黑皮質(zhì)素神經(jīng)元通過(guò)多重途徑調(diào)節(jié)新陳代謝

趙宇飛,科爾沁滿來(lái),張 雪,李鵬輝,杜晨光

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014109)

中樞黑皮質(zhì)素通路由眾多神經(jīng)元組成,釋放內(nèi)源性黑皮質(zhì)素配體(ACTH,α-β-γ黑皮質(zhì)素刺激激素(MSH)),五個(gè)受體(MC1R,MC2R,MC3R,MC4R及MC5R)和內(nèi)源性黑皮質(zhì)素抑制劑/反向激動(dòng)劑及刺鼠相關(guān)肽(AgRP)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中POMC神經(jīng)元定位在下丘腦弓狀核(ARC)及腦干的孤束核(NTS)內(nèi),二者均涉及到能量平衡的調(diào)節(jié)中。在熱量充足的應(yīng)答中,POMC神經(jīng)元被激活后減少進(jìn)食,增加能量消耗及減少體重。AgRP被促進(jìn)食欲的激素Ghrelin激活,被厭食激素如5羥色胺或Leptin抑制[1-3]。

ACTH和α-β-γ MSH是中樞黑皮質(zhì)素系統(tǒng)的激動(dòng)劑,結(jié)合五種不同的G蛋白偶聯(lián)受體(MC1R,MC2R,MC3R,MC4R及MC5R)。這五種黑皮質(zhì)素受體經(jīng)鑒定僅有MC3R和MC4R表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng),ACTH和α-β-γ MSH與MC3R和MC4R結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)能量平衡[1-3]。類似于人類基因突變,MC4R基因敲除小鼠表現(xiàn)為食欲增加、高血糖、血Leptin增多以及血胰島素增多。

在中樞黑皮質(zhì)素系統(tǒng)中AgRP和POMC在小丘腦弓狀核是兩個(gè)上游神經(jīng)元。這兩個(gè)上游神經(jīng)元整合、分配來(lái)自于中樞或外周的激素或神經(jīng)信號(hào)等信息如脂肪酸(FA)、膽囊收縮素(CCK)、肽 YY(PYY)、瘦素、胰島素、饑餓素、垂體腺苷酸環(huán)化酶激活肽(PACAP)、羥色胺、GABA以及谷氨酸鹽。本文主要概述“營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)”中樞黑皮質(zhì)素通路內(nèi)的信號(hào)在健康范圍內(nèi)維持體重及肥胖中的作用。

1 激素信號(hào)

1.1 Leptin Leptin有外周脂肪組織合成并釋放,在調(diào)節(jié)能量平衡中有重要的作用。在嚙齒類和人類中Leptin或其受體缺乏是暴食和減少能量消耗導(dǎo)致肥胖的原因。Leptin注射到Leptin敲除小鼠中可完全的抑制暴食及肥胖,現(xiàn)已證明長(zhǎng)期注射Leptin可完全消耗盡脂肪組織。腦室內(nèi)注射非選擇性MC4R抑制劑SHU9119可抑制肥胖小鼠中Leptin的抑制進(jìn)食效應(yīng)。同樣,腦室內(nèi)注射Leptin不能緩解MC4R敲除肥胖小鼠的暴食行為。只有在中樞黑皮質(zhì)素系統(tǒng)被SHU9119抑制時(shí)Leptin通過(guò)中樞系統(tǒng)可調(diào)節(jié)葡萄糖合成減少。這些結(jié)果顯示,中樞黑皮質(zhì)素系統(tǒng)是Leptin調(diào)節(jié)體重、能量平衡及葡萄糖穩(wěn)態(tài)的下游靶點(diǎn)。

1.2 Insulin Insulin是一種由胰腺分泌的肽類激素,主要調(diào)節(jié)外周血糖平衡。中樞Insulin與其受體(IR)結(jié)合模擬一種能量過(guò)剩的狀態(tài),從而抑制進(jìn)食及體重增加。IR廣泛表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,在下丘腦區(qū)域表達(dá)量最高。在AgRP神經(jīng)元中敲除IR發(fā)現(xiàn)抑制肝臟合成葡萄糖需要Insulin激活A(yù)gRP神經(jīng)元。然而,在POMC神經(jīng)元中敲除IR不影響能量或葡萄糖穩(wěn)態(tài)。盡管如此,黑皮質(zhì)素系統(tǒng)依然影響Insulin的作用。尤其是弓狀核POMV神經(jīng)元投射到中間外側(cè)核和迷走神經(jīng)背側(cè)運(yùn)動(dòng)核的MC4R表達(dá)區(qū)域,減少I(mǎi)nsulin釋放或者增加Insulin敏感度。一個(gè)潛在的機(jī)制,MC4R的活化可能是由于Insulin通過(guò)AMPK通路激活mTOR信號(hào),抑制c-Jun N氨基末端激酶活性以及促進(jìn)Insulin信號(hào)[5]。這些研究顯示,在黑皮質(zhì)素系統(tǒng)與Insulin信號(hào)通路間有強(qiáng)相互作用。

1.3 脂肪酸類 脂肪酸類(FA)作為一個(gè)營(yíng)養(yǎng)利用率的感受器在腦內(nèi)控制能量平衡。在下丘腦內(nèi),來(lái)自于外周的FA信號(hào)調(diào)節(jié)攝食、Insulin分泌以及肝葡萄糖合成(HGP)。嚙齒類動(dòng)物腦室內(nèi)注射單不飽和酸油酸(OA)或多不飽和氧-3-二十二碳六烯酸顯示增加POMC mRNA表達(dá)量以及減少了NPY mRNA表達(dá)量,隨后釋放α-MSH釋放減少進(jìn)食、降低體重及葡萄糖合成。然而,中樞給藥SHU9119 48 h后,沒(méi)有明顯的血糖水平-OA持續(xù)抑制血糖合成的作用[6]。脂肪酸合成酶(FAS)和促進(jìn)食欲的NPY在弓狀核出有共表達(dá)關(guān)系。抑制FAS C75的作用能夠明顯的減少進(jìn)食及體重。然而,這種厭食效應(yīng)通過(guò)影響NPY在黑皮質(zhì)素系統(tǒng)中的合成被介導(dǎo)[7]。總之,POMC神經(jīng)元和AgRP神經(jīng)元在下丘腦內(nèi)指示血漿FA水平及他們的代謝物調(diào)節(jié)能量平衡及葡萄糖穩(wěn)態(tài)。

1.4 膽囊收縮素 膽囊收縮素(CCK)是一種胃腸釋放肽,合成在胃腸系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)。所有外周或中樞給藥CCK均會(huì)引起進(jìn)食減少。首先進(jìn)食后,CCK激活孤束核CCK神經(jīng)元,孤束核神經(jīng)核團(tuán)做出應(yīng)答進(jìn)而抑制進(jìn)食并且減少進(jìn)食量?；瘜W(xué)遺傳和光遺傳學(xué)試驗(yàn)均顯示這種飽食功能通過(guò)CCKNTS-PVH通路介導(dǎo)。其次,電生理記錄顯示,PVH中約有23%的MC4R神經(jīng)元被CCK-8激活,表明CCK激活PVH中控制食欲的MC4R表達(dá)神經(jīng)元[8]。第三,在大鼠中SHU9119可阻斷CCK介導(dǎo)的抑制進(jìn)食效應(yīng)。最后,MC4R激動(dòng)劑黑素2(MTII)在第四室刺激ERK1/2在NTS的磷酸化作用,而MC4R抑制劑SHU9119在第四室調(diào)節(jié)自由進(jìn)食的老鼠限制了CCK誘導(dǎo)的ERK1/2在NTS的磷酸化作用,并阻斷CCK引起的減少食物攝入效應(yīng)。以上結(jié)果顯示,活化的MC4R參與CCK介導(dǎo)的抑制進(jìn)食效應(yīng)。

1.5 Ghrelin Ghrelin是一種促食欲肽,主要合成在胃中。當(dāng)缺乏Ghrelin受體小鼠飼喂高脂飲食后表現(xiàn)為血壓不正常及偏瘦。此外,這些GHSR缺乏小鼠表現(xiàn)為增加自發(fā)活動(dòng)及增強(qiáng)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[9]。Ghrelin通過(guò)激活A(yù)RC內(nèi)的NPY/AgRP神經(jīng)元中的GHSR從而刺激進(jìn)食及增加局部脂肪量。腦室內(nèi)(ICV)注射未?；疓hrelin增加MC4R表達(dá)量,減少M(fèi)C3R表達(dá)量[10]。在人類的研究中與瘦患者相比在MC4R缺乏的患者中,對(duì)總Ghrelin的餐后抑制減弱。表明對(duì)人類餐后Ghrelin抑制的調(diào)節(jié)可能涉及到中樞黑皮質(zhì)素信號(hào)。以上結(jié)果表明,中樞黑皮質(zhì)素信號(hào)在調(diào)節(jié)Ghrelin的促食欲效應(yīng)中起關(guān)鍵性作用。

1.6 縮氨酸YY 縮氨酸YY(PYY)是一個(gè)厭食胃腸激素,主要表達(dá)在腸L細(xì)胞。PYY與能量平衡及葡萄糖穩(wěn)態(tài)有關(guān)。餐后PYY與胰高血糖素樣肽1共同分泌。PYY敲除小鼠表現(xiàn)為進(jìn)食增加并演變?yōu)榉逝帧Ｏ喾?PYY過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠減少進(jìn)食量并防止了飲食誘導(dǎo)的肥胖。在人類的研究中外周給藥PYY3-36可減少進(jìn)食。在飲食誘導(dǎo)的肥胖嚙齒類動(dòng)物模型中,外周給藥PYY3-36可減少進(jìn)食、降低體重及提高胰島素敏感度。有趣的是,在之后的研究中證明MC4R對(duì)于PYY3-36的厭食效應(yīng)并不重要,因?yàn)镻YY3-36同樣影響包括野生型小鼠及MC4R缺乏小鼠的飽食。因此,在接下來(lái)的研究中需要闡明PYY和MC4R間的關(guān)系。

1.7 垂體腺苷酸環(huán)化酶激活肽 垂體腺苷酸環(huán)化酶激活肽(PACAP)最初來(lái)源于牛下丘腦,屬于作用于血管的腸道多肽/分泌素/高血糖素的神經(jīng)肽家族,PACAP基因敲除小鼠與受損的脂類代謝、糖類攝入及棕色脂肪組織產(chǎn)熱有關(guān),然而PAC1R基因切除小鼠導(dǎo)致胰島素對(duì)葡萄糖的敏感度受損、減少葡萄糖耐受性[11]。此外,腦室內(nèi)注射PACAP與PAC1R結(jié)合后增加POMC mRNA和MC4R mRNA的表達(dá),減少進(jìn)食并增加能量消耗。然而這種影響在PACAP或PAC1R基因敲除小鼠中被削弱。PACAP在食物攝入量中的影響通過(guò)MC3-R或MC4-R抑制劑SHU9119同樣被減弱。因此,上述結(jié)果表明,PACAP通過(guò)黑皮質(zhì)素相關(guān)通路影響能量平衡。

2 神經(jīng)信號(hào)

2.1 血清素 血清素(5-羥色胺,5-HT)是一種多功能單胺神經(jīng)遞質(zhì),分泌與所有的外周組織及腦組織?，F(xiàn)已證明血清素與5-HT2C或5-HT1B受體結(jié)合后可抑制進(jìn)食及促進(jìn)體重減少[12]。藥理學(xué)研究證明,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中增加5-HT活性能夠引起血清素的厭食效應(yīng)。全身缺乏5-HT2C或5-HT1B小鼠導(dǎo)致暴食、肥胖、葡萄糖穩(wěn)態(tài)受損及減弱對(duì)厭食5-HT藥物的反應(yīng)。最近的研究顯示,黑皮質(zhì)素通路是重要的血清素反向影響能量平衡的下游調(diào)節(jié)劑[13]。大鼠使用 MC3R或 MC4R抑制劑SHU9119處理后5-HT2C受體特異性激動(dòng)劑D-Fen的厭食效應(yīng)被減弱。有趣的是小鼠缺乏MC4Rs對(duì)于5-HT2C受體激動(dòng)劑誘導(dǎo)的肥胖沒(méi)有反應(yīng)。這些研究表明,完整的中樞黑皮質(zhì)素系統(tǒng)對(duì)于血清素的厭食效應(yīng)是必須的。

2.2 GABA γ-氨基丁酸(GABA)在腦內(nèi)主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì),作用的發(fā)揮通過(guò)兩種不同類型的膜GABA受體：離子轉(zhuǎn)換(GABAA)和代謝型(GABAB)受體。雙邊下丘腦外側(cè)區(qū)注射GABAA受體抑制劑苦味毒可明顯的引起進(jìn)食相反注射GABAA受體激動(dòng)劑蠅蕈醇可明顯抑制進(jìn)食及體重。表明GABA有直接抑制POMC神經(jīng)元快速影響下游神經(jīng)元活性的作用。最后這些結(jié)論表明,在后腦的外側(cè)臂旁核GABA釋放到AgRP神經(jīng)元與GABAA受體神經(jīng)元結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)食欲及體重。接下來(lái)的研究中將使用遺傳小鼠模型,這對(duì)于進(jìn)一步理解GABA在中樞黑皮素途徑中的作用有積極意義。

2.3 谷氨酸鹽 谷氨酸鹽是腦內(nèi)一種主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),主要調(diào)節(jié)體重、進(jìn)食及代謝。在暴食進(jìn)食障礙的狒狒模型中代謝性甘氨酸鹽mGluR5受體激動(dòng)劑(R,S)-2-氯-5-羥基苯甘氨酸(CHPG)研究證實(shí)也可刺激進(jìn)食,谷氨酸能抑制劑 NMDA及mGluR5受體證實(shí)可減少食物攝入量[14]。在NPY神經(jīng)元和POMC神經(jīng)元上觀察到大量的囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體2(VGluT2)-免疫反應(yīng)末端,表明谷氨酸能神經(jīng)纖維被定位在弓狀核區(qū)域[15]。這些結(jié)果顯示,谷氨酸鹽通過(guò)黑皮質(zhì)素依賴性途徑可能影響進(jìn)食行為。此外,在MC4RR沉默背景的小鼠中僅在Sim1神經(jīng)元中選擇性的恢復(fù)MC4R表達(dá)通過(guò)改善暴食進(jìn)而逆轉(zhuǎn)肥胖表型。因此,這些研究結(jié)果表明,在下丘腦PVH中MC4R表達(dá)的谷氨酸能神經(jīng)元對(duì)于MC4R控制進(jìn)食是必要和充分的。

3 展望

使用基因突變及藥用化合物很大程度拓展了我們對(duì)于黑皮質(zhì)素系統(tǒng)在調(diào)節(jié)能量平衡中作用的認(rèn)識(shí)。Leptin、CCK、脂肪酸、Ghrelin和血清素在能量平衡中的作用取決于黑皮質(zhì)素系統(tǒng)。相反,PYY、PACAP和谷氨酸鹽在能量平衡總的作用不依賴此系統(tǒng)。神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展尤其是小鼠模型的發(fā)展、SRISPR技術(shù)、光遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)、順行/逆行映射技術(shù)及細(xì)胞測(cè)序隨著神經(jīng)元或激素輸出的鑒定對(duì)于體重調(diào)節(jié)至關(guān)重要[16]。為了驗(yàn)證從嚙齒類動(dòng)物上的發(fā)現(xiàn),還需要建立靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型。這些未來(lái)的研究將為人類疾病提供重要的思路。