魚類瘦素的研究進(jìn)展

高金偉+習(xí)丙文+謝駿

摘要：瘦素（leptin）由肥胖基因（obesity genes，Ob）編碼，主要由脂肪組織分泌，在脊椎動(dòng)物生理活動(dòng)中具有重要的生理作用。瘦素可通過與瘦素受體（leptin receptor，簡(jiǎn)稱LepR）結(jié)合，在抑制食欲、調(diào)節(jié)能量平衡、神經(jīng)內(nèi)分泌、生長(zhǎng)與生殖等方面發(fā)揮著重要作用。本文主要針對(duì)近年來魚類瘦素的克隆、分子特征與生物學(xué)功能、脂類代謝和繁殖的調(diào)控進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，以期為魚類生理學(xué)研究及漁業(yè)生產(chǎn)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：魚類；瘦素（leptin）；瘦素受體（leptin receptor）；脂類代謝；繁殖；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)： S917文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0020-04

瘦素（leptin）是肥胖基因（obesity genes，Ob）的編碼產(chǎn)物，大小為16 ku，是Ⅰ類α螺旋細(xì)胞因子之一，主要由脂肪組織產(chǎn)生和分泌，因在哺乳動(dòng)物中有調(diào)控能量平衡和抵抗肥胖作用而聞名。在哺乳動(dòng)物中，瘦素具有抑制食欲[1]、調(diào)節(jié)能量代謝[2]、神經(jīng)內(nèi)分泌[3]、生長(zhǎng)[4]、生殖[5]、免疫反應(yīng)[6]等多種功能。瘦素通過與多種組織及多種形式的瘦素受體（leptin receptor，簡(jiǎn)稱LepR）結(jié)合，作用于中樞及外周的多個(gè)生物學(xué)位點(diǎn)，影響機(jī)體的許多生理和生命代謝過程[7]。瘦素的發(fā)現(xiàn)有助于定義一類新發(fā)現(xiàn)的具有內(nèi)分泌調(diào)節(jié)作用的脂肪細(xì)胞，從而更易于理解瘦素對(duì)食物攝取及能量代謝的調(diào)控作用。隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多物種的瘦素基因得以克隆，為研究其生物活性及生物學(xué)作用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1瘦素

1994年，Zhang等利用定位克隆的方法獲得小鼠的肥胖基因和人類瘦素基因，其中人類瘦素基因DNA全長(zhǎng)達(dá) 15 000 bp 以上，相對(duì)分子質(zhì)量為16 ku，包含3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子，位于第7號(hào)染色體上[8]。瘦素主要由白色脂肪組織分泌，其他組織少量分泌，主要有棕色脂肪組織、腦垂體、心臟、骨骼、肝臟等[9-10]，在機(jī)體內(nèi)以游離和結(jié)合2種形式存在，其中游離型具有生物學(xué)活性。血液循環(huán)中的瘦素主要由腎臟清除。血漿中的瘦素水平受多種因素的調(diào)節(jié)，如體脂量、雌激素、糖皮質(zhì)激素、胰島素及腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，簡(jiǎn)稱TNF-α）促進(jìn)瘦素表達(dá)，而腎上腺素、去甲腎上腺素、甲狀腺激素、環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophoshate，簡(jiǎn)稱cAMP）、PPAR-Y激動(dòng)劑（如噻唑二烷酮）及雄激素卻抑制瘦素表達(dá)[11]。由于魚類瘦素存在重復(fù)基因組，因而其cDNA序列及編碼的氨基酸長(zhǎng)度也不盡相同。黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）瘦素 cDNA全長(zhǎng)為 1 119 bp，編碼172個(gè)氨基酸[12]。石斑魚（Epinephelus coioides）gLepA、gLepB cDNA長(zhǎng)度分別為671、684 bp，分別編碼161、158個(gè)氨基酸[13]。大西洋鮭魚（Salmo salar）sLepA1、sLepA2分別編碼171、175個(gè)氨基酸[14]。魚類瘦素基因結(jié)構(gòu)與哺乳動(dòng)物類似，由信號(hào)肽與成熟肽組成，具有分泌蛋白的特征，其在肝臟中表達(dá)量最高，而哺乳動(dòng)物中l(wèi)eptin在脂肪組織中高表達(dá)[15]。

分子結(jié)構(gòu)分析表明，瘦素蛋白包含4個(gè)反向平行的α-螺旋，呈“升—升—降—降”排列，形成獨(dú)特的四螺旋結(jié)構(gòu)，由2個(gè)長(zhǎng)交叉鏈和1個(gè)短的左手螺旋束連接[16]。瘦素含有1個(gè)由2個(gè)半胱氨酸組成的連接α-螺旋C和D羧基末端的二硫鍵，缺失時(shí)會(huì)喪失其生物學(xué)活性[17]，該結(jié)構(gòu)可能在瘦素生物學(xué)功能方面發(fā)揮著重要作用，推測(cè)其可能為瘦素活性結(jié)構(gòu)域之一。魚類與哺乳動(dòng)物瘦素蛋白氨基酸序列同源性很低，但是二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)卻高度保守，都含有四螺旋結(jié)構(gòu)及2個(gè)半胱氨酸形成的二硫鍵[18]。

1.1瘦素的分子克隆

2005年，Kurokawa等克隆出紅鰭東方鲀（Takifugu rubripes）的cDNA序列[19]。隨后，瘦素基因序列在其他魚類中相繼被克隆、分離出來，主要有鯉（Cyprinus carpio）[18]、日本青鳉（Oryzias latipes）[20]、綠河鲀（Tetraodon nigroviridis）[21]、金魚（Carassius auratus）[22]、虹鱒（Oncorhynchus mykiss）[23]、大西洋鮭[14]、斑馬魚（Danio rerio）[24]、北極紅點(diǎn)鮭（Salvelinus alpinus）[25]、草魚（Ctenopharyngodon idella）[26]、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）[27]、石斑魚[13]、黃顙魚[12]。在某些魚類中同時(shí)存在2種瘦素基因，如日本青鳉中存在mLEP-A和mLEP-B[20]、斑馬魚中存在Leptin-a和Leptin-b[24]、石斑魚存在gLep-A和sLep-B[13]，然而在某些特定魚類如紅鰭東方鲀中由于一個(gè)未知基因的缺失導(dǎo)致它缺少Leptin-b[19]。魚類中發(fā)現(xiàn)的瘦素基因主要有2類：Leptin-a和Leptin-b，但是在魚類已克隆的瘦素基因中絕大部分是Leptin-a[28]，到目前為止，在草魚[26]及鮭屬的虹鱒[23]和北極紅點(diǎn)鮭[25]中僅有1種（Leptin-a）被報(bào)道；在鯉中發(fā)現(xiàn)2種同源Leptin-a，分別命名為L(zhǎng)eptin-Ⅰ和Leptin-Ⅱ[18]；在大西洋鮭中也發(fā)現(xiàn)2種同源Leptin-a，分別命名為sLep-A1和sLep-A2[14]；在金魚中發(fā)現(xiàn)2種同源的Leptin-a，分別命名為gLep-a Ⅰ和gLep-a Ⅱ[29]。研究發(fā)現(xiàn)，魚類與不同種屬魚類及其他動(dòng)物之間的氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)同源性很低，紅鰭東方鲀瘦素氨基酸序列與人的相似性只有13.2%，與其他3種魚類（大西洋鮭、青鳉和斑馬魚）的相似度在18%～48%之間[30]。斑馬魚瘦素氨基酸與人的同源性僅為18%[24]。盡管瘦素在其他動(dòng)物之間的氨基酸序列相似度低，但在鮭、鱒中高度保守，高達(dá)98.7%[31]。

1.2瘦素的生物學(xué)功能

瘦素在生物體內(nèi)具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，主要是抑制攝食、增加能量消耗、維持正常的脂類代謝和能量平衡[32]，也可以調(diào)節(jié)機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育過程[33]。近來有研究發(fā)現(xiàn)，瘦素參與造血功能、骨生成和T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)過程[34]。瘦素對(duì)機(jī)體內(nèi)各種生理功能的調(diào)節(jié)作用均通過與LepR的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)[35]。LepR是單一跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞激肽類Ⅰ型受體，由細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域、細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域3個(gè)部分組成，根據(jù)細(xì)胞內(nèi)位點(diǎn)，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域氨基酸序列及長(zhǎng)短不同，把LepR分為2種亞型，即長(zhǎng)受體（LepRb）和短受體（LepRa），其中瘦素主要的作用受體是LepRb，其胞內(nèi)區(qū)含302～303個(gè)氨基酸殘基，可激活JAK2/STAT（酪氨酸激酶2/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子）信號(hào)通路[36]。LepRb在具有調(diào)節(jié)攝食和體質(zhì)量功能的下丘腦核團(tuán)（弓狀核、背內(nèi)側(cè)核、腹內(nèi)側(cè)核和外側(cè)核）上高度表達(dá)，同時(shí)在一些外周組織如心、肺、淋巴結(jié)中也有表達(dá)，但表達(dá)水平均較低。目前，LepRa的生物學(xué)功能和作用機(jī)制尚不清楚。

2瘦素對(duì)脂類代謝的調(diào)控

瘦素作為傳達(dá)脂類代謝信號(hào)至腦組織的一種重要激素，與下丘腦上分布的LepR通過瘦素結(jié)合蛋白（leptin-binding domain，簡(jiǎn)稱LBD）結(jié)合后，通過信號(hào)級(jí)聯(lián)放大作用，激活多種厭食神經(jīng)通路，主要誘導(dǎo)促黑激素（melanocyte-stimulating hormone，簡(jiǎn)稱MSH）作用于促黑皮素受體4（melanocortin 4 receptor，簡(jiǎn)稱MC4R）、可卡因-苯丙胺調(diào)控轉(zhuǎn)錄肽（cocaine and amphetamine regulated transcript，簡(jiǎn)稱CART）、促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（corticotropin releasing hormone，簡(jiǎn)稱CRH）、增加阿黑皮素原（preproopiomelanocortin，簡(jiǎn)稱POMC）的生物合成等。同時(shí)抑制促進(jìn)食欲的神經(jīng)通路，包括神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y，簡(jiǎn)稱NPY）、黑色素聚集激素（melanin-concentrating hormone，簡(jiǎn)稱MCH）、食欲素（orexins）及刺鼠相關(guān)蛋白（agouti-related protein，簡(jiǎn)稱AGRP），增加交感神經(jīng)系統(tǒng)活性，引起食欲降低、能量消耗增加，從而達(dá)到減輕體質(zhì)量的目的[37]。NPY和AGRP促進(jìn)機(jī)體進(jìn)食，而POMC抑制機(jī)體進(jìn)食[38]。在哺乳動(dòng)物的研究中，已有關(guān)于瘦素對(duì)脂肪動(dòng)員和存儲(chǔ)脂肪消耗的研究，在魚類的研究中主要集中在脂肪代謝中的調(diào)控機(jī)制[26]。當(dāng)機(jī)體有足夠的能量?jī)?chǔ)存時(shí)，瘦素作用于下丘腦傳遞信號(hào)來抑制食欲。瘦素既可以發(fā)揮短期作用，又可以發(fā)揮長(zhǎng)期作用。在較短的時(shí)期內(nèi)，血漿瘦素是一個(gè)飽食信號(hào)，在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，日平均血漿瘦素濃度傳遞長(zhǎng)期的能量狀態(tài)至大腦。在鯉[29]和石斑魚[13]中，肝臟瘦素基因表達(dá)水平及血漿瘦素含量在攝食后會(huì)有所上升，而腦中瘦素基因表達(dá)水平?jīng)]有變化，說明肝臟可能是循環(huán)系統(tǒng)中瘦素的主要來源，魚類瘦素基因表達(dá)水平與其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)。虹鱒注射虹鱒重組表達(dá)瘦素蛋白后會(huì)出現(xiàn)厭食癥[23]，同時(shí)饑餓處理的虹鱒的血漿瘦素水平也會(huì)升高[39]。在禁食的虹鱒和三文魚中，血漿瘦素的含量表現(xiàn)為增加[39-40]。草魚注射重組表達(dá)瘦素蛋白 24 h 后，其瘦素mRNA水平會(huì)提高5.76倍，說明瘦素對(duì)攝食、能量消耗及脂類代謝的調(diào)控存在急性效應(yīng)[26]。北極紅點(diǎn)鮭肝臟瘦素 mRNA水平在冬季，春季及初夏都比較低，隨后開始上升，到十月達(dá)到最大值（最低水平的7倍），瘦素基因表達(dá)水平的季節(jié)性變化說明瘦素對(duì)能量平衡有長(zhǎng)期調(diào)控作用[25]。同時(shí)，瘦素也可以顯著減少肝臟脂蛋白脂肪酶（lipoprteinlipase，簡(jiǎn)稱LPL）及硬脂酰輔酶A脫氫酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，簡(jiǎn)稱SCD1）基因的表達(dá)，后者對(duì)合成單不飽和脂肪酸起著關(guān)鍵性的作用[26]。大西洋鮭連續(xù)20 d注射重組Lep-A1后，最高劑量組POMC基因表達(dá)水平顯著增加[41]。虹鱒注射重組瘦素蛋白后，NPY基因表達(dá)水平短暫升高，POMC基因表達(dá)水平升高[31]。禁食后金魚腦中NPY基因表達(dá)量增加，CART基因表達(dá)水平下降[42]。禁食和注射重組瘦素表明，瘦素不僅作為魚體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的信號(hào)因子，而且說明瘦素可以通過神經(jīng)內(nèi)分泌途徑影響NPY、AGRP、POMC等基因的表達(dá)和分泌，從而發(fā)揮調(diào)控體內(nèi)物質(zhì)代謝和能量平衡的作用。

3瘦素對(duì)繁殖的調(diào)控

在哺乳動(dòng)物中，瘦素可將機(jī)體營(yíng)養(yǎng)狀況傳遞至下丘腦—垂體—性腺軸，從而影響性腺發(fā)育和個(gè)體繁殖。當(dāng)脂肪含量?jī)?chǔ)存充足并足夠滿足動(dòng)物繁殖時(shí)，血液中瘦素的含量高于最小閾值，此時(shí)瘦素通過血腦屏障到達(dá)下丘腦并激活下丘腦—垂體—性腺軸，刺激下丘腦產(chǎn)生促性腺激素釋放激素（gonadotrophin releasing hormone，簡(jiǎn)稱GnRH），從而觸發(fā)生殖功能[43]。研究表明，魚類瘦素對(duì)其繁殖發(fā)育也有一定的影響。哺乳動(dòng)物瘦素可以增加鱸促黃體生成激素（luteinizing hormone，簡(jiǎn)稱LH）的含量[33]。利用人類瘦素可以增加雌性虹鱒魚中垂體的促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，簡(jiǎn)稱FSH）和促黃體生成激素的釋放量[44]，這表明瘦素可以激活魚類下丘腦—垂體—性腺軸，引起性腺激素的分泌，從而影響魚類的生殖活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比發(fā)育成熟和未成熟的三文魚血漿瘦素含量和肝臟瘦素基因表達(dá)水平，結(jié)果表明性腺成熟的三文魚瘦素 mRNA水平顯著升高，血漿瘦素含量也有所上升[45]，這說明瘦素作為機(jī)體脂肪儲(chǔ)存信號(hào)傳達(dá)到腦組織，從而調(diào)控脂肪累積、保證卵巢發(fā)育過程中的能量需求。大西洋鮭肝臟瘦素在精子形成中期表達(dá)增加，在精子成熟后期Lepa1和Lepa2基因表達(dá)水平分別上調(diào)7.7、49.0倍[46]。黃顙魚腦中瘦素 mRNA水平在第Ⅲ期達(dá)到峰值，在第Ⅴ期時(shí)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[12]，這表明在性腺發(fā)育的過程中，瘦素在性腺發(fā)育不同時(shí)期的差異性表達(dá)能影響魚體內(nèi)的脂肪代謝和能量消耗，對(duì)性腺的發(fā)育及脂肪動(dòng)員有重要作用。

4展望

前期研究表明，瘦素是魚類和哺乳動(dòng)物的一種真正意義上的多效用激素，功能涉及食物攝取、體質(zhì)量和發(fā)育的調(diào)控及脂類代謝和能量平衡，但研究熱點(diǎn)集中在瘦素對(duì)脂肪代謝和繁殖能力的影響。魚類中有關(guān)瘦素生物學(xué)功能的研究還有許多不足之處，如仍有許多種屬的魚類的瘦素基因序列、瘦素蛋白及瘦素的不同亞型的功能及組織分布有待發(fā)現(xiàn)，其作用機(jī)制尚不清楚；魚類瘦素及其受體在體內(nèi)的結(jié)合及對(duì)魚類大腦如何組織和調(diào)控?cái)z食中樞了解還很少；魚類瘦素與體內(nèi)其他激素或生物活性分子的生物學(xué)聯(lián)系及作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究，如縮膽囊素（cholecystokinin，簡(jiǎn)稱CCK）能在某種程度上起著介導(dǎo)金魚瘦素抑制食欲的作用[42]；外界環(huán)境因素對(duì)瘦素的影響及瘦素對(duì)應(yīng)激的調(diào)控及機(jī)體免疫反應(yīng)的研究有待探究；瘦素在魚類性腺發(fā)育過程中具體的調(diào)控機(jī)理有待發(fā)現(xiàn)。以上種種問題的解決將對(duì)瘦素的生物學(xué)功能、魚類生長(zhǎng)代謝及繁殖等相關(guān)研究產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

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