瘦素對水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖的影響及機理

■許友卿 王利香 韓進華 劉曉麗 丁兆坤

（廣西大學水產(chǎn)科學研究所廣西高校水生生物健康養(yǎng)殖和營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室，廣西南寧530004）

瘦素(1eptin)是蛋白激素。在魚類，瘦素主要由肝合成分泌，參與調(diào)節(jié)攝食、代謝、生長、神經(jīng)及造血細胞發(fā)育、免疫、繁殖等[1]。

瘦素前體由167個氨基酸組成，于分泌入血時，被修飾除掉其中由21個氨基酸組成的N-端信號肽，形成有生物學功能的成熟瘦素，并以單體形式存于血液中，其分子量是16 kD，由146個氨基酸組成[1-3]。瘦素在機體內(nèi)發(fā)揮多種生物學功能，如參與調(diào)節(jié)攝食、能量代謝、生長發(fā)育和繁殖等[4-5]。瘦素能顯著提高團頭魴(Megalobrama amblycephala)的繁殖能力[6]。性成熟的大西洋鮭(Salmo salar)肝瘦素mRNA水平和血清瘦素含量均顯著高于未成熟者[7]。然而，水生動物的瘦素研究尚處起步階段，亟待深入探究。

本文綜述了瘦素對水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖的影響及其機理研究進展，旨在深入理解和研究之，以便更好地利用瘦素，調(diào)控水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖，促進養(yǎng)殖漁業(yè)的健康快速發(fā)展，提高經(jīng)濟效益和社會效益。

1 瘦素對水生動物能量(糖)代謝的影響

能量是進行生命活動的基礎(chǔ)。細微(持久的)的能量攝入和支出平衡失調(diào)，均可導(dǎo)致嚴重的病態(tài)[8]。Gorissen等[9]報道，禁食一周后，斑馬魚(Danio rerio)肝瘦素A的mRNA水平升高，而瘦素B的mRNA水平顯著降低。2016年，Yuan等[10]指出，瘦素A參與桂魚(Siniperca chuatsi)能量代謝的主要調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)攝食和能量代謝中發(fā)揮重要作用；而瘦素B調(diào)控特殊中樞神經(jīng)系統(tǒng)的能量交換。瘦素A在石斑魚(Epinephelus coioides)調(diào)節(jié)攝食和能量代謝中發(fā)揮重要作用[11]。

注射瘦素可增加尼羅羅非魚(Tilapia nilotica)血漿中的葡萄糖水平[12]。Jorgensen等[13]研究發(fā)現(xiàn)，瘦素長期調(diào)節(jié)代謝能量的穩(wěn)態(tài)。在虹鱒(Oncorhynchus mykiss)腦室注射瘦素后，可提高糖合成和分解過程中相關(guān)酶的含量、半乳糖激酶(GK)活性及與糖代謝反應(yīng)有關(guān)基因的mRNA水平，還會引起血糖濃度升高[14]。饑餓3周的虹鱒瘦素的表達水平顯著升高[15]。然而，饑餓3周的鱸(Epinephelus coioides)肝瘦素mRNA水平顯著減少，再投喂3周后瘦素mRNA水平則回升[16]。

魚瘦素表達水平與其營養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)[17]。經(jīng)過一段時間饑餓后，魚類瘦素表達水平增加[18]。瘦素與魚類代謝相關(guān)[19-21]。魚類瘦素通過調(diào)節(jié)糖(血糖)和脂類代謝而調(diào)節(jié)魚類的攝食及能量代謝平衡[14，22-23]。

2 瘦素對水生動物脂肪代謝的影響

瘦素可以調(diào)節(jié)脂肪代謝，抑制脂肪沉積，促進脂肪降解。Salmerón等[24]研究表明，瘦素刺激脂肪分解，減少脂肪細胞對脂肪酸的攝取和儲存，該結(jié)果支持假說——瘦素抗虹鱒生脂作用。腹腔注射瘦素可降低黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)肝內(nèi)脂肪含量及脂類合成相關(guān)酶——6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6PGD)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)、蘋果酸酶(ME)、異檸檬酸脫氫酶(ICDH)和脂肪酸合成酶(FAS)的活性，而上調(diào)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-I(CPT-I)的活性。用瘦素孵育細胞，顯著降低細胞內(nèi)甘油三酯(TG)含量、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的mRNA表達水平，而上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)、CPT-I和固定調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(SREBP-1)的mRNA表達水平[25]。給金魚體內(nèi)注射人類瘦素蛋白后導(dǎo)致其肝脂含量降低[26]。給藍太陽魚(Lepomis cyanellus)體內(nèi)注射鼠瘦素蛋白，可致其脂肪酸結(jié)合蛋白和肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶增加[27]。

瘦素對水生動物脂類代謝的影響非常復(fù)雜，既可發(fā)揮短期作用，也可長期作用。給草魚(Ctenopharynogodon iddla)注射重組表達瘦素蛋白一天之后，發(fā)現(xiàn)其瘦素mRNA水平提高5.76倍，解偶聯(lián)蛋白2(UCP2)、膽鹽活化脂肪酶(BSAL)和脂肪酸延長酶(ELO)顯著升高，而神經(jīng)肽Y(NPY)、硬脂酰輔酶A去飽和酶1(SCD1)和脂蛋白脂肪酶(LPL)的mRNA水平顯著降低，說明瘦素對草魚攝食、能量消耗和脂類代謝調(diào)控存在急性效應(yīng)[23]。在冬、春及夏季，北極紅點鮭(Salvelinus alpinus)的肝瘦素mRNA水平都較低，隨后逐漸上升，至十月增至低水平的7倍。9～10月，當北極紅點鮭生長停止，體脂質(zhì)水平開啟下降時，瘦素mRNA表達維持高水平，這可能與該魚在10月性成熟有關(guān)。這提示北極紅點鮭整體脂質(zhì)儲存與肝瘦素mRNA表達存在季節(jié)性變化，表明瘦素對脂類代謝有長期調(diào)控作用[28]。

3 瘦素對水生動物蛋白質(zhì)代謝的影響

瘦素可通過調(diào)節(jié)水生動物體內(nèi)蛋白質(zhì)激素的合成和分泌，進而影響水生動物的代謝和生長。Douros等[29]研究發(fā)現(xiàn)，尼羅羅非魚瘦素A可增強羅非魚垂體催乳素(PRL)的合成和釋放，而PRL反過來也可抑制肝瘦素蛋白的合成和分泌。盡管在體外，羅非魚重組LepA能降低其垂體生長激素(GH)的表達，然而在體內(nèi)，瘦素A不影響羅非魚的基礎(chǔ)GH分泌[30]。瘦素可能是影響胰島素樣生長因子-1(IGF-1)和IGF-2產(chǎn)生的直接刺激因子，并通過其上調(diào)生長激素受體轉(zhuǎn)錄的能力來促進GH的敏感性[31]。Peyon等[32]報道，重組鼠瘦素對舌齒鱸(Dicentrarchus labrax)腦垂體中促黃體生成素(Luteinizing hormone，LH)的產(chǎn)生有直接作用。

瘦素還可以影響水生動物體內(nèi)多種酶的含量及活性。在虹鱒腦室注射瘦素后，可提高其糖合成和分解過程中相關(guān)酶的含量和活性，來調(diào)節(jié)魚體血糖濃度[14]。用人重組瘦素孵育分離出的黃顙魚卵巢細胞，能顯著降低細胞內(nèi)甘油三酯(TG)、脂肪酸合成酶(FAS)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)、6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6PGD)、固定調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(SREBP-1)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的活性和mRNA水平，但增強肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-I(CPT-I)、過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)和乙酰輔酶A羧化酶α(ACCα)的活性和mRNA水平[33]。

4 瘦素對水生動物核酸代謝的影響

瘦素可以通過改變其他基因的表達來影響水生動物的生長發(fā)育。用不同濃度的人重組瘦素對新鮮分離的復(fù)鰕虎魚(Synechogobius hasta)肝細胞進行體外培養(yǎng)，可降低細胞內(nèi)甘油三酯含量和脂肪生成基因的表達，并增加幾種Janus激酶(JAK)和脂解基因mRNA的表達[34]。莫桑比克羅非魚(Oreochromis mossambicus)垂體轉(zhuǎn)錄組分析顯示，羅非魚重組瘦素A刺激糖酵解酶3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)mRNA表達，瘦素還增加糖酵解限速酶——磷酸果糖激酶(PFK)mRNA表達[35]。

5 瘦素對水生動物生長發(fā)育和繁殖的影響

目前研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)魚類瘦素具有抑制攝食的作用[14，22-23]。瘦素似乎作為一種使魚類食欲減退的因素而存在[36-37]。向魚腹腔或腦室內(nèi)注射同源或異種瘦素蛋白后，結(jié)果始終都是食物攝入量減少[22，38]。在金魚(Carassius auratus)腹腔和側(cè)腦室注射哺乳動物瘦素后，發(fā)現(xiàn)其攝食減少、體重下降以及調(diào)控攝食和能量代謝相關(guān)基因表達水平改變[26]。向鱸腹腔注射人瘦素也可抑制其攝食[16]。

然而，用哺乳動物瘦素處理銀大馬哈魚(Oncorhynchus kisutch)[39]、鯰(Ictalurus punctatus)[40]和綠海魴(Lepomis cyanellus)[27]，卻不改變它們的攝食行為或能量代謝。

Murashita等[22]用重組瘦素處理虹鱒后，發(fā)現(xiàn)可顯著抑制其攝食行為，刺激抑制食欲因子——阿片促黑色素原A1/A2(proopiomelanocorein-A1/A2，POMC-A1/A2)基因表達，并降低促食欲因子神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)基因的表達水平。重組鮭瘦素也可顯著抑制大西洋鮭的生長[38]。

研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物瘦素可以促進海鱸(Dicentrarchus labrax)合成、分泌黃體生成素和生長乳素[32，41]。人類瘦素可以促進雌性虹鱒魚中垂體釋放卵泡刺激素和黃體生成素[42]。雌性和雄性香魚(Plecoglossus altivelis)在排卵季節(jié)，血漿瘦素含量都有所升高[43]。在成熟大西洋鮭雄魚精子形成期間，其肝瘦素表達水平比不成熟者高。其他一些硬骨魚類性成熟時，瘦素水平也升高[44]。性腺成熟的大西洋鮭瘦素mRNA水平顯著升高，血漿瘦素含量也有所上升[44]。

在團頭魴受精卵卵裂至2細胞期時，瘦素基因表達量顯著升高(P＜0.05)；破膜第5 d后瘦素基因的表達量持續(xù)升高，至破膜后15d達峰值，表明瘦素基因可能調(diào)控胚胎發(fā)育早期的能量[6]。

6 瘦素影響水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖的機理

瘦素可直接調(diào)節(jié)下丘腦的kisspeptin神經(jīng)元和垂體促性腺激素的分泌，從而調(diào)控機體代謝、生長發(fā)育和繁殖[45]。

瘦素通過受體而發(fā)揮作用。瘦素通過與其具有高親和力的受體結(jié)合而發(fā)揮作用，也有的在局部以旁分泌或自分泌的方式發(fā)揮作用。

瘦素通過與下丘腦相關(guān)的反饋環(huán)結(jié)合而反饋抑制攝食，增加能量消耗。

瘦素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要有3個信號通路。①JAK/STAT信號通路。Janus家族蛋白酪氨酸激酶/轉(zhuǎn)錄信號傳導(dǎo)與激活物通路(Janus-family tyrosine kinase/signal transducers and activators of transcription，JAK/STAT)。Janus激酶是非受體酪氨酸激酶的一個家族，用各種生物過程參與從外環(huán)境到核的細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[34]。目前認為，JAK/STAT途徑是介導(dǎo)瘦素信號傳遞的主要途徑。Wu等[46]報道，瘦素激活JAK/STAT通路并增加靶基因的表達，這部分解釋了黃顙魚中瘦素誘導(dǎo)的脂質(zhì)代謝變化。瘦素在復(fù)鰕虎魚體內(nèi)通過JAK通路，調(diào)節(jié)肝脂肪代謝[34]。瘦素的脂解作用主要是通過STAT3成員發(fā)揮作用[47]。②RST-P13K信號通。瘦素能通過與胰島素信號級聯(lián)中的某些信號分子相互作用，參與調(diào)控胰島素介導(dǎo)的信號傳遞。胰島素受體亞型通過本身的激酶引起酪氨酸(tyrosine)磷酸化而被激活，其重要靶蛋白是磷脂酰肌醇232激酶(phosphatidylinositol 232 kinase，PI3K)，引發(fā)PI3K依賴的絲/蘇氨酸激酶(receptor serine/threonine kinases，RSTK)被激活，同時活化另一蘇氨酸蛋白激酶，調(diào)節(jié)糖原合酶的磷酸化過程[1，48]。③其他信號通路。瘦素能激活其他神經(jīng)元活性，產(chǎn)生一些神經(jīng)遞質(zhì)抑制促食神經(jīng)肽Y(NPY)的作用。如瘦素能激活黑素細胞激素原(POMC)而產(chǎn)生α-促黑素細胞激素(α-MSH)，后者與黑皮質(zhì)素-4(MCR-4)受體結(jié)合，進而封閉阻止NPY的作用。瘦素可通過降低NPY的合成來調(diào)控攝食。瘦素能通過影響動物下丘腦和后腦的葡萄糖感受性神經(jīng)元的活性，激活厭食欲肽(POMC、CART、CCK)的表達和抑制促食神經(jīng)肽Y(NPY、AgRP、Orexin)的表達，進而調(diào)控其攝食行為，并促進能量消耗[49]。瘦素還能通過改變下丘腦下行神經(jīng)元的活性，提高胃神經(jīng)元膽囊收縮素受體的活性，增強膽囊收縮素的作用而調(diào)節(jié)食欲[50]。

此外，還有其他一些假說或正在研究的信號通路[1]。

7 小結(jié)與展望

綜上所述，瘦素可通過多種途徑影響水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖，機理復(fù)雜。但目前我們對此研究和理解有限。今后應(yīng)多學科結(jié)合，綜合運用現(xiàn)代分子生物學技術(shù)，深入研究瘦素對水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖的影響及其機理，同時應(yīng)用瘦素調(diào)控水生動物代謝、生長發(fā)育和繁殖，促進水產(chǎn)業(yè)的高效生產(chǎn)，提高社會效益和經(jīng)濟效益。今后特別應(yīng)注意下述研究：①探討相關(guān)研究技術(shù)，為深入研究提供先進的技術(shù)保障。②進一步研究不同水生動物瘦素及其功能。③水生動物瘦素的作用機理，尤其是瘦素-受體復(fù)合體及其信號通路。④不同水生動物瘦素基因、受體的分布及克隆。⑤影響水生動物瘦素基因表達的因素及調(diào)控機制。⑥實際應(yīng)用研究。