酒精經(jīng)下丘腦POMC/AgRP神經(jīng)元致能量失衡機制研究進展

杜 琴，嚴宗遜，宗海紅綜述，李敬東審校

0 引 言

下丘腦弓狀核內(nèi)的阿片黑皮質素原/刺鼠基因相關肽(pro-opiomelanocortin/agouti-related peptide,POMC/AgRP)神經(jīng)元與體內(nèi)能量代謝關系密切，POMC神經(jīng)元是重要的厭食神經(jīng)元，而AgRP神經(jīng)元則是與其功能相反的促食欲神經(jīng)元。酗酒導致代謝綜合征和2型糖尿病的發(fā)病增加。不僅與肝及外周組織損傷有關，且可能與損傷POMC/AgRP神經(jīng)元有關。本文主要就酒精經(jīng)下丘腦POMC/AgRP神經(jīng)元導能量失衡機制研究進展作一綜述。

1 POMC/AgRP神經(jīng)元簡介

下丘腦是進化上保守的大腦結構，可調節(jié)生物體的基本功能，如體內(nèi)代謝平衡和繁殖。在下丘腦神經(jīng)元群體中，弓形核的黑皮質素系統(tǒng)在控制穩(wěn)態(tài)功能中起主要作用。弓形核的黑皮質素神經(jīng)元由兩個不同的神經(jīng)元群體組成：POMC的神經(jīng)元和表達神經(jīng)肽Y/刺鼠相關肽(NPY/AgRP)的神經(jīng)元[1]。特別是弓形核的POMC神經(jīng)元是代謝和繁殖的關鍵調節(jié)劑。在人類中，POMC基因位于2p23號染色體上，包含三個外顯子和兩個內(nèi)含子(3708bp和2886bp)，跨度為7665bp[2]。其具有3種不同的啟動子，可調節(jié)該基因在不同組織中的差異轉錄。這些啟動子包埋在確定的CpG島中，在正常的非表達組織中甲基化，使其不表達。而在表達POMC基因的組織中，啟動子被特定地未甲基化以允許必需的轉錄因子的結合[3]。POMC基因在大腦，垂體和各種外周組織中表達。在大腦中，該基因主要在下丘腦弓狀核中的神經(jīng)元表達，并且在大腦其他部位(如杏仁核，海馬，大腦皮層和腦干的核束孤窩)表達較少。 在垂體中，POMC mRNA水平在前葉和神經(jīng)中葉中高度表達[2]。

2 POMC/AgRP神經(jīng)元的功能

下丘腦弓狀核內(nèi)合成的POMC和AgRP，對能量平衡作用相反，POMC基因編碼經(jīng)歷組織特異性蛋白水解的多肽激素前體，從而生成生物活性肽和激素的特定庫，包括促腎上腺皮質激素，α-，β-和γ-黑素細胞刺激激素(melanocyte stimulating hormone,MSHs)和β-內(nèi)啡肽，所有這些均可調節(jié)食物消耗和能量平衡[1]。

2.1α-MSHPOMC神經(jīng)元中，神經(jīng)肽前體被裂解為α-MSH，分泌后激活黑皮質素4受體(melanocortin 4 receptor,MC4R)，MC4R與刺激性G蛋白(Gs)偶聯(lián)以激活腺苷酸環(huán)化酶(cAMP)，cAMP濃度升高激活，和下游蛋白激酶A(PKA/AKT)激活(即傳統(tǒng)的Gs -cAMP-PKA信號通路)。此外MC4R誘導的cAMP濃度增加會激活直接由cAMP(EPAC)激活的交換蛋白，從而導致轉錄因子cAMP響應元件(cAMP response element,CRE)結合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)的ERK1/2依賴性磷酸化，cFos的轉錄增加并降低了AMP激活的蛋白激酶(AMPK)的磷酸化和活性[4-5]。POMC神經(jīng)元的膜去極化導致α-MSH釋放，MC4-R活化，MC4R信號傳導通過減少食物攝入和增加能量消耗來誘導一組特定基因的表達，從而發(fā)揮分解代謝作用[5]。而AgRP拮抗α-MSH對MC4-R的作用，從而導致增加食物攝入量和能源消耗的減少[6]。此外，包含抑制性神經(jīng)遞質GABA的NPY /AgRP神經(jīng)元投射到POMC神經(jīng)元上[7]，對POMC神經(jīng)元活性起直接的抑制作用。

2.2β-內(nèi)啡肽盡管人們認為POMC對能量平衡的主要影響是由α-MSH介導的，但有證據(jù)表明，另一種POMC衍生的肽，β-內(nèi)啡肽(β-endorphin/β-EP)，一種內(nèi)源性阿片樣肽，可影響進食行為[8]。β-EP還通過與腦μ阿片受體(μ-opioid receptor,MOR)相互作用來影響進食行為，包括POMC神經(jīng)元表達的與MOR的自抑制相互作用[9]。其可拮抗α-MSH對食物攝入的影響[10]。β-EP也已顯示出抑制AgRP神經(jīng)元的作用[11]。 β-EP在調節(jié)能量平衡中的作用已得到廣泛研究，但仍未被完全了解。

2.3NPY/AgRP神經(jīng)元該神經(jīng)元中表達的MC3R的功能是調節(jié)GABA在MC4R神經(jīng)元上的釋放，其途徑是將能量平衡從一個設定點調整到另一個設定點[12]。NPY/AgRP神經(jīng)元可通過禁食和生長素釋放肽激活，并受瘦素和進食的抑制[13-14]。AgRP神經(jīng)元表達生長素釋放肽受體，也稱為生長激素促分泌素受體(growth hormone secretagogue receptor,GHsr)，以介導生長素釋放肽的致食性和糖調節(jié)作用生長素釋放肽通過依賴于線粒體解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)的機制誘導AgRP神經(jīng)元活化[15-16]。實驗證明下丘腦AgRP神經(jīng)元(而非POMC神經(jīng)元)中的n-甲基-d-天冬氨酸受體(n-methyl-d-aspartate receptors,NMDAR)亞基GLUN2B是小鼠正常體重穩(wěn)態(tài)所需的。僅在AgRP神經(jīng)元中去除GLUN2B將導致體重、熱量攝入、脂肪量、循環(huán)瘦素水平降低[17]。下丘腦內(nèi)注射谷氨酸類似物(NMDA特異性受體)會引起強烈的進食行為[18]，而NMDA特異性受體拮抗劑會抑制進食[19]。通過在AgRP神經(jīng)元上表達的含GLUN2B的NMDAR引起的谷氨酸能輸入的喪失，完全可以防止瘦素缺乏的肥胖動物患上糖尿病[17]。

3 POMC/AgRP 神經(jīng)元調節(jié)

已經(jīng)證明，許多與能量穩(wěn)態(tài)控制有關的激素會影響POMC/AgRP mRNA表達或POMC/AgRP神經(jīng)元興奮性，包括胰島素和瘦素、營養(yǎng)物質如脂肪酸和葡萄糖，也可能在POMC和AgRP神經(jīng)元活性的調節(jié)中起重要作用。重要的是，所有這些信號都具有調節(jié)ATP依賴性鉀(ATP-sensitive potassium,KATP)通道的能力[20]。根據(jù)“神經(jīng)傳感器”模型，葡萄糖通過葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter,GLUT)(如GLUT2)被神經(jīng)元吸收。然后，葡萄糖被葡萄糖激酶磷酸化，隨后代謝生成ATP。無論使用何種底物，神經(jīng)元代謝都會產(chǎn)生ATP，該ATP結合并關閉KATP通道，從而導致鉀流出減少，神經(jīng)元膜去極化并最終導致電活動增加。KATP通道，其包括一個信道孔亞基(KIR 6.1或6.2)和調節(jié)磺脲亞基(SUR1或SUR2)，被廣泛表達于大腦中，包括POMC和AgRP的神經(jīng)元[20]。 下丘腦弓狀核內(nèi)的POMC神經(jīng)元被證實受到葡萄糖的刺激，葡萄糖的興奮作用可能是直接的，因為當用低鈣、高鎂溶液阻止突觸傳遞時，葡萄糖仍然能夠激發(fā)POMC神經(jīng)元。在高脂飲食的肥胖小鼠中，POMC神經(jīng)元對葡萄糖的感覺變得有缺陷，肥胖引起的POMC神經(jīng)元葡萄糖感覺喪失的機制涉及UCP2，一種線粒體蛋白，損害了葡萄糖刺激的ATP生成[21]。另一方面，ATP的產(chǎn)生會降低AMP/ATP比率，從而導致AMPK活性降低，至少在POMC和AgRP神經(jīng)元中AMPK本身似乎是葡萄糖感測所必需的[20]。

3.1瘦素脂肪細胞衍生的激素，作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)上通過激活瘦素受體的長信號形式來調節(jié)能量平衡、葡萄糖代謝和神經(jīng)內(nèi)分泌行為[22, 23]。阿片促黑素皮質素(pro-opiomelanocortin)和刺鼠相關蛋白(agouti-related peptide)神經(jīng)元，均表達瘦素受體，并分別受到瘦素的刺激和抑制。在本世紀初，人們發(fā)現(xiàn)瘦素通過打開非選擇性陽離子通道來激發(fā)/去極化POMC神經(jīng)元，這是代謝激素抑制食物攝入的重要作用[24]。2015年人們發(fā)現(xiàn)TRPC 5通道構成了介導反應的非選擇性陽離子通道[25]。瘦素通過非選擇性陽離子電流的激活使POMC神經(jīng)元去極化，當瘦素結合到LepR-b的細胞外區(qū)域時，激活Janus激酶( Janus kinase,JAK)。JAK結合并磷酸化LepR-b[26]，后者激活STAT3，一旦磷酸化，STAT3與POMC和AgRP啟動子結合，刺激POMC表達并抑制AgRP[27-28]。POMC神經(jīng)元中的瘦素受體與JAK-IRS-PI3K信號傳導途徑偶聯(lián)，從而誘導POMC神經(jīng)元活化[29]。酪氨酸磷酸酶PTP1B已被證明是POMC神經(jīng)元中瘦素信號傳導的重要調節(jié)劑，因為在此特定的神經(jīng)元群體中刪除它可減少飲食引起的肥胖，并增加能量消耗[30]。有研究表明，AgRP神經(jīng)元中ATF4的缺失提高了瘦素的敏感性，瘦素調節(jié)神經(jīng)回路，抑制食物攝入和增加能量消耗[31]。

3.2胰島素胰島β細胞分泌胰島素，短期內(nèi)取決于血糖水平，長期內(nèi)取決于脂肪水平。胰島素調節(jié)POMC神經(jīng)元的興奮性并促進POMC的表達，胰島素誘導的POMC細胞興奮性增加轉化為轉錄活性增強，即腦室內(nèi)注射胰島素后，弓形核中c-Fos表達增加，特別是POMC神經(jīng)元中的c-Fos表達增加[32]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，當胰島素與其受體結合時，會誘導IR的自磷酸化和IRS蛋白的募集以及隨后PI3K和MAPK級聯(lián)的激活。在POMC神經(jīng)元中，胰島素受體(InsR)與磷酸肌醇3激酶(PI3K)p110β激活偶聯(lián)[33-34]。而通過抑制PI3K活性消除了InsR介導的POMC神經(jīng)元興奮[32-33]。PI3K的激活會產(chǎn)生磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(PIP3)，從而刺激磷脂酶C(PLC)和蛋白激酶B(AKT)活化[32,35-36]。活化的AKT進入細胞核，通過叉頭盒轉錄因子O型亞型1的磷酸化和失活來調節(jié)神經(jīng)肽的表達，即可促進POMC的轉錄和羧肽酶的表達，同時增加POMC對α-MSH的處理，并抑制食物攝入[37]。胰島素通過打開KATP通道使AgRP神經(jīng)元超極化并抑制其放電[38]。胰島素也抑制神經(jīng)肽AgRP對于α-MSH /MC4R的拮抗作用[39-40]。IR信號抑制下丘腦中表達AgRP的神經(jīng)元，從而有助于抑制胰島素對肝葡萄糖生成(HGP)的作用，中樞神經(jīng)系統(tǒng)介導的HGP抑制是由迷走神經(jīng)傳出和α7煙堿型乙酰膽堿受體共同調控的，這些受體促進肝中Kupffer細胞的表達并釋放白介素6(IL-6)，IL-6通過STAT3反過來作用于肝細胞，以抑制糖原異生酶的表達，如葡萄糖6磷酸酶(由G6pc編碼)和磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶。最近研究表明，AgRP神經(jīng)元的急性激活可通過抑制供應棕色脂肪組織(BAT)的交感神經(jīng)纖維的活性從而抑制BAT的葡萄糖攝取來促進全身胰島素抵抗，而不影響HGP。這些作用似乎與黑皮質素系統(tǒng)無關，因為POMC神經(jīng)元的急性激活對BAT葡萄糖攝取沒有影響[41]。

當側腦室注射瘦素和胰島素時，兩者都會抑制食物攝入[42-43]。瘦素和胰島素對攝食的抑制可通過預處理SHU9119(一種MCR-3/4拮抗劑)阻斷，支持黑素皮質素系統(tǒng)在這一過程中的作用[44]。胰島素和瘦素與其同源受體結合，都經(jīng)過IRS-PI3K-PLCγ-信號傳導途徑，從而導致TRPC5通道激活；IRS蛋白的磷酸化激活PI3K，隨后激活PLCγ1以增強TRPC通道活性和POMC神經(jīng)元興奮性。由于很明顯胰島素和瘦素對于調節(jié)食物攝入和能量消耗至關重要，因此該信號通路，尤其是非選擇性TRPC5通道，是導致肥胖和肥胖癥中胰島素和瘦素抵抗的關鍵解偶聯(lián)事件的潛在靶標[45]。

4 酒精對POMC/AgRP的影響

飲酒，尤其是高風險飲酒，被認為是全球最嚴重的公共衛(wèi)生問題之一，是全球疾病的第五大主要危險因素[46]。已證明長期接觸乙醇液體飲食可降低POMC和PC1/3轉化酶(PC1/3是負責將POMC裂解為后續(xù)MC肽的酶)。大鼠40 μm冠狀切片的顯微照片顯示下丘腦弓狀核(Arc)中PC1/3陽性細胞體的定量顯示：與配對飲食的對照飲食(CD)相比，暴露于含乙醇飲食18天(ED18)的SD大鼠在下丘腦弓狀核(Arc)顯示出POMC和PC1/3 IR的顯著降低[47]。以及SD大鼠的弓形、延伸杏仁核區(qū)域和丘腦的α-MSH水平[48]。慢性酒精暴露后大鼠下丘腦中POMC mRNA和肽水平降低[47,49]。乙醇對NMDA受體(NMDAR)功能的作用已得到深入研究。通常，急性酒精暴露具有抑制作用，而長期暴露會導致NMDAR介導的突觸可塑性以及NMDAR介導的谷氨酸能突觸傳遞增加[50]，從而促進進食，體重增加。此外，選擇性刪除皮質中間神經(jīng)元中的GluN2B NMDAR亞基可減少乙醇的尋覓[51]。懷孕母鼠通過酒精飲食的攝入會導致雌性、雄性后代在成年后下丘腦的POMC神經(jīng)元功能顯著下降，包括POMC基因表達降低及其蛋白產(chǎn)物β-內(nèi)啡肽生成。導致POMC基因較低表達的胎兒酒精程序設計似乎涉及DNA甲基化，胎兒酒精暴露動物在POMC基因啟動子區(qū)域的近端顯示出一些CpG二核苷酸的甲基化增加[52]。研究表明，急性酒精攝入會暫時降低人腦中葡萄糖的代謝率(cerebral metabolic rate of glucose,CMRGlu)，而長期過量飲酒會導致CMRGlu持續(xù)下降。與急性和慢性酒精消耗相關的CMRGlu降低可能反映了酒精導致的大腦活動減少(通過降低神經(jīng)元興奮性)[53]。綜上表明酒精可能通過改變POMC/AgRP活性而對進食、能量代謝產(chǎn)生影響。

同時有數(shù)據(jù)表明，在飲酒一段時間后，α-MSH信號的減弱和AgRP活性的增加損害了MC系統(tǒng)對過量乙醇消耗的保護作用[54]。研究表明，MTII(MCR激動劑)的外周和中樞給藥均降低了C57BL / 6J小鼠的自愿乙醇攝入量，而注射MCR拮抗劑AgRP-(83-132)顯著增加了C57BL / 6J小鼠的自愿乙醇攝入量[55]。表明MTII對乙醇攝入的作用是由MCR介導的。此外，MC4-R似乎是調節(jié)MCR激動劑對乙醇攝入的作用的主要受體[56]。酒精不但可經(jīng)過降低POMC神經(jīng)元活性、α-MSH水平，增加AgRP活性從而導致進食增加、肥胖及胰島素抵抗的發(fā)生，同時長時間飲酒還損害MC系統(tǒng)對過量飲酒的保護作用。

5 結 語

POMC神經(jīng)元水解產(chǎn)物α-MSH和β-內(nèi)啡肽等以及AgRP通過MCR(尤其是MC4R)調節(jié)進食行為及能量代謝，其活性受與能量穩(wěn)態(tài)控制有關的激素(包括胰島素和瘦素)及營養(yǎng)物質(如脂肪酸和葡萄糖)調節(jié)。目前研究顯示酒精可能通過降低POMC活性、α-MSH水平，增加AgRP活性，增加食物攝入、減少能量消耗，導致肥胖及胰島素抵抗；同時AgRP在促進酒精攝入中起作用。本文提示POMC/AgRP神經(jīng)元的調節(jié)可能與人類糖尿病和肥胖的新療法的未來發(fā)展有關。