动物食欲调节的中枢信号通路

刘 磊 宋志刚

(山东农业大学动物科技学院，泰安 271018)

下丘脑是食欲调控中一个极为重要的关键区域。早期损伤和刺激试验产生了“双中枢”学说:室旁核为饱中枢，外侧下丘脑为摄食中枢［1］。现研究结果表明，双中枢实际上是由一些分散的神经通路组成，这些神经通路在下丘脑核团中形成极为复杂的神经网络。其中，以5'－磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)两大调控位点在整个网络中占主导作用。外周信号经AMPK或mTOR食欲网络的传递后，能刺激食欲相关肽的表达，如促食欲作用的神经肽Y(NPY)和刺鼠相关蛋白(AgRP)；抑制食欲作用的前黑素细胞皮质素原(POMC)、可卡因和安菲他命调节因子(CART)［2］，使机体在不同的能量平衡情况下协调摄食和能量消耗。

1 AMPK信号通路

AMPK是一个异源三聚体，包括催化亚基α、调节亚基 β 和 γ的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶［3］。缺乏葡萄糖、缺氧、缺血及热休克等引起腺苷一磷酸/腺苷三磷酸比率(AMP/ATP)升高的情况都会激活AMPK。AMPK被称为细胞能量感受器，广泛参与细胞内的物质代谢。因此，AMPK在机体的能量稳态中起着非常重要的作用［4］。研究发现，下丘脑的各个区域(弓状核、室旁核、下丘脑腹内侧核和下丘脑外侧区)都有AMPK的表达［5］，并对采食量的调节起非常关键的作用［6］。

1.1 AMPK-ACC-CPT1

乙酰辅酶A是联系蛋白质、葡萄糖和脂肪三大营养物质代谢的关键中间产物。乙酰辅酶A在乙酰辅酶A羧化酶(ACC)的作用下形成丙二酰辅酶A，再在脂肪酸合成酶(FAS)的作用下形成脂肪酸。而肉碱棕榈酰转移酶－1(CPT－1)能转移长链酯酰辅酶A进入线粒体进行氧化分解，但CPT－1受丙二酰辅酶A的变构抑制调节。此反应过程中，ACC和CPT－1分别是脂肪酸合成和分解的关键限速酶。正常生理状况下，胞液中较高水平的丙二酰辅酶A变构抑制CPT－1，CPT－1活性处于较低水平，脂肪酸氧化水平较低。机体应激(营养应激、锻炼、局部缺氧等)可激活 AMPK［7］，AMPK 激活后的一个直接效应就是引起ACC的磷酸化，使其活性下降，降低了细胞内丙二酰辅酶A水平，从而解除丙二酰辅酶A对CPT－1的抑制，增加脂肪酸的氧化［8］。在休息中的下丘脑细胞，ATP需要量非常低，AMPK处于失活状态，ACC有活性，一些乙酰辅酶A转化为丙二酰辅酶A，抑制脂肪酸氧化；相反，当体内 ATP减少，AMPK被激活，ACC失活，丙二酰辅酶A水平下降，促进脂肪酸氧化，以产生更多的ATP，供细胞利用［9］。

另外也有研究指出，AMPK激活后可磷酸化和激活丙二酰辅酶A脱羧酶(MCD)，也可降低丙二酰辅酶A水平，减轻对CPT－1的抑制，刺激脂肪酸 β 氧 化［10］。Velasco 等［11］提 出 AMPK 调 节CPT－1活性的另外一种模式:AMPK通过直接磷酸化细胞支架成分(细胞角蛋白8和18)刺激CPT－1，提高脂肪酸β氧化。

研究显示，ACC及FAS高表达于下丘脑弓形核、腹内侧核等区域，并与促食欲的NPY神经元共表达［12］。中枢注射FAS抑制剂可显著降低小鼠的采食量，提示下丘脑神经元存在着脂肪酸再合成途径，并且该途径与机体的摄食调控相关。进一步的研究表明，FAS抑制剂的抑摄食作用主要依赖于丙二酰辅酶A的积累，后者通过上调食欲肽POMC/CART和下调食欲肽NPY/AgRP的表达，导致动物采食量降低［13］。

1.2 UCP2-FOXO1-pCREB

同源转录因子(BSX)在下丘脑中高度表达，特别是在NPY/AgRP神经元中。当与叉头框O1(FOXO1)和磷酸化cAMP相应元件绑定蛋白(pCREB)结合后，分别能促进 AgRP和 NPY的mRNA表达［6］。当激活AMPK时，通过 ACC－丙二酰辅酶A－CPT1途径，导致脂肪酸的分解增加，使得线粒体中活性氧产生增多。而线粒体中活性氧是由解偶联蛋白2(UCP2)来缓冲和介导的，升高的活性氧使UCP2表达增加。UCP2有磷酸化FOXO1和CREB的作用，因此，整个网络的结果是FOXO1－pCREB和BSX的结合能力增强，使得 NPY/AgRP 转录增加［14］。

2 mTOR信号通路

mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，哺乳动物中mTOR与其他不同的蛋白结合，形成了2种复合体mTORC1和mTORC2。mTORCl对雷帕霉素敏感，而 mTORC2不敏感［15］，过去十几年的研究主要集中于mTORC1。基于对mTORC1的研究，目前认为mTOR参与感受营养信号、调节细胞生长与增殖，参与机体的基因转录、蛋白质翻译起始、核糖体生物合成、细胞凋亡等多种生物学过程［16］。

2.1 PI3K-Akt-mTOR

肿瘤抑制基因TSC2(tuberous sclerosis complex 2)和TSC1(tuberous sclerosis complex 1)的基因产物分别是肿瘤抑制因子结节性硬化复合物2(TSC2)(又名 tuberin，分子质量约 200 ku)和TSC1(又名 hamartin，分子质量约130 ku)，TSC2与TSC1通过形成复合体而对mTOR及其介导的下游信号发生作用［17］。小G蛋白Rheb(ras homolog enriched in brain)作为 TSC1－TSC2复合物和mTOR之间的“桥梁蛋白”，其作用是结合三磷酸鸟苷(GTP)或鸟苷二磷酸(GDP)，Rheb与GTP结合时mTOR被激活，Rheb与GDP结合时mTOR被抑制。TSC2是GTP激活蛋白(GAP)，它作用于 Rheb－GTP 使其水解而呈 Rheb－GDP 状态，是mTOR 信号的负调节物［18－19］。TSC1－TSC2 复合物接受来自于上游多个激酶的调节，对生长因子、营养、能量和环境胁迫(如低氧)等刺激信号做出反应。TSC1－TSC2复合物是mTOR直接的上游调节物，mTOR信号通路感受的营养信号一般要通过它们介导。

磷脂酰肌醇－3－激酶(PI3K)是一个包括许多脂质激酶的家族，由1个调节亚基(P85)和1个催化亚基(P110)组成。在细胞中，胰岛素及胰岛素样生长因子通过其受体及胰岛素受体底物激活PI3K－Akt－mTOR通路，而其他生长因子多通过 ERas激 活 PI3K－Akt－mTOR 通 路。 磷 酸 酶 基 因(PTEN)使磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)的D3位去磷酸化以抑制在PI3K的催化下磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)向PIP3的转变。Akt在PIP3作用下向细胞膜转位，继而被PI3K激活的PI3K依赖性激酶1(PDK1)同时磷酸化激活，直接磷酸化激活mTORC1。磷酸化的Akt还可以使TSC2磷酸化，抑制TSC2的活性，加速TSC1与TSC2的降解，这个过程引起mTOR在TSC1－TSC2复合物抑制的状态下释放，从而激活mTOR，增强其信号传导通路［20］。激活的mTOR通过调节下游因子作用于食欲基因的调控。

不论 Akt直接还是间接调控 mTOR，TSC1－TSC2复合体都是mTOR活性调节中的关键抑制因子。TSC1－TSC2复合物可接受来自上游多个激酶的调节，对生长因子、能量、应激和氨基酸等其他营养因子做出反应［21－22］。

2.2 mTOR-4EBP1/p70S6K-NPY/AgRP

在下丘脑中，mTOR最主要的功能是对蛋白质合成和采食量的调控。mTOR信号激活后，磷酸化并激活40S核糖体S6蛋白激酶(p70S6K)，mTOR可使S6K第412位苏氨酸残基磷酸化，被磷酸化的S6K的活性可上升约100倍，并参与翻译过程。真核翻译起始因子4E结合蛋白(4E－BP1)通过和真核启动因子复合物(eIF－4E)的mRNA帽结合亚单位的结合抑制翻译启动。静止细胞中主要是去磷酸化状态，当有增生刺激时，mTOR使4E－BP1的第37位及第46位苏氨酸残基磷酸化，同时第65位丝氨酸和第70位苏氨酸的磷酸化也与mTOR密切相关，与前者不同的是，后者间接依赖于mTOR，可能是由于某种mTOR依赖型蛋白激酶或mTOR抑制性磷酸酶活性改变所引起的［23］。4E－BP1 被磷酸化后，降低了它与 eIF－4E 的亲和力，使 eIF－4E 能与 eIF－4G、24B、24A 结合形成多亚基单位的eIF－4F复合物，这种作用使翻译增加。哺乳动物细胞活化的mTOR也可刺激转录活化因子(STAT3)，使RNA聚合酶Ⅱ活性增加，同时磷酸化Rb蛋白(pRb)和细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂(p27kip1)而抑制其功能，激活RNA聚合酶Ⅰ～Ⅲ，从而促进转录［24］。mTOR被磷酸化激活后，通过调控4E－BP1和p70S6K 2条不同的下游通路，分别抑制NPY/AgRP和促进POMC的表达，但是关于二者之间具体的调节过程至今还未研究清楚［25］。

3 AMPK与mTOR的互作

已经有研究指出激活的AMPK可以抑制由生长因子和氨基酸刺激激活的mTOR信号途径［26］。其分子机制为:AMPK被激活后可直接磷酸化mTOR的第2 446位上的苏氨酸而抑制其活性［22］。也有报道AMPK使TSC2磷酸化而间接抑制mTOR的活性［27］。AMPK被激活后，能在第1 227位上的苏氨酸和第1 345位上的丝氨酸磷酸化TSC2，TSC2通过调控Rheb与GDP的结合来抑制 mTOR 的活性［28］。

除了AMPK与mTOR直接的上下游之间的调节，AMPK与mTOR的互作还表现在对机体物质代谢共同的调控位点上，通过影响机体内物质代谢来间接调控中枢食欲信号。mTORC1能加强低氧诱导因子(HIF1a)的翻译。HIF1a激活后能加强葡萄糖转运因子的转录，提高葡萄糖酵解酶的活性，从而增加了葡萄糖的摄取和糖酵解［29－30］。同样，Merrill等［31］首先发现活化 AMPK也能促进肌肉对葡萄糖的吸收。AMPK可通过提高葡萄糖转运蛋白(GLUT4)的转移来促进肌细胞葡萄糖的吸收，促进骨骼肌糖酵解，从而影响骨骼肌中糖原含量。固醇类调节因子绑定蛋白(SREBP1和SREBP2)是属于基础螺旋环状亮氨酸链型的转录因子，并且有与膜结合的特征，是调控脂肪酸、胆固醇和甘油三酯合成酶的重要基因转录因子，例如SREBP1能直接调节FAS基因的转录［32］。最近的研究发现SREBP1和SREBP2已经成为mTORC1参与脂肪代谢的重要调节因子，mTORC1能通过SREBP1促进FAS基因转录和翻译，促进脂肪酸的合成［33－34］。相反，AMPK 能通过下调SREBP1基因表达，而抑制FAS基因转录和翻译，最终抑制脂肪酸的合成［32］。机体内的蛋白质不断的更新，即它们在不断地被降解，并被新合成的蛋白质取代，其中自我吞噬是细胞内蛋白质降解的主要途径之一。哺乳动物自我吞噬启动激酶(Ulk1)能够引发自我吞噬行为，当葡萄糖缺乏时，AMPK能直接磷酸化Ulk1的丝氨酸第317和第777位点，增加 Ulk1活性；当营养充足时，mTOR能通过磷酸化丝氨酸第757位点而抑制Ulk1活性，并能破坏Ulk1和AMPK之间的相互作用。mTOR、Ulk1、AMPK之间的相互协调，使机体自我吞噬行为稳定在一定范围内［35－37］。

4 小结

机体能量稳态与采食量的协调是一个非常复杂的过程，包括一些信号通路和营养感应因子。mTOR是生长因子和营养信号的整合器［38］，胞内外的影响因子通过不同的细胞表面受体或靶蛋白将信号转导至mTOR或直接作用于其下游效应器，来调节下丘脑中食欲肽的表达。AMPK作为细胞内的能量感受器，能将能量信号在下丘脑中整合，通过协调采食量来保证机体的能量平衡。而现在越来越多的证据证明，AMPK和mTOR所介导的信号通路不是独立的，而是相互作用、协调共同维持机体的稳态平衡［39－40］。

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