基于POMC/AgRP神經(jīng)元探討瘦素調(diào)節(jié)食欲的作用機制

戚宇琪，郭 杰，郭曉霞

(1.山西省中醫(yī)藥研究院，太原 030012； 2.山西中醫(yī)藥大學，太原 030024； 3.山西省中醫(yī)院特需內(nèi)分泌科，太原 030012)

肥胖是指人體將過剩能量轉(zhuǎn)化為多余脂肪并積聚在體內(nèi)的一種狀態(tài)。近年來，全球肥胖的發(fā)病率呈逐年增長趨勢。至2015年我國18歲及以上人群的肥胖率已達11.9%，超重率達30.1%[1]。2016年中國超重/肥胖醫(yī)學營養(yǎng)治療專家共識定義體質(zhì)指數(shù)(body mass index，BMI)為25～29.9 kg/m2為超重，BMI≥30 kg/m2為肥胖[2]。食欲亢進是肥胖的重要原因[3]。研究發(fā)現(xiàn)，瘦素和瘦素受體與食欲控制密切相關(guān)[4-5]。瘦素可通過多種信號轉(zhuǎn)導途徑作用于阿片-促黑素細胞皮質(zhì)素原(proopiomelanocortin，POMC)神經(jīng)元以促進其產(chǎn)生抑制食欲的α-促黑色素細胞刺激素(α melanocyte-stimulating hormone，α-MSH)，同時亦可作用于刺鼠相關(guān)蛋白(agouti-related peptide，AgRP)/神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)神經(jīng)元以抑制其產(chǎn)生促進食欲的AgRP和NPY[6]。然而，瘦素發(fā)揮作用的信號轉(zhuǎn)導途徑紛繁復(fù)雜，具體機制尚不明確，目前瘦素信號轉(zhuǎn)導途徑已成為國際上研究肥胖及其相關(guān)疾病的熱點方向。現(xiàn)參考國內(nèi)外相關(guān)文獻，以作用于AgRP/POMC神經(jīng)元的信號轉(zhuǎn)導途徑為切入點，對瘦素及瘦素受體在調(diào)節(jié)食欲方面的作用機制予以綜述，為基于食欲控制的肥胖癥的預(yù)防與治療提供新的思路。

1 瘦素與瘦素受體

瘦素是由肥胖基因編碼、白色脂肪細胞分泌的一種分子量為16 000的蛋白[7]。1994年有學者利用定位克隆發(fā)現(xiàn)并成功克隆了位于小鼠第6號染色體上的ob基因，隨后人與大鼠的ob基因也相繼被克隆，ob基因的表達產(chǎn)物也被正式命名為Leptin，中文譯為“瘦素”[8]。在機體中，瘦素參與調(diào)節(jié)能量代謝、食欲及生長發(fā)育[9]，瘦素基因敲除會導致機體脂肪組織功能異常，繼發(fā)攝食過量和能量消耗減少，引起肥胖[5]。瘦素受體廣泛存在于下丘腦、海馬等中樞神經(jīng)系統(tǒng)和胰島、心臟等外周器官中，瘦素受體本身并不具有酪氨酸激酶活性，信號轉(zhuǎn)導作用是通過偶聯(lián)和激活酪氨酸激酶(Janus kinases，JAK)2實現(xiàn)[10]。白色脂肪細胞分泌的瘦素透過血腦屏障后與瘦素受體的特異性結(jié)合使瘦素受體分子二聚化以增強其與JAK2的親和力并與JAK2偶聯(lián)，偶聯(lián)的JAK2相互接近，通過其表面酪氨酸的相互作用以完成磷酸化活化，并與受體蛋白上的不同位點結(jié)合，啟動相應(yīng)信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)，導致POMC/AgRP神經(jīng)元表達，進而發(fā)揮食欲調(diào)節(jié)的作用。根據(jù)JAK2與瘦素受體蛋白結(jié)合的位點，其信號轉(zhuǎn)導通路可分為JAK2/信號轉(zhuǎn)導及轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)3途徑、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)/胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)1/2途徑、胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)途徑3種[11]。

2 JAK2/STAT信號轉(zhuǎn)導途徑

1992年Schindler等[12]在有關(guān)干擾素的研究中首次發(fā)現(xiàn)了STAT蛋白。STA由src同源2區(qū)(srchomology 2 domain，SH2)結(jié)構(gòu)域、卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域、氨基末段結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄激活域、DNA結(jié)構(gòu)域、酪氨酸激活域6個功能區(qū)組成，其中對STAT活化起至關(guān)重要作用的是SH2結(jié)構(gòu)域，其作為一個高度保守的結(jié)構(gòu)域，首先與磷酸化的瘦素受體特異性結(jié)合，其次在JAKs的作用下實現(xiàn)STAT的磷酸化活化[13]。JAK2/STAT3途徑于20世紀90年代初第一次被發(fā)現(xiàn)[14]，活化了的JAK2作用于瘦素受體，使得瘦素受體蛋白上的Tyr1138、Tyr1077被磷酸化，而活化的Tyr1138和Tyr1077與STAT3和STAT5上SH2結(jié)構(gòu)域的特異性結(jié)合導致STAT3、STAT5活化[15]?；罨腟TAT3、STAT5與瘦素受體解離繼而形成異型或同型二聚體，二聚體進入細胞核與位于靶基因上游的反向重復(fù)序列TTCCNGGAA結(jié)合，上調(diào)POMC基因的表達，下調(diào)AgRP/NPY基因的表達，轉(zhuǎn)錄并翻譯POMC蛋白，并激活下丘腦弓狀核中的POMC神經(jīng)元，促進其產(chǎn)生抑制食欲的α-MSH，發(fā)揮瘦素調(diào)節(jié)食欲的生理學效應(yīng)[13-15]。在此過程中，促紅細胞生成素是JAK2/STAT信號轉(zhuǎn)導通路的促進因子，其可促進JAK2、STAT磷酸化[16]；蛋白酪氨酸酶1B則是JAK2/STAT信號轉(zhuǎn)導通路的抑制因子，其通過阻斷STAT3與靶基因DNA的結(jié)合，抑制瘦素的生理學作用，而導致肥胖[17]。

細胞因子信號轉(zhuǎn)導抑制因子3(suppressor of cytokine signaling 3，SOCS3)被認為是STATs的靶基因，肥胖條件下SOCS3表達增加則被認為是瘦素信號轉(zhuǎn)導和作用受限的主要機制之一[18]?；罨腟TATs可刺激SOCS3基因的轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄的SOCS3結(jié)合至磷酸化的JAKs和STATs，導致JAK2/STAT信號通路關(guān)閉，抑制STATs活化，從而產(chǎn)生經(jīng)典的負反饋通路，阻止JAK2/STAT信號通路的進一步激活[19]。目前對JAK2/STAT途徑介導的瘦素信號轉(zhuǎn)導研究得最多，其通過精細調(diào)節(jié)瘦素的信號轉(zhuǎn)導從而控制食欲的方式對維持機體能量穩(wěn)態(tài)有至關(guān)重要的作用。

3 MAPK/ERK1/2信號轉(zhuǎn)導途徑

MAPK/ERK1/2信號轉(zhuǎn)導通路是MAPK信號通路中最重要、最為經(jīng)典的信號轉(zhuǎn)導通路，是目前研究最為透徹的哺乳動物細胞MAPK信號轉(zhuǎn)導通路[20]。Sturgill和Ray[21]于1986年在3T3-L1脂肪細胞提取物中首次檢測到MAPK，MAPK是一種胰島素激活的絲氨酸/蘇氨酸活性蛋白激酶，其不僅具有磷酸化高分子量多肽的能力，而且在受到特殊信號分子(如瘦素)刺激后還能通過發(fā)生酪氨酸磷酸化而活化[22]。研究發(fā)現(xiàn)，ERK在瘦素調(diào)節(jié)食欲過程中起重要作用[23]?；罨腏AK2作用于瘦素受體，使受體蛋白上的Tyr985磷酸化并與含有SH2的蛋白酪氨酸磷酸酶2(SH2-containing protein tyrosine phosphatase-2，SHP2)結(jié)合，SHP2在活化的JAK2的作用下實現(xiàn)磷酸化活化，并活化作為銜接蛋白的生長因子SH2，活化的SH2與效應(yīng)分子Grb22結(jié)合，激活效應(yīng)子Ras、Raf以及MAPK，使上游信號分子促分裂原活化的胞外信號調(diào)節(jié)激酶1激活，激活的促分裂原活化的胞外信號調(diào)節(jié)激酶1以磷酸化的方式活化ERK1/2，活化的ERK1/2入核，轉(zhuǎn)錄并翻譯POMC蛋白，POMC蛋白激活下丘腦中的POMC神經(jīng)元，促進其產(chǎn)生抑制食欲的α-MSH，發(fā)揮瘦素控制食欲的生理效應(yīng)[24-25]。SHP2神經(jīng)元特異性缺失則導致小鼠肥胖和瘦素抵抗[26]。

4 IRS/PI3K信號轉(zhuǎn)導途徑

IRS/PI3K信號通路參與瘦素活性首先是在IRS缺失小鼠中發(fā)現(xiàn)[27]。研究表明，抑制下丘腦IRS/PI3K信號通路可抑制瘦素的厭食作用[28]。IRS是參與細胞因子(如胰島素)信號轉(zhuǎn)導的磷酸化蛋白，其由IRS1～4四個成員組成，作用是與含有SH2結(jié)構(gòu)域的蛋白結(jié)合，其中經(jīng)過磷酸化而激活的IRS2酪氨酸能同PI3K結(jié)合并影響磷脂代謝[29]。PI3K是肌醇組第3位的脂類激酶，其受到細胞外刺激時可產(chǎn)生磷脂酰肌醇磷酸(phosphatidylinositol phosphate，PIP)2和PIP3兩種產(chǎn)物。PI3K廣泛存在于控制食欲的POMC神經(jīng)元和AgRP/NPY神經(jīng)元中，瘦素對POMC神經(jīng)元和AgRP/NPY神經(jīng)元中的PI3K有相反的作用[30]。瘦素直接增加POMC神經(jīng)元中PI3K的活性，間接抑制AgRP神經(jīng)元中PI3K的活性，相較于瘦素，胰島素可激活兩種神經(jīng)元中的PI3K?；罨腏AK2作用于IRS蛋白，使其與自身調(diào)控亞基p85結(jié)合以激活PI3K[31]。PI3K在瘦素激活途徑中有重要作用，Donato J等[32]全面概述了不同PI3K亞型及其與瘦素和肥胖的關(guān)系。

4.1IRS/PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)/叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子O1(forkhead box transcription factor O1，F(xiàn)oxO1)信號轉(zhuǎn)導通路 激活的PI3K磷酸化活化磷酸肌醇激酶1，而磷酸肌醇激酶1又磷酸化活化Akt，繼而抑制下游的FoxO1。FoxO1是瘦素信號轉(zhuǎn)導的負向調(diào)節(jié)因子，在營養(yǎng)剝奪條件下，F(xiàn)oxO1從細胞質(zhì)向細胞核轉(zhuǎn)移以增加NPY/AgRP基因的表達，抑制厭食性POMC的表達，從而增加了食物的攝入量[27]。Akt通過抑制FoxO1的活性、促進STAT3與POMC和AgRP啟動子結(jié)合調(diào)控POMC基因和AgRP/NPY基因的表達，以發(fā)揮瘦素調(diào)節(jié)食欲的作用[17]。腫瘤抑制因子第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因(phosphates and tensin homologue deleted on chromosome ten gene，PTEN)是IRS/PI3K/Akt/Fox01信號通路的抑制因子，其通過阻止PI3K對PIP3的催化，阻止PI3K的激活。研究發(fā)現(xiàn)，一方面PTEN的消融可導致瘦素受體中PI3K的激活，通過增加交感神經(jīng)對腺周白色脂肪組織的流出，導致體脂肪質(zhì)量減少，從而導致白色脂肪組織向褐色脂肪組織轉(zhuǎn)化；另一方面，POMC神經(jīng)元中缺乏PTEN的小鼠通過激活A(yù)TP依賴的K+通道導致肥胖和瘦素抵抗[33]。因此，POMC神經(jīng)元中PIP3水平的慢性升高可能會干擾下丘腦中瘦素的活性。

4.2IRS/PI3K/離子通道的調(diào)控 激活的PI3K通過開放或閉合細胞膜上的離子通道控制鉀離子和鈣離子的進出。目前已知的POMC和AgRP/NPY神經(jīng)元細胞膜上的鉀/鈣離子通道有3種：ATP敏感鉀通道(ATP-sensitive potassium channel，KATP)、瞬時受體電勢通道(canonical transient receptor potential channel，TRPC)、電壓門控鈣離子通道(voltage-gated calcium channel，VGCC)[34-36]，其中KATP與TRPC作用于鉀離子，分別控制鉀離子的外流與內(nèi)流；而VGCC則作用于鈣離子，控制著鈣離子的內(nèi)流[37]。①KATP：是控制鉀離子內(nèi)流的重要離子通道，其活性與細胞內(nèi)ATP的水平呈負相關(guān)[38]。瘦素通過PI3K磷酸化活化PTEN的C端，并抑制PTEN磷酸酶的活性，由此產(chǎn)生PTEN抑制，而PTEN抑制則會誘導纖維型肌動蛋白解聚，從而引起細胞骨架重構(gòu)，大量ATP被消耗，下丘腦AgRP/NPY神經(jīng)元細胞膜上控制鉀離子外流的KATP由此激活，鉀離子外流，AgRP/NPY神經(jīng)元細胞超極化[39]。②TRPC：TRPC控制鉀離子的外流。瘦素通過PI3K磷酸化活化磷脂酶Cγ，最終激活POMC神經(jīng)元上的TRPC4和TRPC5，導致鉀離子外流，POMC神經(jīng)元細胞去極化[40]。同時瘦素又通過鈣調(diào)素依賴蛋白激酶/p21激活酶交換因子途徑增強TRPC4和TRPC5向細胞外轉(zhuǎn)運鉀離子的能力，進一步促進了POMC神經(jīng)元細胞的去極化[41-43]。PI3K催化亞基p110的選擇性丟失會抑制PI3K的活化，使該信號通路不能發(fā)揮調(diào)節(jié)食欲的作用[44]；TRPC5亞基的特異性缺失可阻礙POMC神經(jīng)元的去極化[45]。瘦素亦可通過PI3K信號轉(zhuǎn)導通路作用于POMC神經(jīng)元，促進白色脂肪褐變，增加能量消耗，減少脂質(zhì)堆積[46]。③VGCC：VGCC是瘦素作用于下丘腦POMC神經(jīng)元的主要靶點，其控制著細胞膜上鈣離子的內(nèi)流。電壓依賴的VGCC分為高電壓激活鈣通道(high-voltage activated calcium channel，HVA)和低電壓激活鈣通道(low-voltage activated calcium channel，LVA)[47]。瘦素通過PI3K途徑增加POMC神經(jīng)元HVA的電流，降低HVA的激活電壓，最終提高POMC神經(jīng)元的興奮性；另一方面，瘦素通過JAK2/MAPK途徑降低NPY神經(jīng)元HVA的電流以對其產(chǎn)生抑制作用，最終通過控制食欲降低食物的攝入、減輕體重[48]。

4.3IRS/PI3K/磷酸二酯酶3B(phosphodiesterase-3B，PDE3B)/環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)信號轉(zhuǎn)導通路 PI3K/PDE3B/cAMP信號轉(zhuǎn)導通路是下丘腦瘦素信號轉(zhuǎn)導的重要途徑。激活的PI3K磷酸化活化磷酸肌醇激酶1以使磷酸肌醇激酶1激活A(yù)kt，最終激活PDE3B，并降低AgRP/NPY神經(jīng)元中cAMP的水平[49]，從而降低AgRP/NPY神經(jīng)元的興奮性[50]，最終減少攝食量。抑制PDE3B的活性可逆轉(zhuǎn)瘦素對食物攝入和體質(zhì)量的影響，證實了PDE3B在下丘腦介導的瘦素信號轉(zhuǎn)導通路中的重要作用。PI3K作為瘦素與胰島素信號通路間的交叉位點，在胰島素信號通路中亦起重要作用。事實上，胰島素作用的發(fā)揮大多數(shù)涉及PI3K的激活[51]。胰島素與其受體的結(jié)合可促進胰島素受體與其調(diào)控亞基p85結(jié)合，從而促進PI3K/PDE3B/cAMP信號轉(zhuǎn)導通路的形成，由此也證實了肥胖與胰島素抵抗的相關(guān)性。

4.4IRS/PI3K/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)/S6激酶信號轉(zhuǎn)導通路 mTOR是一種進化上保守的絲氨酸-蘇氨酸激酶，其能感知營養(yǎng)物質(zhì)(尤其是氨基酸)，刺激蛋白質(zhì)合成、細胞生長及增殖，并抑制自噬。mTOR及其下游靶點S6激酶1廣泛存在于NPY/AgRP神經(jīng)元和POMC神經(jīng)元中?；罨腁kt通過抑制結(jié)節(jié)性腦硬化復(fù)合物-1和2的形成，解除Ras同源物對mTOR的抑制作用，從而激活下丘腦中的mTOR以刺激S6激酶的磷酸化。研究表明，聯(lián)合應(yīng)用mTOR抑制劑可明顯阻斷瘦素的厭食作用，而瘦素在缺少S6激酶1的小鼠中不能發(fā)揮減少食物攝入量的作用[27]。AMP活化的蛋白激酶是一種細胞內(nèi)能量傳感器，其在代謝應(yīng)激引起ATP耗竭或細胞內(nèi)AMP、ADP水平升高時被激活，一旦激活，則可通過促進ATP的分解代謝和抑制ATP的合成代謝保持能量平衡。激活的S6激酶亦可抑制AMP活化的蛋白激酶的活化，繼而抑制AMP下游因子乙酰輔酶A羧化酶的磷酸化活化，以致POMC神經(jīng)元中丙二酰輔酶A的水平升高，丙二酰輔酶A通過抑制肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1的活性降低線粒體的脂肪酸氧化，從而提高細胞長鏈脂酰輔酶A的水平，而長鏈脂酰輔酶A水平的升高會導致患者厭食[52]。

5 結(jié)語和展望

瘦素及其受體在人類食欲調(diào)控中發(fā)揮十分重要的作用，其信號通路上任何環(huán)節(jié)的異常均會導致瘦素調(diào)節(jié)食欲的異常，從而導致肥胖，其信號轉(zhuǎn)導通路上諸多負向調(diào)節(jié)因子亦會阻礙瘦素發(fā)揮食欲調(diào)節(jié)的作用，是肥胖及相關(guān)代謝疾病的危險因素。目前國內(nèi)關(guān)于瘦素信號轉(zhuǎn)導通路的研究以JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導通路研究得最多，而對于MAPK及PI3K信號轉(zhuǎn)導通路研究較少，尤其是IRS/PI3K信號轉(zhuǎn)導通路。IRS/PI3K信號轉(zhuǎn)導通路可通過改變POMC及AgRP/NPY神經(jīng)元上細胞膜離子的通透性，使其達到興奮或抑制的狀態(tài)，其中涉及多種生物化學反應(yīng)。隨著對瘦素及其受體信號轉(zhuǎn)導通路研究的深入，其機制將更加明確，POMC及AgRP/NPY神經(jīng)元上瘦素及其受體調(diào)節(jié)食欲的機制已逐步明確，基于食欲調(diào)控的瘦素相關(guān)的抗肥胖藥物的研發(fā)已展示出良好的前景，PI3K信號轉(zhuǎn)導通路的研究也為此類新型抗肥胖藥物的研發(fā)指明了方向，為肥胖及其相關(guān)代謝性疾病的預(yù)防和治療打下堅實基礎(chǔ)。