生物钟系统与下丘脑-垂体-肾上腺轴相互作用的研究进展

韩 鹤(综述),戴泽平(审校)

(皖南医学院弋矶山医院麻醉科，安徽 芜湖 241001)



生物钟系统与下丘脑-垂体-肾上腺轴相互作用的研究进展

韩 鹤△(综述),戴泽平※(审校)

(皖南医学院弋矶山医院麻醉科，安徽 芜湖 241001)

在生物进化的早期，生物体已建立起对昼夜节律变化以及不可预见的随机应激刺激同时产生适应性行为和生理反应的能力，这些昼夜节律及应激相关的反应是通过两个高度保守且密切相关的调控网络-生物钟系统和应激系统来完成的，生物钟系统由震荡分子起搏器，Clock/Bmal1生物钟转录因子构成，应激系统由下丘脑-垂体-肾上腺轴及其末端效应物糖皮质激素受体构成。两者在不同的信号水平上相互联系，任意一个系统出现调节异常均会导致病理情况的发生发展。

生物钟系统；下丘脑-垂体-肾上腺轴；糖皮质激素

在生物进化早期，生物体已经发展了一种高度保守的分子计时器，即生物钟系统，它可以在昼夜信息的影响下产生内在节律[1]，输出信号到各个器官和组织，控制机体的行为和生理节律，除了使它们的活动与昼夜改变相同步外，生物体不断面临不可预见的短期和长期的环境变化，称之为“应激源”, 例如外源性的过热或过冷,创伤和疾病入侵，以及内源性的应激，如痛苦的回忆、肿瘤等[2]。为了适应这些刺激，生物体发展了另外一个调节系统，即应激系统，它可以调节多种生物活动以修复内环境的稳态，包括中枢神经系统活动、中间代谢、免疫和繁殖[2-3]。然而此系统对应激刺激做出不恰当的反应时，会对机体造成伤害，例如，急性下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA)轴活动亢进与创伤后应激障碍的发展有关系，慢性HPA轴激活以及由此导致的长期高血清皮质醇水平，会引起内脏型肥胖和胰岛素抵抗/血脂异常[2-3]。生物钟和应激系统是生物生存的两个基本条件，两者在多个水平相互作用调节众多生理活动。这两个系统失调可能会导致类似的病理情况发生，现对两者在生理和病理生理方面的相互作用进行综述。

1 生物钟系统

生物钟是机体内的定时体系，它使机体行为、生理呈现近似24 h的节律，生物钟由中枢生物钟和外周生物钟组成，中枢生物钟位于下丘脑的视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，在眼部传来的环境明暗信息的强烈影响下，SCN作为“主生物钟”感受光线的变化而使节律重新设置，而外周生物钟为“从属生物钟”，存在于所有的器官和组织细胞中[4]，研究发现在离体培养的组织细胞中存在细胞自主节律波动[5]。外周生物钟通过体液和神经调节与主生物钟同步活动，但到目前为止它们之间的神经和体液调节机制仍未完全阐明。两者几乎存在一个相同的转录调节机制，均是通过协调一组转录因子的激活与失活而形成内在生理震荡节律，主要的转录因子为Clock蛋白和Bmal1 蛋白，它们属于下游生物钟基因-芳香烃受体核转运蛋白-结合结构域家族转录因子超家族成员[6-7]。

Clock/Bmal1异质二聚体与位于启动子部位的E-box反应元件结合，激活其他必要生物钟基因的转录，如周期素(periods,有Per1、Per2、Per3)和隐花色素(cryptochromes,有Cry1、Cry2)。累积的Pers蛋白和Cry蛋白与酪蛋白激酶1ε和δ形成复合体，磷酸化后，进入细胞核，阻止Clock/Bmal1异质二聚体与其启动子部位的E-box反应元件结合，从而抑制Clock/Bmal1异质二聚体的转录，最终形成负反馈转录回路，维持一个近似每24小时的基因表达震荡节律[8]。除了这个主要的转录调节环路外，Clock/Bmal1还激活其他生物钟相关蛋白的表达，例如核受体Rev-erbα，维甲酸相关孤核受体α，differentiated embryo-chondrocyte expressed gene 1(Dec1)，白蛋白基因D表面结合蛋白，形成辅助环路[6, 9]，使Clock/Bmal1、Pers蛋白和Crys蛋白调节环路更加稳固，最终控制下游的生物钟反应基因，改变生物活动。

为了获得光照信息，位于SCN的主生物钟通过视网膜下丘脑束接收来自视网膜的传入神经元，SCN神经元再将信号传给其他脑区，例如下丘脑室旁核、内侧视前区、下丘脑背内侧核、松果体，来传递时间信息，以调节垂体激素和褪黑素的分泌，并且控制睡眠、摄食和体温。主生物钟也作用于自主神经系统来调节外周生物钟，除此之外，主生物钟还通过体液介质例如精氨酸加压素(arginine vasopressin，AVP)、肿瘤坏死因子α、前动力蛋白2、心肌营养因子、神经调节肽，使外周生物钟的生理节律与之同步化[10]。值得注意的是，外周生物钟还受到主生物钟之外的其他定时因素的影响，如限制进食能改变啮齿动物外周生物钟的生理节律，但不影响主生物钟的活动。研究显示，下丘脑背内侧核含有1个限制进食介导的可以调节外周生物钟的节律中枢，由此调节能量代谢[11]。

2 HPA轴

HPA轴除了具有日节律活动外，也介导对各种应激因素的适用性反应。HPA轴主要包括3部分：下丘脑室旁核的小细胞性神经元，可以合成并分泌促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin-releasing hormone,CRH)和AVP，脑垂体的促肾上腺皮质激素神经元和肾上腺皮质。来自更高级脑调节中枢的刺激性信号能促进室旁核神经元释放CRH和AVP进入下丘脑正中隆起下方的垂体门脉系统。在垂体前叶，CRH和AVP协同作用，刺激促皮质激素细胞释放促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)[12]。ACTH经血液到达肾上腺皮质区域，促进肾上腺迅速合成糖皮质激素(人类合成皮质醇，啮齿动物合成皮质酮)，糖皮质激素再反馈作用于室旁核和腺垂体(分别抑制CRH和ACTH的合成与分泌)，形成反馈调节环路。

糖皮质激素是一类甾体激素，几乎作用于全身所有的器官和组织，是维持许多重要生物活动所必需的，例如中枢神经系统的稳态，心血管系统、中间代谢和免疫/炎症反应，并且影响多达20%基因的信使RNA表达。因此，HPA轴不仅调节应激反应，还通过糖皮质激素作用于全身所有的器官和组织。糖皮质激素与糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor, GR)结合发挥其生物学作用，GR是核受体家族中的一员，广泛存在于各种组织细胞中，几乎所有细胞均是它的靶细胞。GR主要存在胞质中，糖皮质激素与其受体结合，构型变化形成二聚体，与核内糖皮质激素反应元件(glucocorticoid response elements,GREs)相互作用，调节靶基因的表达，从而调控基因的转录。GR除了直接与GREs结合，还通过与一些特殊的转录因子例如核因子κB和信号转导与转录活化因子相互作用，调节靶基因的表达[13]。

3 生物钟系统和HPA轴的相互作用

3.1 生物钟系统对HPA轴的调节 糖皮质激素的分泌有昼夜节律性，午夜时水平最低，清晨时水平最高，主生物钟接受光信号，整合信息后传递给下丘脑室旁核，从而调节HPA轴的活动，维持糖皮质激素的昼夜节律性。这种由主生物钟介导的糖皮质激素的昼夜节律性变化对调节机体日常活动有非常重要的作用，SCN还通过调节自主神经系统的活动，改变肾上腺皮质对ACTH的敏感性，来调节皮质激素的释放。研究发现，生物钟基因(Per1Brd)缺乏的小鼠循环糖皮质激素明显升高并失去昼夜节律性，Per2Brd小鼠糖皮质激素升高，但具有节律波动性[14]。然而，另有研究小组发现，Per2-/-小鼠糖皮质激素的基线水平与正常组没有差别，但失去其昼夜节律性，虽然脑垂体分泌ACTH呈节律性[15]。Per2Brdm1/Cry1-/-双突变的小鼠肾上腺合成糖皮质激素的功能受损[16]，这表明位于肾上腺的外周生物钟感受血浆ACTH的浓度变化控制糖皮质激素的合成。以上研究证明，主生物钟在光信号输入的调节下，连同HPA轴共同维持糖皮质激素的节律性分泌，同时，位于肾上腺的外周生物钟和HPA轴的其他组分也有利于糖皮质激素的节律性分泌。

3.2 HPA轴对生物钟系统的作用 HPA轴以交互抑制的方式强烈影响生物钟系统的活动与节律，糖皮质激素可以作用于外周生物钟，而外周生物钟几乎分布于所有的器官和组织，SCN内的主生物钟不受糖皮质激素的调节，因SCN中不表达GR，因此当机体受到内外部压力而发生改变时，主生物钟的内在节律不会发生变化。相比之下，糖皮质激素通过改变生物钟相关基因的表达时相来重置生理节律，这些基因存在于外周器官，如肝、肾、心脏。因此糖皮质激素可以改变外周生物钟的生理节律，但是在主生物钟的调节下，外周生物钟最终恢复到标准时相。糖皮质激素介导外周生物钟周期重置在应激条件下非常重要，机体需调节昼夜节律性活动从而对应激做出恰当反应，糖皮质激素的昼夜节律性在一定程度上有助于维持一些组织的外周生物钟震荡节律。

在外周组织和某些脑区，糖皮质激素影响生物钟相关基因的表达，重置外周生物钟节律[17]。例如Per1基因启动子包含一个串联的GREs，在小鼠肝、肾、心脏，GREs协调糖皮质激素介导的Per1基因的转录，人类和大鼠也存在这种GREs结构，小鼠Per2基因转录也是通过GREs方式[18]。Per2表达上调对主生物钟传递节律信号到杏仁核是必需的，杏仁核是边缘系统的一部分，主要调控情绪反应尤其是恐惧和愤怒的调节，将情绪变化的信号传递到应激系统[19]。杏仁核参与糖皮质激素介导的葡萄糖代谢的调节，影响瘦素等脂肪因子的分泌及外周组织对胰岛素的敏感性[18]。并且糖皮质激素调节其他生物钟基因的表达，例如转录因子E4BP、核受体Rev-Erbβ、转录因子Dec2，在它们的调节区均包含功能性的GREs[18]。

3.3 Clock/Bmal1经乙酰化作用直接调节GR转录活性 生物钟和应激系统通过GR在外周靶组织中相互通讯(crosstalk)，Clock/Bmal1与GR的配体结合域结合，抑制GR诱导的转录活动。在血清休克同步化细胞，GR转录活动的评定是通过一种内源性糖皮质激素应答基因mRNA表达情况来进行的，该应答基因启动子区域包含功能性GREs，GR转录活动以昼夜节律的方式自发波动，但与Clock/Bmal1的mRNA表达时相相反[20]。Clock蛋白与甲状腺受体激活因子在氨基酸组成和结构上都有高度相似性，甲状腺受体激活因子属于p160型核受体辅激活因子家族的一个成员，拥有固有的组蛋白乙酰转移酶活性，因此Clock蛋白也存在这种酶的功能[21]。Clock蛋白乙酰化人类GR铰链区的赖氨酸簇，包括氨基酸480、492、494和495 位置，减低GR对同源性DNA序列GREs的亲和力，从而抑制GR诱导的转录活动。这些研究表明，Clock/Bmal1负反馈调节靶组织的糖皮质激素活动。

4 生物钟与HPA轴相互作用对代谢和免疫系统疾病的影响

如上所述，生物钟系统和HPA轴影响中枢神经系统和外周组织的功能和活动，很明显主生物钟掌控HPA轴的节律活动。接下来用代谢和免疫系统疾病作为例证，论述生物钟与HPA轴的相互作用及在疾病病理发展过程中的影响。中间代谢调控着糖、蛋白质、脂肪的转化、能量产生和存储，这些功能都是生存所必需的。多达10%的能量控制基因的表达具有节律性及组织特异性，这些基因包括与糖和脂肪代谢调节有关的核受体和酶类[22-24]。Rev-erbα属于核受体，它是生物钟转录环的主要负性调节因子，抑制肝糖元异生及脂肪代谢，抑制脂肪细胞分化和一些其他核受体的转录活动，包括过氧化物酶体增殖物激活受体和维甲酸相关孤核受体α[9,25]。研究表明，Clock 或 Bmal1基因缺陷的小鼠糖异生紊乱，循环中葡萄糖和三酰甘油缺乏日节律变化，更易发生肥胖、高血脂、糖尿病[26]，并且纤溶酶原激活物抑制剂1(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)表达升高，它是肥胖，糖尿病，心血管疾病发生的一个重要危险因子之一[27]。另一生物钟蛋白Per2可以抑制PAI-1的表达，表明在生物钟系统调节异常引起的代谢系统疾病发展中Per2也是一个重要因素[27]，研究发现轮流换班的工人经常晚上活动，白天睡觉，他们的节律系统不断被重置，发生肥胖、高血压、高血脂、胰岛素抵抗的风险更高[28]。此外，Clock基因存在特定的单核苷酸多态性，它与肥胖的发生相关[29]。内脏脂肪的Bmal1，Per2 和Cry1基因表达异常与腰围增加有关，而腰围的大小是内脏肥胖和代谢综合征的指标[30]。

当给予各种应激或大剂量的糖皮质激素，会持续刺激HPA轴，合成代谢转变为分解代谢，并且使内脏脂肪更易聚集。循环糖皮质激素的升高刺激糖异生，肝糖原分解，脂肪分解，蛋白质降解为氨基酸，最终导致向心性肥胖，胰岛素抵抗性糖尿病，高胰岛素血症，肌肉减少皮肤变薄，这些都是库欣综合征的典型表象。

研究发现，大多数与生物钟系统和HPA轴调节异常相关的代谢表型是相互重叠的，是否生物钟系统的紊乱继而引起HPA轴调节异常而导致代谢问题，还是两者各自独立作用于相同的代谢通路，它们的调节机制还尚不清楚。假设两者在生物钟系统调节异常的基础上对代谢综合征的发展均有作用，例如一些分子如过氧化物酶体增殖物激活受体、PAI-1，在中间代谢中起着重要作用，而它们对生物钟系统和糖皮质激素起反应，此外，生物钟基因缺陷的小鼠，如Per1-/-和Per2-/-小鼠，出现糖代谢障碍和肥胖症并伴随HPA轴损伤，糖皮质激素的节律分泌发生改变[15]，Clock/Bmal1介导GR诱导的转录活动也参与代谢异常的调节，这些转录因子抑制糖皮质激素诱导的葡萄糖-6磷酸酶的mRNA的表达，葡萄糖-6磷酸酶为糖原分解过程的限速酶[20,31]。

长期处于应激状态的个体，循环糖皮质激素水平傍晚升高，在下丘脑分泌CRH和AVP的基础上，加强高级中枢的信号输入，靶组织对皮质醇的敏感性发生改变，与向心性肥胖和代谢综合征的发生有关。同样，经常存在时差问题的个体会增加患心血管疾病的风险，这也许与皮质醇分泌和靶组织对糖皮质激素敏感性失去偶联性有关[32]。

生物钟系统与HPA轴相似的作用也表现在免疫功能的调节方面。在人类和啮齿动物，生物钟系统使一些细胞因子如干扰素γ、白细胞介素1b、白细胞介素 6、肿瘤坏死因子α、T细胞、B细胞和自然杀伤细胞产生生理波动[32]。生物钟系统有缺陷的基因敲除小鼠存在各种免疫功能紊乱，例如循环白细胞和细胞因子的节律性分泌变钝或者缺失，对脂多糖诱导的中毒性休克表现出损伤性应答，B淋巴细胞存在缺陷[32]。HPA轴激活及随后的糖皮质激素释放强烈影响免疫活动和炎症反应。糖皮质激素的生理浓度对免疫系统的功能非常重要，在应激条件下观察到的药理剂量或高浓度的糖皮质激素水平可抑制免疫系统的功能，其主要通过蛋白因子与GR交互作用抑制转录因子及其他对免疫功能和炎症机制调节至关重要的分子，例如蛋白激酶1，核因子κB和信号转导与转录活化因子[33]。当进入中枢神经系统的免疫细胞减少时，外周生物钟通过体液因子糖皮质激素进行调节，而糖皮质激素受主生物钟的调节。因此生物钟系统也参与调节免疫功能并能导致免疫功能缺陷，且部分通过转录因子Clock/Bmal1和GR相互作用来调节内源性糖皮质激素对免疫系统的功能。

5 结 语

应激是所有生物对紧张性事件的适应性反应，对生物的存活具有重要意义，某些刺激能影响生物钟的输出和生物体昼夜节律的表达。生物钟系统和应激系统通过多级水平的相互作用调节彼此的生理活动，最终对抗昼夜改变和各种不可预见的不良刺激以协调内环境的稳态。生物钟节律系统控制应激系统，而应激系统调节中枢和外周生物钟系统以应对各种不利刺激。任一系统的功能紊乱或解偶联都会改变内平衡。

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Research Progress in Interactions of the Circadian Clock System and the Hypothalamic-pituitary-adrenal Axis

HANHe,DAIZe-ping.

(DepartmentofAnesthesiology,YijishanHosptialofWannanMedicalCollege,Wuhu241001,China)

Organisms have developed concurrent behavioral and physiological adaptations to the strong influence of day/night cycles, as well as to unforeseen, random stress stimuli.These circadian and stress-related responses are achieved by two highly conserved and interrelated regulatory networks,the circadian clock and stress systems, which respectively consist of oscillating molecular pacemakers,the Clock/Bmal1 transcription factors, and the hypothalamic-pituitary-adrenal axis and its end-effector, the glucocorticoid receptor.These systems communicate with each other at different signaling levels,and dysregulation of either system may lead to development of pathologic conditions.

Circadian clock system； Hypothalamic-pituitary-adrenal axis； Glucocorticoids

安徽省教育厅重点项目(kj2013A254)

R335

A

1006-2084(2015)12-2123-04

10.3969/j.issn.1006-2084.2015.12.005

2014-08-10

2014-11-21 编辑：相丹峰