营养素对水生动物瘦素基因表达的影响、瘦素的作用及其机理

■丁兆坤 李 培 刘富娟 许友卿

（广西大学水产科学研究所广西高校水生生物健康养殖与营养调控重点实验室，广西南宁535004）

瘦素(1eptin)是一种蛋白质激素，属于 I型细胞因子[1-2]。

瘦素在机体内的靶组织器官多，生物学功能广，主要包括：①抑制摄食，刺激能量消耗；②维持正常的血脂代谢；③调节生长发育；④促上皮细胞、血管生长；⑤维护消化系统的功能；⑥调节免疫功能和炎症反应；⑦调节神经内分泌等[3]。

在调控摄食和代谢中，瘦素与其他许多因素（包括多种激素和神经递质等）相互关联，共同发挥作用，其机制十分复杂，许多问题亟待探讨。水生动物瘦素更是一个新的研究课题。

2014年，Watson等[4]指出，营养物质、基因表达和生理机能之间存在复杂的相互作用，因此微量元素可能造成遗传学和生理学改变。营养素为人和动物包括鱼类生长发育所必需，是机体新陈代谢的基础，在整体、组织器官、细胞和基因水平上调控着机体的生命活动，影响非常大[5]。营养素水平直接影响鱼类的饲料利用、生长、发育，显著影响其生产水平[6]。因此，研究营养素对水生动物瘦素基因表达的调节及机理，对理解调控摄食、能量代谢的机制具有科学理论意义；能为有计划、有目的、有效地控制水产动物体重、脂类沉积和能量代谢，根据需要生产理想、优质和健康的水产品提供基础依据；同时为调控人类肥胖、维护健康、提高生产力等提供参考，因此具有深远的意义和广阔的应用前景。

1 瘦素基因的表达、瘦素作用及其机理

1.1 瘦素基因的表达

Zhang等[7]于1994年首先在Nature报道，克隆了小鼠和人编码瘦素的肥胖基因(obese gene)，又称之为瘦素基因(leptin gene)。2005年，Kurokawa 等[8]先在水生动物克隆了河豚(Fugu obscurus)的瘦素基因，发现它与人类的瘦素基因只有13%的同源性，鱼类瘦素的氨基酸序列与哺乳类差异很大，然而，蛋白质结构高度保守。瘦素前体由167个氨基酸组成，于分泌入血时，被修饰除去其中由21个氨基酸组成的N-端信号肽，形成由146个氨基酸组成、分子量为16 kD、有生物学功能的成熟瘦素，以单体形式存于血液中[1,6]。

不同物种的瘦素基因表达相异。鱼类瘦素主要在肝中表达[9-11]，也表达于鱼脑、垂体、精巢和卵巢等组织[12]。但是，哺乳动物的瘦素主要由白色脂肪组织分泌[6，13-14]，也表达于下丘脑、胃、骨髓、骨骼肌、胎盘、胎儿等组织[15-16]。

不同亚型瘦素基因表达也相异。如斑马鱼(Da⁃nio rerio)[17]和草鱼(Ctenopharyngodon idellus)[18]的leptin-A均主要在肝中表达，可是，leptin-B大量表达于斑马鱼脑和眼中[17]，而草鱼主要表达于小脑[19]。

1.2 瘦素的功能

瘦素在机体内发挥多种生物学功能，如参与调节摄食、能量代谢、生长、体重、激素分泌、免疫和繁殖等[11，20-22]。哺乳动物瘦素在摄食[6]、糖和脂肪代谢[3，8，23]、能量消耗[24]、促进生长[3]、免疫[3，25]、造血[3]、生殖[26-28]等发挥重要作用。鱼类瘦素可调节鱼类的摄食[18，29]、葡萄糖和脂肪代谢[30-31]、促进生长[10]、繁殖[17，32]等。例如，性成熟的大西洋鲑(Salmo salar)肝瘦素mRNA水平和血清瘦素含量均显著高于未成熟者[33]。人类瘦素可提高雌性虹鳟(Oncorhynchus mykiss)垂体的促黄体生成激素(LH)和促卵泡激素(FSH)的释放量。瘦素能显著提高团头鲂(Megalobrama amblycephala)的繁殖能力[34]。然而，至今鱼类瘦素的功能研究，主要集中在摄食、体重、脂肪代谢和能量代谢调节方面。由于瘦素可给大脑提供能量平衡和长效食物的调节信号——长效肥胖信号[35]，因此，瘦素能调节食欲，控制肥胖。2016年，Yan等[36]发现，注射瘦素能显著抑制金鱼(Carassius auratus)食欲、减缓消化管道的排空速度。注射虹鳟重组表达瘦素后，虹鳟降低促食欲因子——神经肽Y(NPY)基因的表达水平，并促进其抑制食欲因子——阿片促黑色素原基因的表达，因而显著抑制虹鳟的摄食行为[29]。给草鱼注射草鱼重组表达瘦素24 h后,草鱼的瘦素mRNA水平升高5.76倍，表明瘦素以急性效应调控摄食、脂类代谢和能量消耗；与此同时，瘦素显著降低肝硬脂酰辅酶A脱氢酶1(SCD1)和脂蛋白脂肪酶(LPL)基因的表达，前者在合成单不饱和脂肪酸中发挥关键作用[18]。给金鱼腹腔和侧脑室注射哺乳动物瘦素后，金鱼减少摄食、体重下降、降低调控摄食和能量代谢的相关基因表达。给鲈鱼腹腔注射人的瘦素也可抑制其摄食[37]。然而，Won等[10]给杂交条纹鲈(♂Moron saxatilis×♀M.Chrysops)注射瘦素100 ng/g后，其生长素-1基因表达量显著高于对照组。

2016年，Yuan等[38]指出，Leptin-A 参与桂鱼(Siniperca chuatsi)能量代谢的主要调节，在调节摄食和能量代谢中发挥重要作用；而Leptin-B调控特殊中枢神经系统的能量交换。

1.3 瘦素的作用机理

瘦素通过瘦素受体(Leptin-R)介导发挥作用。瘦素受体广泛分布于机体的中枢及外周组织，但是，瘦素对摄食的调节主要是通过影响下丘脑摄食中枢进行的[39]。瘦素受体是单一跨膜信号转导的细胞激肽类I型，由胞外、跨膜和胞内三个结构域构成。按胞内结构域氨基酸序列和长短的差异，把瘦素受体分为长型、短型和可溶型三种亚型[3]，其中长型瘦素受体是瘦素的主要作用受体[40]。鱼类瘦素受体首先从海水青鳉克隆出来，海水青鳉瘦素受体主要在鳃、脾、肾和肌肉中表达,而且雌性瘦素受体的表达量高于雄性[41]。

分泌到血液中的瘦素先与血清蛋白结合，由血液运输至下丘脑与瘦素受体结合，经过信号转导而发挥瘦素作用[42]。目前认为，瘦素信号转导的主要途径包括以下几方面。

1.3.1 JAK/STAT信号通路

瘦素的直接受体为黑素细胞激素原(POMC)和神经肽Y(NPY)。当瘦素与其受体结合后，通过瘦素受体胞内段膜近端区域的酪氨酸激酶(Ja-nus kinase，JAK)结合位点与JAK结合，而激活JAK，导致“信号转导和转录激活因子”(signal transducer and activator of tran-scription，STAT)磷酸化而从受体上脱离，并以二聚体形式进入细胞核，作为转录因子与特异的DNA序列结合，参与基因表达调控[29，43-44]。这是介导瘦素信号传输的主要通路——JAK/STAT信号通路。

1.3.2 RST－PI3K信号通路

瘦素能通过与胰岛素信号级联中的某些信号分子相互作用，参与调控胰岛素介导的信号传递。胰岛素受体亚型通过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)，引发PI3K依赖的丝/苏氨酸激酶(receptor serine/threonine kinases,RSTK)被激活，同时活化另一苏氨酸蛋白激酶，调节糖原合酶的磷酸化过程[45]。

1.3.3 其他信号通路

瘦素能激活其他神经元活性，产生一些神经递质抑制促食神经肽Y(NPY)的作用。如瘦素能激活黑素细胞激素原(POMC)而产生α-促黑素细胞激素(α-MSH)，后者与黑皮质素-4(MCR-4)受体结合，进而封闭阻止NPY的作用。瘦素可通过降低NPY的合成来调控摄食。瘦素能通过影响动物下丘脑和后脑的葡萄糖感受性神经元的活性，激活厌食欲肽(POMC、CART、CCK)的表达和抑制促食神经肽Y(NPY、AgRP、Orexin)的表达，进而调控其摄食行为，并促进能量消耗[46]。此外，瘦素还能通过改变下丘脑下行神经元的活性，提高胃神经元胆囊收缩素受体的活性，增强胆囊收缩素的作用而调节食欲[47]。此外，还有其他一些假说或正在研究的信号通路。

2 营养素对水生动物瘦素基因表达的影响

瘦素基因表达受许多因素影响，其中营养素是主要因素之一，脂肪、糖类、蛋白质都显著影响水生动物瘦素基因的表达。

2.1 脂肪对水生动物瘦素基因表达的影响

体脂量是影响瘦素基因表达的主要因素。脂肪组织体积或热卡摄取量的变化可显著影响瘦素mRNA及其表达。血清瘦素浓度与脂肪组织瘦素mRNA水平、体重指数尤其是与体脂的百分含量呈正相关[32，48]。通常，体重增加，瘦素mRNA升高，瘦素浓度提高；反之，体重减轻，瘦素mRNA减少，瘦素浓度降低。相较而言，肥胖者的脂肪细胞瘦素mRNA和血清瘦素水平较高；同体的大脂肪细胞所含的瘦素mRNA高于小脂肪细胞[49]。如过度进食致体重增加10%，体脂从15.8%增至19.4时，瘦素浓度可增加3倍[26]。

摄入脂肪显著影响瘦素基因表达。用添加4%脂肪的饲料投喂草鱼，其瘦素基因阳性面积比对照组增加80.40%，显著提高瘦素表达、生长性能、脂肪含量和脂肪分解酶活性，降低脂肪合成酶活性[50]。但是，Kousoulaki等[51]给大西洋鲑投喂植物油添加剂，不增加其瘦素表达。

瘦素基因表达与日粮脂肪酸组成及其能量代谢相关[52]。投喂n-3和n-6长链多不饱和脂肪酸(LCPUFAs)的虹鳟(Oncorhynchus mykiss)于24 h内，其瘦素表达均是降低；而且投喂LC-PUFAs的虹鳟鱼瘦素表达量低于投喂植物油者[53]。富含n-3多不饱和脂肪酸(PUFAs)的膳食，可直接降低机体的血浆瘦素水平[54]。然而，江津等[55]报道，相对于n-6 PUFAs来说，给小鼠饲喂含n-3 PUFAs的饲料或添加n-3 PUFAs体外培养3T3-L1细胞，均显著增加瘦素表达，并有剂量效应。

此外，由肾上腺皮质分泌的一类甾体激素——糖皮质激素(Glucocorticoid)，又名肾上腺皮质激素，可直接或间接引起瘦素水平的增高[26]。

2.2 糖类对水生动物瘦素基因表达的影响

瘦素基因表达与血糖水平正相关。投喂后的鲤(Cyprinus carpio)肝瘦素表达量上升，并于血糖升高和血清游离脂肪酸下降之后达到峰值，这说明瘦素表达上升是由血糖含量升高所致[56]。空腹会降低瘦素mRNA及血清瘦素浓度，但进食可恢复其浓度。短时过量摄食可致血清瘦素浓度提高40%[49]。投喂齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)1 h后，其瘦素表达量为1.02，而禁食对照组瘦素表达量为0.58[57]。饥饿3周的鲈(Perca fluviatilis)肝瘦素mRNA水平显著减少,再投喂3周后鲈肝瘦素mRNA水平则回升[37]。

然而，Kling等[58]报道，禁食3周后，虹鳟瘦素表达水平显著升高。禁食1周后，斑马鱼肝Leptin-A mRNA水平显著升高，而Leptin-B mRNA水平显著下降，可见瘦素的不同亚型表达相异[17]。投喂糖脂比14∶1的饲料24 h后，大菱鲆(Scophthalmusmaximus)血糖水平2倍于投喂糖脂比1∶6的对照组，鱼肝瘦素表达量显著降低，但肌肉瘦素受体的表达量却显著升高，效果相异[59]。

2.3 蛋白质对水生动物瘦素基因表达的影响

肉碱(carnitine)抑制瘦素表达。肉碱是一种可用蛋氨酸和赖氨酸生物合成的类氨基酸复合物。分别用添加肉碱0、200、400 mg/kg饲料投喂草鱼8周后，其肝胰脏瘦素表达随肉碱添加量的增加而下降[51]。这与用大鼠做实验的结果一致，当用添加肉碱0、125、250、500 mg/kg饲料投喂大鼠6周后，其3个肉碱组的血清瘦素水平显著低于对照组[60]。

神经肽抑制瘦素表达。给草鱼注射神经肽2～4 h后，其体内瘦素表达量显著下降[61]。

然而，Kousoulaki等[51]给大西洋鲑(Salmo salar)投喂植物蛋白，不影响其瘦素表达。蛋白质激素——胰岛素可刺激瘦素表达[26]。用胰岛素处理小鼠后，其脂肪细胞中瘦素表达升高[62]。

3 结语与展望

综上所述，营养素特别是脂肪对水生动物瘦素基因表达的影响很大，但其机理亟待研究。目前，研究哺乳动物瘦素颇多，但研究水生动物瘦素是个新课题。应该综合利用多科学、从基因、分子、细胞、器官和整体水平，全方位、深入地研究水生动物瘦素的生物学功能和影响因素，更要深入研究影响瘦素基因表达的因素及机制。具体来说，应该特别关注：①不同水生动物瘦素及其功能研究；②水生动物瘦素的作用机理，尤其是瘦素-受体复合体及其信号通路；③不同水生动物瘦素基因、受体的分布及克隆；④影响水生动物瘦素基因表达的因素及调控机制；⑤实际应用研究。