近年來，研究發現人類的胺基酸代謝會隨著一天中的時間而變化。膳食蛋白質攝入量對骨骼肌的生長和維持很重要。它們不僅是身體蛋白質的來源，而且還能啟用骨骼肌的合成。特別是，已知支鏈胺基酸，即白胺酸、纈胺酸和異白胺酸 (BCAA)。例如， 白胺酸、異白胺酸和纈胺酸，可透過哺乳動物雷帕黴素靶標(mTOR)途徑啟用骨骼肌合成，並且對肌肉生長很重要 。據報道，早餐和午餐補充蛋白質會增加老年人的骨骼肌體積。然而，消化吸收能力和代謝過程表現出晝夜變化。目前，之前一直沒有研究闡明蛋白質的攝入量分布及其生物利用率和/或閾值的晝夜變化是否會影響肌肉生長。
今年7月6日，
日本早稻田大學
、
日本大學
和
長崎大學
的研究人員在在
【
Cell Reports
】
雜誌上發表了標題為
「Distribution of dietary protein intake in daily meals influences skeletal muscle hypertrophy via the muscle clock」
的研究論文，研究人員透過研究一天中不同時間攝入蛋白質對小鼠骨骼肌的影響，發現全天蛋白質攝入量的分布會影響骨骼肌的大小，而早餐中的高蛋白質攝入量會促進骨骼肌肥大。同時，支鏈胺基酸在促進骨骼肌肥大的過程中發揮了重要的作用。
攝入蛋白質的時間會導致骨骼肌差異
實驗小鼠用3%的異氟醚麻醉。單側手術切除腓腸肌和比目魚肌遠端肌腱可導致足底肌肉功能性超負荷。閉合對側小腿的切口，而不手術消融遠端肌腱，可以使得足底肌起到 假肌肉 的作用。
為了檢查蛋白質攝入分布的影響，研究人員在每天早晚兩次給ICR小鼠（美國癌癥研究所分送各國飼養的實驗小鼠）餵食2.0克餐（圖1A上）。在三種蛋白質 分布模式 （早餐高蛋白、早晚蛋白平均分布和晚餐高蛋白）中，小鼠每天平均餵食11.5%或8.5%的蛋白質食物（圖1A下）。研究人員發現，ICR小鼠能夠在4小時內吃掉2.0克的食物。在超負荷肌肉組中，三種分布模式餵食組的初始和最終體重和生長率都沒有顯著變化，所有模式餵食的小鼠跖肌重量都因超負荷而增加，與晚餐高蛋白小鼠相比，早餐高蛋白小鼠的肌肉重量對超負荷的反應更高（圖1B和1C）。在假肌肉組中，三種模式餵食都沒有導致肌肉重量改變（圖1B）。在超負荷肌肉組中， 與晚餐攝入11.5%蛋白質的小鼠相比，早餐餵食8.5%蛋白質的小鼠肌肉肥大程度增加17% ，盡管前者的每日總蛋白質攝入量低於後者（圖1C）。
早餐時攝入BCAA會加速骨骼肌增大
研究人員發現，早餐補充BCAA會誘導骨骼肌肥大，晚餐補充則沒有明顯的效果（圖1D和1E）。然而，補充含有BCAA以外其他胺基酸的酪蛋白後，沒有觀察到骨骼肌肥大的時間依賴性效應（圖1F和1G）。 這表明，BCAA的攝入參與了超負荷誘導骨骼肌肥大的時間依賴效應。 不過，體重、運動活動模式和總活動水平並不受支鏈胺基酸或其他胺基酸的攝入時間的影響。
膳食蛋白質的時間依賴性效應需要肌肉時鐘
為了探討蛋白質攝入分布與生物律動之間的關系，研究人員檢查了全身ClockΔ19基因突變和MKO（Bmal1基因剔除）小鼠。補充說明，Clock是晝夜節律核心基因，而Bmal1基因是大腦和肌肉arnt-like蛋白1，作為一種轉錄因子與Clock形成異源二聚體以共同啟用晝夜節律基因表現，許多研究表明BMAL1的破壞會導致晝夜節律異常。
高蛋白早餐增加了野生型(WT)小鼠超負荷誘導的肌肉肥大，但對ClockΔ19小鼠沒有影響(圖2A和2B)，在WT小鼠中觀察到運動活動的晝夜變化，而在ClockΔ19小鼠中觀察不到(圖2D和2E)。對ClockΔ19小鼠的研究結果表明，生物鐘的遺傳不活躍和生物律動的紊亂可能會影響蛋白質攝入對肌肉生長的時間依賴性效。研究人員進一步透過組織特異性的基因剔除來檢測小鼠時鐘基因和運動活性之間的聯系。在Bmal1flox/flox小鼠中觀察到高蛋白早餐對肌肉肥大的促進作用，而在MKO小鼠中則未觀察到(圖2F和2G)。 這表明，晝夜節律參與了肌肉生長 。
膳食蛋白質攝入分布對小鼠BCAA水平胡基因表現晝夜變化的影響
為了檢驗早餐和晚餐蛋白質攝入對血液和肌肉胺基酸水平的影響，測定了小鼠血漿和骨骼肌中遊離胺基酸的晝夜變化(圖3A-3F；圖S4)。高蛋白膳食後，血漿BCAA水平升高，高蛋白膳食時間並不影響血漿BCAA水平的升高(圖3A-3C)。在假肌肉和超負荷的肌肉組中，BCAA對高蛋白餐的時間依賴性反應不存在(圖3D-3F)。除甘胺酸、組胺酸和絲胺酸外，大多數遊離胺基酸在超負荷肌肉中沒有表現出時間依賴性的反應(圖S4B)。在晚餐時餵食高蛋白餐的超負荷小鼠中，特定時間點的肌肉遊離甘胺酸和組胺酸水平較高(圖S4B)。早餐餵食高蛋白餐的小鼠肌肉負荷過重(圖S4B)。Snat2(中性胺基酸轉運體)的表達不受蛋白質攝入分布的影響。
接下來，研究人員檢測了早餐(B蛋白組)或晚餐(D蛋白組)餵食高蛋白餐的小鼠血漿胰島素樣生長因子1(IGF-1)和肌肉IgF1水平的晝夜變化。血漿IGF-1水平無晝夜變化，兩組間無明顯差異，B蛋白組肌肉IgF1表達隨負荷增加而增加，且在授時間因子ZT 21（Zeitgeber time [ZT]，是由實驗室所訂的環境時間，在節律研究中人為控制光照）處高於D蛋白組(圖3g)。雖然B蛋白組超負荷的肌肉合成增加，但用mTOR和S6激酶(S6K)磷酸化來評價的蛋白質合成並沒有什麽改變(圖4A、4D和4E)。此外，研究人員還檢測了肌肉萎縮相關基因的晝夜變化(圖3H-3I)。這些基因的表達和晝夜變化不受蛋白質攝食分布的影響，但在兩組超負荷的肌肉中，Atrogin1和Mst1的表達分別增加和減少。
研究人員還檢測了生肌基因表現的晝夜變化。pax3、Pax7、Myod和myf6的表達水平沒有因假肌肉和超負荷肌肉組的蛋白質攝入分布而改變(圖3L)。與IgF1的表達相似，肌源性因子5（Myf5）和人肌細胞生成素（Myog）的表達也因負擔過重而增加。B蛋白組的晝夜變化在ZT21高於其他時間點（圖3J和3K）。MYF5在早餐或晚餐吃高蛋白餐的老鼠超負荷的肌肉中，蛋白質水平顯示出與其基因表現水平相似的趨勢。另外，從WT和Bmal1flox/flox小鼠超負荷肌肉中觀察到了MYF5蛋白水平的時間變化趨勢，而在ClockΔ19突變和MKO小鼠中沒有發現MYF5蛋白水平的變化趨勢。 這表明 ， IgF1和生肌基因的晝夜表達節律影響了攝入蛋白質的分布 。
最後，為了評估時鐘基因的表達，研究人員測定了早餐或晚餐時餵食高蛋白餐的小鼠骨骼肌中幾個時鐘基因的表達水平(圖3M-3O；圖S3I-S3M)。在假肌肉和超負荷肌肉兩個組中，PER2和Bmal1表達呈規律性變化(圖3M和3N)。Cry1在假肌肉組的表達呈現典型的節律模式，而在超負荷的肌肉中表達不明顯(圖S3K)。蛋白質攝入分布對Reverbα、Clock和Per1的表達也有影響。在早餐和晚餐分別餵食高蛋白餐的小鼠的超負荷肌肉中，觀察到Reverbα和Clock的節律性表達。在進食高蛋白晚餐的假肌肉和超負荷肌肉小鼠中，觀察到Per1在非活動期的高水平表達。因此，不同蛋白質攝入時間部份影響了肌肉時鐘基因(如Reverbα、Clock和Per1)的表達，而Per2、Bmal1、Cry1/2、Rorα和血清皮質酮水平的晝夜變化不受蛋白質攝入量分布的影響(圖3M-3O)。
膳食蛋白質分布對自噬的影響及其在超負荷誘導骨骼肌肥大中的作用
研究人員測試了自噬對早餐和晚餐蛋白質攝入的反應。在活動期的四個時間點(每餐前後)的Western blotting分析顯示，B蛋白組超負荷的肌肉中，晚餐後LC3B-II蛋白水平維持在較高水平(圖4A和圖4F)，補充說明，LC3是自噬標誌物，自噬形成時，胞漿型LC3（即LC3-I）會酶解掉一小段多肽，轉變為（自噬體）膜型（即LC3-II），LC3-II/I比值的大小可估計自噬水平的高低。為了研究自噬啟用在超負荷誘導的骨骼肌肥大中的作用，研究人員在限時蛋白餵養的小鼠中測試了自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)的作用。每日腹腔註射3-MA可減輕B蛋白組超負荷所致的肌肉肥大，但不能減輕D蛋白組的肌肉肥大(圖4G-4I)。3-MA對肌肉重量的減輕僅見於超負荷肌肉組，而不見於假肌肉組(圖4H)。此外，在WT和Bmal1Flox/Flox小鼠中，LC3B-II水平在ZT0(餐後)有升高的趨勢，而在ClockΔ19和MKO小鼠中未觀察到這種趨勢。 因此，可以認為早餐攝入高蛋白，晚餐攝入低蛋白可能透過啟用自噬來增強超負荷誘導的骨骼肌肥大。
人體蛋白質分布與肌肉功能的關系
該招募了60名老年女性，根據飲食調查結果得出早餐和晚餐蛋白質攝入量的平衡情況，並將其分為兩組。B蛋白組的參與者習慣性地在早餐時攝入比晚餐時更多的蛋白質(圖5B和5D)。在D蛋白組則相反。每日蛋白質總攝入量在兩組之間沒有顯著差異(圖5C和5E)。在這項研究中參與者的蛋白質攝入量高於日本推薦的老年婦女膳食攝入量。此外，他們每天的蛋白質攝入量也滿足了先前研究中報道的維持和增加肌肉品質所必需的1.0-1.2g/kg體重/天的要求。結果表明，B蛋白組的肌肉品質往往高於D蛋白組(圖5F)。B蛋白組的骨骼肌指數(SMI)和握力顯著高於D蛋白組(圖5G和5H)。此外， SMI與早餐蛋白質攝入量占總蛋白質攝入量的百分比呈顯著正相關(圖5I)。
結語
該研究表明，第一，在每日投食兩次對小鼠模型中發現，小鼠在早上攝入更多對蛋白質，以一種依賴於局部肌肉生物鐘的方式促進了超負荷誘導的肌肉生理肥大。其次，在早餐中添加BCAA，使得小鼠表現出骨骼肌肥大。再者，BCAA的分布依賴效應與生物律動有關，最後，對於老年女性來說，早餐攝入高蛋白飲食的女性的SMI和握力更高，
總之，表明一天之際在於晨。
原文連結：
https://www. cell.com/cell-reports/f ulltext/S2211-1247(21) 00712-9
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