达能营养中心第五届学术研讨会论文集
|
孙长颢 |
|
摘要：肥胖是遗传物质与环境因素相互作用的结果，在相同环境因素条件下，有人发病、有人则不发病，因此，寻找与环境因素相互作用的基因就显得十分有意义。肥胖遗传因素的作用表现在两个方面：一方面遗传因素起决定性作用，从而导致一种罕见的畸形肥胖；另一方面遗传物质与环境因素相互作用而导致肥胖，目前研究较多的是后一种情况。近几年在肥胖研究中，陆续发现了与膳食相互作用的肥胖有关基因近20种。本文就与肥胖关系最为密切的几种肥胖基因进行综述。 Genes related to obesity developing Sun Changhao Department of Nutrition and Food Hygiene, Public Health College, Harbin Medical University, Harbin 150001,China Abstract：Obesity is results of interaction between inheritance and environmental factors. Therefore, it is necessary to study obese genes related to environmental factors. The role of obese genetic factors are as follow: on one hand, obese genetic factors lead to a rare obesity disease, on the other hand, with the environmental factors' action obese genetic factors result in obesity. At present, the later were investigated more. More than 20 obese related genes were discovered. Among them, we will summarize some genes, which have the most related to obesity. Key words: obesity, gene, leptin 肥胖发生的内因是指肥胖发生的遗传学基础。遗传因素的作用表现在两个方面：一方面 遗传因素起决定性作用，从而导致一种罕见的畸形肥胖；另一方面遗传物质与环境因素相互 作用而导致肥胖，目前研究较多的是后一种情况。其实，目前许多与肥胖有关的慢性疾病( 如糖尿病、高血压、心脑血管疾病、某些癌症等)的发病机理，都是遗传物质与环境因素相 互作用的结果。二者相互作用有五种模式，见附图。 该领域研究是目前国际上刚刚起步的研究热点。比如在人类基因组计划完成之后，又相 继提出了环境基因组、食物基因组等。环境因素与遗传因素相互作用的实质是，在相同环境 因素条件下，有人发病、有人则不发病(出现表型或不出现表型)；而改变环境因素，则会影 响发病率(表型出现率)。因此寻找与环境因素相互作用的基因就显得十分有意义。在肥胖研 究中，近几年有了很大突破，即陆续发现了与膳食相互作用的基因。到目前为止，已发现了 近20种与肥胖有关的基因。其中，肥胖基因与肥胖关系最为密切，下面首先介绍肥胖基因和 肥胖受体基因。 1 肥胖基因与瘦素 早在1953年，Kennedy就推测脂肪组织可能产生一种调节体重的激素，并提出了脂肪恒 定理论。该理论认为当机体进食过多导致肥胖时，多余的脂肪通过这种激素向大脑发出超重 信号，机体就会减少摄食量，增加能量消耗，以维持体重恒定。这个理论得到了两个看似简 单，但又非常巧妙和有说服力的实验验证。1958年，Hervey证明脂肪组织产生的这种激素是 通过下丘脑发挥作用的。他们采用联体大鼠(采用外科手术的方法，将2只大鼠的动、静脉吻 合，使2个大鼠的血液可以进行交叉循环)进行实验，1只大鼠下丘脑被破坏，另1只则未被破 坏，结果发现下丘脑受损伤的大鼠，出现多食、肥胖；未受损伤的大鼠出现摄食减少、体重 减轻。出现这种现象的原因是，下丘脑受损伤大鼠由于对这种激素不敏感，出现多食、肥胖 ，并过多地产生这种激素；未损伤大鼠由于来自损伤大鼠的过量激素作用，出现摄食减少、 体重减轻。1959年Hervey等人又进行了如下实验：将遗传性肥胖动物模型ob/ob小鼠和正常 小鼠进行联体实验，结果发现ob/ob小鼠摄食减少，体重减轻。由此作者推测ob/ob小鼠由于 缺乏控制体重的这种激素，从而表现为肥胖，而联体实验时，正常小鼠可以给ob/ob小鼠提 供这种激素，从而降低了ob/ob小鼠的体重。 以上2个实验证明，小鼠体内的确存在一种控制体重的激素，体内一旦缺乏这种激素或 对这种激素不敏感，就会导致肥胖，然而该激素是什么及编码该激素的基因一直没有搞清楚 ，长期困扰着学术界。直到1994年年底，张一影等人经过七年的苦苦探索，终于在小鼠和人 定位克隆了肥胖基因(ob基因)，并发现了该基因编码的蛋白质－瘦素(Leptin)。瘦素就是人 们一直在寻找的控制体重的激素。这个迷经过近40年的努力，终于被揭开了。瘦素被发现的 过程说明了什么？至少说明了如下几点： 11 ob基因的结构与功能 小鼠ob基因定位于第6号染色体，其编码区基因序列长度为4.5kb，编码的蛋白质含有16 7个氨基酸，命名为瘦素，分子量为16.0kD，是一种分泌型蛋白质，可存在于体液中。功能 ：瘦素具有抑制食欲，减少摄食量，促进能量消耗、抑制脂肪合成的作用。因此, 瘦素在维 持体重方面具有重要作用[1]。 先天性肥胖小鼠品系C57 BL/6J ob/ob小鼠，其ob基因第105位点的密码子发生突破，由 CGA→TGA(翻译终止信号)，结果导致翻译终止信号过早引入，所编码的蛋白失去一段氨基酸 ，产生截短型瘦素，这种类型的瘦素失去了原有的功能，结果导致小鼠肥胖。现已有许多实 验证实，瘦素可使先天性肥胖或膳食诱导肥胖小鼠的体重迅速恢复正常，即瘦素具有减肥作 用。 人的ob基因位于第7号染色体，长约20kb，由3个外显子，2个内含子组成，其转录区(或 编码区)亦为4.5kb，编码产物为166或167个氨基酸。Ob基因具有高度保守性，小鼠、大鼠和 人的同源性高达83％。但在人类并没有找到象小鼠一样的第105位密码子突变，也就是说， 目前还不能用ob基因突变解释人类肥胖的原因。进一步研究发现，也不能用ob基因表达降低 来解释人类肥胖发生的原因，因为大量研究发现肥胖者体内瘦素水平明显地比体重正常者高 ，即瘦素与BMI(体重、尤其是体脂)成高度正相关。也就是说，由于体重(确切地说是体脂) 增加，导致ob基因表达增高，其目的是将过高的体重降下来。这是一种负反馈调节机制。换 句话讲，从目前研究所获得的信息看，ob基因不是肥胖发生的原因，而是肥胖发生的结果。 虽然瘦素对体重调节有重要作用，但不能解释肥胖发生的原因。虽然ob基因找到了，但肥胖 的原因没有找到。最初发现ob基因的时候，曾经引起了世界轰动，甚至有著名学者在Nature 杂志上撰文，称ob基因的发现是肥胖研究历史上具有划时代的里程碑意义。甚至有学者认为 ob基因的发现，肥胖问题就迎刃而解了。美国的两个最大制药公司罗氏公司和剑桥公司不惜 几百万美元的重金，购买了ob基因的发现权和使用权。但至今为止，即不能用ob基因的突变 来解释人类肥胖的原因，也不能用瘦素来治疗人类肥胖(尽管在动物身上取得了明显的效果 ，但在人类身上效果甚微)。因为人类对瘦素存在抵抗问题。尽管如此，人们对ob基因的研 究方兴未艾，每年都有上千篇文章发表。这是因为，一方面ob基因的表达产物－瘦素，毕竟 具有重要的调节体重作用，并且受许多环境因素的影响，这对预防肥胖具有重要意；另一方 在，近年来研究发现，瘦素还具有许多其它功能，如对其它激素的调节、对青春期发育和生 殖系统的影响，对免疫系统的影响，对血管增殖的影响等。 12 肥胖基因表达的影响因素有 121 摄食对肥胖基因表达的影响 禁食时，ob基因表达降低；而进食以后，ob基因表 达增强，并且认为是胰岛素介导的反应。这也反映了ob基因表达的负反馈调节机制和维持体 重平衡机制。 122 膳食构成对ob基因表达的调节 在摄入能量相同的情况下，膳食构成对基因表达 没有明显的影响；而不同能量水平对基因表达却有明显的影响，即随着能量摄入增加，ob基 因表达明显增强[2.3]。 123 膳食成分对ob基因表达的调节 试验研究发现，几丁聚糖、铬和多不饱和脂肪酸 ，可降低肥胖大鼠体内过高的瘦素，即改善瘦素抵抗，并缓解因瘦素水平升高而引起的代谢 紊乱[4～9]。 124 其它因素 如运动、寒冷、年龄、性别、不同生理状态，都可影响ob基因的表达 。 了解影响ob基因表达的意义在于：在预防肥胖时，找出能提高ob基因表达因素，从而阻 止或延缓肥胖的发生；在治疗肥胖时，找出能降低ob基因表达的因素，从而改善Leptin抵抗 、胰岛素抵抗等代谢紊乱，降低因肥胖引起其它疾病发生的危险性。 2 瘦素受体 1995年底，Tartaglia等克隆了瘦素受体的cDNA。他们以重组的瘦素融合蛋白为材料， 首先观察了瘦素特异结合位点的组织分布，发现小鼠脑脉络丛有较多的瘦素结合位点，进而 构建了脉络丛细胞cDNA表达文库，再用瘦素筛选，最终得到了小鼠瘦素受体的cDNA。该受体 的cDNA全长约5.1kb，编码1162个氨基酸，属于I类细胞因子受体家族，胞外区、跨膜区和胞 内区分别为839、21和302个氨基酸残基[10]。人的瘦素受体由1165个氨基酸残基构成，与小 鼠有近80％的同源性。胞内区部分氨基酸序列比较保守，其中存在两个结构域，一个可以激 活Janus（烟鲁绿）激酶，另一个可以和转录蛋白的激活因子相互作用，借以调节转录。胞 内区还有不少的丝氨酸残基，是潜在的磷酸化位点，在介导胞内信息转导中发挥重要作用。 这些结构特点提示，瘦素受体可以直接参与并启动胞内信号转导，调节细胞功能。 小鼠瘦素受体的基因定位于第4号染色体，恰与糖尿病基因（Diabetes,db）位于同一染 色体区域，有三个实验室分别进行遗传图谱及基因组分析，证明db基因正是编码瘦素受体的 基因[11.12]。Db基因发生突变后其转录产物出现异常拼接，在两个外显子中间多了一段插 入序列，所以产生一种异常的瘦素受体mRNA，经翻译生成较短的瘦素受体，此受体仅胞内区 部分较短，故可以同瘦素结合，但不能将信号传至胞内，发挥调节作用。人类的研究表明： 瘦素受体基因序列的两微卫星多态标志DlSl98、D1S209与法国病态肥胖者的肥胖无关[13]。 瘦素受体首次在大鼠的脉络丛中被克隆，该受体是属于受体细胞因子家族。瘦素与其受 体结合的化学机理尚不清楚。瘦素受体的序列包括两个结合区域。Db鼠瘦素受体基因的克隆 证明这个基因编码5种不同的片段Ob－Ra、Ob－Rb、Ob－Rc、Ob－Rd、Ob－Re。Ob－Rb有长 的胞质区，包含几个信号传导所必需的位点，其它类型的受体缺少或者完全没有这些位点。 瘦素受体的突变导致肥胖已经在db鼠上得到证实：C57BI/Ks db/ db鼠是典型的糖尿病 鼠，该鼠的瘦素受体Ob－Rb转录子包括一个带有终止密码子的插入序列，导致异常剪切。受 体Ob－Ra和其它类型的受体在这种突变中不受影响。这说明瘦素受体Ob－Rb是瘦素调节体重 降低所必需的。 虽然Ob－Ra受体有短的胞质区域，但是受体Ob－Ra在脉络丛和其它多种组织广泛存在， 它的作用还不清楚。在培养细胞中受体Ob－Ra有激活基因表达和信号传导的作用，尽管该作 用很弱[14]。这种作用在体内是否发生尚不清楚，受体Ob－Ra的功能可能与细胞表面的蛋白 质构成二聚体有关，进而协助瘦素通过血脑屏障。 受体Ob－Rb在下丘脑神经细胞和其它细胞（T细胞和血管内皮细胞）中表达，原位杂交 方法证实下丘脑弓状核、背内侧核（DMH）、室旁核（PVN）、腹内侧核（VMH）和下丘脑外 侧核（LH）是瘦素受体Ob－Rb在中枢神经系统的主要表达区域。这些神经核是重要的体重调 节区[15]。在腹膜内注射瘦素后15分钟内，瘦素引起大鼠下丘脑STAT3因子的转录活性增加[ 16]。其它组织的STAT3因子不受瘦素影响。瘦素也引起下丘脑FOS（STAT3的靶位）及其它几 种基因表达增加[17]。 瘦素改变弓状核神经突触传递，导致一些下丘脑的神经超极化，瘦素对这些细胞有葡萄 糖效应。这种效应的产生有赖于ATP依赖的钾离子通道，用甲苯磺丁脲能够阻断这些通道， 抑制瘦素的这些效应[18]。这些电生理效应产生很快，不象是通过激活STAT蛋白质而产生新 的转录。调节瘦素信号传递路径进而改变神经电活性的物质虽然还不知道，但是这为肥胖的 治疗提供了新思路。 通过db糖尿病鼠和下丘脑损伤鼠存在瘦素抵抗这一现象，我们认为下丘脑是瘦素作用的 重要位点。下面的实验也支持这一结论：在大脑室内能发挥减少食物摄入作用的瘦素注射量 在外周给予时并没有发挥减少食物摄入的作用。在大脑室内注射瘦素每小时3ng能减少皮下 脂肪的贮备，而在外周给予瘦素剂量大于每小时500ng才能达到同样的效果。瘦素对能量消 耗的影响与给予的途径无关[19]。 在大脑室内低剂量的瘦素能导致摄食的短暂减少，直至脂肪组织耗尽时，摄食又恢复到 正常水平。当脂肪组织耗尽时，机体对瘦素抑食作用的衰减可能是在骨胳肌中存在没有被发 现的信号。提示外源性瘦素的作用不同于联体生活鼠体内的瘦素，联体生活的瘦鼠接受db/ db鼠血浆后，表现为厌食并且最终死于饥饿。对于这种死亡的解释可能要有赖于瘦素以外的 其它因子。 瘦素转运进入中枢神经系统的机制还不清楚，瘦素是在小鼠或人类大脑的毛细血管内皮 吸收，瘦素的主动转运可能是通过Ob－Ra或者是其它的蛋白质载体[20]。一些Ob－Rb阳性神 经投射到正中隆起－下丘脑脑室周围器官，它可能是位于血脑屏障的前面。脑室周围器官的 毛细管上有一些直接连接血液和中枢神经的特殊区域孔。 瘦素也作用于周围细胞。对人类的T细胞CD4＋有直接刺激分裂效应，在高剂量时瘦素能 直接增加内皮细胞血管生成。在体内瘦素也调节胰岛β细胞功能[21]，瘦素还直接作用于其 它类型的细胞。瘦素的受体广泛表达，Ob－Ra受体在许多组织中的表达量都是最多的。虽然 瘦素在脑室内的作用是降低体重，而瘦素的直接外周作用与体重降低无关，但是瘦素作用的 全貌还不清楚。瘦素有可能作用于许多组织，具有其它的生理系统功能。Lox－cre系统能特 异的导致某一组织瘦素受体突变，借助Lox－cre系统，我们可以在中枢神经系统瘦素活性受 阻的情况下，研究周围瘦素所发挥的作用。 用Ob－Rb突变的方法可以证明Ob－Rb的几个羧基终止区域是活化信号传导所必需的。瘦 素受体活化依赖于Jak2激酶及Ob－Rb同型二聚体配体结合后的磷酸化。受体同型二聚体可能 不是配体依赖：一种杆状病毒表达的受体可以自发的形成同型二聚体[22]。在体外瘦素与其 受体的结合能导致STAT1、3、5的活化，而在体内瘦素只活化STAT3。瘦素也能导致SHP2酪氨 酸磷酸化，SHP2是一种磷酸酪氨酸磷酸酶，它能降低JAK2磷酸化，也能降低瘦素诱导的受体 基因的转录[23]。SOC3同SHP2一样也参与了瘦素调节的信号传导，其作用可能是下调对瘦素 的反应[24]。 瘦素和受体目前研究的热点和发展趋势： a.研究肥胖病人体内产生瘦素抵抗的原因，并研究改善抵抗的措施。 b.鉴于瘦素的受体是糖尿病基因(db基因)，同时瘦素与胰岛素之间有非常密切的相互调 节机制，因此国外正研究瘦素与糖尿病的关系。 c.研究瘦素促进能量和三大营养素代谢的途径和瘦素抑制食欲的信号传导途径。 d.目前已发现瘦素不仅在脂肪组织表达，而且还在许多其它组织中表达，并且许多组织 有它的受体，如胃、乳腺、子宫内膜、胎盘等，但它们的生理意义和功能目前还不清楚。 e.研究ob基因及瘦素受体基因的多态性，以便进一步探讨瘦素及其受体与人类肥胖的关 系。 ob基因发现的另外一个重要意义在于，使人们真正认识到遗传因素在肥胖发生中的重要 作用，并激发起了人们对肥胖相关基因研究的热潮。陆续又有许多基因被发现了，如UCP基 因、神经肽Y基因、增食因子A、B基因和黑色素皮质激素受体4基因等，下面就分别介绍一下 这些基因。 3 解偶联蛋白基因(uncoupling protein gene，UCP gene) 早在1978年，美国学者在研究产热机制时，就发现了解偶联蛋白基因及其表达产物(现 简称为UCP1) [25]。该基因特异地在褐色组织中表达，其表达产物UCP1存在于线粒体，并是 线粒体内膜的转移因子，可使细胞呼吸的氧化磷酸化解偶联，使能量不以ATP形式贮存，而 以热量形式散失掉。因褐色脂肪组织主要存在于啮齿动物体内，而人体内几乎没有褐色脂肪 组织，因而UCP1只能阐明啮齿动物产热和肥胖发生机制，而对人类没有实际意义。因此科学 家们一直在寻找其它的解偶联蛋白基因。终于在1997年先后发现了UCP2和UCP3[26]， 1999 年、2000年又分别先后发现了UCP4和UCP5[27]。这4种新发现的解偶联作用，均能促进能量 以热量形式消耗掉。然而它们又有许多不同之处：UCP2能在许多组织中表达，如白色脂肪、 褐色脂肪、骨骼肌、心、脑、肺、肾脏、脾、胎盘、淋巴细胞等；UCP3主要在骨骼肌中表达 ，而且主要决定基础代谢率；UCP4和UCP5则只在脑组织中表达，与脑的以能量消耗有关。因 此这五种解偶联蛋白在机体内的综合作用，可能就决定了一个人的整体代谢率，决定了热量 消耗，从而也就决定了一个人的肥胖倾向。目前已有许多动物实验和人群实验资料证明，UC P2和UCP3在肥胖人群中表达活性降低，因而降低了基础代谢率和能量消耗，从而导致了肥胖 。也就是说，UCP2、UCP3表达活性降低可能是人类肥胖发生的部分原因。因此，寻找刺激解 偶联蛋白表达并增强其活性的内外因素，对于预防和控制肥胖具有重要的实际意义[28]。 4 神经肽Y基因 NPY是一个具有36个氨基酸残基的单链多肽，它属于胰多肽家族。该肽链折叠成发夹结 构，使分子的两端靠拢以利于与受体结合。“Y”指的就是分子两端的酪氨酸残基。 NPY最初是从猪脑中分离出来的，现在知道它普遍存在于哺乳动物的大脑中，在外周交 感神经中也有发现。下丘脑的NPY对维持能量平衡具有深远的意义，并通过刺激促肾上腺素 皮质激素释放激素（CRF）和促肾上腺素皮质激素（ACTH）的释放，以促进肾上腺皮质激素 的分泌。NPY在大脑的其它部位也参与了清醒、情绪以及心血管和呼吸系统的中枢调节。 NPY在下丘脑的浓度很高，它主要来自下丘脑弓状核（ARC）的神经元。这些神经元的突 起延伸至室旁核（PVN）和背中核（DMH），这两部分均含有丰富的NPY－免疫反应神经末梢[ 29]。ARC－NPY神经元的主要生理作用如下：在饥饿、胰岛素缺乏的糖尿病、泌乳和剧烈运 动状态下，能刺激摄食和能量的高度贮存，具体表现在饮食亢进和褐色脂肪组织（Brown Ad ipose Tissue, BAT）产热减少，这对于恢复能量平衡和生存具有重要的意义。有证据表明 ，与NPY直接注入PVN和其它位点的反应相似，在上述能量失衡状态下ARC－PVN神经元被激活 [30]，禁食和胰岛素缺乏的糖尿病总是伴随ARC神经元中NPYmRNA水平的升高及ARC－PVN和DM H中NPY浓度的上升，伴随PVN中NPY分泌的增强；而且，下丘脑NPY高亲和力受体的数量减少 ，外源性NPY引起的饮食亢进被削弱，这可能是由于下丘脑的高浓度NPY对受体的负调节造成 的[31]。 因此，ARC－PVN神经元对能量稳态的调节可能在于它们能感受到机体贮能的减少（如体 脂下降），并通过刺激摄食和减弱BAT产热来恢复能量平衡[32]。 NPY对摄食与肥胖的影响 众所周知，中枢神经系统是摄食行为的重要调节者。但对中枢神经系统调节能量摄取和 能量消耗的机制了解甚少。下丘脑损伤和脑区的直接刺激研究提示，脑调节能量代谢的部位 多集中在下丘脑[33]。日益增多的事实证明，在下丘脑中NPY有刺激摄食的作用。在脑室中 注射NPY可引起多种动物，例如大鼠、小鼠、猪等的食欲增加。Zarjevski等发现当长期在脑 室中给予NPY，导致多食、体重增加，血甘油三酯增高，增加肝和白色脂肪组织的生脂活性[ 34]。Wilding对生理性多食模型—妊娠、哺乳期动物进行研究，发现妊娠，哺乳期进食较对 照组明显增加，其弓状核NPY的mRNA也较对照组增加，血中胰岛素及血糖水平和对照组无差 异[35]。外源性给予NPY与多食的生理模型均证明，NPY具有刺激摄食的作用。 NPY与肥胖之间也存在着密切的联系，用原位杂交方法证实有肥胖倾向的SD大鼠比摄食 抵抗的SD大鼠弓状核的NPYmRNA高39％，饮食限制和高脂饮食均不能改变升高的弓状核NPY的 mRNA水平，说明NPY的调节失控可导致肥胖[36]。对遗传性肥胖鼠（例fa/fa鼠和cp/cp鼠） 的研究也证实，其下丘脑NPY的mRNA和蛋白质含量均增高。用正常血糖高胰岛素钳夹技术证 明脑室灌注NPY能使腹股沟及子宫旁脂肪组织对糖的利用下降。腹股沟脂肪组织中GLUT4的表 达及蛋白含量均降低。Billington等进一步研究证实，脑室内注射NPY后褐色脂肪产热蛋白 —解偶联蛋白的mRNA表达下降，增加白色脂肪的脂蛋白脂肪酶的mRNA水平[37]，有利于脂肪 的堆积，产生肥胖。 定位研究提示NPY对摄食的影响主要发生于下丘脑的室旁核或接近于穹周区。高浓度的N PY通常被发现在室旁核，而室旁核主要是接受弓状核和其它脑区的神经轴突。对NPYmRNA的 研究表明弓状核的浓度最高。通过对食物剥夺及给食实验证实，NPY的浓度变化在室旁核， 而NPY的mRNA表达在弓状核。提示NPY在弓状核合成，然后通过轴突输送到室旁核，经室旁核 分泌而参与摄食的调节。 近年发现瘦素（Leptin）参与摄食及体内能量代谢的调节作用，也是通过NPY发挥的[38 ]。由于肥胖基因的突变，使体内瘦素表达为一种无活性的蛋白质，瘦素的缺乏，使大鼠出 现多食、血糖增高、肥胖及弓状核NPY mRNA水平的增高。给予外源性瘦素，可使弓状核NPY mRNA表达接近正常，而使多食、血糖增高及肥胖等症状逆转。瘦素注射入血液中能迅速进入 下丘脑的内侧基底部及弓状核附近的脑区，与这些部位的瘦素受体结合，对NPY mRNA的表达 进行调控。把ob/ob肥胖小鼠的NPY基因造成突变，使该鼠既缺乏瘦素也缺乏NPY，结果发现 同原ob/ob鼠不同，该鼠摄食下降，能量消耗增加，发生糖尿病、不育、生长发育迟缓的倾 向明显降低[39]。从而进一步证实瘦素是通过NPY对体内代谢发生作用的。 5 增食因子A、B 在1998年探索控制进食新药的实验中，Yanagisawa等在大鼠下丘脑腹外侧发现了两种与 食欲有关而与瘦素作用相反的神经肽—增食因子A和B（orexin A and B）。这是继瘦素后的 又一重大发现。与以往根据动物肥胖模型基因突变有意识地寻找肥胖基因的情况不同，增食 因子A和B完全是一种现代分子筛选技术在实验过程中的意外收获。 从大鼠脑中分离出的增食因子A（orexinA）为3562Da，含有33个氨基酸的神经肽，N端 是焦谷氨酰的残基，C端被酰胺化，4个半胱氨酸残基形成两套链内的双硫键。从牛脑中分离 的增食因子A的序列与大鼠完全一致。增食因子B为2937Da含有28个氨基酸的神经肽。其中， 46％的（13个）氨基酸与增食因子A一致[40]。增食因子A和B的氨基酸顺序不同于其它已知 的神经肽。已克隆的增食因子前体cDNA及增食因子基因序列分析结果预示：小鼠和人的增食 因子A的氨基酸序列与大鼠和牛的完全一致；而人增食因子B的氨基酸序列中有两个氨基酸不 同于啮齿类动物。人和小鼠增食因子前体的氨基酸序列有83％是一致的，小鼠和大鼠则有95 ％的一致性。用辐射杂交细胞板（radiation hybrid）作图法得知，增食因子前体的基因位 于染色体17q21位点。此结果提示，该基因可能与“17染色体相关连性痴呆”的一组神经退 化变性疾病如脱抑制－痴呆－帕金森综合征－肌萎缩复合体（DDPAC）及苍白球－桥脑－黑 质退化（PPND）有关。上述疾病可能由等位基因突变引起。最近，DDPAC和PPND均被定位于 染色体17q21－22位点。N端被酰氨化是翻译后修饰的结果，这种现象也常见于其它神经肽。 增食因子的受体有两种，分别称为OX1R、OX2R。增食因子A和B均可激活OX1R，但增食因 子A与OX1R的亲和力大于增食因子B； OX2R与增食因子A和B都有很强的亲和力，其中对后者 的亲和力稍高于前者。所以OX2R是增食因子A和B的非选择性受体，而OX1R对增食因子A有选 择性。OX1R的氨基酸序列与其它神经肽受体有较多相同之处。OX1R与OX2R氨基酸序列的一致 性达64％，明显高于其它神经肽受体。人与大鼠OX1R的一致性达94％，OX2R的一致性达95％ 。此结果提示增食因子受体基因在种系发育中是高度保守的。其基因定位为：OX1R－lp33； OX2R－6cen(p11－q11)[41]。 用Northern blot法分析成年大鼠组织发现，0.7kb的增食因子前体mRNA除在睾丸有少量 的表达外，几乎仅在脑中表达，而OX1R、OX2R的mRNA也仅见于脑组织中。这进一步证实增食 因子仅在中枢神经系统中发挥作用的推断。用原位杂交及免疫组化法研究大鼠脑，发现含增 食因子的神经元在成年大鼠下丘脑及下丘脑腹部两侧呈对称的不连贯分布。 给雄性大鼠侧脑室快速灌注增食因子A, 发现Orexin A对摄食的促进作用在1小时内呈剂 量－效应关系，3nmol 增食因子A可使进食量增加6倍，而30 nmol 增食因子A可使进食量增 加10倍，这种效应可持续4小时。给雄性大鼠侧脑室灌注3 nmol或30 nmol的增食因子B可分 别使进食量增加5倍和12倍。但增食因子B的增食效应仅能持续2小时，短于增食因子A，其原 因可能是因为增食因子B是线性多肽，有一个自由的氨基端，而增食因子A经过翻译修饰形成 了二硫键。增食因子A和B增食效应的持续时间不同，可能意味着二者在中枢神经系统有不同 的功能，但无论是增食因子A还是增食因子B，增食效应都低于NPY。成年雄性大鼠禁食48小 时后，用Northern blot法分析丘脑及下丘脑增食因子前体mRNA比正常进食的对照组大鼠增 加2.4倍，NPY mRNA的水平也被上调，但增加的幅度小于前者[41]。 增食因子及其受体的发现使人们对机体能量平衡的机制有了更深入的认识。然而，要全 面了解增食因子生理作用尚需进行大量的药理及分子遗传学实验。但增食因子的临床前景决 不是仅仅增加恶病质、神经性厌食等消瘦病人的食欲而已，它的受体拮抗剂将可能为治疗肥 胖、糖尿病等能量代谢失衡性疾病提供有效手段。 6 黑色素皮质激素受体－4 基因 在一种南美豚鼠的体内发现了一种蛋白—刺蛋白（Agouti Protein），正常时Agouti仅 在毛囊内表达，其表达产物Agouti蛋白是黑素细胞刺激素受体（MCR1）的高亲和力拮抗剂， 调节毛囊中色素合成的比例。Agouti蛋白也是下丘脑MCR4受体的拮抗剂，它与黑色素皮质素 （melancortin）竞争结合下丘脑中黑色素皮质素受体（MCR4），抑制了黑色素皮质素作用 ，使该鼠由正常黑色被毛变为黄色被毛并伴有肥胖表型[42]。Huszar[43]用敲除MCR4基因的 小鼠进行15周的饲养实验，结果，雌鼠、雄鼠体重分别比对照组高出100％和50％，血胰岛 素水平则分别高出60倍和14倍，血糖水平亦显著升高，并出现肥胖表型。Fan等给ob/ob肥胖 小鼠脑室注射黑色素皮质素的拮抗物（类似于刺蛋白），也能增加小鼠的摄食量，而注射黑 色素皮质素的类似物则抑制小鼠的摄食[44]。由此可见，黑色素皮质素与MCR4作用可抑制体 重的增长，而刺蛋白与MCR4作用则促进体重的增长。值得注意的是Agouti肥胖鼠和MCR4受体 缺陷鼠的血浆瘦素水平均明显高于正常动物，这似乎可以说明，MCR4受体功能的缺陷使动物 不能对瘦素作用出正常反应，导致肥胖。存在黑色素皮质激素异常的黄色刺鼠和敲掉了黑色 素皮质激素受体4（MCR4）的大鼠表现为肥胖和瘦素抵抗。一个神经元亚群表达Ob－R和POMC ，并且瘦素调节POMC（黑色素刺激激素的前体）基因的表达。Α－MSH和MSH的激动剂能降低 食欲，用α－MSH抑制剂能降低注射瘦素的抑食效果[45]。刺鼠相关转录子是一种外源性的 黑色素皮质激素的抑制剂，它也能调节体重，过度表达该蛋白的转基因鼠明显肥胖。刺鼠编 码这一蛋白mRNA的量是ob/ob肥胖鼠的8倍[46]。 研究发现，多不饱和脂肪酸、铬和铁能明显增强UCP2或UCP3的表达[47]，增加能耗；降 低神肽Y和增食因子A、B的表达，降低食欲；并能明显降低肥胖大鼠体重，同时可改善胰岛 素抵抗，纠正血糖和血脂代谢紊乱。这些实验表明，这三种营养素不仅在肥胖发生的机理上 具有重要的探索价值，而且对于预防和控制肥胖具有重要的实际应用价值。但有些问题还需 进一步研究。虽然已发现了有近20种基因与肥胖有关，但真正能解释肥胖发生原因的基因目 前还没有找到。然而许多研究发现，遗传因素确实起到了很大作用。例如人群和动物都存在 对肥胖易感和抵抗的现象。动物实验也发现了这种情况，这说明易感者和抵抗之间存在着遗 传差异，进一步分析差异的原因可能对解决肥胖问题有重要意义。 7 参考文献 1 Zhang YY, Proenca R, Maffei M, et al. Positional cloning of the mouse obese g ene and its human homologue. Nature,1994， 372: 425－432 2 孙长颢，张宏伟，王舒然，等. 不同膳食构成对肥胖基因表达的影响研究.中国公共卫生 ，1998, 14(5):277－280 3 孙长颢，张宏伟，陈炳卿，等.不同饲料构成对大鼠肥胖基因表达产物─瘦素的影响研究 .中华预防医学杂志，1999，33(4):214－217 4 Sun CH, Liu ZF，Wang SR， et al. Body weight, concentration of plasma leptin and serum testosterone of rats in response to feeding of Chitosan. World J Castr oenterol ，2000,6： 56－57 5 孙长颢，刘志芳，王舒然，等.几丁聚糖对大鼠体重的影响及其与体内瘦素和睾酮关系的 研究.中国公共卫生，2001,17(4):325 6 孙长颢，刘志芳，王舒然，等.几丁聚糖对肥胖大鼠体重的影响及其与体内瘦素、血脂水 平的关系.中国公共卫生，2001，17(10)：887－888 7 孙长颢，张薇，王舒然，等.铬对大鼠体重及体内瘦素和胰岛素水平的影响.卫生研究，2 000,29(6):370－371 8 孙长颢，张薇，王小雪，等.铬对大鼠肥胖基因表达及血糖、血脂的影响.营养学报，200 1，23(4):346 9 王舒然，孙长颢，考庆军，等.葡萄糖酸铬、鱼油对肥胖大鼠胰岛素抵抗和瘦素抵抗的影 响.卫生研究， 2001, 30(5):284－286 10 Tartaglia L, Dembski M, Wang X, et al. Identification and expression cloning of a leptin receptors OB－R. Cell, 1995， 83: 1263－1271 11 Chua SC, Chung WK, Wu P, et al. Phenotypes of mouse diabetes and rat fatty d ue to mutations in the OB (leptin)receptor. Science, 1996， 271: 994－997 12 Lee GH, Proenca R, Montez JM, et al. Abnormal splicing of the leptin recepto r in diabetes mice. Nature, 1996， 397: 632－635 13 Francke S, Clement K, Dina C, et al. Genetic studies of the leptin receptor gene in morbidly obese French Caucasian families. Hum Genet, 1997， 100: 491 14 Bjorbaek C, Uotani S, Da Silva B, et al. Divergent signaling capacities of t he long and short isoforms of the leptin receptor. J Biol Chem，1997， 272: 3268 6－32695 15 Fei H, Okano HJ, Li C, et al. Anatomic localization of alternatively spliced leptin receptor (Ob－R)in mouse brain and other tissues. Proc Natl Acad Sci USA ，1997， 94: 7001－7005 16 Vaisse C, Halaas JL, Horvath CM, et al. Leptin activation of Stat3 in the hy pothalamus of wild－type and ob/ob mice but not db/db mice. Nature Genet, 1996， 14: 95－97 17 Woods AJ，Stock MJ. Leptin activation in hypothalamus. Nature， 1996， 381: 745 18 Spanswick D, Smith MA, Groppi VE, et al. Leptin inhibits hypothalamic neuron s by activation of ATP－sensitive potassium channels. Nature, 1997， 390: 521－5 25 19 Kamohara S, Burcelin R, Halaas JL, et al. Acute stimulation of glucose metab olism in mice by leptin treatment. Nature, 1997， 389: 374－377 20 Banks WA, Kastin AJ, Huang W, et al. Leptin enters the brain by a saturable system independent of insulin. Peptides, 1996， 17: 305－311 21 Wang MY, Koyama K, Shimabukuro M, et al. Ob－Rb gene transfer to leptin－res istant islets reverses diabetogenic phenotype. Proc Natl Acad Sci USA , 1998，9 5: 714－718 22 DeVos R, Guisez Y, Van der Heyden J, et al. Ligand－independent dimerization of the extracellular domain of the leptin receptor and determination of the sto ichiometry of leptin binding. J Biol Chem, 1997， 272: 18304－18310 23 Carpenter LR, Farruggella TJ, Symes A, et al. Enhancing leptin response by p reventing SH2－containing phosphatase－2 interaction with ob receptor. Proc Natl Acad Sci USA, 1998， 95: 6061－6066 24 Bjorbaek, Christian, Elmquist, et al. Identification of SOCS－3 as a poten tial mediator of central leptin resistance. Mol Cell, 1998， 619－625 25 Harper ME. Obesity research continues to spring leaks. Clin Invest Med,1997, 20(4):239－244 26 Wolf G. A new uncoupling protein: a potential component of the human body we ight regulation system. Nutr Rev,1997,55(5):178－179 27 Mao W. A novel brain－specific mitochondria protein that reduces membrane po tential in mammalian cells. FEBS LETT, 1999,443(3): 326－330 28 付荣霞 孙长颢，孙文广，等，饲料构成影响大鼠解偶联蛋白－2基因的表达.中国公共 卫生，2002,18(7):771－773 29 Bai FL, Yamano M, Shiotani Y, et al . An arcuato－paraventricular and －dors omedial hypothalamic neuropeptide Y－containing system which lacks noradrenaline in the rat. Brain Res, 1985， 331: 172－175 30 Frankish HM, Dryden S, Hopkins D, et al. Neuropeptide Y, the hypothalamus, a nd diabetes: insights into the central control of metabolism. Peptides, 1995， 1 6: 757－771 31 Frankish HM, McCarthy HD, Dryden S, et al. Neuropeptide Y receptor numbers a re reduced in the hypothalamus of streptozotocin－diabetic and food－deprived ra ts: further evidence of increased activity of hypothalamic NPY－containing pathw ays. Peptides,1993， 14: 941－948. 32 Tomaszuk A, Simpson C, Williams G, et al. The hypothalamus and the regulatio n of energy homeostasis. Horm Res, 1996,46: 53－58 33 Viberg TR, Keesey RE. Reduced energy expenditure after ventromedial hypothal amic lesions in female rats. Am J Physiol, 1984， 247: R183－188 34 Zarjevski N, Cusin I, Vettor R, et al. Chronic intracerebroventricular neuro peptide Y administration to normal rats mimics hormonal and metabolic changes of obesity. Endocrinology, 1993， 133: 1753－1758 35 Wilding JP, Ajala MD, Lambert PD, et al. Additive effects of lactation and f ood restriction to increase hypothalamic neuropeptide Y mRNA in rat. J Endocrino l, 1997， 152: 365－369 36 Levin BE, Dunn－Meyndll AA. Dysregulation of arcuate nucleus preproneuropept ide Y mRNA in diet－induced obese rats. Am J Physiol, 1997， 272: R1365－1370 37 Billington CJ, Briggs JE, Harker S, et al. Neuropeptide Y in hypothalamic pa raventricular nucleus: a center coordinating energy metabolism. Am J Physiol, 19 94， 266: R1765－1770 38 Schwartz MW, Baskin DG, Bukowski TR, et al. Specificity of leptin action on elevated blood glucose and hypothalamic neuropeptide Y gene expression in ob/ob mice. Diabetes, 1996， 45: 531－535 39 Erickson JC, Hollopeter G, Palmiter RD. Attenuation of the obesity syndrome of ob/ob mice by the loss of neuropeptide Y. Science, 1996， 274: 1704－1707 40 Sakurai, Takeshi, Amemiya, et al. Orexins and orexin receptors: a family of hypothalamic neuropeptides and G protein－coupled receptors that regulate feedin g behavior.Cell, 1998， 92: 573－585 41 Gerald C, Walker MW, Criscione L, et al. A receptor subtype involved in neur opeptide－Y induced food intake. Nature,1996， 382: 168－171 42 Lu D, Willard D, Patel IR, et al. Agouti protein is an antagounist of the me lanocyte－stimulating hormone receptor. Nature, 1994， 371: 799－822 43 Huszar D, Lynch C, Victoria F, et al. Targeted disruption of the melanocorti n－4 receptor results in obesity in mice. Cell, 1997， 88: 131－141 44 Fan W, Boston BA, Kesterson RA, et al. Role of melanocortinergic neurons in feeding and the agouti obesity syndrome of ob/ob mice. Nature, 1997， 385: 165－ 168 45 Satoh N, Ogawa Y, Katsuura G, et al. Satiety effect and sympathetic activati on of leptin are mediated by hypothalamic melanocortin system. Neurosci Lett， 1 998， 249: 107－110 46 Ollmann MM, Wilson BD, Yang YK, et al. Antagonism of central melanocortin re ceptors in vitro and in vivo by agoutirelated protein. Science, 1997， 278: 135 －138 47 孙文广，孙长颢，付荣霞，等.铁对肥胖大鼠解偶联蛋白(UCP2和UCP3)基因表达的影响. 卫生研究，2002，31(3)：174－177 |