褪黑素對晝夜節(jié)律和脂質(zhì)代謝的影響

汪秀衡，劉 垚，吳 潔，胡恒境1,*

(1.南華大學基礎醫(yī)學博士后流動站；2.南華大學附屬第一醫(yī)院 心內(nèi)科；3.南華大學附屬第一醫(yī)院 核醫(yī)學科，湖南 衡陽 421000)

哺乳動物的晝夜節(jié)律(circadian rhythm)調(diào)節(jié)涉及糖、脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)在內(nèi)能量代謝多個方面，在維持機體正常生理功能發(fā)揮重要作用[1]。機體為適應外界自然環(huán)境晝夜節(jié)律周期性變化，經(jīng)進化形成與之相適應的內(nèi)源性兼節(jié)律性的生物學過程，將自己行為限制在有限的24 h內(nèi)某些時段。晝夜節(jié)律紊亂與代謝密切相關，被稱為“睡眠因子”的褪黑素(melatonin，Mel)具有調(diào)節(jié)睡眠、改善晝夜節(jié)律等生理作用，且最近有報道稱：褪黑素與新近合成的其非選擇性受體激動劑Neu-p11均可抑制腹部脂肪異位沉積[2]。鑒于褪黑素改善晝夜節(jié)律及脂質(zhì)代謝調(diào)控機制，研究褪黑素如何在兩者間建立橋梁并發(fā)揮作用，以其為藥物的研發(fā)及疾病的防治提供新的視角。

1 晝夜節(jié)律概述

晝夜節(jié)律是機體的行為及生理活動經(jīng)下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)和褪黑素調(diào)控，發(fā)生每天約24 h的周期性變動，使機體各系統(tǒng)功能保持同步化，并形成與外界晝夜環(huán)境變化相適應的節(jié)律性生物學過程[3]。其中，哺乳動物SCN是內(nèi)源性晝夜節(jié)律鐘，晝夜節(jié)律的主要起搏點，類似于SCN的晝夜節(jié)律鐘控系統(tǒng)同樣也存在于肝臟、小腸和脂肪組織等外周組織以及培養(yǎng)的細胞中；另一調(diào)控因子Mel作為松果體分泌的具有晝低夜高明顯晝夜節(jié)律的一種神經(jīng)內(nèi)分泌激素，是晝夜節(jié)律的標志物。

晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝類似，均具有環(huán)路系統(tǒng)。正常的生物節(jié)律反饋控制網(wǎng)絡對于維持能量代謝的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用。晝夜節(jié)律受生物鐘基因組成的復雜反饋控制環(huán)調(diào)控，其中，BMAL1、CLOCK作為晝夜節(jié)律鐘兩個核心生物鐘相關基因，同時也是調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律中發(fā)揮重要作用的兩個轉(zhuǎn)錄因子，構成了生物鐘基因的正調(diào)控部分[4]。BMAL1、CLOCK組成蛋白二聚體激活Per和Cry基因的轉(zhuǎn)錄，而蛋白產(chǎn)物Per和Cry又反過來抑制BMAL1/CLOCK誘導的Per和Cry的轉(zhuǎn)錄活性，抑制它們自身的轉(zhuǎn)錄，保持反饋環(huán)路循環(huán)[5]。

2 晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝的聯(lián)系樞紐

晝夜節(jié)律系統(tǒng)與飲食均可調(diào)控脂質(zhì)的消化、吸收，且有實驗證實：小鼠晝夜節(jié)律紊亂加重了與脂質(zhì)代謝相關的代謝性疾病，如糖尿病及肥胖等[6]。另外，給予高脂飲食也改變了機體的行為和分子的晝夜節(jié)律，二者關系密切，使之發(fā)生關聯(lián)的可能途徑有：

2.1 JAK/STAT信號通路調(diào)控晝夜節(jié)律

糖尿病大鼠血漿中高濃度的晚期氧化蛋白產(chǎn)物(advanced oxidation protein products，AOPP)以JAK/STAT信號通路依賴性方式導致三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體A1(ATP binding cassette transporter A1, ABCA1)表達上調(diào)，抑制膽固醇流出[7]；另有果蠅動物實驗表明：microRNAs是一系列負性調(diào)控靶基因表達的非編碼的小RNAs[8]，其中miR-279同樣可通過JAK/STAT信號調(diào)控果蠅的運動行為節(jié)律[9]，提示JAK/STAT信號通路可能是晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝聯(lián)系的紐帶。

2.2 AMPK/SIRT1信號通路參與細胞脂質(zhì)代謝

AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)與沉默信息調(diào)節(jié)因子1(SIRT1)是經(jīng)進化而共存于幾乎所有真核細胞中的能量敏感分子。一系列實驗證實：SIRT1是NAD+依賴性蛋白去乙酰化酶，能量代謝的重要調(diào)節(jié)劑，它可能通過以下機制調(diào)控脂質(zhì)代謝：1)作為LKB1/AMPK信號通路上游的新型調(diào)節(jié)劑，在調(diào)節(jié)肝細胞脂質(zhì)代謝中發(fā)揮重要作用[10]；2)經(jīng)SREBP調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)代謝；3)PPARα是脂肪酸氧化基因的正性調(diào)節(jié)劑，介導脂質(zhì)代謝晝夜節(jié)律的調(diào)控[11]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator，PGC-1α)作為整合哺乳動物晝夜節(jié)律和能量代謝的晝夜節(jié)律振蕩器的主要成分，同時也是調(diào)節(jié)能量代謝、具有明顯晝夜節(jié)律性的轉(zhuǎn)錄輔激活物，在小鼠肝臟及骨骼肌中均有表達。SIRT1經(jīng)PGC-1α對PPARα調(diào)節(jié)進而干預脂肪酸代謝，PGC-1α敲除小鼠中，與脂質(zhì)代謝相關的晝夜節(jié)律基因異常表達參與了生理節(jié)律紊亂[12]；4)經(jīng)LXR/FXR調(diào)節(jié)肝臟膽固醇代謝及脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)，同時它以晝夜節(jié)律的方式與BMAL1/CLOCK結(jié)合，促進PER2的去乙?；c降解，使得作為主要的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)劑且為一組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶的CLOCK，與NAD+依賴性的組蛋白去乙酰化酶SIRT1間保持一定的平衡[13]，可見，SIRT1參與了細胞的脂質(zhì)代謝，且與代謝的晝夜節(jié)律調(diào)控相關。

2.3 Rev-erbα/RORα參與晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝調(diào)控

BMAL1不僅受RORα的正性調(diào)控，而且受脂肪組織中高表達的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)劑Rev-erbα的負性調(diào)節(jié)。核受體Rev-erbα和RORα參與了脂質(zhì)代謝，且在晝夜節(jié)律和物質(zhì)代謝間搭建起了橋梁。Rev-erbα與組蛋白去乙酰化酶3(histone deacetylase 3，HDAC3)共同存在于調(diào)控脂質(zhì)代謝基因附近，且Rev-erbα招募HDAC3控制脂質(zhì)代謝基因的表達。敲除小鼠肝臟Rev-erbα或者HDAC3引起肝臟發(fā)生脂肪變性[6]。Rev-erbα敲除的小鼠血漿中ApoC-Ⅲ和三酰甘油濃度增加。RORα參與了與三酰甘油代謝相關的ApoC-III的調(diào)節(jié)?？梢姡琑ev-erbα/RORα同時參與了晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝調(diào)控。

纖維母細胞生長因子(fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21)不僅是參與嚙齒類動物糖脂代謝的內(nèi)分泌因子及其潛在調(diào)節(jié)劑，而且也是整合晝夜節(jié)律與能量穩(wěn)態(tài)的重要代謝調(diào)節(jié)劑，具有明顯的節(jié)律性，即血液中的FGF21午夜升高，凌晨達高峰，下午降至基礎濃度[14]。RORα也可直接調(diào)節(jié)FGF21的表達與分泌[15]。

2.4 Nocturnin是晝夜節(jié)律鐘與脂質(zhì)吸收通路的連接點

Nocturnin(NOC)又名黑夜因子，是具有明顯晝夜節(jié)律性的鐘相關基因，同時也是缺乏轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域的去乙酰化酶，參與了許多代謝過程晝夜節(jié)律基因表達轉(zhuǎn)錄后調(diào)控及脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)[16]。Nocturnin經(jīng)刺激PPARγ核轉(zhuǎn)位促進脂肪生成[17]，且敲除Nocturnin后，小鼠糖脂代謝穩(wěn)態(tài)受損，而CLOCK/BMAL1又對Nocturnin的轉(zhuǎn)錄進行調(diào)控。Nocturnin是晝夜節(jié)律鐘和脂質(zhì)吸收通路的重要連接點[18]。

2.5 Adipokine參與脂質(zhì)代謝

脂聯(lián)素(Adiponectin)和瘦素(Leptin)是脂肪細胞分泌的細胞因子，其分泌表現(xiàn)為明顯的節(jié)律性波動，夜間激素濃度較高。 Adiponectin 是影響水解三酰甘油的關鍵酶——脂蛋白酯酶(lipoprotein lipase，LPL)活性的最重要因子，在BMAL1敲除小鼠中，BMAL1活性喪失上調(diào)了LPL活性，降低血漿三酰甘油的濃度，導致了胰島素抵抗的發(fā)生。

2.6 IRE1α/PERK/ATF6通路與脂質(zhì)代謝相關

IRE1α-XBP1通路經(jīng)下調(diào)定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的酶(HMGCR和SCD1)，或者直接調(diào)節(jié)與脂肪生成相關的Scd1、Dgat2的轉(zhuǎn)錄，進而導致了脂質(zhì)代謝紊亂，且IRE1α-依賴的自噬晝夜節(jié)律的調(diào)控同時也參與了鐘基因協(xié)調(diào)的哺乳動物脂質(zhì)代謝[19]。

3 褪黑素與脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)及晝夜節(jié)律調(diào)控間的關系

脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持與晝夜節(jié)律的調(diào)控關系密切，褪黑素既可調(diào)控脂質(zhì)代謝，又對晝夜節(jié)律有影響。

3.1 褪黑素與脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)

褪黑素干預降低了鏈脲菌素(streptozotocin，STZ)誘導的糖尿病大鼠血漿中脂質(zhì)含量，促進膽固醇流出，抑制了三酰甘油腹部異位沉積，且褪黑素同樣對ROS17/2.8細胞中脂肪酸誘導的三酰甘油積聚具有抑制效應[20-21]。

3.2 褪黑素與晝夜節(jié)律調(diào)控

松果體褪黑素的釋放表現(xiàn)為明顯的晝夜節(jié)律性，它在許多動物晝夜節(jié)律的調(diào)控中發(fā)揮重要作用[22]。外源性的褪黑素有助于調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律，且被廣泛應用于治療視覺受損的睡眠障礙[23]。

4 問題與展望

生活方式及飲食習慣的改變逐漸影響人民生活，并對人類健康造成了極大的威脅。人類臨床流行病學調(diào)查研究顯示[24]：心肌梗死、肺水腫和高血壓危象等疾病好發(fā)于白天的某個特定時段，且晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝的調(diào)控均與位居發(fā)病率首位的糖尿病、心血管病發(fā)病相關。晝夜節(jié)律的改變促進機體代謝穩(wěn)態(tài)失衡，調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律相關蛋白的表達及褪黑素如何調(diào)控晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝關系的進一步闡明可能帶來對于疾病機制認識的深化，并將對其治療提供新的策略。