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瘦素及瘦素受體調節食欲的作用機制綜述

來源:原創論文網 添加時間:2020-01-20

  摘    要: 瘦素與瘦素受體結合后通過多種信號轉導途徑作用于阿片-促黑素細胞皮質素原/刺鼠相關蛋白神經元,從而發揮食欲調節的作用,進而預防肥胖等多種代謝性疾病的發生。目前發現的瘦素信號轉導途徑有酪氨酸激酶2/信號轉導及轉錄激活因子3信號轉導途徑、促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信號調節激酶1/2信號轉導途徑及胰島素受體底物/磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)信號轉導途徑三種。其中,PI3K通過蛋白激酶B/叉頭狀轉錄因子O1、離子通道及磷酸二酯酶3B/環腺苷酸三種子通路發揮調節食欲的作用,這些信號轉導途徑紛繁復雜,涉及多種生理病理反應。此外,各個信號途徑中亦存在負反饋調節因子,其可有效地抑制信號途徑的過表達,共同為機體的穩定發揮作用。

  關鍵詞: 瘦素; 阿片-促黑素細胞皮質素原; 刺鼠相關蛋白; 調節食欲; 作用機制; 信號轉導途徑;

  Abstract: Leptin binds to leptin receptor and acts on proopiomelanocortin/agouti-related peptide neurons through various signal transduction pathways to play an important role in appetite regulation and prevent obesity and other metabolic diseases. There are three kinds of leptin signal transduction pathways: Janus kinases-2/signal transducers and activators of transcription-3 signal transduction pathway,mitogen activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase 1/2 signal transduction pathway and insulin receptor substrate/phosphatidylinositol-3-kinase( PI3 K) signal transduction pathway.Among them,PI3 K regulates appetite through protein kinase-B/forkhead box transcription factor O1,ion channel and phosphodiesterase-3 B/cyclic adenosine monophosphate,which are complex and involve a variety of physiological and pathological reactions. In addition,there are negative feedback regulators in each signal pathway,which can effectively inhibit the overexpression of the signal pathways and play an important role in the body homeostasis.

  Keyword: Leptin; Proopiomelanocortin; Agouti-related peptide; Appetite regulation; Mechanism of action; Signal transduction pathway;

  肥胖是指人體將過剩能量轉化為多余脂肪并積聚在體內的一種狀態。近年來,全球肥胖的發病率呈逐年增長趨勢。至2015年我國18歲及以上人群的肥胖率已達11.9%,超重率達30.1%[1]。2016年中國超重/肥胖醫學營養治療專家共識定義體質指數(body mass index,BMI)為25~29.9 kg/m2為超重,BMI≥30 kg/m2為肥胖[2]。食欲亢進是肥胖的重要原因[3]。研究發現,瘦素和瘦素受體與食欲控制密切相關[4,5]。瘦素可通過多種信號轉導途徑作用于阿片-促黑素細胞皮質素原(proopiomelanocortin,POMC)神經元以促進其產生抑制食欲的α-促黑色素細胞刺激素(αmelanocyte-stimulating hormone,α-MSH),同時亦可作用于刺鼠相關蛋白(agouti-related peptide,AgRP)/神經肽Y(neuropeptide Y,NPY)神經元以抑制其產生促進食欲的AgRP和NPY[6]。然而,瘦素發揮作用的信號轉導途徑紛繁復雜,具體機制尚不明確,目前瘦素信號轉導途徑已成為國際上研究肥胖及其相關疾病的熱點方向,F參考國內外相關文獻,以作用于AgRP/POMC神經元的信號轉導途徑為切入點,對瘦素及瘦素受體在調節食欲方面的作用機制予以綜述,為基于食欲控制的肥胖癥的預防與治療提供新的思路。
 

瘦素及瘦素受體調節食欲的作用機制綜述
 

  1、 瘦素與瘦素受體

  瘦素是由肥胖基因編碼、白色脂肪細胞分泌的一種分子量為16 000的蛋白[7]。1994年有學者利用定位克隆發現并成功克隆了位于小鼠第6號染色體上的ob基因,隨后人與大鼠的ob基因也相繼被克隆,ob基因的表達產物也被正式命名為Leptin,中文譯為“瘦素”[8]。在機體中,瘦素參與調節能量代謝、食欲及生長發育[9],瘦素基因敲除會導致機體脂肪組織功能異常,繼發攝食過量和能量消耗減少,引起肥胖[5]。瘦素受體廣泛存在于下丘腦、海馬等中樞神經系統和胰島、心臟等外周器官中,瘦素受體本身并不具有酪氨酸激酶活性,信號轉導作用是通過偶聯和激活酪氨酸激酶(Janus kinases,JAK)2實現[10]。白色脂肪細胞分泌的瘦素透過血腦屏障后與瘦素受體的特異性結合使瘦素受體分子二聚化以增強其與JAK2的親和力并與JAK2偶聯,偶聯的JAK2相互接近,通過其表面酪氨酸的相互作用以完成磷酸化活化,并與受體蛋白上的不同位點結合,啟動相應信號轉導系統,導致POMC/AgRP神經元表達,進而發揮食欲調節的作用。根據JAK2與瘦素受體蛋白結合的位點,其信號轉導通路可分為JAK2/信號轉導及轉錄激活因子(signal transduction and activator of transcription,STAT)3途徑、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)/胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2途徑、胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)途徑3種[11]。

  2、 JAK2/STAT信號轉導途徑

  1992年Schindler等[12]在有關干擾素的研究中首次發現了STAT蛋白。STA由src同源2區(srchomology 2 domain,SH2)結構域、卷曲螺旋結構域、氨基末段結構域、轉錄激活域、DNA結構域、酪氨酸激活域6個功能區組成,其中對STAT活化起至關重要作用的是SH2結構域,其作為一個高度保守的結構域,首先與磷酸化的瘦素受體特異性結合,其次在JAKs的作用下實現STAT的磷酸化活化[13]。JAK2/STAT3途徑于20世紀90年代初第一次被發現[14],活化了的JAK2作用于瘦素受體,使得瘦素受體蛋白上的Tyr1138、Tyr1077被磷酸化,而活化的Tyr1138和Tyr1077與STAT3和STAT5上SH2結構域的特異性結合導致STAT3、STAT5活化[15];罨腟TAT3、STAT5與瘦素受體解離繼而形成異型或同型二聚體,二聚體進入細胞核與位于靶基因上游的反向重復序列TTCCNGGAA結合,上調POMC基因的表達,下調AgRP/NPY基因的表達,轉錄并翻譯POMC蛋白,并激活下丘腦弓狀核中的POMC神經元,促進其產生抑制食欲的α-MSH,發揮瘦素調節食欲的生理學效應[13,14,15]。在此過程中,促紅細胞生成素是JAK2/STAT信號轉導通路的促進因子,其可促進JAK2、STAT磷酸化[16];蛋白酪氨酸酶1B則是JAK2/STAT信號轉導通路的抑制因子,其通過阻斷STAT3與靶基因DNA的結合,抑制瘦素的生理學作用,而導致肥胖[17]。

  細胞因子信號轉導抑制因子3(suppressor of cytokine signaling 3,SOCS3)被認為是STATs的靶基因,肥胖條件下SOCS3表達增加則被認為是瘦素信號轉導和作用受限的主要機制之一[18];罨腟TATs可刺激SOCS3基因的轉錄,轉錄的SOCS3結合至磷酸化的JAKs和STATs,導致JAK2/STAT信號通路關閉,抑制STATs活化,從而產生經典的負反饋通路,阻止JAK2/STAT信號通路的進一步激活[19]。目前對JAK2/STAT途徑介導的瘦素信號轉導研究得最多,其通過精細調節瘦素的信號轉導從而控制食欲的方式對維持機體能量穩態有至關重要的作用。

  3、 MAPK/ERK1/2信號轉導途徑

  MAPK/ERK1/2信號轉導通路是MAPK信號通路中最重要、最為經典的信號轉導通路,是目前研究最為透徹的哺乳動物細胞MAPK信號轉導通路[20]。Sturgill和Ray[21]于1986年在3T3-L1脂肪細胞提取物中首次檢測到MAPK,MAPK是一種胰島素激活的絲氨酸/蘇氨酸活性蛋白激酶,其不僅具有磷酸化高分子量多肽的能力,而且在受到特殊信號分子(如瘦素)刺激后還能通過發生酪氨酸磷酸化而活化[22]。研究發現,ERK在瘦素調節食欲過程中起重要作用[23];罨腏AK2作用于瘦素受體,使受體蛋白上的Tyr985磷酸化并與含有SH2的蛋白酪氨酸磷酸酶2(SH2-containing protein tyrosine phosphatase-2,SHP2)結合,SHP2在活化的JAK2的作用下實現磷酸化活化,并活化作為銜接蛋白的生長因子SH2,活化的SH2與效應分子Grb22結合,激活效應子Ras、Raf以及MAPK,使上游信號分子促分裂原活化的胞外信號調節激酶1激活,激活的促分裂原活化的胞外信號調節激酶1以磷酸化的方式活化ERK1/2,活化的ERK1/2入核,轉錄并翻譯POMC蛋白,POMC蛋白激活下丘腦中的POMC神經元,促進其產生抑制食欲的α-MSH,發揮瘦素控制食欲的生理效應[24,25]。SHP2神經元特異性缺失則導致小鼠肥胖和瘦素抵抗[26]。

  4、 IRS/PI3K信號轉導途徑

  IRS/PI3K信號通路參與瘦素活性首先是在IRS缺失小鼠中發現[27]。研究表明,抑制下丘腦IRS/PI3K信號通路可抑制瘦素的厭食作用[28]。IRS是參與細胞因子(如胰島素)信號轉導的磷酸化蛋白,其由IRS1~4四個成員組成,作用是與含有SH2結構域的蛋白結合,其中經過磷酸化而激活的IRS2酪氨酸能同PI3K結合并影響磷脂代謝[29]。PI3K是肌醇組第3位的脂類激酶,其受到細胞外刺激時可產生磷脂酰肌醇磷酸(phosphatidylinositol phosphate,PIP)2和PIP3兩種產物。PI3K廣泛存在于控制食欲的POMC神經元和AgRP/NPY神經元中,瘦素對POMC神經元和AgRP/NPY神經元中的PI3K有相反的作用[30]。瘦素直接增加POMC神經元中PI3K的活性,間接抑制AgRP神經元中PI3K的活性,相較于瘦素,胰島素可激活兩種神經元中的PI3K;罨腏AK2作用于IRS蛋白,使其與自身調控亞基p85結合以激活PI3K[31]。PI3K在瘦素激活途徑中有重要作用,Donato J等[32]全面概述了不同PI3K亞型及其與瘦素和肥胖的關系。

  4.1、 IRS/PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)/叉頭狀轉錄因子O1(forkhead box transcription factor O1,FoxO1)信號轉導通路

  激活的PI3K磷酸化活化磷酸肌醇激酶1,而磷酸肌醇激酶1又磷酸化活化Akt,繼而抑制下游的FoxO1。FoxO1是瘦素信號轉導的負向調節因子,在營養剝奪條件下,FoxO1從細胞質向細胞核轉移以增加NPY/AgRP基因的表達,抑制厭食性POMC的表達,從而增加了食物的攝入量[27]。Akt通過抑制FoxO1的活性、促進STAT3與POMC和AgRP啟動子結合調控POMC基因和AgRP/NPY基因的表達,以發揮瘦素調節食欲的作用[17]。腫瘤抑制因子第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因(phosphates and tensin homologue deleted on chromosome ten gene,PTEN)是IRS/PI3K/Akt/Fox01信號通路的抑制因子,其通過阻止PI3K對PIP3的催化,阻止PI3K的激活。研究發現,一方面PTEN的消融可導致瘦素受體中PI3K的激活,通過增加交感神經對腺周白色脂肪組織的流出,導致體脂肪質量減少,從而導致白色脂肪組織向褐色脂肪組織轉化;另一方面,POMC神經元中缺乏PTEN的小鼠通過激活ATP依賴的K+通道導致肥胖和瘦素抵抗[33]。因此,POMC神經元中PIP3水平的慢性升高可能會干擾下丘腦中瘦素的活性。

  4.2、 IRS/PI3K/離子通道的調控

  激活的PI3K通過開放或閉合細胞膜上的離子通道控制鉀離子和鈣離子的進出。目前已知的POMC和AgRP/NPY神經元細胞膜上的鉀/鈣離子通道有3種:ATP敏感鉀通道(ATP-sensitive potassium channel,KATP)、瞬時受體電勢通道(canonical transient receptor potential channel,TRPC)、電壓門控鈣離子通道(voltage-gated calcium channel,VGCC)[34,35,36],其中KATP與TRPC作用于鉀離子,分別控制鉀離子的外流與內流;而VGCC則作用于鈣離子,控制著鈣離子的內流[37]。(1)KATP:是控制鉀離子內流的重要離子通道,其活性與細胞內ATP的水平呈負相關[38]。瘦素通過PI3K磷酸化活化PTEN的C端,并抑制PTEN磷酸酶的活性,由此產生PTEN抑制,而PTEN抑制則會誘導纖維型肌動蛋白解聚,從而引起細胞骨架重構,大量ATP被消耗,下丘腦AgRP/NPY神經元細胞膜上控制鉀離子外流的KATP由此激活,鉀離子外流,AgRP/NPY神經元細胞超極化[39]。(2)TRPC:TRPC控制鉀離子的外流。瘦素通過PI3K磷酸化活化磷脂酶Cγ,最終激活POMC神經元上的TRPC4和TRPC5,導致鉀離子外流,POMC神經元細胞去極化[40]。同時瘦素又通過鈣調素依賴蛋白激酶/p21激活酶交換因子途徑增強TRPC4和TRPC5向細胞外轉運鉀離子的能力,進一步促進了POMC神經元細胞的去極化[41,42,43]。PI3K催化亞基p110的選擇性丟失會抑制PI3K的活化,使該信號通路不能發揮調節食欲的作用[44];TRPC5亞基的特異性缺失可阻礙POMC神經元的去極化[45]。瘦素亦可通過PI3K信號轉導通路作用于POMC神經元,促進白色脂肪褐變,增加能量消耗,減少脂質堆積[46]。(3)VGCC:VGCC是瘦素作用于下丘腦POMC神經元的主要靶點,其控制著細胞膜上鈣離子的內流。電壓依賴的VGCC分為高電壓激活鈣通道(high-voltage activated calcium channel,HVA)和低電壓激活鈣通道(low-voltage activated calcium channel,LVA)[47]。瘦素通過PI3K途徑增加POMC神經元HVA的電流,降低HVA的激活電壓,最終提高POMC神經元的興奮性;另一方面,瘦素通過JAK2/MAPK途徑降低NPY神經元HVA的電流以對其產生抑制作用,最終通過控制食欲降低食物的攝入、減輕體重[48]。

  4.3、 IRS/PI3K/磷酸二酯酶3B(phosphodiesterase-3B,PDE3B)/環腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)信號轉導通路

  PI3K/PDE3B/cAMP信號轉導通路是下丘腦瘦素信號轉導的重要途徑。激活的PI3K磷酸化活化磷酸肌醇激酶1以使磷酸肌醇激酶1激活Akt,最終激活PDE3B,并降低AgRP/NPY神經元中cAMP的水平[49],從而降低AgRP/NPY神經元的興奮性[50],最終減少攝食量。抑制PDE3B的活性可逆轉瘦素對食物攝入和體質量的影響,證實了PDE3B在下丘腦介導的瘦素信號轉導通路中的重要作用。PI3K作為瘦素與胰島素信號通路間的交叉位點,在胰島素信號通路中亦起重要作用。事實上,胰島素作用的發揮大多數涉及PI3K的激活[51]。胰島素與其受體的結合可促進胰島素受體與其調控亞基p85結合,從而促進PI3K/PDE3B/cAMP信號轉導通路的形成,由此也證實了肥胖與胰島素抵抗的相關性。

  4.4、 IRS/PI3K/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,m TOR)/S6激酶信號轉導通路

  m TOR是一種進化上保守的絲氨酸-蘇氨酸激酶,其能感知營養物質(尤其是氨基酸),刺激蛋白質合成、細胞生長及增殖,并抑制自噬。m TOR及其下游靶點S6激酶1廣泛存在于NPY/AgRP神經元和POMC神經元中;罨腁kt通過抑制結節性腦硬化復合物-1和2的形成,解除Ras同源物對m TOR的抑制作用,從而激活下丘腦中的m TOR以刺激S6激酶的磷酸化。研究表明,聯合應用m TOR抑制劑可明顯阻斷瘦素的厭食作用,而瘦素在缺少S6激酶1的小鼠中不能發揮減少食物攝入量的作用[27]。AMP活化的蛋白激酶是一種細胞內能量傳感器,其在代謝應激引起ATP耗竭或細胞內AMP、ADP水平升高時被激活,一旦激活,則可通過促進ATP的分解代謝和抑制ATP的合成代謝保持能量平衡。激活的S6激酶亦可抑制AMP活化的蛋白激酶的活化,繼而抑制AMP下游因子乙酰輔酶A羧化酶的磷酸化活化,以致POMC神經元中丙二酰輔酶A的水平升高,丙二酰輔酶A通過抑制肉毒堿棕櫚酰轉移酶1的活性降低線粒體的脂肪酸氧化,從而提高細胞長鏈脂酰輔酶A的水平,而長鏈脂酰輔酶A水平的升高會導致患者厭食[52]。

  5 、結語和展望

  瘦素及其受體在人類食欲調控中發揮十分重要的作用,其信號通路上任何環節的異常均會導致瘦素調節食欲的異常,從而導致肥胖,其信號轉導通路上諸多負向調節因子亦會阻礙瘦素發揮食欲調節的作用,是肥胖及相關代謝疾病的危險因素。目前國內關于瘦素信號轉導通路的研究以JAK/STAT信號轉導通路研究得最多,而對于MAPK及PI3K信號轉導通路研究較少,尤其是IRS/PI3K信號轉導通路。IRS/PI3K信號轉導通路可通過改變POMC及AgRP/NPY神經元上細胞膜離子的通透性,使其達到興奮或抑制的狀態,其中涉及多種生物化學反應。隨著對瘦素及其受體信號轉導通路研究的深入,其機制將更加明確,POMC及AgRP/NPY神經元上瘦素及其受體調節食欲的機制已逐步明確,基于食欲調控的瘦素相關的抗肥胖藥物的研發已展示出良好的前景,PI3K信號轉導通路的研究也為此類新型抗肥胖藥物的研發指明了方向,為肥胖及其相關代謝性疾病的預防和治療打下堅實基礎。

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