褪黑素的生物學作用研究進展

董孝國，董孝芝

(商丘師范學院生命科學學院，河南商丘476000)

褪黑素(melatonin)又名美拉酮寧、抑黑素、松果腺素，化學名稱為N－乙?；?－甲氧基色胺，分子式為C13H16N2O2，相對分子量為232.27，熔點116～118℃，純品為淡黃色葉片狀結構，化學結構式如圖1所示［1］.1958年美國耶魯大學的皮膚病專家Aaron Lerner等首次從牛松果體中分離得到該物質(zhì)，并證明了其生物活性［2］.這種激素能夠使一種產(chǎn)生黑色素(melanin)的細胞顏色變淺，故取其前綴mela;同時它是由5－羥基色胺(serotonin)生成，故取其后綴tonin，因此這種松果體激素被命名為褪黑素(melatonin).褪黑素在生物體中的含量水平隨每天的時間變化而變化.

圖1 褪黑素的化學結構式Figure 1 Chemical structure of melatonin

1 褪黑素的生物合成和代謝途徑

褪黑素主要由哺乳動物的松果體分泌，人的松果體是附著于中腦背側四疊體上方的、豆粒大小的組織［3］.除松果體以外，哺乳動物的視網(wǎng)膜、淚腺、皮膚也能產(chǎn)生少量的褪黑素［4－6］.此外，某些變溫動物(青蛙)的眼睛、腦部和皮膚，以及某些藻類也能合成褪黑素［7，8］.

褪黑素的生物合成路徑如圖2所示.褪黑素能夠以色氨酸為原料，經(jīng)過羥基化、脫羧、N－乙?；脱跫谆緩阶罱K合成，也可由5－甲氧基色胺經(jīng)N－乙?；緩蕉铣桑?］.褪黑素的生物合成受光周期的制約，呈晝夜和季節(jié)性的節(jié)律變化［10－12］.夜間褪黑素的分泌量是白天的5～10倍，通常凌晨2∶00時左右，褪黑素的生物分泌量達到高峰，此時松果體中褪黑素的含量最高，而后分泌量減少，至中午最低;人體在3歲時褪黑素的分泌量達到高峰，青春期時分泌量略有下降，以后隨年齡增長而逐漸下降［1，13，14］.此外，褪黑素可由胎盤進入胎兒體內(nèi)，也可經(jīng)母乳進入新生兒體內(nèi)［15］.

圖2 褪黑素的生物合成路徑［9，16］Figure 2 Biological synthesis pathways of melatonin

褪黑素的降解主要發(fā)生在肝臟中，其途徑如圖3所示.經(jīng)典的褪黑素降解途徑為褪黑素(I)在肝臟中經(jīng)CYP1A1、CYP1A2或CYP1B1(a)的6－羥基化產(chǎn)生6－羥基褪黑素(II)，最終通過尿液排出.褪黑素在脫乙?；?b)的作用下生成5－甲氧基色胺(III)，經(jīng)單胺氧化酶(c)氧化生成5－甲氧基吲哚乙醛(IV)，再通過醛脫氫酶(d)被轉化為5－甲氧基吲哚乙酸(V)或經(jīng)醇脫氫酶(e)生成5－甲氧基色醇(VI).在kynuric途徑中，褪黑素可被活性氧(reactive oxygen species，ROS)或UV－B轉化為N1－乙?；璑2－甲?；?－methoxykynuramine(AFMK)(VII)，該途徑中間產(chǎn)物包括3－羥基褪黑素(VIII)、2－羥基褪黑素(IX)、褪黑素的2－吲哚滿酮(X)、3－羥基褪黑素的2－吲哚滿酮(XI)和褪黑素的二氧環(huán)乙烷(XII).參與褪黑素轉化為AFMK的酶或者假酶(pseudoenzymes)包括細胞色素C、辣根過氧化物酶、吲哚胺雙加氧酶、過氧化物酶、oxoferryl血紅蛋白或血紅素.此外，通過不同的路徑，過氧化氫酶、芳胺甲酰胺酶、血過氧化物酶或ROS均可以促進AFMK(VII)轉化為AMK(XIII)(f).最終，褪黑素可通過CYP2C19或CYP1A2脫甲基生成N－乙酰基色胺.

2 褪黑素的生物學作用

2.1 調(diào)節(jié)睡眠作用

晝夜節(jié)律睡眠障礙(circadian rhythm sleep disorders，CRSDs)主要發(fā)生在老人、嚴重視力障礙、輪班工人，以及經(jīng)常需要倒時差的人群中.此外，各種形式的失眠也影響著人們生活質(zhì)量.CRSDs和某些形式的失眠具有一個共同特點，即具有對松果體分泌的褪黑素的敏感性.褪黑素能夠調(diào)節(jié)位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)的生物鐘，具有調(diào)節(jié)睡眠的作用［17］.一些以人為受試體的研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素能夠誘導鎮(zhèn)靜、降低體溫、使胃腸道平滑肌放松，以及誘導其與睡眠有關的變化［18，19］.母乳中的褪黑素能夠起到改善嬰兒睡眠和減少嬰兒絞痛的作用［15］.Wright等［20］將10 mg的褪黑素和安慰劑分別每天給患自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders，ASD)癥的受試兒童連續(xù)服用3個月，結果發(fā)現(xiàn)褪黑素比安慰劑更能改善兒童的睡眠潛伏期(平均47 min)和總睡眠時間(平均52 min).然而，Gehrman等［21］以老年癡呆癥患者為受試者的實驗中發(fā)現(xiàn)，與安慰劑相比褪黑素并未起到促進睡眠和誘導鎮(zhèn)靜的作用.

圖3 褪黑素的降解路徑［6］Figure 3 Degradation pathways of melatonin

2.2 抗衰老作用

老齡化的主要特點是生理功能和代謝過程逐漸惡化.褪黑素(通常被稱為自由基清除劑)是一種強氧化劑，能夠保護身體免受有害物的影響，而褪黑素會隨著人年齡增加而減少，因此推測褪黑素與人體的老齡化具有相關性［22］.褪黑素能夠清除羥基、碳酸脂、多種有機基團，以及ROS，同時也能夠通過促進抗氧化酶，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽轉移酶、谷胱甘肽還原酶等的合成來增強細胞抗氧化性;褪黑素還能夠保持線粒體的動態(tài)平衡，減少自由基的合成，以及保護線粒體ATP的合成［23］.褪黑素的抗氧化性能在治療風濕性關節(jié)炎、女性不孕及老年原發(fā)性高血壓患者方面已得到證明［16］.

Forman等［24］每天將不同劑量的褪黑素(1 mg/kg和10 mg/kg)加入小鼠飲用水中，30 d后通過實時逆轉錄酶聯(lián)免疫反應檢測心臟中的炎癥介質(zhì)(腫瘤壞死因子α、白細胞介素1和10、NFkBp50和NFkBp52)，細胞凋亡標記物(BAD、BAX和Bcl2)，以及相關的氧化應激(血紅素加氧酶1和2、內(nèi)皮細胞和誘導性一氧化氮合成酶)的水平.結果顯示，與青年對照組相比，在老年加速衰老易發(fā)生的小鼠(senescence－accelerated mice prone，SAMP8)體內(nèi)炎癥、氧化應激和凋亡標記物水平均增加，而在加速衰老抵抗小鼠(senescence－accelerated－resistant mice，SAMR1)體中這些參數(shù)變化較小，且并不隨年齡增加而增加.停止喂食褪黑素后，這些參數(shù)在老年加速衰老易發(fā)生的小鼠體中明顯降低.Gutierrez－Cuesta等［25］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素的慢性治療能夠降低SAMP8的氧化應激和神經(jīng)退行性蛋白酶/Cdk5途徑，以及SAMP8大腦中的腦衰老和神經(jīng)退行性疾病GSK3β和tau蛋白磷酸化標記物的磷酸化，說明褪黑素能夠起到保護神經(jīng)和抗衰老的效果.

2.3 調(diào)節(jié)免疫作用

褪黑素對先天性免疫和獲得性免疫都具有促進作用.褪黑素可以通過多方面發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能，如增加免疫器官的重量，提高外周血中淋巴細胞百分數(shù)，促進抗體形成及T、B淋巴細胞增殖反應，刺激細胞因子產(chǎn)生，參與復雜的神經(jīng)—內(nèi)分泌—免疫網(wǎng)絡的調(diào)控［26］.

周愛民等［27］通過測定小鼠腹腔吞噬細胞吞噬率考察了褪黑素對機體非特異性免疫功能的影響，發(fā)現(xiàn)100～200 μg/kg的褪黑素對免疫功能低下或缺陷小鼠，在特異性和非特異性功能發(fā)揮免疫增強作用，但對正常小鼠，褪黑素只能提高小鼠的特異性細胞免疫功能.朱海娟等［28］研究了新生大鼠缺氧缺血性腦損傷(hypoxic－ischemic brain damage，HIBD)時對脾臟中腫瘤壞死因子α(TNF－α)、白細胞介素6(IL－6)表達的變化及外源性褪黑素對其產(chǎn)生的影響，結果表明新生大鼠HIBD時，脾臟TNF－α和IL－6的表達上調(diào)，而褪黑素可以抑制TNF－α的表達而增加IL－6的表達，HIBD對脾臟褪黑素受體的表達沒有影響，而外源性褪黑素對褪黑素受體mRNA的表達有下調(diào)作用.Da Cunha Pedrosa等［29］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠通過相應TCR/CD3的復合刺激來抑制CD95配體的mRNA和蛋白的表達上調(diào)，從而保護人體和小鼠CD4+T細胞的凋亡，這種抑制作用是通過干擾活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T cells，NFAT)的鈣調(diào)素/鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活化來阻止NFAT轉移到細胞核中.

2.4 抗腫瘤作用

褪黑素能夠促進腫瘤細胞凋亡，同時保持正常細胞的生存活力，被認為是一種很有前景的抗腫瘤劑.褪黑素作為重要的生理性抗腫瘤抑制劑，其抗腫瘤作用機制主要為阻斷雌激素作用通道、影響細胞分裂周期、調(diào)節(jié)生長因子的分泌和釋放、干擾鈣調(diào)素和微觀蛋白功能、增加細胞間縫隙連接等［30］.

血管是腫瘤擴散的重要媒介，當腫瘤擴散時，現(xiàn)有的血管供應量增加，導致缺氧癌細胞的擴散，而因子－1(hypoxia inducible factor－1，HIF－1)是重要的缺氧誘導血管調(diào)節(jié)器.Park等［31］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素在人結腸癌細胞株HCT116中能夠破壞HIF－1α蛋白水平，并在缺氧條件下抑制HIF－1的轉錄活性，導致血管內(nèi)皮生長因子表達減少.因此，褪黑素可通過抑制HIF－1介導的血管形成來阻止腫瘤的產(chǎn)生.Kim等［32］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠抑制小鼠體內(nèi)腫瘤的生長，阻斷腫瘤新生血管，并能在腫瘤發(fā)生過程中減少HIF－1α蛋白的表達.考慮到HIF－1α在大多數(shù)人類癌癥中的過度表達，作者認為褪黑素可以作為一種強效的癌癥治療劑.

Gonzalez等［33］研究褪黑素對胰腺AR42J腫瘤細胞株的影響時，發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠引起［Ca2+］c和［Ca2+］m的瞬間變化，誘發(fā)膜電位去極化和黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)氧化水平的降低.此外，該研究還發(fā)現(xiàn)對褪黑素響應的Ca2+依賴的caspase－3活性，說明褪黑素能夠通過對線粒體及caspase－3的活性作用來降低腫瘤細胞AR42J活性.Uguz等［34］考察了在大鼠胰腺腫瘤細胞株AR42J中褪黑素對三種化療藥物:5－氟尿嘧啶、順鉑和阿霉素導致的細胞毒性和細胞凋亡的影響.結果表明，褪黑素和三種化療藥物均能夠?qū)е翧R42J時間依賴的活性的降低，在48 h時細胞毒性達到最高.此外，褪黑素能夠明顯增強化療藥物的細胞毒性.說明褪黑素能夠促進化療誘導的AR42J鼠胰腺腫瘤細胞的毒性和凋亡.

3 結語

褪黑素具有改善睡眠、抗衰老、調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤等多種生物學作用，被認為是一種具有廣泛應用前景的化合物.褪黑素已被美國食品和藥物管理局(U.S.Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)批準作為膳食補充劑使用，我國衛(wèi)生部也批準褪黑素應用于保健品中.但關于褪黑素的生物學作用研究多建立在動物實驗的基礎上，而缺乏針對褪黑素毒副作用的臨床實驗.此外，褪黑素的生物學作用機理方面也亟待更為深入的研究.

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