運(yùn)動(dòng)、BDNF與能量代謝平衡的研究進(jìn)展

張林　習(xí)雪峰　聶文良

摘要：腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（NTF）家族的一員。BDNF主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)表達(dá)，主要分布在海馬、杏仁核和皮質(zhì)，在外周系統(tǒng)心臟、脂肪和骨骼肌也有表達(dá)。酪氨酸激酶受體B （ tyrosine kinase receptor B，Trk B）是BDNF的特異性高親和力受體，BDNF可通過(guò)與Trk B結(jié)合，激發(fā)各種信號(hào)傳導(dǎo)通路而發(fā)揮其特殊的生物學(xué)功能。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）及其受體酪氨酸激酶受體B （Trk B）基因突變或功能缺失均會(huì)導(dǎo)致機(jī)體能量代謝失衡。BDNF可通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)元的生存、生長(zhǎng)并維持其功能在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮著重要的作用，BDNF可通過(guò)中樞和/或外周的機(jī)制調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝。BDNF是運(yùn)動(dòng)預(yù)防和治療人體代謝紊亂的重要因子。運(yùn)動(dòng)可以改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)、外周組織細(xì)胞內(nèi)，以及血液 BDNF 水平。

關(guān)鍵詞： 健康促進(jìn)；腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子；酪氨酸激酶受體B；能量代謝；代謝平衡

中圖分類號(hào)： G 804.2文章編號(hào)：1009-783X（2012）04-0371-05文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor， BDNF）是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（neurotrophic factors，NTF）家族的一員。BDNF mRNA及蛋白主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)表達(dá)，主要分布在海馬、杏仁核和皮質(zhì)，也存在于紋狀體、基底前腦、下丘腦、腦干和小腦，近來(lái)發(fā)現(xiàn)卵巢、心、肺、血小板和骨骼肌也有表達(dá)。酪氨酸激酶受體B（ tyrosine kinase receptor B，Trk B）是BDNF的特異性高親和力受體，BDNF可通過(guò)與Trk B結(jié)合，激發(fā)各種信號(hào)傳導(dǎo)通路而發(fā)揮其特殊的生物學(xué)功能。BDNF既可通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)元的生存、生長(zhǎng)并維持其功能在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮著重要的作用，也可通過(guò)中樞和/或外周的機(jī)制調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝平衡。

1BDNF及其受體Trk B基因與能量代謝

人體和動(dòng)物研究表明，BDNF Val66Met是BDNF最常見(jiàn)的基因單核苷酸多態(tài)性，BDNF Val66Met多態(tài)性系BDNF基因編碼66氨基酸外顯子區(qū)堿基G→A突變導(dǎo)致纈氨酸（Val）→蛋氨酸（Met），BDNF基因的多態(tài)性改變了細(xì)胞內(nèi)pro-BDNF的轉(zhuǎn)運(yùn)和包裝，繼而使BDNF的分泌減少。BDNF Val66Met不但會(huì)對(duì)心理產(chǎn)生負(fù)面影響^[1]，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)體能量代謝失衡，引起肥胖或2型糖尿病^[2]。Thorleifsson等^[3]在2萬(wàn)5 344名冰島人、2 998名荷蘭人、1 890名歐裔美國(guó)人、1 160名非裔美國(guó)人和3 024名斯堪的納維亞人中研究了30萬(wàn)5 846個(gè)基因單核苷酸多態(tài)性，BDNF Val66Met被確定在肥胖發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。這一調(diào)查結(jié)果與其他研究結(jié)果一致，認(rèn)為BDNF（Val66Met）基因多態(tài)性在飲食失調(diào)和能量代謝調(diào)節(jié)中起著重要作用^[4]。BDNF +/-雜合子小鼠，表現(xiàn)為慢性貪食和能量代謝失衡，隨著年齡的增長(zhǎng)，逐漸發(fā)展為與年齡相關(guān)的肥胖，若腦室內(nèi)注射BDNF可迅速扭轉(zhuǎn)其肥胖狀態(tài)^[5]。BDNF轉(zhuǎn)基因?qū)Ψ逝趾吞悄虿〈笫竽Ｐ投加兄委熥饔茫珺DNF轉(zhuǎn)基因會(huì)使動(dòng)物體重顯著下降，并可減輕與肥胖相關(guān)的胰島素抵抗^[6]。為了使BDNF的表達(dá)量和體重下降幅度一致，Cao等^[6]運(yùn)用重組逆轉(zhuǎn)濾過(guò)性病毒作為載體攜帶2個(gè)基因表達(dá)框（cassettes），一個(gè)是激活BDNF的表達(dá)，一個(gè)是通過(guò)特殊目標(biāo)microRNA作用于BDNF，抑制BDNF的表達(dá)。當(dāng)體重下降時(shí)，microRNA活性增強(qiáng)，BDNF表達(dá)受到抑制。這種方法是模仿人體的內(nèi)源性生理反饋機(jī)制來(lái)扭轉(zhuǎn)肥胖，使體重下降并保持在理想狀態(tài)。另有研究表明，小鼠BDNF基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游的857 kb處通過(guò)基因修飾可降低BDNF的基因表達(dá)，這種人為突變小鼠（Timo/Timo）表現(xiàn)為肥胖、糖耐量受損、高血糖、高胰島素血癥等癥狀^[7]。

Trk B突變或功能缺失也會(huì)導(dǎo)致人和鼠類的能量代謝紊亂，導(dǎo)致貪食和病態(tài)肥胖^[8]。Yeo等發(fā)現(xiàn)^[9]Trk B編碼基因突變（Y722C）會(huì)減弱Trk B受體的信號(hào)能力，導(dǎo)致人的重度肥胖。這也充分證明了BDNF調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝是通過(guò)與高親和力受體Trk B受體結(jié)合發(fā)揮作用的。

Nakagawa等^[10]認(rèn)為BDNF對(duì)糖脂代謝的調(diào)節(jié)作用可能是 BDNF 的一種短期調(diào)節(jié)作用，它的作用可能與BDNF外周激素水平產(chǎn)生影響有關(guān)。在胰腺 α 細(xì)胞中也有BDNF 和Trk B 受體的表達(dá)，BDNF 通過(guò)抑制胰腺 α 細(xì)胞分泌過(guò)高的胰高血糖素^[11]，從而實(shí)現(xiàn)血糖的調(diào)節(jié)，維護(hù)血糖的穩(wěn)定。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中BDNF也會(huì)受外周雌激素、睪酮和糖皮質(zhì)激素等激素的調(diào)節(jié)作用。雌激素、睪酮使中樞BDNF含量升高，但較多的糖皮質(zhì)激素卻可使中樞BDNF含量降低^[12]。另外， BDNF和Trk B受體表達(dá)也會(huì)受到T3的抑制^[13]。T3和糖皮質(zhì)激素在機(jī)體內(nèi)主要參與體內(nèi)物質(zhì)和能量代謝調(diào)節(jié)，這些外周激素可能通過(guò)BDNF的表達(dá)和抑制在下丘腦等中樞神經(jīng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)糖脂代謝的調(diào)控，使其達(dá)到平衡。

2BDNF的中樞干預(yù)與調(diào)節(jié)能量代謝平衡的機(jī)制

BDNF作為一種神經(jīng)可塑因子，在神經(jīng)元生長(zhǎng)、分化、突觸聯(lián)接和損傷修復(fù)等過(guò)程中都起著重要的作用。BDNF 在下丘腦發(fā)育過(guò)程和發(fā)育成熟后時(shí)段表達(dá)水平較高。有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，出生后下丘腦神經(jīng)元的可塑性是調(diào)節(jié)體重，維護(hù)機(jī)體能量代謝平衡的重要因素^[14]；因此，BDNF 對(duì)能量代謝的調(diào)節(jié)有可能是影響下丘腦神經(jīng)元的早期發(fā)育來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而使能量代謝調(diào)控的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。這可以認(rèn)為是 BDNF 對(duì)機(jī)體能量代謝活動(dòng)的一種長(zhǎng)期調(diào)節(jié)作用。

2.1中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要能量代謝控制中心及其神經(jīng)肽

在成熟的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，BDNF及其受體Trk B高表達(dá)于2個(gè)主要的能量代謝控制中心：背側(cè)迷走神經(jīng)復(fù)合體（DVC）和下丘腦。下丘腦中調(diào)節(jié)能量攝入的關(guān)鍵區(qū)有室旁核（PVN）、弓狀核（ARC）、背內(nèi)側(cè)核（DMH）、腹內(nèi)側(cè)核（VMH）和下丘腦外側(cè)區(qū)（LHA）。下丘腦ARC中有AgRP神經(jīng)元和POMC神經(jīng)元，AgRP神經(jīng)元合成釋放神經(jīng)肽Y（NPY）和Agouti相關(guān)蛋白（AgRP），可促進(jìn)攝食、減少能量消耗、增加體重；POMC神經(jīng)元合成釋放可卡因-安非他明調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄肽（CART）和阿片促黑色素原（POMC），POMC可裂解成a-促黑激素（a-MSH），a-MSH通過(guò)與黑色素皮質(zhì)激素-4受體（MC4R）結(jié)合可發(fā)揮減少攝食、促進(jìn)能量消耗的作用。a-MSH 為MC4R的內(nèi)源激動(dòng)劑，NPY、AgRP為MC4R的內(nèi)源性拮抗劑。

2.2BDNF是調(diào)節(jié)能量代謝的下游信號(hào)蛋白

2.2.1BDNF是廋素、膽囊收縮素調(diào)節(jié)能量代謝平衡的下游信號(hào)

廋素（leptin）通過(guò)與下丘腦相關(guān)的反饋環(huán)可實(shí)現(xiàn)抑制攝食、增加能量消耗。當(dāng)體脂增加時(shí)，脂肪細(xì)胞分泌廋素，廋素經(jīng)血液循環(huán)到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，作用于下丘腦ARC神經(jīng)元上的廋素受體（ObR），通過(guò)抑制促食欲肽AgRP和NPY的表達(dá)、刺激厭食欲肽POMC（包括CART）的表達(dá)來(lái)達(dá)到抑制攝食、增加能量消耗的目的^[15]。廋素受體缺陷小鼠（db/db）表現(xiàn)為肥胖、高血廋素、高胰島素、高血糖等能量代謝失衡等癥狀，并表現(xiàn)為海馬和下丘腦BDNF的表達(dá)減少^[16]。BDNF已經(jīng)被證實(shí)參與廋素調(diào)節(jié)能量代謝平衡的下游信號(hào)，中樞BDNF干預(yù)可有效的降低廋素抵抗動(dòng)物模型的能量攝入^[17]。BDNF并不直接調(diào)節(jié)ARC神經(jīng)元 POMC/CART和NPY/AgRP的表達(dá)。因?yàn)槠涫荏wTrk B在下丘腦神經(jīng)核中的表達(dá)并不伴隨CART或 NPY的表達(dá)變化而變化^[18]，而是通過(guò)黑素皮質(zhì)素受體（MC-R）信號(hào)途徑實(shí)現(xiàn)的。Trk B亞等位基因肥胖大鼠（Ay）（Agouti Yellow Mice，過(guò)量異位表達(dá)MC4R拮抗劑AgRP）與黑皮質(zhì)素信號(hào)缺失大鼠（MC4R -/-）表征相似，Ay和MC4R -/-大鼠都表現(xiàn)為VMH中BDNF mRNA表達(dá)的下降，側(cè)腦室注射MC3/4R激動(dòng)劑MTII 可扭轉(zhuǎn)Ay大鼠 VMH BDNF mRNA表達(dá)的下降，同時(shí)BDNF表達(dá)的升高可抑制高脂喂養(yǎng)的MC4R信號(hào)缺失Ay刺豚鼠食欲和體重增長(zhǎng)。在體外，MC4R激動(dòng)劑MK1可刺激BDNF從離體的下丘腦中釋放；體內(nèi)外周注射MK1可降低大鼠的能量攝入，并可升高血壓、心率和體溫，但這種作用可被第三腦室注射anti-BDNF抗體所阻抑；側(cè)腦室注射BDNF可產(chǎn)生與MK1同樣的作用效果；MC4R的激活會(huì)激活下丘腦BDNF的表達(dá)，而且BDNF在下丘腦的釋放是MC4R調(diào)節(jié)能量攝入、體溫和心血管功能的先決條件^[19]。研究結(jié)果表明，BDNF是MC4R信號(hào)途徑下游調(diào)節(jié)能量平衡的關(guān)鍵信號(hào)蛋白。

背側(cè)迷走神經(jīng)復(fù)合體（DVC）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中另一個(gè)能量代謝控制中心，MC4R在DVC中豐富表達(dá)，膽囊收縮素（CCK）可作用于DVC的POMC神經(jīng)元合成釋放POMC，POMC裂解成a-MSH，a-MSH通過(guò)與MC4R結(jié)合來(lái)發(fā)揮厭食欲作用。CCK-介導(dǎo)的攝食下降伴隨有DVC中BDNF表達(dá)升高，BDNF在DVC的表達(dá)具有減少機(jī)體能量攝入的作用^[20]。廋素和CCK在降低能量攝入方面具有協(xié)同效應(yīng)，外周CCK治療可提高腦室注射廋素減體重的幅度和體重減輕后的保持時(shí)間^[21]。急性的外周廋素、CCK干預(yù)均可引起B(yǎng)DNF在DVC區(qū)的表達(dá)增加^[20]，說(shuō)明BDNF協(xié)同參與了CCK和廋素的降體重效應(yīng)。

2.2.2BDNF參與VMH內(nèi)類固醇受體-1調(diào)節(jié)能量代謝

VMH也是BDNF影響能量平衡的重要核團(tuán)，上調(diào)VMH中BDNF表達(dá)可抑制食欲，減少能量攝入^[22]。Wang 等^[23]將0.5 μg BDNF 注入雄性SD大鼠VMH后，BDNF可以顯著降低動(dòng)物食物和水的攝入，抑制體重增長(zhǎng)；注射BDNF 9 h后，大鼠自主體力活動(dòng)（SPA）和能量消耗（EE）提高，機(jī)體產(chǎn)熱和靜息代謝率（RMR）增加。VMH中類固醇受體-1（SF-1）神經(jīng)元在控制體重中起著重要的作用^[24]。SF-1基因的突變和缺失，將導(dǎo)致一系列內(nèi)分泌系統(tǒng)的代謝紊亂，最終導(dǎo)致糖尿病、肥胖和高血壓等一系列代謝綜合征的癥候群。VMH中BDNF的表達(dá)是SF-1影響能量代謝下游信號(hào)通路中的關(guān)鍵因子，SF-1的缺乏會(huì)導(dǎo)致VMH中BDNF水平下降，從而導(dǎo)致肥胖^[25]。此外，下丘腦室旁核（PVN） 中BDNF注射也可以通過(guò)提高靜息代謝率（RMR）來(lái)提高能量消耗（EE）^[26]。

3BDNF外周干預(yù)與糖脂代謝

多項(xiàng)研究證明，BDNF對(duì)機(jī)體糖代謝平衡也起著重要的作用。重復(fù)的BDNF皮下注射治療可以降低db/db小鼠食物攝入、尿糖的排泄^[27]和恢復(fù)高血糖至正常水平，為了排除BDNF引起的攝食減少對(duì)血糖的影響，BDNF治療組和對(duì)照組的攝食量嚴(yán)格校準(zhǔn)一致后，BDNF仍具有顯著的降血糖作用，說(shuō)明BDNF的降血糖作用并不是由于攝食減少引起的^[28]。在鏈脲菌素誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠，BDNF的降血糖作用并不明顯，但可提高機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性，提高胰島素降血糖的效能^[29]。BDNF皮下注射可提高db/db小鼠橫膈膜、心臟、腓腸肌、比目魚(yú)肌和肩胛間棕色脂肪組織對(duì)[14狢]2-DG（脫氧葡萄糖）的攝取，表明BDNF可以通過(guò)提高肌肉和脂肪組織的葡萄糖利用而改善糖代謝^[30]。PI3K-Akt信號(hào)通路是胰島素的主要下游分子通路，BDNF外周干預(yù)可以提高db/db小鼠肝臟、骨骼肌和棕色脂肪組織PI3K的活化，說(shuō)明BDNF可通過(guò)調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)應(yīng)答來(lái)改善機(jī)體胰島素抵抗和提高血糖的攝取^[31]。ICR小鼠皮下注射BDNF（20mg/kg/day）14 d可顯著降低攝食和體重，并可提高腓腸肌GLUT4蛋白的表達(dá)，從而提高肌肉對(duì)葡萄糖的吸收和利用^[32]。此外，研究發(fā)現(xiàn)BDNF干預(yù)還具有阻止胰腺β-細(xì)胞功能衰竭^[33]、抑制胰島α-細(xì)胞胰高血糖素分泌的作用^[34]。

4運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體BDNF表達(dá)的影響及改善能量代謝的機(jī)制

運(yùn)動(dòng)能量代謝活動(dòng)具有長(zhǎng)期和短期的共同作用。BDNF 水平也受運(yùn)動(dòng)的影響；但運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌，以及血液等不同組織的BDNF 水平變化不同，這對(duì)組織細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育和能量代謝活動(dòng)有促進(jìn)作用。

4.1運(yùn)動(dòng)提高腦BDNF水平

運(yùn)動(dòng)可以增加腦中BDNF基因的表達(dá)，提高機(jī)體認(rèn)知功能和改善情緒。多項(xiàng)研究^[35]表明運(yùn)動(dòng)可以提高大鼠腦中海馬BDNF mRNA及其蛋白的表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)元的生長(zhǎng)、分化和可塑性，從而改善學(xué)習(xí)記憶和促進(jìn)腦健康。cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）是一種真核生物細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控因子，在神經(jīng)元再生、突觸形成及學(xué)習(xí)記憶等方面具有重要的調(diào)節(jié)作用；神經(jīng)細(xì)胞可以通過(guò)依賴于CREB的機(jī)制誘導(dǎo)BDNF的表達(dá)。研究^[36]表明，運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)提高CREB的磷酸化調(diào)節(jié)腦中BDNF的基因轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)控BDNF基因的表達(dá)。BDNF可以作用于中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)參與機(jī)體的能量攝入^[37]，跑步運(yùn)動(dòng)可通過(guò)活化BDNF-Trk B信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對(duì)抗炎癥所誘導(dǎo)的黑質(zhì)體多巴胺神經(jīng)元的退化^[38]，從而調(diào)節(jié)軀體運(yùn)動(dòng)和能量代謝。

4.2運(yùn)動(dòng)與血液BDNF水平

研究^[39]發(fā)現(xiàn)，血清和血漿中均可檢測(cè)到BDNF，血清中BDNF的濃度是血漿的100倍，血液循環(huán)中的BDNF大部分儲(chǔ)存于血小板中，血管內(nèi)皮細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞和白細(xì)胞等也有BDNF的表達(dá)。BDNF可以穿越血腦屏障，運(yùn)動(dòng)可以增加BDNF從腦中釋放^[40-41]；但大部分研究認(rèn)為血清/血液BDNF水平上升具有強(qiáng)度依賴性，高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可以瞬時(shí)提高血清/血液BDNF水平^[42]，而中低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)對(duì)血液BDNF水平無(wú)影響或影響不大^[43]。但也有相反報(bào)道^[44]，運(yùn)動(dòng)所引起的血清/血漿BDNF濃度上升與改善情緒^[45]、提高學(xué)習(xí)記憶、保護(hù)心血管功能^[46]和改善胰島素抵抗有關(guān)^[47]。

4.3運(yùn)動(dòng)可提高骨骼肌BDNF表達(dá)

Avila等^[48]實(shí)驗(yàn)表明，BDNF mRNA可在小鼠骨骼肌內(nèi)表達(dá)。肌肉收縮也可增加骨骼肌內(nèi)BDNF mRNA及其蛋白的表達(dá)^[49]。為了排除BDNF來(lái)源于其他非肌細(xì)胞的可能性，如肌肉內(nèi)的神經(jīng)元，Matthews等^[50]研究采用了肌細(xì)胞培養(yǎng)的方法來(lái)研究肌細(xì)胞內(nèi)BDNF的表達(dá)。與在體研究結(jié)果一致，電刺激骨骼肌細(xì)胞可以增加BDNF mRNA及其蛋白的表達(dá)，電刺激骨骼肌細(xì)胞所產(chǎn)生的BDNF并不釋放到細(xì)胞培養(yǎng)液中。為了驗(yàn)證體內(nèi)骨骼肌所產(chǎn)生的BDNF是否釋放到血液循環(huán)中，Matthews等運(yùn)用體電穿孔技術(shù)（Electroporation Technique）使小鼠骨骼肌瞬時(shí)產(chǎn)生過(guò)量的BDNF，和對(duì)照組相比，血漿BDNF的水平?jīng)]有上升，進(jìn)一步證明骨骼肌所產(chǎn)生的BDNF并不釋放到血液循環(huán)中，只在局部發(fā)揮作用。肌細(xì)胞培養(yǎng)研究顯示，肌細(xì)胞AMPK和乙酰輔酶A羧化酶-β（ACCβ）的磷酸化與加入BDNF呈劑量依賴性，AMPK抑制劑可以抑制ACCβ的磷酸化。電刺激可使骨骼肌細(xì)胞BDNF的產(chǎn)生增加，Trk B的磷酸化增加，同時(shí)伴隨脂肪代謝重要酶ACCβ的磷酸化顯著增加。這些證據(jù)表明BDNF作為骨骼肌收縮誘導(dǎo)蛋白，它是通過(guò)激活A(yù)MPK信號(hào)途徑而增加骨骼肌中脂肪的氧化，從而增加機(jī)體能量的消耗，如圖1、圖2所示。