晝夜節律與脂質代謝關系的研究進展

王曜暉，趙智權，杜運松，李麗娟

(遵義醫學院，貴州遵義563003)

生物節律是生物體內所有生化過程的周期性變化。24 h的生物節律叫做晝夜節律。睡眠-覺醒周期、進食方式和能量代謝等行為和生理過程都呈現24 h節律。機體內源性產生晝夜節律，即使在沒有周期性環境刺激的情況下也能保持一定的自主節律。同時，晝夜節律也受一些外在環境因素影響。光照是最主要的影響晝夜節律的因素。日照產生的光信號被視網膜中的神經節細胞接收后，轉化成電信號，經視神經束傳至下丘腦視交叉上核(SCN)，從而啟動活動周期[1]。除此之外，進食節律也可以干擾晝夜節律。SCN是生物體內主要的生物鐘，通過物理或遺傳方式去除其功能后導致自主活動和進食節律紊亂[2]。SCN神經元產生自主的晝夜節律振蕩[3]。通過密切追蹤運動員的晝夜節律活性發現，SCN神經元活動頻率在白天最高，在晚上最低[4]。SCN的生物鐘決定大腦其他部分以及外周組織的生物節律。外周的生物節律可通過神經和內分泌途徑產生，也可通過SCN影響睡眠和進食周期間接形成。SCN向下丘腦室下核和背內側核等其他下丘腦核發出最密集的神經元投射[5]。下丘腦背內側核發出神經元投射到促進睡眠的腹外側視前核和促進覺醒的下丘腦外側區[6]。因此，從結構上來看，睡眠、進食和能量代謝的晝夜節律等在下丘腦的水平發生整合，而脂肪作為生命活動的能源物質，其代謝極有可能與晝夜節律關系密切，本文旨在論述晝夜節律與脂質代謝的關系。

1　生物鐘基因的反饋環路

生物鐘基因蛋白包括生物鐘循環輸出蛋白(CLOCK)、大腦和肌肉芳香烴受體核轉運蛋白1(BMAL1)、隱花色素(CRY)家族、周期素蛋白(PER)、神經細胞PAS結構域蛋白(NPAS2)、反紅細胞增多病毒(REV-ERB)等。近年研究發現，體外培養的心肌細胞、腎臟細胞等在完全脫離了神經體液的調節后，仍表現出晝夜節律，并且在心肌、腎臟、肝臟、脂肪等組織中發現了PER1、PER2、CRY1、CRY2、CLOCK、BMAL1、維生素D結合蛋白(DBP)等生物鐘基因的表達。生物鐘基因運行機制如下：生物鐘由相互作用的轉錄/翻譯反饋回路通過各種生物鐘基因和產物蛋白的表達實現調控。生物鐘基因啟動后，經轉錄、翻譯生成相應的蛋白質，當此蛋白質達到一定濃度，通過負反饋作用于自身基因的啟動部位，抑制該基因的表達，使其濃度高低以24 h為周期進行振蕩。在反饋回路中，由正性成分和負性成分相互作用，發揮調節作用。正性成分主要包括CLOCK和BMAL1等蛋白因子[7]，當生物鐘基因啟動，可使上述成份表達；負性成分主要包括PER(PER1、2、3)和CRY(CRY1、2)蛋白因子[8]，當正性成分表達后與E-box結合后啟動轉錄，使PER和CRY等成分表達，不僅可阻斷正性成分的作用，使之表達減弱或停止，而且還可以調節多個代謝通路。由于基因轉錄和蛋白轉運入核需要一定時間，生物節律分子振蕩的周期正好維持在24 h左右。

2　晝夜節律紊亂對脂質代謝的影響

晝夜生物鐘通過調節脂質代謝的關鍵步驟發揮其作用。脂質代謝中有很多關鍵的轉錄調節因子，包括REV-ERB、ROR蛋白、PPARα、PPARγ和PPARδ等。這些轉錄調節因子存在于肝臟、脂肪組織中，受到生物鐘的控制，并呈現晝夜節律表達。

2.1　晝夜節律紊亂導致脂質代謝障礙

當進食節律與機體晝夜節律不一致時，脂質代謝會出現異常。例如在白天給予小鼠高脂肪飲食比夜間更容易發生肥胖[9]。只有在夜間才能進食的小鼠與持續獲得食物的小鼠相比較，前者的生物鐘基因表達呈現較高幅度變化的晝夜節律，血清膽固醇降低和膽汁酸升高，脂肪酸相關的代謝物下降[10]；而且，前者不容易出現肥胖、高胰島素血癥和肝脂肪變性等病變。長期從事晝夜倒班工作的人罹患代謝綜合征的風險增加[11]，慢性心功能不全、中風和中風相關疾病的病死率升高[12，13]。對人類受試者的研究顯示，夜晚進食導致餐后血糖升高、高胰島素血癥和高甘油三脂血癥[14，15]。睡眠障礙可能加劇代謝失調，并且降低晝夜節律鐘幅度[16]。據報道[17～19]，肥胖本身與肝臟、脂肪組織生物鐘晝夜節律的幅度減小有關。

2.2　晝夜節律紊亂導致脂質代謝障礙的機制

無論是整體水平還是在特定的代謝組織中，生物鐘破壞都可導致能量平衡異常和脂質異常。研究[20]發現,CLOCKΔ19突變小鼠會出現貪吃和肥胖，隨著小鼠周齡的增加，還會進一步發展成高脂血癥和肝脂肪變性。整體喪失BMAL1功能的動物，也會出現同樣的脂質代謝障礙[21]。正常飲食狀態下肝臟特異性敲除BMAL1的小鼠胰島素分泌正常，但禁食時其葡萄糖清除率高于正常水平并且會出現低血糖[22]。與整體敲除BMAL1的小鼠類似，胰腺特異性敲除BMAL1小鼠并未出現晝夜節律和體質量異常，但其胰島素分泌和葡萄糖耐量都會降低，易發生糖尿病和脂質代謝障礙[23，24]。在胰島素刺激的作用下，骨骼肌特異性敲除BMAL1小鼠肌肉攝取葡萄糖功能受損，但空腹血糖和葡萄糖耐量正常[25]。脂肪特異性敲除BMAL1小鼠出現體質量增加和脂肪組織質量增加等不良癥狀，這主要與小鼠白天進食量增加有關。BMAL1在前脂肪細胞分化的過程中表達增高，且整體喪失BMAL1功能小鼠胚胎成纖維細胞無法分化成脂肪細胞，這些表明BMAL1在脂肪形成的過程中起到非常重要的作用。

SCN神經元NPAS2的功能喪失不會影響小鼠自由進食時的進食模式或者體質量[26]；NPAS2-/-小鼠僅對白天喂養適應較慢，這可能與NPAS2能夠檢測細胞代謝狀態有關[27]。REV-ERBα和REV-ERBβ功能喪失的動物表現出顯著的脂質代謝缺陷，包括肝臟甘油三酯明顯增加，肝臟嚴重脂肪變性和高血糖。相比之下，RORα編碼區內源性缺失小鼠出現體質量減輕，不易出現飲食誘導的肥胖[28，29]。

3　高脂飲食對晝夜節律的影響

通常情況下，睡眠-覺醒和食物攝入的晝夜節律是同步的。即使SCN的時鐘功能失調，進食周期也可以調控外周組織生物鐘[30]。新近文獻[31]證實，外周組織的生物鐘對營養感覺通路敏感，提示進食內容和時間可以影響外周生物鐘的晝夜節律。

3.1　高脂飲食對自主活動的影響

通常情況下，大鼠和小鼠主要的活動周期出現在夜間。當大鼠和小鼠進食高脂飲食后，其正常的自主運動節律發生改變，表現出夜間活動能力降低[32，33]。此外，小鼠攝入高脂飲食導致小鼠日間活動減少，且表現出無規律活動[34]。與正常進食小鼠相比，在完全黑暗環境下生存的小鼠進食高熱量飲食的第1周就會表現出活動時間增加[35]。此外大鼠和小鼠的自主運動也發生了改變，覺醒周期也受到干擾。腦電圖顯示，高脂喂養動物表現出覺醒時間減少，同時快速動眼活動(REM)增加，非REM睡眠出現[36]。這些結果表明，高脂飲食可以改變自主活動的方式。

3.2　高脂飲食對生物鐘相關基因的影響

當機體攝入高熱量飲食時，脂肪儲備會迅速增加。高熱量飲食很大程度上改變了生物鐘基因在周邊器官如肝臟和脂肪組織的表達，這種變化取決于食物中能量、動物的年齡和物種[37]。對高熱量喂養的小鼠用qPCR方法檢測下丘腦中的BMAL1、Per2和Clock基因表達，并沒有發現任何差異[38，39]。此外，離體狀態下用生物熒光檢測的高熱量喂養和正常喂養的小鼠中PER2的表達，發現兩組間并沒有統計學差異。另一項研究表明，在完全黑暗的條件下飲食誘導的肥胖小鼠(DIO)的SCN中，BMAL1表達的振幅降低[37]。在DIO小鼠中，通過生物發光檢測技術證明肝臟中PER2的相位提前，肝臟和白色脂肪組織中Per2、BMAL1、CLOCK mRNA的節奏性減弱[38]。總的來說，高脂飲食很大程度上影響了外周器官的生物鐘，但是對下丘腦生物鐘相關基因的表達幾乎沒有任何影響。

脂質是細胞膜和脂蛋白的組成成分，并且是重要的儲能運輸。脂質作為細胞內、外信號分子對細胞生理方面有著廣泛的影響。大量研究結果表明，晝夜節律障礙可導致脂質代謝紊亂、肥胖和代謝疾病。由此可見晝夜節律系統對脂質代謝至關重要。最近使用代謝組學和脂質組學平臺的研究已經顯示，在人類血漿中，數百種脂質物質是晝夜節律調節的，包括但不限于脂肪酸、甘油三酯、甘油磷脂、甾醇脂質和鞘脂。在未來的工作中，這些分析方法可用于更好地了解晝夜節律與脂質代謝和肥胖等代謝疾病的相互作用。

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