生物鐘對(duì)動(dòng)物糖脂代謝的影響研究進(jìn)展

張正敏，曹洪戰(zhàn)，蘆春蓮，李 尚，周一彤，施文穎

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定 071001）

地球上大部分動(dòng)物的生理節(jié)律分為2 個(gè)部分：一部分是活動(dòng)期，另一部分是睡眠期?；顒?dòng)期間主要以活動(dòng)和采食為主，睡眠期間主要以睡眠和禁食為主，活動(dòng)/采食和睡覺/禁食期由中樞時(shí)鐘系統(tǒng)中的分子機(jī)制支配，該機(jī)制位于下丘腦的視交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus），運(yùn)行一周期約24 h，形成晝夜節(jié)律（Circadian Rhythm），即生物鐘[1-2]。生物鐘對(duì)動(dòng)物的生理和行為起著關(guān)鍵性作用，許多代謝功能遵循這個(gè)變化，如腸道的消化、胰島素的分泌和敏感性以及葡萄糖耐受性均受生物鐘影響[3-6]。在人體流行病學(xué)上的研究證實(shí)，長(zhǎng)期晝夜節(jié)律紊亂導(dǎo)致生理機(jī)能紊亂，這些生理失調(diào)會(huì)損害胰島素的分泌、代謝綜合征、2 型糖尿病和肥胖等疾病[7-13]。而在畜牧上，關(guān)于不同時(shí)間段飼喂礦物質(zhì)對(duì)畜禽的影響研究表明，高、低鈣飼糧交替飼喂可提高蛋雞產(chǎn)蛋后期的產(chǎn)蛋率和對(duì)鈣的吸收和沉積，并且可在一定程度上改善蛋殼質(zhì)量[14]。糖類和脂類是動(dòng)物機(jī)體主要能源物質(zhì)，也是機(jī)體的主要貯能物質(zhì)，糖代謝和脂代謝更是動(dòng)物機(jī)體重要的代謝途徑。因此，可以通過研究生物鐘對(duì)糖脂代謝規(guī)律，進(jìn)而提高飼料轉(zhuǎn)化率及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼喂。本文就生物鐘對(duì)動(dòng)物糖脂代謝的生理作用及相關(guān)機(jī)理做一綜述，旨在為生物鐘對(duì)動(dòng)物糖脂代謝的影響提供參考。

1 生物鐘的定義及組成

1.1 生物鐘的定義 生物鐘廣泛存在于各種生命體中，具有復(fù)雜的生理機(jī)制。人類關(guān)注生物鐘由來已久，但至今仍沒有一個(gè)確切且公認(rèn)的定義?，F(xiàn)代時(shí)間生物學(xué)之父Franz Halberg 于20 世紀(jì)50 年代將控制晝夜節(jié)律的時(shí)鐘系統(tǒng)稱為生物鐘[15]。雖然對(duì)生物鐘的研究機(jī)制還不太明確，但學(xué)者們普遍認(rèn)為動(dòng)物機(jī)體的生理、營(yíng)養(yǎng)代謝、行為等都受內(nèi)在的生物鐘調(diào)控[15]。

1.2 生物鐘的組成 生物鐘主要由中樞時(shí)鐘系統(tǒng)和外周時(shí)鐘系統(tǒng)組成。中樞時(shí)鐘系統(tǒng)位于下丘腦腹側(cè)的視交叉上核，為晝夜節(jié)律起搏器，又稱為主生物鐘[15]。外周時(shí)鐘系統(tǒng)主要存在于動(dòng)物內(nèi)臟和免疫器官等組織器官中，維持組織器官自身晝夜節(jié)律。下丘腦控制著大量晝夜交替行為，包括食物和水的攝入、睡眠和覺醒、體溫調(diào)節(jié)和能量消耗等生理過程。調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的分子機(jī)制具有復(fù)雜的基因表達(dá)過程，其中許多連鎖的轉(zhuǎn)錄、翻譯和負(fù)反饋環(huán)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)和維持晝夜節(jié)律。CLOCK、BMAL1和NPAS2基因是生物鐘的轉(zhuǎn)錄因子，也是晝夜節(jié)律基因表達(dá)的正調(diào)節(jié)因子，能夠激活晝夜節(jié)律負(fù)調(diào)節(jié)因子的表達(dá)，即隱色素（CRY1和CRY2）和周期（PER1、PER2、PER3）家族基因的表達(dá)。CRY 和PER 蛋白通過反饋抑制其自身的表達(dá)以及其他時(shí)鐘控制基因（CCGs）表達(dá)來維持和調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律[16-17]。BMAL1 與 CLOCK 或 NPAS2 形 成BMAL1/ CLOCK、BMAL1/ NPAS2 異源二聚化，與靶基因（PER、CRY、Reverb、Ror、Dec）啟動(dòng)子結(jié)合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄翻譯的產(chǎn)物 PER 和CRY 蛋白異源二聚化，抑制了BMAL1/CLOCK、BMAL1/ NPAS2 異二聚體活性。PER 和CRY異二聚體逐漸降解，使電路重新開始（圖1）。這種負(fù)反饋大約需要 24 h 才能完成基因表達(dá)周期[18]。CLOCK/BMAL1 異二聚體還刺激 BMAL1 表達(dá)，形成正反饋環(huán)[16]。

2 生物鐘對(duì)糖脂代謝的調(diào)節(jié)機(jī)理

生物鐘對(duì)動(dòng)物機(jī)體調(diào)節(jié)糖脂代謝平衡發(fā)揮著重要作用。生物鐘、糖代謝、脂代謝三者之間相互作用、相互影響。首先，生物鐘基因（CLOCK、BMAL1和NPAS2）影響糖代謝、脂肪酸合成、代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的mRNA表達(dá)；其次，糖脂代謝相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)直接影響著糖脂的重要代謝途徑；再次，糖代謝與脂代謝之間通過三羧酸循環(huán)相互調(diào)節(jié)，相互轉(zhuǎn)化[15]。因此，這三者間任何一個(gè)受損都會(huì)影響其代謝功能紊亂。

生物鐘對(duì)糖脂代謝產(chǎn)生的影響主要有2 個(gè)方面：第一是中央生物鐘調(diào)控糖脂代謝基因，通過BMAL1、CLOCK和NPAS2基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯和反饋調(diào)節(jié)影響葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體（GLUT）、脂肪酸合成酶（FAS）、脂肪結(jié)合蛋白（FABP）等基因[19]；第二是外周生物鐘通過神經(jīng)元和體液將晝夜信息傳送到動(dòng)物機(jī)體的各個(gè)部位細(xì)胞組織中的外周生物鐘，與中央生物鐘協(xié)同合作參與機(jī)體的糖脂代謝[20]。節(jié)律轉(zhuǎn)錄阻遏物孤兒核受體（Nuclear Receptor Subfamiy1，REV-ERB a）是 一 種調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和脂肪生成的核受體，受生物鐘控制并抑制Bmal1 表達(dá)，且可直接結(jié)合于晝夜節(jié)律核轉(zhuǎn)錄因子（NFIL3）的啟動(dòng)子，從而為晝夜節(jié)律振蕩提供額外的穩(wěn)健性[21-22]。研究發(fā)現(xiàn)敲除NFIL3基因的小鼠體重下降，抑制了上皮細(xì)胞的脂質(zhì)吸收和輸出，影響了脂質(zhì)代謝[23]。PPARγ是脂肪生成和脂肪組織發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控因子，Per2基因能夠阻斷了PPARγ的表達(dá)。Wang 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，敲除Per2增強(qiáng)了脂肪的生成和脂肪細(xì)胞分化。進(jìn)一步闡述了生物鐘基因（CLOCK、BMAL1和NPAS2基因）影響糖代謝、脂肪酸合成、代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)。此外，晝夜節(jié)律對(duì)糖脂代謝的影響遠(yuǎn)比通過影響基因調(diào)控復(fù)雜的多，輪班工作導(dǎo)致視交叉上核中光敏中心起搏器與糖脂代謝的敏感外圍振蕩器之間的不匹配，時(shí)間生物學(xué)中代謝工作的主要部分集中在肝臟。實(shí)際上，與視交叉上核不同，當(dāng)食物供應(yīng)時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，肝臟中的許多節(jié)律顯示出快速相移，而其他組織器官不像肝臟一樣顯示出快速的分子振蕩去適應(yīng)新的飼喂時(shí)間[25-28]，表明糖脂代謝的重要器官（如肝臟和肌肉）的不同節(jié)律變化也可能對(duì)葡萄糖代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

3 生物鐘對(duì)糖脂代謝的影響

3.1 生物鐘對(duì)糖代謝的影響 糖代謝途徑是動(dòng)物機(jī)體代謝途徑的核心部分，同時(shí)三羧酸循環(huán)與其他物質(zhì)代謝途徑密切相關(guān)。晝夜節(jié)律對(duì)機(jī)體糖代謝起著至關(guān)重要的作用，對(duì)人體糖尿病影響甚大，而在畜牧上可以通過晝夜節(jié)律提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能和繁殖性能等。

Gao 等[29]研究每日飼喂2 種不同鈣水平日糧對(duì)妊娠晚期母豬胎盤脂質(zhì)代謝和運(yùn)輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)高鈣-低鈣組（H-L）和低鈣-高鈣組（L-H）抑制胎盤中per2的mRNA 表達(dá)，可能是抑制Per2基因表達(dá)能夠增強(qiáng)PPARγ的表達(dá)、影響葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體（GLUT）表達(dá)，進(jìn)而影響豬胎盤糖代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)。Hou 等[30]研究顯示，db/db-mPer2Luc 小鼠的晝夜節(jié)律受損與壓力反射敏感性、運(yùn)動(dòng)活動(dòng)和新陳代謝的日常節(jié)律中斷有關(guān)，但與心率或食物和水的攝入量無關(guān)。Corella 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，人類2 型糖尿病和高血壓的發(fā)病率增加與核心時(shí)鐘基因BMAL1遺傳變異相關(guān)；Woon 等[31]研究結(jié)果同樣表明，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體（GLUT）等糖代謝基因受核心時(shí)鐘基因CLOCK影響，誘發(fā)2 型糖尿病。Cohen 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，早晨的血壓飆升可以造成急性心肌梗死風(fēng)險(xiǎn)增加40%，心源性猝死風(fēng)險(xiǎn)增加29%，卒中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)增加49%，原因可能是外周生物鐘通過體液將晝夜信息傳送到動(dòng)物機(jī)體組織中，造成血壓飆升，這一結(jié)果表明血糖代謝受生物鐘的影響。

3.2 生物鐘對(duì)脂代謝的影響 脂肪是動(dòng)物機(jī)體的主要儲(chǔ)能物質(zhì)，當(dāng)機(jī)體消耗增強(qiáng)或糖的攝入不足時(shí)，脂肪就分解為甘油和脂肪酸運(yùn)送到各組織器官中為動(dòng)物機(jī)體提供能量。研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘基因的表達(dá)與動(dòng)物機(jī)體的腹部脂肪含量相關(guān)，晝夜節(jié)律影響著脂質(zhì)代謝的酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和激素，參與機(jī)體脂代謝，維持動(dòng)物體內(nèi)脂質(zhì)平衡，防止脂肪堆積過多，在人體上控制好晝夜節(jié)律可預(yù)防肥胖[16,33]，在畜牧上研究糖脂代謝的生物鐘可以提高家畜生長(zhǎng)性能[38]。

Shimizu 等[34]研究每天不同時(shí)間飼喂相同能量對(duì)小鼠的影響，與對(duì)照組（12:00、24:00 飼喂）相比，試驗(yàn)組（16:00、04:00 飼喂）體重和脂肪組織重量增加，可能是小鼠晚上覓食使對(duì)照組消耗能量增多，體重減少；不吃早餐導(dǎo)致脂質(zhì)代謝的潛在信號(hào)因子、血清NEFA、膽汁酸和胰島素的分泌延遲，這可能是外周生物鐘通過神經(jīng)元和體液將晝夜信息傳送到動(dòng)物機(jī)體肝臟組織中，肝基因表達(dá)異常造成脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的改變。研究發(fā)現(xiàn)，只在12 h 光照期喂食高脂肪食物的夜間活動(dòng)小鼠比只在12 h 黑暗期喂食高脂肪食物的小鼠體重明顯增加[35]，這可能與小鼠的生物規(guī)律夜間活動(dòng)有關(guān)，夜間活動(dòng)能量消耗增多，中央時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)控脂代謝基因表達(dá)增多，外周生物鐘調(diào)控肝臟、腸道等組織器官增加代謝，進(jìn)一步闡述了不同時(shí)間段機(jī)體的脂代謝水平不同。在每5 d 提前12 h 高脂肪飲食喂養(yǎng)小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，暴露于明-暗循環(huán)的慢性變化有：①破壞晝夜節(jié)律改變了脾和巨噬細(xì)胞中的時(shí)鐘基因節(jié)律的周期；②增強(qiáng)高脂肪飲食誘導(dǎo)了脂肪組織浸潤(rùn)和促炎性M1 巨噬細(xì)胞的活化；③擴(kuò)增脂肪組織和骨髓中巨噬細(xì)胞的促炎細(xì)胞因子的表達(dá)；④在每日總食物攝入量不變的情況下，攝入時(shí)間不同而造成體重改變、胰島素抵抗和葡萄糖耐受不良，以上變化表明晝夜節(jié)律的失調(diào)加劇了飲食誘導(dǎo)的全身胰島素抵抗和葡萄糖耐受不良，工作循環(huán)誘導(dǎo)的晝夜節(jié)律改變加強(qiáng)了高脂飲食對(duì)炎癥和新陳代謝的影響[36]。增加的游離脂肪酸（FFA）可誘導(dǎo)胰島素抵抗，睡眠不足會(huì)使胰島素抵抗增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，選取14 名健康成人參與模擬夜班工作方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均FFA 水平在尾流期間顯著升高，急性晝夜節(jié)律失調(diào)導(dǎo)致一天的FFA和葡萄糖濃度升高，當(dāng)天第1 餐的葡萄糖增加，因此，如果長(zhǎng)期持續(xù)晝夜節(jié)律失調(diào)，這些紊亂可能會(huì)增加患脂代謝紊亂的風(fēng)險(xiǎn)[37]。Wu 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組（日飼喂3 次的日糧蛋白質(zhì)水平為中-中-中）相比，試驗(yàn)組（日糧蛋白質(zhì)水平為高-中-低）豬的平均日增重（ADG）在第1 期顯著增加了14.75%，表明一天中蛋白質(zhì)含量由高到低逐漸減少可以改善肌肉品質(zhì)，可能是試驗(yàn)組肌肉中與肉的風(fēng)味有關(guān)的生糖氨基酸（蛋氨酸、絲氨酸）含量增加，可以通過三羧酸循環(huán)生成脂類，增加體重，提高生長(zhǎng)性能。因此，生物鐘影響脂質(zhì)代謝，研究生物鐘可以了解畜牧生產(chǎn)力。

4 小 結(jié)

綜上所述，全面、深入地了解生物鐘對(duì)動(dòng)物糖脂代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制，能夠?yàn)樾竽翗I(yè)精準(zhǔn)飼喂提供理論基礎(chǔ)、提高動(dòng)物飼料消化率、降低飼料成本、提高經(jīng)濟(jì)效益及為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。此外，生物鐘在動(dòng)物上的研究逐漸得到重視，但生物鐘對(duì)機(jī)體的糖脂代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制認(rèn)識(shí)仍然很不全面，對(duì)一天中每個(gè)時(shí)間段的糖脂代謝規(guī)律依然研究不全面，后續(xù)需進(jìn)一步研究。