食欲素與血糖和能量代謝的調(diào)節(jié)

翁 盼(綜述)，陸穎理(審校)

(1.上海交通大學醫(yī)學院，上海 200011； 2.上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科，上海 200011)

食欲素是在1998年首先被發(fā)現(xiàn)的，包括食欲素A(含33個氨基酸殘基)和食欲素B(含28個氨基酸殘基)，是由同一前體蛋白裂解產(chǎn)生的一對興奮性神經(jīng)肽激素，食欲素由下丘腦中特定的神經(jīng)元產(chǎn)生，主要位于外側(cè)下丘腦區(qū)、穹窿周圍區(qū)，以及下丘腦后部[1]。在過去的十年里，許多實驗已經(jīng)證實，食欲素在調(diào)控一系列生理活動中扮演重要角色，包括調(diào)節(jié)進食、睡眠、覓食和能量血糖動態(tài)平衡等。該文就食欲素與血糖、能量代謝調(diào)節(jié)和肥胖的研究進展予以綜述。

1 食欲素與血糖調(diào)節(jié)和胰島素抵抗

1.1血糖的來源與調(diào)節(jié)因素 血糖的主要來源有食物和肝臟的內(nèi)源性葡萄糖生成，前者提升血糖的程度主要由食物成分決定，后者主要受胰島素和胰高血糖素的調(diào)節(jié)，但也有一部分直接受自主神經(jīng)支配，經(jīng)下丘腦控制。胰島素和副交感神經(jīng)增加肝臟葡萄糖攝取和糖原合成，而胰高血糖素和交感神經(jīng)促進糖原分解、糖異生和葡萄糖釋放。血糖水平也受肌肉和脂肪組織攝取葡萄糖的影響。

1.2食欲素及受體的分布與作用特征 食欲素是下丘腦血糖調(diào)節(jié)的重要因子，食欲素纖維分布于整個腦干，包括迷走神經(jīng)背核和孤束核。食欲素神經(jīng)元受谷氨酸、促腎上腺皮質(zhì)素釋放因子,神經(jīng)降壓素,血管加壓素、催產(chǎn)素和促甲狀腺素釋放激素的興奮,而γ-氨基丁酸(GABA)、5-羥色胺、去甲腎上腺素、多巴胺和神經(jīng)肽Y對食欲素神經(jīng)元有抑制作用[1]。外周的代謝信號也影響食欲素神經(jīng)元的活性，葡萄糖和瘦素抑制食欲素神經(jīng)元的活性，而生長激素促分泌素受體內(nèi)源性配體則促進其活性。

食欲素主要通過兩個G蛋白偶聯(lián)受體，即食欲素受體1(orexin receptor 1，OXR1)和食欲素受體2(orexin receptor 2，OXR2)發(fā)揮作用，OXR1與食欲素A結(jié)合的親和力比食欲素B高100倍，而OXR2與兩者結(jié)合的親和力基本相同。下丘腦腹內(nèi)側(cè)核是OXR1 mRNA最豐富的區(qū)域，而OXR2 mRNA高表達于下丘腦結(jié)節(jié)乳頭核、室旁核、弓狀核以及外側(cè)下丘腦區(qū)。

1.3食欲素與血糖穩(wěn)態(tài)的中樞性調(diào)節(jié)機制

1.3.1食欲素與血糖的雙重調(diào)節(jié) 下丘腦食欲素系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)：在這個系統(tǒng)中，食欲素神經(jīng)元精確感知外周營養(yǎng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)自主神經(jīng)平衡，控制外周組織產(chǎn)生和利用葡萄糖。下丘腦食欲素神經(jīng)元能刺激交感神經(jīng)節(jié)前纖維和副交感神經(jīng)元，通過改變自主神經(jīng)平衡來對血糖穩(wěn)態(tài)進行雙重調(diào)節(jié)(圖1)[2]。

圖1 食欲素與血糖穩(wěn)態(tài)雙重調(diào)節(jié)

研究發(fā)現(xiàn)，食欲素A可直接激活腹內(nèi)側(cè)下丘腦神經(jīng)元，促進交感神經(jīng)系統(tǒng)激活，然后經(jīng)由骨骼肌細胞內(nèi)的β2腎上腺素受體信號介導，增加骨骼肌攝取葡萄糖，促進胰島素誘導的葡萄糖攝取和肌糖原合成[3-4]。

Ramadori等[5]通過應用一種在下丘腦腹內(nèi)側(cè)核神經(jīng)元SF1缺乏食欲素代謝傳感器煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴的脫乙酰酶1(sirtuin type 1,SIRT1)的小鼠(Sf1-Cre;Sirt1loxP/loxP mice)來研究經(jīng)腹內(nèi)側(cè)核調(diào)控血糖平衡的機制。當給予高熱量飲食后，與正常小鼠相比，Sf1-Cre;Sirt1loxP/loxP小鼠體質(zhì)量增加更顯著，能量消耗減少，瘦素抵抗增加。另外，高熱量飲食喂養(yǎng)的基因突變小鼠(Sf1-Cre;Sirt1loxP/loxP mice)在出現(xiàn)嚴重肥胖之前就已經(jīng)呈現(xiàn)出高胰島素血癥、糖耐量受損和胰島素抵抗。對于高熱量飲食喂養(yǎng)的對照組小鼠，持續(xù)側(cè)腦室注射食欲素 A(0.5 nmol/d)能改善高血糖和高胰島素血癥，但在上述基因突變的小鼠中未觀察到這種改善現(xiàn)象。這些實驗結(jié)果提示，下丘腦腹內(nèi)側(cè)核是食欲素調(diào)控肌肉葡萄糖利用的主要部位。

另一方面，食欲素對肝臟葡萄糖生成的調(diào)節(jié)可能一部分是通過調(diào)控人體生物鐘完成的。生物鐘位于下丘腦視交叉上核，而下丘腦室旁核控制著交感和副交感神經(jīng)的活動，后者是生物鐘信號輸出的一個重要靶點，視交叉上核直接控制著血漿葡萄糖濃度的日常節(jié)律改變，且不受進食的影響?？崭勾笫笫遗院藘?nèi)應用GABA受體拮抗劑進行干預后發(fā)現(xiàn)，僅在白天可引起高血糖癥，提示從視交叉上核傳遞到室旁核的GABAergic神經(jīng)元信號的晝夜改變會引起肝臟葡萄糖生成的相應改變[6]。視交叉上核的生物鐘可受到由食欲素神經(jīng)元產(chǎn)生的促覺醒信號的重置，而食欲素神經(jīng)元的激活很大程度上又受到生理節(jié)奏的控制，提示兩者之間存在互惠關系[7]。

1.3.2食欲素、胰島素、瘦素和血糖調(diào)節(jié)的關系 在胰島素對肝臟葡萄糖生成的抑制效應中，下丘腦信號作用是必須的。下丘腦-肝臟通路的任何改變都可能會造成糖尿病高血糖癥。外周胰島素抵抗相關的高血糖癥抑制下丘腦食欲素的表達，而食欲素有助于維持下丘腦胰島素敏感性，食欲素表達受到抑制之后便產(chǎn)生了下丘腦和外周胰島素抵抗的惡性循環(huán)(圖2)[8]。正常情況下，胰島素在下丘腦的作用可促進胰島素的降糖效應，特別是通過抑制肝臟葡萄糖生成。這個過程由下丘腦ATP敏感性鉀通道(KATP)通道介導的。另外，下丘腦蛋白激酶C(可能是蛋白激酶Cδ亞型)的活化對于激活下丘腦KATP，從而降低肝臟葡萄糖生成是非常必要的。瘦素也可通過信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活因子3通路調(diào)節(jié)肝臟葡萄糖生成。另一方面，年齡或食源性胰島素抵抗相關的高血糖癥的患者，其下丘腦食欲素的表達減少。反過來，食欲素的缺乏可導致下丘腦胰島素受體、瘦素受體以及食欲素受體信號中斷(具體機制不明)。結(jié)果就是調(diào)節(jié)能量(葡萄糖)代謝的下丘腦/肝臟通路受損，從而進一步加劇外周組織的胰島素抵抗。

LRb：瘦素受體；OXR：食欲素受體；IR:胰島素抵抗;PI3K：磷脂酰肌醇3-激酶；Akt：蛋白激酶B；Stat3:信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活因子3；PKC：下丘腦蛋白激酶C

圖2食欲素、瘦素、胰島素循環(huán)軸與血糖調(diào)節(jié)的關系

1.3.3食欲素影響胰島素、瘦素敏感性的機制 雖然食欲素影響胰島素、瘦素敏感性的確切機制仍不明確，但是很可能在食欲素缺乏的情況下(例如前食欲素原基因消融或者高血糖癥)，下丘腦蛋白激酶B磷酸化水平會隨著年齡增長而增高，這種長期的磷酸化作用破壞了胰島素在下丘腦的作用，從而影響外周胰島素敏感性。

在正常飲食條件下，食欲素基因剔除的小鼠出現(xiàn)隨年齡增長呈進行性發(fā)展的糖耐量受損和胰島素抵抗，觀察對象包括非肥胖的雄性小鼠和輕度肥胖的雌性小鼠。9月齡的食欲素基因剔除的小鼠，在正常飲食條件下，通過蛋白激酶B通路的胰島素信號在骨骼肌和肝臟中斷。2～6月齡的食欲素基因剔除的小鼠，下丘腦蛋白激酶B(Ser473)磷酸化水平出現(xiàn)異常增加，且胰島素的刺激不能提升蛋白激酶B磷酸化水平，而在9月齡的食欲素基因剔除小鼠中也觀察到胰島素誘導的胰島素受體酪氨酸磷酸化減少，提示食欲素是維持下丘腦和外周胰島素敏感性所必須的，尤其隨著年齡的增長更是如此。運用示蹤稀釋法結(jié)合胰島素鉗夾技術的研究證實，下丘腦蛋白激酶C的激活對于降低肝臟葡萄糖生成是非常重要且必須的，主要通過下丘腦磺脲類藥物受體1/Kir6.2 KATP的激活/磷酸化，而食欲素A可強烈激活CHO細胞上的蛋白激酶Cδ，穩(wěn)定表達人OXR1[9]。因此，食欲素可能是通過促進KATP的激活來增強胰島素在下丘腦的作用，從而抑制肝臟葡萄糖生成。

近幾年的研究證實，在嚙齒動物中食欲素可強烈抑制食源性肥胖以及后續(xù)出現(xiàn)的胰島素抵抗。食欲素過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠可通過增加能量支出、減少能量消耗而預防高脂飲食誘導的肥胖、胰島素不敏感、高胰島素血癥和高瘦素血癥。將食欲素過表達的OXR1和OXR2基因敲除小鼠進行分子遺傳分析發(fā)現(xiàn)OXR2主要介導了這種抗肥胖效應和改善胰島素敏感性的效應。持續(xù)應用一種OXR2選擇性興奮劑食欲素B([Ala11,d-Leu15]-Orexin B)進行中樞干預可預防食源性肥胖。另外，食欲過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)為對外源性輸注的瘦素的敏感性增加，食欲素過表達或OXR2興奮劑均不影響瘦素缺乏的肥胖ob/ob小鼠的體質(zhì)量增加，說明食欲素經(jīng)OXR2的作用與瘦素敏感性狀態(tài)相關[10]。需要注意的是，單獨的OXR1缺乏可預防高脂飲食誘導的高血糖癥和高胰島素血癥，但無法防止肥胖，而食欲素過表達可預防OXR1和OXR2基因敲除的小鼠在高脂飲食的情況下發(fā)生肥胖。這些結(jié)果提示，內(nèi)源性食欲素-OXR1信號可能介導了高脂飲食對糖代謝和肥胖的有害作用。事實上，已經(jīng)有報道一種OXR1拮抗劑SB334867A可能成為抗肥胖和糖尿病的因子，因為它能減少肥胖ob/ob小鼠的攝食量，降低體質(zhì)量、空腹血糖和血漿胰島素水平[11]。而食欲素-OXR2信號的增加可防止食源性肥胖，提高瘦素敏感性。

因此，食欲素可通過增加下丘腦胰島素和(或)瘦素信號來預防年齡相關及飲食誘導的胰島素抵抗，OXR可作為未來治療2型糖尿病患者高血糖癥的重要靶點。

2 食欲素與能量代謝調(diào)節(jié)

關于食欲素對能量代謝的調(diào)節(jié)機制，目前仍不明確。下丘腦食欲素誘導的能量代謝的增加并不僅僅是由于覺醒和身體活動的增加。事實上，食欲素A會引起氧耗增加和體溫上升，即使麻醉的大鼠也是如此，小鼠腦室內(nèi)注射食欲素A能在不改變攝食和體育活動的情況下增加代謝率。另外，食欲素神經(jīng)元缺失的小鼠表現(xiàn)為能量消耗減少，并且這一改變與睡眠/覺醒、運動和進食無關。

已知線粒體解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)與非寒戰(zhàn)產(chǎn)熱有關，并且主要受交感神經(jīng)系統(tǒng)支配，其原因是β去甲腎上腺素能遞質(zhì)直接支配棕脂肪組織進行調(diào)控[12]。這種產(chǎn)熱過程在機體能量代謝平衡中非常重要。食欲素A可激活交感神經(jīng)系統(tǒng)，食欲素基因剔除的小鼠表現(xiàn)為較低的交感縮血管纖維緊張性[13]。然而，長期緩慢室旁核內(nèi)注射食欲素A并不改變大鼠棕脂肪組織中UCP1的水平[14]。大鼠第三腦室內(nèi)注射食欲素A后也觀察到了類似的結(jié)果。此外，低脂飲食的情況下，食欲素過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠的棕脂肪組織中UCP1 mRNA的水平與對照組小鼠比較差異無統(tǒng)計學意義[15]。因此，食欲素可能不是通過棕脂肪組織中的UCP1來調(diào)控能量代謝的。

與UCP1不同,UCP2在全身廣泛表達，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)，增加UCP2引發(fā)的線粒體解耦聯(lián)可使活性氧類生成減少，產(chǎn)生神經(jīng)保護效應。UCP2也能增加海馬細胞中線粒體的數(shù)量。外側(cè)下丘腦區(qū)表達的食欲素A和食欲素B為熱能的產(chǎn)生提供了一個解剖學上受限的位點[16]。食欲素神經(jīng)元UCP2過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠(orexin/UCP2-Tg mice)下丘腦溫度升高，伴隨身體核心溫度降低。但是,也有一些報道提示與之矛盾的結(jié)果，因此食欲素是如何通過UCP2調(diào)節(jié)能量代謝的機制仍有待進一步研究。

3 食欲素在外周組織的作用

食欲素大部分是在下丘腦發(fā)揮其功能，在神經(jīng)系統(tǒng)以外的作用目前仍存在爭議，食欲素及其受體存在于廣泛的組織中，包括腸道、胰腺、腎臟、腎上腺、脂肪組織和生殖系統(tǒng)。

研究證實，隨著鏈脲佐菌素誘導的糖尿病的發(fā)生，大鼠胰島細胞中OXR1的表達增加，糖尿病病程越長，胰島細胞中OXR1的表達越強烈，并且與胰高血糖素共定位[17]。另外，免疫組織化學發(fā)現(xiàn)在胰島有被剪切的胱天蛋白酶3片段與OXR1共定位。食欲素基因剔除的小鼠中OXR1和胱天蛋白酶3的表達顯著降低，說明在胰腺組織中食欲素可能是通過OXR1介導促進鏈脲佐菌素誘導的糖尿病的發(fā)展和β細胞凋亡[18-19]。但是,關于食欲素在外周組織中的作用目前仍然知之甚少，有待進一步研究。

4 小結(jié)與展望

食欲素參與調(diào)控血糖平衡，調(diào)節(jié)胰島素/瘦素敏感性，食欲素可有效預防年齡相關或高脂飲食誘導的外周胰島素抵抗的進行性發(fā)展。食欲素-OXR2信號可通過增加瘦素敏感性而預防食源性肥胖和胰島素抵抗。隨著年齡增長，海馬、下丘腦、腦橋等組織中OXR2 mRNA水平著顯下降，另外，前食欲素原基因表達在肥胖的ob/ob和db/db小鼠出現(xiàn)下調(diào)，并且這種下調(diào)現(xiàn)象是由高血糖導致的。這些現(xiàn)象都提示，胰島素敏感性下降所導致的高血糖癥造成下丘腦食欲素的表達降低，從而加劇了外周胰島素抵抗。因此，控制下丘腦胰島素/瘦素信號的食欲素受體可作為2型糖尿病高血糖癥治療的新靶點。

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