瘦素及其生理功能概述

王春艷 杜瑞平 張興夫 高 民*

(1.內蒙古農業大學動物科學學院，呼和浩特 010018;2.內蒙古農牧業科學院動物營養所，呼和浩特 010031)

1950年，Ingalls發現了一種“肥胖基因”(ob)，它的突變可以導致肥胖和糖尿病。Kennedy和Hervey分別于1956年和1958年均發現了脂肪分泌的一種“飽感因子”，它能通過下丘腦控制動物攝食量，調節體重。歷經幾十年的研究與發展，Zhang等［1］利用突變基因的定位克隆技術得到ob基因。后來ob基因編碼的這種細胞因子被命名為瘦素(leptin)。目前，瘦素在很多動物上的研究越來越深入與具體，本文就瘦素及其受體的結構和特征、瘦素的主要生理功能及其在細胞中的信號轉導途徑做一簡要概述。

1 瘦素及其受體的結構和特征

1.1 瘦素

瘦素是由脂肪細胞分泌的一種蛋白質，為親水性多肽，其相對分子質量為16 000。它由167個氨基酸殘基組成，N端有1個信號肽序列，由21個氨基酸殘基組成;C端有1個二硫鍵形成的環狀結構，由2個半胱氨酸殘基組成。成熟的瘦素分子是由去掉N端信號肽后的146個氨基酸殘基組成的。有報道得出，瘦素的二級結構中包含α－螺旋和 β－折疊［2］，整個瘦素分子為一個球狀結構。

瘦素在機體內分布廣泛，如皮下脂肪、大網膜、腸系膜、腹膜，這些組織中瘦素表達水平較高。近年來研究發現在乳腺、胎盤、胚胎、骨骼肌、血管壁和胃黏膜中均有瘦素表達。瘦素的表達和分泌受多種因素影響，如胰島素、糖皮質激素、腫瘤壞死因子α(TNFα)和雌激素均可以提高瘦素的表達和分泌，而雄激素、游離脂肪酸和生長激素則可以降低瘦素的表達和分泌。

1.2 瘦素的受體

瘦素受體(LR)為單跨膜受體，包括胞外、跨膜和胞內3個結構域，已發現其有LRa、LRb、LRc、LRd、LRe和LRf 6種異構體的受體亞型。根據其胞內結構域的氨基酸序列和長度，LR又分為長型受體和短型受體，其中最重要的是短型受體LRa和長型受體LRb。LRa主要分布在大腦脈絡叢及血腦屏障的微血管叢中，作為瘦素結合/轉運蛋白使瘦素通過血腦屏障進入腦脊髓液。LRb主要分布于下丘腦多個核團區表達神經肽Y(NPY)的細胞膜上，起信號轉導作用。其他4種異構體均為短型受體，分布于中樞神經系統、脂肪、心、肝、肺、腎、胰島、生殖組織、造血組織和淋巴組織等，瘦素與之結合后可發揮不同的作用。LR是瘦素專一誘導生成的，某一組織LR的基因mRNA的表達量間接反映了瘦素在此組織的表達情況。

2 瘦素的主要生理功能

目前瘦素的研究不僅限于人類和嚙齒類動物(大鼠和小鼠)，在牛、羊、豬方面也有很多報道。其生理作用也涉及多個方面，包括對泌乳、能量、發情及免疫等的影響，可見瘦素是一種多功能的細胞因子。它在血液中游離或與瘦素結合蛋白結合后到達中樞和外周，通過與其具有高親和力的受體結合而發揮作用，也有的在局部以旁分泌或自分泌的方式發揮作用［3］。

2.1 瘦素與能量的關系

瘦素的主要作用是調節能量平衡。

一方面，瘦素可以控制動物攝食和體重。有研究得出，給肥胖的小鼠提供外源瘦素一段時間后，其采食量明顯減少，且減少量與瘦素的供給量呈一定的線性關系，同時小鼠體重也呈現相應的變化［4］。當動物因采食過多導致肥胖時，過多脂肪產生的瘦素會刺激下丘腦的感受器，然后通過交感神經將超重信號傳遞到攝食中樞，使動物減少攝食，增加能量消耗，以維持體重恒定。當動物處于饑餓狀態時，血液中的瘦素水平下降，進而刺激下丘腦提高副交感神經的興奮性，增加食欲，降低能量消耗以恢復正常體況［5］。

另一方面，瘦素是由脂肪細胞分泌的，其受體也存在脂肪組織中，因此瘦素在脂肪組織中可通過自分泌方式發揮最基礎的作用。它可以促進甘油三酯分解，抑制脂肪酸合成酶表達，最終發揮抑制脂肪合成的作用。瘦素也可通過增加能量消耗介導乙酸輔酶A羧化酶基因的表達，直接抑制脂肪生成［6］。Muoio 等［7］研究表明大鼠給予瘦素后，其骨骼肌脂肪酸氧化增強，脂肪酸合成甘油三酯減少，說明瘦素也能減少骨骼肌中脂肪的合成。

總體來說，瘦素的這種生理作用是通過下丘腦的反饋環實現的。在下丘腦中，瘦素通過激活其長型受體發揮作用［8］。瘦素調節能量代謝主要依賴NPY遞質系統和促黑皮質素(MSH)系統，分別在低和高瘦素水平時發揮作用。當血液中瘦素水平正常時，瘦素與其受體結合，作用于下丘腦的食物中樞，抑制弓狀核神經元合成并釋放NPY遞質，抑制攝食，但對脂肪代謝不起作用;當超出正常水平時，瘦素可通過與下丘腦部位的食欲刺激網絡相互作用控制飲食，同時促進脂肪代謝，使消耗大于吸收，從而減少體重［9］。

但有研究發現，有些肥胖者體內瘦素水平很高，并且外源性瘦素也不能控制其體重，本身的瘦素也未發揮相應的生理效應，這種現象稱為“瘦素抵抗”;瘦素抵抗的原因可能有以下幾種:1)血液中瘦素無法正常向腦脊液中轉運，因而無法到達中樞神經系統與受體結合。2)在肥胖者體內可能存在瘦素的抵抗物，減弱了其生物活性。3)瘦素的信號轉導途徑出現障礙或缺陷［10］。目前，瘦素抵抗的確切原因尚未明了，有待繼續深入研究。

2.2 瘦素與生殖的關系

瘦素可以促進動物初情期的啟動和維持正常的發情周期。給健康的動物每天注射一定劑量的瘦素一段時間后，不論雌性或雄性的生殖器官質量均增加，原因在于生殖器官上存在LR，瘦素可以與之直接結合而促進組織增生，或者瘦素先作用于性腺，使其釋放性腺類固醇激素，類固醇激素再作用于靶細胞，導致組織增生，這表明瘦素是生殖系統的重要信號因子［11］。Yu等［12］研究表明，注射外源瘦素的健康大鼠比未注射外源瘦素的大鼠初情期提前。瘦素可以與下丘腦－垂體－性腺軸的各個層次的受體結合而發揮作用。當動物體脂肪沉積正常時，脂肪分泌入血的瘦素可以抵達下丘腦，作用于弓狀核和腹內側核以及促性腺激素釋放激素(GnRH)神經元，調節GnRH分泌。部分經垂體門靜脈進入垂體前葉，與LR結合，促進垂體與生殖功能相關激素的釋放，啟動初情期［13］。這些都表明正常的瘦素水平對維持正常的發情周期起著重要作用。

另外，對于妊娠期動物，母體血清瘦素水平也反映著胎兒的數量和發育狀況。例如，多胎的江蘇湖羊比單胎的新疆農墾細毛羊的血清瘦素水平要高得多［14］。也有研究表明，進入胎兒體內的瘦素可與胎兒的肺、肝、骨、小腸、造血干細胞、脂肪組織、心等組織器官中的LR結合，調節胎兒宮內的生長發育［15］。臍血中的瘦素水平是衡量胎兒生長狀況的指標之一。當胎兒體重較低時，瘦素產生減少，對胎兒脂肪組織的增長有利;而當體重增加時，瘦素水平亦升高，以控制體重的過度增長，從而避免低體重兒和巨大兒的產生［16］。

2.3 瘦素與乳腺發育和泌乳的關系

瘦素在乳腺方面的研究起于20世紀末。1997年，Houseknecht等［17］在人乳汁中發現了瘦素。目前在豬、牛以及大白鼠乳中也發現了瘦素，并且發現其在泌乳初期含量最高。乳腺中的瘦素水平在不同時期也有所不同。1999年，Aoki等［18］最早用Southern印跡(Southern blot)雜交方法對青春期、妊娠期、泌乳期以及退化期的小鼠乳腺中瘦素基因mRNA的表達進行了研究，發現青春期小鼠乳腺中瘦素基因mRNA的表達水平最高，妊娠期開始下降，泌乳期最低，且表達恒定，退化期小鼠乳腺中瘦素基因mRNA的表達恢復到妊娠早期的水平。2006年，林葉［19］用免疫熒光的方法測得瘦素在不同時期的蛋白質表達，這與Aoki等［18］的結果也是一致的。Aoki等［18］對瘦素及其受體的研究也表明瘦素可以作為一個自分泌或旁分泌因子，直接通過受體激活來參與乳腺上皮細胞生長和凋亡的調控。林葉［19］以培養基中添加瘦素為試驗組，不添加瘦素為對照組，分別對不同時期的小鼠乳腺組織進行體外培養，結果得出:妊娠中期，瘦素可以促進乳腺導管上皮細胞的增殖和分化;泌乳中期，瘦素可以明顯誘導乳腺中β－酪蛋白基因的表達;退化期，瘦素可以誘導乳腺組織重建。在分娩前和整個泌乳階段，瘦素主要由乳腺腺泡上皮細胞和腺泡間的基質合成和分泌［19］。通過體外培養泌乳中期奶牛乳腺組織得出，瘦素在催乳素和氫化可的松的作用下不僅可以促進乳腺乳蛋白的分泌，而且可以提高乳脂肪的含量［20］。在乳腺上皮細胞信號轉導通路中，雙向激活酪氨酸蛋白激酶Janus激酶(JAK)－信號轉導及轉錄激活因子5(STAT5)對調節乳腺上皮細胞的發育和乳蛋白的合成起重要作用，而雙向激活JAKSTAT3則誘導乳腺上皮細胞凋亡，使其進入下一個泌乳周期［21］。

2.4 瘦素的其他生理功能

瘦素可以降低骨吸收作用，有利于骨形成，促進骨骼發育，同時可以促進骨骼肌成肌細胞的增殖［22］。

Bado等［23］在胃黏膜中發現了瘦素。現已研究得出，瘦素是胃和中樞神經系統之間傳遞攝食信號的重要物質;作為細胞的生長因子，對胃黏膜細胞起營養作用，在病理狀態下，可作為胃黏膜受到損傷的一個應激信號［24］。

Bouloumie等［25］提出瘦素是一種促血管新生因子。可與血管內皮生長因子(VEGF)和成纖維細胞生長因子(FGF－2)協同作用，共同促進血管新生［26］。

瘦素作為炎性介質之一也可以調節機體免疫和炎癥反應過程［27］。其可促進淋巴細胞增殖，誘導細胞因子的分泌與表達，維持胸腺和脾臟的免疫活性。當機體被感染或發生炎癥反應時，瘦素水平升高，刺激相關的免疫因子表達增加。若機體瘦素水平偏低則容易感染疾病。

3 瘦素的信號轉導途徑

瘦素信號轉導途徑中主要有3個信號通路蛋白家族:STAT、細胞因子信號抑制子(SOCS)和細胞外信號調節激酶(ERK)。STAT蛋白家族均具有SH2結構和羧基末端酪氨酸磷酸化位點、特異性的氨基酸結合位點，氨基末端部分則介導與多個DNA結合位點協調結合。STAT5是最早在乳腺組織中被鑒定的一個催乳素誘導的轉錄因子，STAT3則與乳腺凋亡有關。SOCS蛋白家族包括細胞因子誘導序列(CIS)和 SOCS1、2、3，它們也有SH2結構，細胞因子(如瘦素)可以誘導SOCS蛋白家族基因轉錄，反過來，表達的SOCS蛋白可以抑制細胞因子信號通路和生物學活性［28］。ERK是細胞外信號調節激酶，可將胞外刺激信號傳遞給細胞核，是細胞應激和損傷反應的主要信號通路蛋白，介導細胞的生長、發育、分化及凋亡。

目前認為JAK－STAT途徑是瘦素信號轉導的主要途徑［29］。瘦素與膜上的受體結合，通過受體構象的改變啟動下游信號轉導過程。瘦素與受體結合后，激活在膜內與受體結合的JAK，同時受體磷酸化，結合STAT的SH2結構。隨后激活的JAK磷酸化STAT的酪氨酸殘基，磷酸化的STAT離開受體，形成二聚體轉入核中后與特定的DNA結合激活轉錄。

LRa能介導受體依賴的JAK2和胰島素受體底物(IRS－1)酪氨酸磷酸化，但信號能力比LRb弱很多。LRb構型改變后與JAK2分子結合形成一個閉合的結構，JAK2結構域內的調節環上Tyr1007和Tyr1008磷酸化可使JAK本身被激活，從而進一步使LRb結構域中的Tyr985和Tyr11382個酪氨酸殘基磷酸化［30］。LRb磷酸化的Tyr985結合蛋白酪氨酸磷酸酶(SHP－2)，SHP－2 被 JAK2 磷酸化后介導ERK的激活。LRb磷酸化的Tyr1138結合轉錄因子SOCS3，SOCS3最終反饋調節并抑制JAK2/LRb 的信號［31］。

4 小結

由于瘦素及其受體在體內分布廣泛，參與多種生理過程，所以一旦二者任一出現異常均會導致相應的病理反應，如肥胖癥、心血管疾病、腫瘤、肝病等。目前，瘦素作用的詳細機制已成為研究熱點，與其相關的各種疾病和藥物也吸引了越來越多研究者的注意。對于人類，主要是研究瘦素在肥胖、Ⅱ型糖尿病以及心血管疾病發生中的作用機理，以提供新的治療方法和新藥物。而對于畜牧業，瘦素的研究可用于提高畜產品品質、增加畜產品產量以及繁殖育種等，也可以為其在人上的研究提供一定的基礎。目前又有人在硬骨魚體內發現2種瘦素，瘦素－a和瘦素－b，它們只有24%的共同氨基酸，與人體中的瘦素有18%的共同氨基酸。據分析，這2種瘦素和其他動物體內的瘦素還是有同源性的［32］。這一方面擴充了我們對瘦素原有的認識，另一方面會吸引更多的研究者去不斷探索、發現。

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