瘦素及其生理功能概述

王春艳 杜瑞平 张兴夫 高 民*

(1.内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特 010018;2.内蒙古农牧业科学院动物营养所，呼和浩特 010031)

1950年，Ingalls发现了一种“肥胖基因”(ob)，它的突变可以导致肥胖和糖尿病。Kennedy和Hervey分别于1956年和1958年均发现了脂肪分泌的一种“饱感因子”，它能通过下丘脑控制动物摄食量，调节体重。历经几十年的研究与发展，Zhang等［1］利用突变基因的定位克隆技术得到ob基因。后来ob基因编码的这种细胞因子被命名为瘦素(leptin)。目前，瘦素在很多动物上的研究越来越深入与具体，本文就瘦素及其受体的结构和特征、瘦素的主要生理功能及其在细胞中的信号转导途径做一简要概述。

1 瘦素及其受体的结构和特征

1.1 瘦素

瘦素是由脂肪细胞分泌的一种蛋白质，为亲水性多肽，其相对分子质量为16 000。它由167个氨基酸残基组成，N端有1个信号肽序列，由21个氨基酸残基组成;C端有1个二硫键形成的环状结构，由2个半胱氨酸残基组成。成熟的瘦素分子是由去掉N端信号肽后的146个氨基酸残基组成的。有报道得出，瘦素的二级结构中包含α－螺旋和 β－折叠［2］，整个瘦素分子为一个球状结构。

瘦素在机体内分布广泛，如皮下脂肪、大网膜、肠系膜、腹膜，这些组织中瘦素表达水平较高。近年来研究发现在乳腺、胎盘、胚胎、骨骼肌、血管壁和胃黏膜中均有瘦素表达。瘦素的表达和分泌受多种因素影响，如胰岛素、糖皮质激素、肿瘤坏死因子α(TNFα)和雌激素均可以提高瘦素的表达和分泌，而雄激素、游离脂肪酸和生长激素则可以降低瘦素的表达和分泌。

1.2 瘦素的受体

瘦素受体(LR)为单跨膜受体，包括胞外、跨膜和胞内3个结构域，已发现其有LRa、LRb、LRc、LRd、LRe和LRf 6种异构体的受体亚型。根据其胞内结构域的氨基酸序列和长度，LR又分为长型受体和短型受体，其中最重要的是短型受体LRa和长型受体LRb。LRa主要分布在大脑脉络丛及血脑屏障的微血管丛中，作为瘦素结合/转运蛋白使瘦素通过血脑屏障进入脑脊髓液。LRb主要分布于下丘脑多个核团区表达神经肽Y(NPY)的细胞膜上，起信号转导作用。其他4种异构体均为短型受体，分布于中枢神经系统、脂肪、心、肝、肺、肾、胰岛、生殖组织、造血组织和淋巴组织等，瘦素与之结合后可发挥不同的作用。LR是瘦素专一诱导生成的，某一组织LR的基因mRNA的表达量间接反映了瘦素在此组织的表达情况。

2 瘦素的主要生理功能

目前瘦素的研究不仅限于人类和啮齿类动物(大鼠和小鼠)，在牛、羊、猪方面也有很多报道。其生理作用也涉及多个方面，包括对泌乳、能量、发情及免疫等的影响，可见瘦素是一种多功能的细胞因子。它在血液中游离或与瘦素结合蛋白结合后到达中枢和外周，通过与其具有高亲和力的受体结合而发挥作用，也有的在局部以旁分泌或自分泌的方式发挥作用［3］。

2.1 瘦素与能量的关系

瘦素的主要作用是调节能量平衡。

一方面，瘦素可以控制动物摄食和体重。有研究得出，给肥胖的小鼠提供外源瘦素一段时间后，其采食量明显减少，且减少量与瘦素的供给量呈一定的线性关系，同时小鼠体重也呈现相应的变化［4］。当动物因采食过多导致肥胖时，过多脂肪产生的瘦素会刺激下丘脑的感受器，然后通过交感神经将超重信号传递到摄食中枢，使动物减少摄食，增加能量消耗，以维持体重恒定。当动物处于饥饿状态时，血液中的瘦素水平下降，进而刺激下丘脑提高副交感神经的兴奋性，增加食欲，降低能量消耗以恢复正常体况［5］。

另一方面，瘦素是由脂肪细胞分泌的，其受体也存在脂肪组织中，因此瘦素在脂肪组织中可通过自分泌方式发挥最基础的作用。它可以促进甘油三酯分解，抑制脂肪酸合成酶表达，最终发挥抑制脂肪合成的作用。瘦素也可通过增加能量消耗介导乙酸辅酶A羧化酶基因的表达，直接抑制脂肪生成［6］。Muoio 等［7］研究表明大鼠给予瘦素后，其骨骼肌脂肪酸氧化增强，脂肪酸合成甘油三酯减少，说明瘦素也能减少骨骼肌中脂肪的合成。

总体来说，瘦素的这种生理作用是通过下丘脑的反馈环实现的。在下丘脑中，瘦素通过激活其长型受体发挥作用［8］。瘦素调节能量代谢主要依赖NPY递质系统和促黑皮质素(MSH)系统，分别在低和高瘦素水平时发挥作用。当血液中瘦素水平正常时，瘦素与其受体结合，作用于下丘脑的食物中枢，抑制弓状核神经元合成并释放NPY递质，抑制摄食，但对脂肪代谢不起作用;当超出正常水平时，瘦素可通过与下丘脑部位的食欲刺激网络相互作用控制饮食，同时促进脂肪代谢，使消耗大于吸收，从而减少体重［9］。

但有研究发现，有些肥胖者体内瘦素水平很高，并且外源性瘦素也不能控制其体重，本身的瘦素也未发挥相应的生理效应，这种现象称为“瘦素抵抗”;瘦素抵抗的原因可能有以下几种:1)血液中瘦素无法正常向脑脊液中转运，因而无法到达中枢神经系统与受体结合。2)在肥胖者体内可能存在瘦素的抵抗物，减弱了其生物活性。3)瘦素的信号转导途径出现障碍或缺陷［10］。目前，瘦素抵抗的确切原因尚未明了，有待继续深入研究。

2.2 瘦素与生殖的关系

瘦素可以促进动物初情期的启动和维持正常的发情周期。给健康的动物每天注射一定剂量的瘦素一段时间后，不论雌性或雄性的生殖器官质量均增加，原因在于生殖器官上存在LR，瘦素可以与之直接结合而促进组织增生，或者瘦素先作用于性腺，使其释放性腺类固醇激素，类固醇激素再作用于靶细胞，导致组织增生，这表明瘦素是生殖系统的重要信号因子［11］。Yu等［12］研究表明，注射外源瘦素的健康大鼠比未注射外源瘦素的大鼠初情期提前。瘦素可以与下丘脑－垂体－性腺轴的各个层次的受体结合而发挥作用。当动物体脂肪沉积正常时，脂肪分泌入血的瘦素可以抵达下丘脑，作用于弓状核和腹内侧核以及促性腺激素释放激素(GnRH)神经元，调节GnRH分泌。部分经垂体门静脉进入垂体前叶，与LR结合，促进垂体与生殖功能相关激素的释放，启动初情期［13］。这些都表明正常的瘦素水平对维持正常的发情周期起着重要作用。

另外，对于妊娠期动物，母体血清瘦素水平也反映着胎儿的数量和发育状况。例如，多胎的江苏湖羊比单胎的新疆农垦细毛羊的血清瘦素水平要高得多［14］。也有研究表明，进入胎儿体内的瘦素可与胎儿的肺、肝、骨、小肠、造血干细胞、脂肪组织、心等组织器官中的LR结合，调节胎儿宫内的生长发育［15］。脐血中的瘦素水平是衡量胎儿生长状况的指标之一。当胎儿体重较低时，瘦素产生减少，对胎儿脂肪组织的增长有利;而当体重增加时，瘦素水平亦升高，以控制体重的过度增长，从而避免低体重儿和巨大儿的产生［16］。

2.3 瘦素与乳腺发育和泌乳的关系

瘦素在乳腺方面的研究起于20世纪末。1997年，Houseknecht等［17］在人乳汁中发现了瘦素。目前在猪、牛以及大白鼠乳中也发现了瘦素，并且发现其在泌乳初期含量最高。乳腺中的瘦素水平在不同时期也有所不同。1999年，Aoki等［18］最早用Southern印迹(Southern blot)杂交方法对青春期、妊娠期、泌乳期以及退化期的小鼠乳腺中瘦素基因mRNA的表达进行了研究，发现青春期小鼠乳腺中瘦素基因mRNA的表达水平最高，妊娠期开始下降，泌乳期最低，且表达恒定，退化期小鼠乳腺中瘦素基因mRNA的表达恢复到妊娠早期的水平。2006年，林叶［19］用免疫荧光的方法测得瘦素在不同时期的蛋白质表达，这与Aoki等［18］的结果也是一致的。Aoki等［18］对瘦素及其受体的研究也表明瘦素可以作为一个自分泌或旁分泌因子，直接通过受体激活来参与乳腺上皮细胞生长和凋亡的调控。林叶［19］以培养基中添加瘦素为试验组，不添加瘦素为对照组，分别对不同时期的小鼠乳腺组织进行体外培养，结果得出:妊娠中期，瘦素可以促进乳腺导管上皮细胞的增殖和分化;泌乳中期，瘦素可以明显诱导乳腺中β－酪蛋白基因的表达;退化期，瘦素可以诱导乳腺组织重建。在分娩前和整个泌乳阶段，瘦素主要由乳腺腺泡上皮细胞和腺泡间的基质合成和分泌［19］。通过体外培养泌乳中期奶牛乳腺组织得出，瘦素在催乳素和氢化可的松的作用下不仅可以促进乳腺乳蛋白的分泌，而且可以提高乳脂肪的含量［20］。在乳腺上皮细胞信号转导通路中，双向激活酪氨酸蛋白激酶Janus激酶(JAK)－信号转导及转录激活因子5(STAT5)对调节乳腺上皮细胞的发育和乳蛋白的合成起重要作用，而双向激活JAKSTAT3则诱导乳腺上皮细胞凋亡，使其进入下一个泌乳周期［21］。

2.4 瘦素的其他生理功能

瘦素可以降低骨吸收作用，有利于骨形成，促进骨骼发育，同时可以促进骨骼肌成肌细胞的增殖［22］。

Bado等［23］在胃黏膜中发现了瘦素。现已研究得出，瘦素是胃和中枢神经系统之间传递摄食信号的重要物质;作为细胞的生长因子，对胃黏膜细胞起营养作用，在病理状态下，可作为胃黏膜受到损伤的一个应激信号［24］。

Bouloumie等［25］提出瘦素是一种促血管新生因子。可与血管内皮生长因子(VEGF)和成纤维细胞生长因子(FGF－2)协同作用，共同促进血管新生［26］。

瘦素作为炎性介质之一也可以调节机体免疫和炎症反应过程［27］。其可促进淋巴细胞增殖，诱导细胞因子的分泌与表达，维持胸腺和脾脏的免疫活性。当机体被感染或发生炎症反应时，瘦素水平升高，刺激相关的免疫因子表达增加。若机体瘦素水平偏低则容易感染疾病。

3 瘦素的信号转导途径

瘦素信号转导途径中主要有3个信号通路蛋白家族:STAT、细胞因子信号抑制子(SOCS)和细胞外信号调节激酶(ERK)。STAT蛋白家族均具有SH2结构和羧基末端酪氨酸磷酸化位点、特异性的氨基酸结合位点，氨基末端部分则介导与多个DNA结合位点协调结合。STAT5是最早在乳腺组织中被鉴定的一个催乳素诱导的转录因子，STAT3则与乳腺凋亡有关。SOCS蛋白家族包括细胞因子诱导序列(CIS)和 SOCS1、2、3，它们也有SH2结构，细胞因子(如瘦素)可以诱导SOCS蛋白家族基因转录，反过来，表达的SOCS蛋白可以抑制细胞因子信号通路和生物学活性［28］。ERK是细胞外信号调节激酶，可将胞外刺激信号传递给细胞核，是细胞应激和损伤反应的主要信号通路蛋白，介导细胞的生长、发育、分化及凋亡。

目前认为JAK－STAT途径是瘦素信号转导的主要途径［29］。瘦素与膜上的受体结合，通过受体构象的改变启动下游信号转导过程。瘦素与受体结合后，激活在膜内与受体结合的JAK，同时受体磷酸化，结合STAT的SH2结构。随后激活的JAK磷酸化STAT的酪氨酸残基，磷酸化的STAT离开受体，形成二聚体转入核中后与特定的DNA结合激活转录。

LRa能介导受体依赖的JAK2和胰岛素受体底物(IRS－1)酪氨酸磷酸化，但信号能力比LRb弱很多。LRb构型改变后与JAK2分子结合形成一个闭合的结构，JAK2结构域内的调节环上Tyr1007和Tyr1008磷酸化可使JAK本身被激活，从而进一步使LRb结构域中的Tyr985和Tyr11382个酪氨酸残基磷酸化［30］。LRb磷酸化的Tyr985结合蛋白酪氨酸磷酸酶(SHP－2)，SHP－2 被 JAK2 磷酸化后介导ERK的激活。LRb磷酸化的Tyr1138结合转录因子SOCS3，SOCS3最终反馈调节并抑制JAK2/LRb 的信号［31］。

4 小结

由于瘦素及其受体在体内分布广泛，参与多种生理过程，所以一旦二者任一出现异常均会导致相应的病理反应，如肥胖症、心血管疾病、肿瘤、肝病等。目前，瘦素作用的详细机制已成为研究热点，与其相关的各种疾病和药物也吸引了越来越多研究者的注意。对于人类，主要是研究瘦素在肥胖、Ⅱ型糖尿病以及心血管疾病发生中的作用机理，以提供新的治疗方法和新药物。而对于畜牧业，瘦素的研究可用于提高畜产品品质、增加畜产品产量以及繁殖育种等，也可以为其在人上的研究提供一定的基础。目前又有人在硬骨鱼体内发现2种瘦素，瘦素－a和瘦素－b，它们只有24%的共同氨基酸，与人体中的瘦素有18%的共同氨基酸。据分析，这2种瘦素和其他动物体内的瘦素还是有同源性的［32］。这一方面扩充了我们对瘦素原有的认识，另一方面会吸引更多的研究者去不断探索、发现。

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