能源貯備與繁殖：Leptin影響GnRH神經(jīng)元可能的信號(hào)通路

薛海龍，宋興超，曹新燕，楊鎰鋒，陳秀敏，許保增，常彤，高兵

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所吉林省特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130112)

哺乳動(dòng)物的生命活動(dòng)需要消耗大量的能量，必要的能源貯備數(shù)量是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。瘦素(Leptin，Lep)是脂肪分泌的外周激素，其含量與體脂含量成正比[1]，所以被稱為反映外周能源貯備情況的信號(hào)物質(zhì)。其動(dòng)態(tài)變化是中樞神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)能量平衡和生理活動(dòng)的重要依據(jù)。Lep通過與主要分布于腦內(nèi)瘦素受體(Leptin receptor，LepR)結(jié)合發(fā)揮作用。LepR屬于細(xì)胞因子受體家族，至少有5種不同的形式[1]。

必要的能源貯備也是哺乳動(dòng)物青春期啟動(dòng)和維持繁殖活動(dòng)的必要條件，Lep作為重要的能源儲(chǔ)備信號(hào)起到關(guān)鍵作用。缺乏Lep或LepR的人和小鼠無(wú)法進(jìn)入青春期、不能生育，恢復(fù)這些個(gè)體的Lep水平，能恢復(fù)促黃體素(Luteinizing hormone，LH)峰，促進(jìn)性成熟；缺乏Lep及LepR的成年動(dòng)物L(fēng)H分泌受到明顯抑制并表現(xiàn)為不孕不育，外源Lep能逆轉(zhuǎn)短期禁食引發(fā)的男性促性腺激素和雄激素水平下降。Lep缺乏還能引發(fā)雄性繁殖缺陷。早期認(rèn)為，Lep能誘導(dǎo)雌性青春期的啟動(dòng)[2，3]。后期研究表明，Lep不能獨(dú)自啟動(dòng)青春期，是啟動(dòng)青春期的必要不充分條件[4，5]。

Lep水平對(duì)繁殖活動(dòng)的上述影響實(shí)質(zhì)是中樞繁殖系統(tǒng)對(duì)能源儲(chǔ)備信號(hào)做出的反應(yīng)，這種反應(yīng)除了能源儲(chǔ)備數(shù)量(Lep水平)外，還與中樞系統(tǒng)對(duì)Lep的敏感性有關(guān)，這種敏感性與能源儲(chǔ)備的需求有關(guān)。一般而言，機(jī)體對(duì)能源儲(chǔ)備需求越高，對(duì)Lep的敏感性越低，以便保持較高的能源儲(chǔ)備。例如對(duì)能源儲(chǔ)備需求較高的女性青春期循環(huán)系統(tǒng)中的Lep水平升高[5]；而對(duì)能源儲(chǔ)備需求相對(duì)較低的男性青春期循環(huán)系統(tǒng)中的Lep水平未出現(xiàn)升高[6，7]。動(dòng)物妊娠期對(duì)能源儲(chǔ)備需求較高，此時(shí)中樞系統(tǒng)對(duì)瘦素的敏感性下降，機(jī)體會(huì)允許較高Lep水平和脂肪儲(chǔ)備數(shù)量；病理性肥胖(可以理解為對(duì)能源儲(chǔ)備需求過高的病理狀態(tài))的男性具有高Lep水平，而雄激素水平反而下降，性腺機(jī)能減退[8]。

哺乳動(dòng)物的繁殖活動(dòng)主要受下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)控。位于下丘腦視前區(qū)的促性腺釋放激素神經(jīng)元釋放促性腺激素釋放激素(Gonadotropin-releasing hormone，GnRH)，誘導(dǎo)垂體釋放促性腺激素，促性腺激素刺激性腺激素的分泌，三者共同協(xié)作調(diào)節(jié)繁殖活動(dòng)。Lep主要通過影響GnRH神經(jīng)元活動(dòng)，進(jìn)而影響下丘腦-垂體-性腺繁殖軸調(diào)節(jié)繁殖活動(dòng)。但是，GnRH神經(jīng)元不表達(dá)功能性LepR，敲除所有神經(jīng)元上的LepR導(dǎo)致青春期阻滯和不育；選擇性敲除GnRH神經(jīng)元上的LepR并未影響雌鼠的青春期啟動(dòng)和生殖功能[9]。因此，Lep并非直接調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元的活動(dòng)，而是通過復(fù)雜的中間途徑間接調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元的活動(dòng)。最新研究表明，腦內(nèi)的某些中間神經(jīng)元是這些中間途徑的重要組成部分。這些中間神經(jīng)元一般具備兩個(gè)特點(diǎn)：①位于腦內(nèi)，存在LepR，能與Lep結(jié)合；②與Lep結(jié)合后能調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)活動(dòng)。本文試圖從這些中樞中間神經(jīng)元切入，從能源儲(chǔ)備與繁殖關(guān)系的角度，探討外周的能源儲(chǔ)備信號(hào)(Lep)調(diào)節(jié)中樞的GnRH神經(jīng)元的作用途徑，試圖進(jìn)一步揭示外周能源儲(chǔ)備信號(hào)與中樞繁殖內(nèi)分泌系統(tǒng)的關(guān)系。

1　Kiss1表達(dá)神經(jīng)元

1.1　Kiss1表達(dá)神經(jīng)元與GnRH神經(jīng)元

下丘腦Kiss1表達(dá)神經(jīng)元分泌神經(jīng)肽Kisspeptins。Kisspeptins由Kiss1基因產(chǎn)物裂解產(chǎn)生，長(zhǎng)度為13個(gè)～54個(gè)氨基酸，受體為G蛋白耦聯(lián)受體54(G Protein-Coupled Receptors54，GPR54)[10]。Kiss1突變能引發(fā)原發(fā)性性腺機(jī)能亢進(jìn)或不足[10]。Kisspeptin受體缺失鼠都具有不孕不育表型[10]。總之，Kiss1表達(dá)神經(jīng)元對(duì)繁殖活動(dòng)具有重要影響。Kiss1對(duì)繁殖活動(dòng)的影響是通過調(diào)節(jié)GnRH分泌實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)是使用拮抗劑阻斷GnRH分泌后，Kisspeptin對(duì)繁殖活動(dòng)的促進(jìn)作用消失[11]；Kisspeptin神經(jīng)纖維末梢連接或緊密毗鄰GnRH神經(jīng)元[12]；GnRH神經(jīng)元中存在Kisspeptin受體GPR54[13]；Kisspeptin刺激GnRH釋放并進(jìn)入綿羊門脈循環(huán)[14]；Kisspeptin在體內(nèi)體外均能激活GnRH神經(jīng)元[15]。

1.2　Kiss1表達(dá)神經(jīng)元與Lep

Lep直接影響Kiss1表達(dá)神經(jīng)元的Kiss1表達(dá)，原因是小鼠和綿羊弓狀核(arcuate nucleus，ARC)內(nèi)的Kiss1神經(jīng)元內(nèi)檢測(cè)到功能性LepR的mRNA[16，17]；低Lep水平與Kiss1mRNA的低表達(dá)相伴出現(xiàn)，這在ARC中尤其明顯[16，17]；外源Lep能提高Lep缺乏動(dòng)物下丘腦內(nèi)Kiss1基因的表達(dá)[18，19]；Lep能提高能源儲(chǔ)備不足的綿羊下丘腦ARC Kiss1 mRNA的表達(dá)，Lep能提高鼠科動(dòng)物和人類神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Kiss1 mRNA水平[20]；Lep能直接激活幾內(nèi)亞豬ARC內(nèi)Kisspeptin神經(jīng)元[21]。

2　GABA神經(jīng)元

2.1　GABA神經(jīng)元與GnRH神經(jīng)元

伽瑪氨基丁酸(Gamma Aminobutyric Acid，GABA)是一種腦內(nèi)廣泛分布的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，GABA神經(jīng)元通過抑制GnRH 神經(jīng)元上游活動(dòng)，調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元活動(dòng)和繁殖活動(dòng)[22]。遺傳性敲除GABA神經(jīng)元上LepR后，雌鼠ARC和下丘腦視前區(qū)的前腹室周核(anteroventral periventricular，AVPV)內(nèi)Kiss1 mRNA的表達(dá)量減少，而Kisspeptin是連接Lep與GnRH 神經(jīng)元的重要信使[23]。因此GABA神經(jīng)元至少部分通過影響Kisspeptin神經(jīng)元活動(dòng)調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元活動(dòng)。

2.2　GABA神經(jīng)元與Lep

GABA神經(jīng)元表達(dá)LepR，敲除后，雌鼠表現(xiàn)為促性腺激素分泌不足、卵巢幼稚、卵巢衰竭、停止排卵、陰道開張延遲或消失、持續(xù)性不發(fā)情、生殖道萎縮和黃體缺乏。中樞性Lep信號(hào)缺乏所引發(fā)中樞性促性腺激素分泌不足，進(jìn)而導(dǎo)致出生后卵巢發(fā)育不良，無(wú)法進(jìn)入青春期等繁殖障礙[24]，與GABA信號(hào)缺乏的雌鼠表型一致，因此，GABA神經(jīng)元可能是Lep信號(hào)調(diào)節(jié)繁殖活動(dòng)的重要中間神經(jīng)元。Lep可能通過與LepR結(jié)合減少GABA神經(jīng)元的抑制作用調(diào)節(jié)繁殖活動(dòng)。

3　nNOS神經(jīng)元

3.1　nNOS神經(jīng)元與GnRH神經(jīng)元

一氧化氮(nitric oxide，NO)是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，在繁殖活動(dòng)的神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)控中具有重要意義，能直接調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元的活性[25]。NO產(chǎn)生于視前區(qū)的神經(jīng)性一氧化氮合成酶(neuronal NO synthase，nNOS)神經(jīng)元，后者參與排卵控制[26]。下丘腦視前區(qū)是基底前腦表達(dá)nNOS的重要位點(diǎn)，在這里NO的釋放會(huì)刺激GnRH分泌和排卵前GnRH/LH峰的出現(xiàn)[26]。nNOS缺陷雌鼠會(huì)出現(xiàn)排卵不規(guī)律、排卵前LH分泌減少、性腺機(jī)能減退等一系列繁殖障礙。Lep能恢復(fù)GnRH神經(jīng)元下游的LH水平，而抑制nNOS活性后，神經(jīng)內(nèi)分泌繁殖軸無(wú)法感知Lep水平的升高，Lep對(duì)LH水平恢復(fù)影響消失，外源Lep也無(wú)法恢復(fù)Lep缺陷鼠的生育能力[26]。敲除或抑制nNOS后，Lep對(duì)GnRH/LH分泌的刺激作用減弱。

3.2　nNOS神經(jīng)元與Lep

nNOS神經(jīng)元也表達(dá)GPR54[26]，所以可能與Kisspeptin神經(jīng)元存在功能上的互作。但是敲除Kisspeptin神經(jīng)元上的LepR并未影響生育[27]，激活Kisspeptin神經(jīng)元上的LepR未能促進(jìn)性成熟。完全缺乏Kisspeptin/GPR54信號(hào)的情況下，Lep對(duì)LH的刺激作用并未減弱。因此，Lep對(duì)繁殖軸的刺激作用似乎不太依賴GPR54信號(hào)，而更依賴nNOS神經(jīng)元，視前區(qū)的nNOS神經(jīng)元是整合Lep信號(hào)與繁殖軸的重要神經(jīng)元。

Lep能促進(jìn)視前區(qū)(Preoptic area，POA)nNOS蛋白催化亞基的快速磷酸化，進(jìn)而刺激GnRH神經(jīng)元下游的LH分泌[26]。遺傳性敲除或藥理抑制nNOS蛋白，Lep對(duì)GnRH下游的LH刺激釋放作用消失。一氧化氮合成酶1(Neuronal NO synthase1，NOS1)基因無(wú)效突變的Lep缺陷鼠，在長(zhǎng)期的Lep作用下，依然無(wú)法完成性成熟。視前區(qū)的LepR表達(dá)對(duì)控制GnRH/LH分泌具有重要作用。總之，NO信號(hào)是連接Lep信號(hào)與繁殖軸的重要中介，POA是整合Lep與GnRH神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要位點(diǎn)。

下丘腦腹側(cè)乳頭前核(Premammilary ventral nucleus，PMv)腹部是Lep敏感區(qū)之一，參與生殖的神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)[27]，這里多數(shù)表達(dá)nNOS的神經(jīng)元能感知Lep的變化。PMv對(duì)Lep敏感的神經(jīng)元是表達(dá)谷氨酸能(Glutamatergic，glu)神經(jīng)元并與POA相連[27]。多數(shù)POA的nNOS神經(jīng)元表達(dá)青春期啟動(dòng)相關(guān)受體，調(diào)節(jié)nNOS活性[24]，PMv內(nèi)的glu神經(jīng)元通過與POA內(nèi)的nNOS神經(jīng)元形態(tài)和功能上的互作調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元活動(dòng)。谷氨酸能神經(jīng)元與視前區(qū)nNOS神經(jīng)元可能共同協(xié)作感知Lep變化調(diào)節(jié)GnRH釋放。

4　結(jié)語(yǔ)

哺乳動(dòng)物的能源貯備對(duì)繁殖活動(dòng)具有重要意義。Lep是反映外周能源貯備數(shù)量的信號(hào)物質(zhì)，是中樞神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)能量?jī)?chǔ)存與釋放和繁殖活動(dòng)的重要依據(jù)。動(dòng)物的繁殖活動(dòng)主要受下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)控。Lep通過某些腦內(nèi)中間神經(jīng)元間接調(diào)節(jié)GnRH神經(jīng)元活動(dòng)，對(duì)動(dòng)物的繁殖產(chǎn)生影響。Kisspeptin神經(jīng)元、nNOS神經(jīng)元和GABA神經(jīng)元可能是連接Lep信號(hào)與GnRH神經(jīng)元的重要中間神經(jīng)元。這些中間神經(jīng)元構(gòu)成了連接Lep信號(hào)與GnRH繁殖神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)途徑的重要樞紐。探索連接Lep信號(hào)與GnRH神經(jīng)元之間的信號(hào)通路，對(duì)在分子和細(xì)胞水平上揭示能源貯備與繁殖關(guān)系的本質(zhì)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

[1]Jeffrey M.Friedman,M.D,Ph.D..The Function of Leptin in Nutrition,Weight,and Physiology[J].Nutrition Reviews,2002,60:1-13.

[2]Ahima RS,Dushay J,Flier SN,et al.Leptin accelerates the onset of puberty in normal female mice[J].Clin Invest,1997,99:391-395.

[3]Chehab FF,Mounzih K,Lu R,et al.Early onset of reproductive function in normal female mice treated with leptin[J].Science,1997,275:88-90.

[4]Cheung CC,Thornton JE,Kuijper JL,et al.Leptin is a metabolic gate for the onset of puberty in the female rat[J].Endocrinology,1997,138:855-858.

[5]Roa J,Garcia-Galiano D,Castellano JM,et al.Metabolic control of puberty onset:new players,new mechanisms[J].Mol Cell Endocrinol,2010,324:87-94.

[6]Barash IA,Cheung CC,Weigle DS,et al.Leptin is a metabolic signal to the reproductive system[J].Endocrinology,1996,137:3144-3147.

[7]Castellano JM,Roa J,Luque RM,et al.KiSS-1/kisspeptins and the metabolic control of reproduction:physiologic roles and putative physiopathological implications[J].Peptides,2009,30:139-145.

[8]Caprio M,Fabbrini E,Isidori AM,et al.Leptin in reproduction[J].Trends Endocrinol Metab,2001,(12):65-72.

[9]QuennellJH,MulliganAC,TupsA,et al.Leptin indirectly regulates gonadotropin-releasing hormone neuronal function[J].Endocrinology,2009,150:2805-2812.

[10]Smith JT.Kisspeptin and energy balance in reproduction[J].Reproduction,2014,147(3):53-63.

[11]Shahab M,Mastronardi C,Seminara SB.Increased hypothalamic GPR54 signaling:a potential mechanism for initiation of puberty in primates[J].Proc Natl Acad Sci USA,102:2129-2134.

[12]Franceschini I,Lomet D,Cateau M,et al.Kisspeptin immunoreactive cells of the ovine preoptic area and arcuate nucleus co-express estrogen receptor alepha[J].Neuroscience Letters,2006,401(3):225-230.

[13]Han S K,Gottsch M L,Lee K J,et al.Activation of gonadotropin-releasing hormone neurons by kisspeptin as a neuroendocrine switch for the onset of puberty[J].Neuroscience,2005,25(49):11349-11356.

[14]True C,Kirigiti MA,Kievit P,et al.Leptin is not the critical signal for kisspeptin or luteinising hormone restoration during exit from negative energy balance[J].Neuroendocrinol,2011,23:1099-1112.

[15]Pielecka-Fortuna J,Chu Z & Moenter SM.Kisspeptin acts directly and indirectly to increase gonadotropin-releasing hormone neuron activity and its effects are modulated by estradiol[J].Endocrinology,2008,149:1979-1986.

[16]Smith JT,Acohido BV,Clifton DK,et al.KiSS-1 neurones are direct targets for leptin in the ob/ob mouse[J].Neuroendocrinol,2006,18:298-303.

[17]Backholer K,Smith JT,Rao A,et al.Kisspeptin cells in the ewe brain respond to leptin and communicate with neuropeptide Y and proopiomelanocortin cells[J].Endocrinology,2010,151:2233-2243.

[18]Luque RM,Kineman RD,Tena-Sempere M,et al.Regulation of Hypothalamic Expression of KiSS-1 and GPR54 Genes by Metabolic Factors:Analyses Using Mouse Models and a CellLine[J].Endocrinology,2007,148:4601-4611.

[19]Castellano JM,Navarro VM,Fernandez-Fernandez R,et al.Expression of hypothalamic KiSS-1 system and rescue of defective gonadotropic responses by kisspeptin in streptozotocin-induced diabetic male rats[J].Diabetes,2006,55:2602-2610.

[20]Morelli A,Marini M,Mancina R,et al.Sex steroids and leptin regulate the“first Kiss”(KiSS1/G-protein-coupled receptor 54 system) in human gonadotropin-releasing-hormone-secreting neuroblasts[J].Sex Med,2008,(5):1097-1113.

[21]Qiu J,Fang Y,Bosch MA,et al.Guinea pig kisspeptin neurons are deplarized by leptin via activation of TRPC channels[J].Endocrinology,2011,152:1503-1514.

[22]Zuure WA,Roberts AL,Quennell JH,et al.Leptin signaling in GABA neurons,but not glutamate neurons,is required for reproductive function[J].Neurosci,2013,33:17874-17883.

[23]PinillaL,AguilarE,DieguezC,et al.Kisspeptins and reproduction:physio logical roles and regulatory mechanisms[J].Physiol Rev,2012,92:1235-1316.

[24]Nicole Bellefontaine.Leptin-dependent neuronal NO signaling in the preoptic hypothalamus facilitates reproduction[J].Clin Invest,2014,124(6):2550-2559.

[25]Clasadonte J,Poulain P,Beauvillain JC,et al.Activation of neuronal nitric oxide release inhibits spontaneous firing in adult gonadotropin-releasing hormone neurons:a possible local synchronizing signal[J].Endocrinology,2008,149(2):587-596.

[26]Hanchate NK.Kisspeptin-GPR54 signaling in mouse NO-synthesizing neurons participates in the hypothalamic control of ovulation[J].Neurosci,2012,32(3):932-945.

[27]Donato J.Leptin’s effect on puberty in mice is relayed by the ventral premammillary nucleus and does not require signaling in Kiss1 neurons[J].Clin Invest,2011,121(1):355-368.