAC2 발현이 증가합니다(39). HDAC 억제제가 인지를 조절하는 방법의 한 모델은 근육 분화에 관여하는 유전자의 준비된 전사 상태를 연상시키는 후성유전학적 프라이밍을 통해 이루어집니다(40). 인지 및 신경 퇴행성 질환에서 후성유전학의 광범위한 역할이 검토되었습니다(67, 68, 100).

알츠하이머병의 마우스 모델이 기능 장애로 인한 신경세포의 과흥분성과 간질 형태의 스파이크를 보인다는 사실을 통해 간질과 치매의 세계가 연결되었습니다(97, 135). 이러한 과흥분성의 극단적인 증상인 간질은 알츠하이머병 환자에서 더 빠른 인지 기능 저하와 관련이 있습니다(137). 일반적으로 사용되는 적어도 하나의 항전간제를 포함하여 간질 스파이크를 줄이는 유망한 치료법은 이러한 모델에서 인지능력을 개선합니다(114, 135). 따라서 BHB가 간질에서 작용하는 다양한 신호 활동은 알츠하이머병의 인지 기능 저하를 개선하는 것과 관련이 있을 수 있습니다. 소규모 연구에서 알츠하이머 마우스 모델(58)과 알츠하이머병 환자(93)에게 BHB 전구체 분자를 제공하면 인지 능력이 향상되는 것으로 나타났습니다. BHB 신호와 간질, 치매 사이의 연관성에 대한 추가적인 연구는 새로운 중개 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

NLRP3 인플라마좀을 억제하면 인지 기능 저하와 치매를 예방할 수도 있습니다. 알츠하이머병의 특징인 아밀로이드 플라크로 응집되는 β-아밀로이드 단백질은 뇌에 상주하는 대식세포 집단인 미세아교세포에서 NLRP3 인플라마좀을 활성화하여 IL-1β를 비롯한 염증성 사이토카인을 방출합니다(참고 문헌 29 및 35에서 검토). 이러한 활성화는 경도 인지 장애와 알츠하이머병 모두에 걸린 사람의 뇌에서 분명하게 나타나며, NLRP3 인플라마좀 성분이 결핍된 알츠하이머병 마우스 모델은 β-아밀로이드 침착과 인지 기능 저하로부터 보호됩니다(50). 뇌 염증의 중요한 매개체인 미세아교세포는 HCAR2 활성화를 비롯한 다양한 BHB 관련 신호가 통합되는 부위일 수 있습니다.

BHB INTERACTIONS WITH AGING PATHWAYS

The hypothesis that BHB may play a broad role in regulating longevity and the effects of aging comes in part from the observation that many of the interventions that most consistently extend longevity across a wide range of organisms, such as dietary restriction and fasting, intrinsically involve ketogenesis and the production of BHB in mammals (92). The effects of such regimens on invertebrate, rodent, and human health have been reviewed and can include extended longevity, cognitive protections, reductions in cancer, and immune rejuvenation (75, 82). More specific interventions that promote ketogenesis, such as transgenic overexpression‎ of FGF21, also extend life span in rodents (163). BHB itself extends longevity in C. elegans (24), and whether it would do so in rodents remains to be investigated.

Several of the signaling functions of BHB described above broadly regulate longevity and diseases of aging pathways, most prominently HDAC inhibition and inflammasome inhibition. The data from invertebrate organisms showing that reduction in class I HDAC activity extends life span, and generally acts through similar pathways as dietary restriction, have been reviewed (92). Briefly, deletion of Rpd3, the yeast and fly homolog of mammalian class I HDACs, extends replicative life span by 40−-50% in S. cerevisiae (61). Rpd3 deletion enhances ribosomal DNA silencing (61), the same mechanism by which overexpression‎ of the sirtuin Sir2 enhances replicative longevity in S. cerevisiae (57). Drosophilids heterozygous for a null or hypomorphic Rpd3 allele show a 30−-40% extension of life span, with no further increase with caloric restriction (111). Both caloric restriction and reduced Rpd3 activity increase expression‎ of Sir2 (111). Conversely, mutations in Sir2 block life span extension by either caloric restriction or Rpd3 mutations (110). In both organisms, then, modest reductions in HDAC activity (stronger reductions are lethal) extend life span via the same mechanisms as in dietary restriction and Sir2 expression‎.

Other possible longevity mechanisms downstream of Rpd3 in invertebrates include autophagy, which is regulated by histone acetylation of specific genes (152), and enhanced proteostasis through increased chaperone expression‎ (164).

No life span data yet exist for reduced HDAC function in rodents. However, Hdac2 knockout mice display impaired IGF-1 signaling and are 25% smaller than normal (165), a potential longevity phenotype (87). Hdac2 knockout is also protective in models of tumorigenesis (165). Conditional knockouts in mouse embryonic fibroblasts and embryonic stem cells demonstrated roles for HDAC1 and HDAC2 in hematopoiesis (142) and stem cell differentiation (23). By analogy to the modest reductions in class I HDACs that enhance longevity in invertebrates, it may be of interest to determine whether heterozygous HDAC1/2 knockout mice, or mice treated with low-dose pharmacological HDAC inhibitors, have enhanced longevity.

An inducible compound heterozygote knockout of HDAC1 and HDAC2 does suppress one translatable age-related phenotype, cardiac hypertrophy, as do HDAC inhibitors (88). HDAC inhibitors ameliorate cardiac dysfunction in mouse diabetes models (14) and prevent maladaptive cardiac remodeling (162). The mechanism for the effect on cardiac hypertrophy appears to be inhibition of HDACs that suppress the activity of a mechanistic mTOR complex (88). This is one of several examples of intersections between BHB, its signaling effects, and mTOR/rapamycin, a canonical longevity-regulating pathway (55). As described above, mTOR is also a checkpoint in the activation of ketogenesis; inhibition of mTORC1 is required to activate the transcription factors and hormones that control ketogenesis (4, 117).

Inhibition of NLRP3 inflammasome activation might also have broad effects on aging and longevity, as reviewed in References 27 and 37. The NLRP3 inflammasome in particular has a wide range of activating stimuli, many of which accumulate with age such as urate, amyloid, cholesterol crystals, and excess glucose. The age-related phenotypes that may be ameliorated by its inhibition are similarly diverse: insulin resistance, bone loss, cognitive decline, and frailty. In two such examples, BHB inhibited NLRP3 inflammasome activation in urate crystal--activated macrophages, and ketogenic diet ameliorated flares of gout arthritis in rats (36). Whether genetic or pharmacological inhibition of the NLRP3 inflammasome would extend mammalian life span remains unknown, but the potential certainly exists for translational application to human diseases of aging.

노화 경로와 BHB의 상호작용

BHB가 수명과 노화의 영향을 조절하는 데 광범위한 역할을 할 수 있다는 가설은 식이 제한 및 단식과 같이 다양한 유기체에서 가장 일관되게 수명을 연장하는 많은 개입이 본질적으로 포유류의 케톤생성 및 BHB 생성과 관련이 있다는 관찰에서 비롯된 것입니다(92). 이러한 요법이 무척추동물, 설치류, 인간의 건강에 미치는 영향이 검토되었으며, 수명 연장, 인지 보호, 암 감소, 면역 회춘 등이 포함될 수 있습니다(75, 82). FGF21의 형질전환 과발현과 같이 케톤 생성을 촉진하는 보다 구체적인 개입도 설치류의 수명을 연장합니다(163). BHB 자체는 C. elegans에서 수명을 연장하며(24), 설치류에서도 그렇게 할 수 있을지는 아직 조사 중입니다.

위에서 설명한 BHB의 신호 기능 중 몇 가지는 노화 경로의 수명과 질병을 광범위하게 조절하며, 가장 두드러진 것은 HDAC 억제와 인플라마좀 억제입니다. 무척추동물의 데이터에 따르면 1급 HDAC 활성의 감소가 수명을 연장하고 일반적으로 식이 제한과 유사한 경로를 통해 작용한다는 사실이 검토되었습니다(92). 간단히 말해, 포유류 클래스 I HDAC의 효모 및 파리 상동체인 Rpd3를 삭제하면 S. 세레비지애에서 복제 수명이 40~50% 연장됩니다(61). Rpd3 결실은 리보솜 DNA 침묵을 강화하며(61), 이는 시르투인 Sir2의 과발현이 S. 세레비지애에서 복제 수명을 향상시키는 것과 동일한 메커니즘입니다(57). 무형성 또는 저형성 Rpd3 대립유전자를 이형접합한 초파리는 수명이 30~40% 연장되며, 칼로리 제한으로 더 이상 증가하지 않는 것으로 나타났습니다(111). 칼로리 제한과 Rpd3 활성 감소 모두 Sir2의 발현을 증가시킵니다(111). 반대로, Sir2의 돌연변이는 칼로리 제한이나 Rpd3 돌연변이에 의한 수명 연장을 차단합니다(110). 따라서 두 생물체 모두에서 HDAC 활성의 완만한 감소(더 큰 감소는 치명적)는 식이 제한 및 Sir2 발현과 동일한 메커니즘을 통해 수명을 연장합니다.

무척추동물에서 Rpd3의 다른 가능한 장수 메커니즘으로는 특정 유전자의 히스톤 아세틸화에 의해 조절되는 자가포식(152), 샤페론 발현 증가를 통한 단백질 정체성 강화(164) 등이 있습니다.

설치류의 HDAC 기능 감소에 대한 수명 데이터는 아직 존재하지 않습니다. 그러나 Hdac2 녹아웃 마우스는 IGF-1 신호가 손상되고 정상보다 25% 작으며(165), 잠재적인 장수 표현형(87)을 나타냅니다. Hdac2 녹아웃은 종양 발생 모델에서도 보호 효과가 있습니다(165). 마우스 배아 섬유아세포와 배아 줄기세포의 조건부 녹아웃은 조혈(142) 및 줄기세포 분화(23)에서 HDAC1과 HDAC2의 역할을 입증했습니다. 무척추동물의 수명을 연장하는 1등급 HDAC의 완만한 감소와 유사하게, 이형 접합성 HDAC1/2 녹아웃 마우스 또는 저용량 약리학적 HDAC 억제제로 치료한 마우스의 수명이 연장되는지 확인하는 것이 흥미로울 수 있습니다.

유도성 화합물 이형 접합체 녹아웃 HDAC1 및 HDAC2는 HDAC 억제제와 마찬가지로 한 가지 번역 가능한 노화 관련 표현형인 심장 비대를 억제합니다(88). HDAC 억제제는 마우스 당뇨병 모델에서 심장 기능 장애를 개선하고(14) 부적응성 심장 리모델링을 예방합니다(162). 심장 비대에 대한 효과의 메커니즘은 기계적인 mTOR 복합체의 활성을 억제하는 HDAC의 억제인 것으로 보입니다(88). 이는 BHB와 그 신호 효과, 그리고 일반적인 수명 조절 경로인 mTOR/라파마이신 사이의 교차점을 보여주는 몇 가지 예 중 하나입니다(55). 위에서 설명한 바와 같이 mTOR은 케톤 생성을 활성화하는 체크포인트이기도 하며, 케톤 생성을 조절하는 전사인자 및 호르몬을 활성화하려면 mTORC1의 억제가 필요합니다(4, 117).

참고 문헌 27 및 37에서 검토한 바와 같이 NLRP3 인플라마좀 활성화의 억제는 노화 및 수명에 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 NLRP3 인플라마좀은 요산염, 아밀로이드, 콜레스테롤 결정, 과도한 포도당과 같이 나이가 들면서 축적되는 다양한 활성화 자극을 가지고 있습니다. 인슐린 저항성, 골 손실, 인지 기능 저하, 허약함 등 이 물질의 억제로 개선될 수 있는 노화 관련 표현형도 비슷하게 다양합니다. 이러한 두 가지 예에서 BHB는 요산염 결정 활성화 대식세포에서 NLRP3 인플라마좀 활성화를 억제했고, 케톤식이 요법은 쥐의 통풍 관절염 발작을 개선했습니다(36). NLRP3 인플라마좀의 유전적 또는 약리학적인 억제가 포유류의 수명을 연장할 수 있는지는 아직 밝혀지지 않았지만, 인간의 노화 질환에 대한 중개적 적용 가능성은 분명히 존재합니다.

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APPLICATION AND FUTURE DIRECTIONS

The ketone body BHB expresses a variety of molecular signaling functions, in addition to its role as a glucose-sparing energy carrier, that may influence a broad range of human diseases. There is sufficient evidence for several significant human diseases, including type 2 diabetes mellitus and Alzheimer’s dementia, in model organisms to justify human studies of BHB or a BHB-mimetic intervention. The diversity of age-associated diseases and pathways affected by BHB signaling suggests that therapies derived from BHB may hold promise for broadly enhancing health span and resilience in humans (91).

The translation of these effects into therapies that improve human health span requires the pursuit of two converging strategies: deeper mechanistic understanding of the downstream effects of BHB signals and improved systems for the targeted delivery of BHB for both experimental and therapeutic goals. Deeper mechanistic understanding would solidify some of the transitive connections described above. For example, BHB inhibits HDACs, and HDAC inhibition protects against cognitive decline in rodents; but does BHB protect against cognitive decline? Via HDAC inhibition? Which gene promoters are targeted? Establishing such links would permit rational design of human studies to test specific effects of BHB, with plausible biomarkers and intermediate outcomes. Improved delivery systems would facilitate both animal and human studies.

BHB-mimetic drugs, or ketomimetics, would recapitulate the desired activity of BHB. The key obstacles to exogenous delivery of BHB are its nature as an organic acid and the rapid catabolism of R-BHB. The quantity of exogenous BHB required to sustain blood levels over a long period would likely be harmful because of either excessive salt load or acidosis. Alternatively, approaches to ketomimetics include (a) the use of agents that activate endogenous ketogenesis in an otherwise normal dietary context, (b) the delivery of BHB prodrugs or precursors that avoid the acid/salt problem, and (c) the use of agents that phenocopy specific downstream signaling events. The last approach, such as using HCAR2 agonists or HDAC inhibitors, is tempting, but a perhaps crucial advantage of adapting BHB itself is utilizing the existing endogenous transporters and metabolite gradients to bring BHB to its sites of action. Esters of BHB are a promising approach to delivering BHB as a prodrug, but the expense of synthesis is challenging. Confirm‎ing whether such synthetic compounds need be enantiomerically pure, or indeed whether S-BHB has better pharmacokinetics for the desired signaling function, might help reduce cost.

The ketone body BHB, a fasting fuel and fasting signal, is emerging as a poster child of the endogenous metabolite that transmits signals from the environment to affect cellular function and human health. Researchers have made important strides in understanding the signaling functions of BHB, many of which have crucial implications for the management of human diseases. A deeper knowledge of the endogenous actions of BHB, and improved tools for delivering BHB or replicating its effects, offers promise for the improvement of human health span and longevity.

응용 및 향후 방향
케톤체 BHB는 포도당 저장 에너지 운반체로서의 역할 외에도 다양한 분자 신호 기능을 발현하여 광범위한 인간 질병에 영향을 미칠 수 있습니다. 모델 유기체에서 제2형 당뇨병과 알츠하이머 치매를 비롯한 몇 가지 중요한 인간 질병에 대한 충분한 증거가 있어 BHB에 대한 인간 연구 또는 BHB 모방 개입을 정당화할 수 있습니다. 연령과 관련된 질병과 BHB 신호의 영향을 받는 경로의 다양성은 BHB에서 파생된 치료법이 인간의 건강 수명과 회복력을 광범위하게 향상시킬 수 있는 가능성을 시사합니다(91).
이러한 효과를 인간의 건강 수명을 개선하는 치료법으로 전환하려면 두 가지 수렴 전략, 즉 BHB 신호의 다운스트림 효과에 대한 심층적인 기계론적 이해와 실험 및 치료 목표 모두를 위해 BHB의 표적 전달을 위한 개선된 시스템을 추구해야 합니다. 더 깊은 메커니즘적 이해는 위에서 설명한 전이적 연결의 일부를 공고히 할 수 있습니다. 예를 들어, BHB는 HDAC를 억제하고 HDAC 억제는 설치류의 인지 기능 저하를 방지하는데, BHB가 인지 기능 저하를 방지할 수 있을까요? HDAC 억제를 통해? 어떤 유전자 프로모터가 표적이 될까요? 이러한 연결 고리를 확립하면 그럴듯한 바이오마커와 중간 결과를 통해 BHB의 특정 효과를 테스트하기 위한 인간 연구를 합리적으로 설계할 수 있습니다. 전달 체계가 개선되면 동물 연구와 인간 연구가 모두 용이해질 것입니다.
BHB 모방 약물 또는 케토모메틱은 BHB의 원하는 활성을 재현할 수 있습니다. BHB의 외인성 전달에 대한 주요 장애물은 유기산으로서의 특성과 R-BHB의 빠른 이화 작용입니다. 장기간에 걸쳐 혈중 농도를 유지하는 데 필요한 외인성 BHB의 양은 과도한 염분 부하 또는 산증으로 인해 해로울 수 있습니다. 또는 케토모메틱에 대한 접근법에는 (a) 정상적인 식이 맥락에서 내인성 케톤 생성을 활성화하는 약제의 사용, (b) 산/염 문제를 피하는 BHB 전구체 또는 전구체의 전달, (c) 특정 다운스트림 신호 이벤트를 페노코피하는 약제의 사용 등이 있습니다. HCAR2 작용제 또는 HDAC 억제제 사용과 같은 마지막 접근 방식도 매력적이지만, BHB 자체를 적응시키는 데 있어 가장 중요한 이점은 기존의 내인성 수송체와 대사체 구배를 활용하여 BHB를 작용 부위로 가져오는 것입니다. BHB의 에스테르는 전구 약물로서 BHB를 전달하는 유망한 접근 방식이지만 합성 비용이 만만치 않습니다. 이러한 합성 화합물이 거울상 이성질체로 순수해야 하는지, 실제로 S-BHB가 원하는 신호 기능에 대해 더 나은 약동학을 가지고 있는지 확인하면 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다.
공복 연료이자 공복 신호인 케톤체 BHB는 환경으로부터 신호를 전달하여 세포 기능과 인체 건강에 영향을 미치는 내인성 대사물질의 포스터 아이로 부상하고 있습니다. 연구자들은 BHB의 신호 기능을 이해하는 데 중요한 진전을 이루었으며, 그 중 많은 부분이 인간 질병 관리에 중요한 영향을 미칩니다. BHB의 내인성 작용에 대한 더 깊은 지식과 BHB를 전달하거나 그 효과를 복제하기 위한 개선된 도구는 인간의 건강 수명과 수명을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시합니다.

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ACKNOWLEDGMENTS

We thank Sarah Gardner for assistance with figures. This work is supported by Gladstone intramural funds (E.V.) and NIH K08AG048354 (J.C.N.).

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ACRONYMS AND DEFINITIONS

γ-amino-butyric acid (GABA)	an inhibitory neurotransmitter
BHB	β-hydroxybutyrate
Class I histone deacetylases (HDACs)	small, mostly nuclear HDACs with important roles in gene transcription
GABOB	γ-amino-β-hydroxybutyric acid
K(BHB)	lysine β-hydroxybutyrylation
NAD	nicotinamide adenine dinucleotide
R-BHB	R-enantiomer of BHB (normal ketone body)
Rpd3	invertebrate homolog of class I HDACs
S-BHB	S-enantiomer of BHB

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Footnotes

DISCLOSURE STATEMENT

The authors are not aware of any affiliations, memberships, funding, or financial holdings that might be perceived as affecting the objectivity of this review.

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LITERATURE CITED

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