鱼类瘦素的研究进展

高金伟+习丙文+谢骏

摘要：瘦素（leptin）由肥胖基因（obesity genes，Ob）编码，主要由脂肪组织分泌，在脊椎动物生理活动中具有重要的生理作用。瘦素可通过与瘦素受体（leptin receptor，简称LepR）结合，在抑制食欲、调节能量平衡、神经内分泌、生长与生殖等方面发挥着重要作用。本文主要针对近年来鱼类瘦素的克隆、分子特征与生物学功能、脂类代谢和繁殖的调控进行简要概述，以期为鱼类生理学研究及渔业生产提供一定的参考。

关键词：鱼类；瘦素（leptin）；瘦素受体（leptin receptor）；脂类代谢；繁殖；研究进展

中图分类号： S917文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0020-04

瘦素（leptin）是肥胖基因（obesity genes，Ob）的编码产物，大小为16 ku，是Ⅰ类α螺旋细胞因子之一，主要由脂肪组织产生和分泌，因在哺乳动物中有调控能量平衡和抵抗肥胖作用而闻名。在哺乳动物中，瘦素具有抑制食欲[1]、调节能量代谢[2]、神经内分泌[3]、生长[4]、生殖[5]、免疫反应[6]等多种功能。瘦素通过与多种组织及多种形式的瘦素受体（leptin receptor，简称LepR）结合，作用于中枢及外周的多个生物学位点，影响机体的许多生理和生命代谢过程[7]。瘦素的发现有助于定义一类新发现的具有内分泌调节作用的脂肪细胞，从而更易于理解瘦素对食物摄取及能量代谢的调控作用。随着分子生物技术的发展，越来越多物种的瘦素基因得以克隆，为研究其生物活性及生物学作用奠定了坚实的基础。

1瘦素

1994年，Zhang等利用定位克隆的方法获得小鼠的肥胖基因和人类瘦素基因，其中人类瘦素基因DNA全长达 15 000 bp 以上，相对分子质量为16 ku，包含3个外显子和2个内含子，位于第7号染色体上[8]。瘦素主要由白色脂肪组织分泌，其他组织少量分泌，主要有棕色脂肪组织、脑垂体、心脏、骨骼、肝脏等[9-10]，在机体内以游离和结合2种形式存在，其中游离型具有生物学活性。血液循环中的瘦素主要由肾脏清除。血浆中的瘦素水平受多种因素的调节，如体脂量、雌激素、糖皮质激素、胰岛素及肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，简称TNF-α）促进瘦素表达，而肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺激素、环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophoshate，简称cAMP）、PPAR-Y激动剂（如噻唑二烷酮）及雄激素却抑制瘦素表达[11]。由于鱼类瘦素存在重复基因组，因而其cDNA序列及编码的氨基酸长度也不尽相同。黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）瘦素 cDNA全长为 1 119 bp，编码172个氨基酸[12]。石斑鱼（Epinephelus coioides）gLepA、gLepB cDNA长度分别为671、684 bp，分别编码161、158个氨基酸[13]。大西洋鲑鱼（Salmo salar）sLepA1、sLepA2分别编码171、175个氨基酸[14]。鱼类瘦素基因结构与哺乳动物类似，由信号肽与成熟肽组成，具有分泌蛋白的特征，其在肝脏中表达量最高，而哺乳动物中leptin在脂肪组织中高表达[15]。

分子结构分析表明，瘦素蛋白包含4个反向平行的α-螺旋，呈“升—升—降—降”排列，形成独特的四螺旋结构，由2个长交叉链和1个短的左手螺旋束连接[16]。瘦素含有1个由2个半胱氨酸组成的连接α-螺旋C和D羧基末端的二硫键，缺失时会丧失其生物学活性[17]，该结构可能在瘦素生物学功能方面发挥着重要作用，推测其可能为瘦素活性结构域之一。鱼类与哺乳动物瘦素蛋白氨基酸序列同源性很低，但是二级结构和三级结构却高度保守，都含有四螺旋结构及2个半胱氨酸形成的二硫键[18]。

1.1瘦素的分子克隆

2005年，Kurokawa等克隆出红鳍东方鲀（Takifugu rubripes）的cDNA序列[19]。随后，瘦素基因序列在其他鱼类中相继被克隆、分离出来，主要有鲤（Cyprinus carpio）[18]、日本青鳉（Oryzias latipes）[20]、绿河鲀（Tetraodon nigroviridis）[21]、金鱼（Carassius auratus）[22]、虹鳟（Oncorhynchus mykiss）[23]、大西洋鲑[14]、斑马鱼（Danio rerio）[24]、北极红点鲑（Salvelinus alpinus）[25]、草魚（Ctenopharyngodon idella）[26]、鲢（Hypophthalmichthys molitrix）[27]、石斑鱼[13]、黄颡鱼[12]。在某些鱼类中同时存在2种瘦素基因，如日本青鳉中存在mLEP-A和mLEP-B[20]、斑马鱼中存在Leptin-a和Leptin-b[24]、石斑鱼存在gLep-A和sLep-B[13]，然而在某些特定鱼类如红鳍东方鲀中由于一个未知基因的缺失导致它缺少Leptin-b[19]。鱼类中发现的瘦素基因主要有2类：Leptin-a和Leptin-b，但是在鱼类已克隆的瘦素基因中绝大部分是Leptin-a[28]，到目前为止，在草鱼[26]及鲑属的虹鳟[23]和北极红点鲑[25]中仅有1种（Leptin-a）被报道；在鲤中发现2种同源Leptin-a，分别命名为Leptin-Ⅰ和Leptin-Ⅱ[18]；在大西洋鲑中也发现2种同源Leptin-a，分别命名为sLep-A1和sLep-A2[14]；在金鱼中发现2种同源的Leptin-a，分别命名为gLep-a Ⅰ和gLep-a Ⅱ[29]。研究发现，鱼类与不同种属鱼类及其他动物之间的氨基酸一级结构同源性很低，红鳍东方鲀瘦素氨基酸序列与人的相似性只有13.2%，与其他3种鱼类（大西洋鲑、青鳉和斑马鱼）的相似度在18%～48%之间[30]。斑马鱼瘦素氨基酸与人的同源性仅为18%[24]。尽管瘦素在其他动物之间的氨基酸序列相似度低，但在鲑、鳟中高度保守，高达98.7%[31]。

1.2瘦素的生物学功能

瘦素在生物体内具有广泛的生物学效应，主要是抑制摄食、增加能量消耗、维持正常的脂类代谢和能量平衡[32]，也可以调节机体的生长发育过程[33]。近来有研究发现，瘦素参与造血功能、骨生成和T细胞介导的免疫反应过程[34]。瘦素对机体内各种生理功能的调节作用均通过与LepR的结合来实现[35]。LepR是单一跨膜信号转导的细胞激肽类Ⅰ型受体，由细胞外结构域、跨膜结构域、细胞内结构域3个部分组成，根据细胞内位点，胞内结构域氨基酸序列及长短不同，把LepR分为2种亚型，即长受体（LepRb）和短受体（LepRa），其中瘦素主要的作用受体是LepRb，其胞内区含302～303个氨基酸残基，可激活JAK2/STAT（酪氨酸激酶2/信号转导子和转录启动子）信号通路[36]。LepRb在具有调节摄食和体质量功能的下丘脑核团（弓状核、背内侧核、腹内侧核和外侧核）上高度表达，同时在一些外周组织如心、肺、淋巴结中也有表达，但表达水平均较低。目前，LepRa的生物学功能和作用机制尚不清楚。

2瘦素对脂类代谢的调控

瘦素作为传达脂类代谢信号至脑组织的一种重要激素，与下丘脑上分布的LepR通过瘦素结合蛋白（leptin-binding domain，简称LBD）结合后，通过信号级联放大作用，激活多种厌食神经通路，主要诱导促黑激素（melanocyte-stimulating hormone，简称MSH）作用于促黑皮素受体4（melanocortin 4 receptor，简称MC4R）、可卡因-苯丙胺调控转录肽（cocaine and amphetamine regulated transcript，简称CART）、促肾上腺皮质激素释放激素（corticotropin releasing hormone，简称CRH）、增加阿黑皮素原（preproopiomelanocortin，简称POMC）的生物合成等。同时抑制促进食欲的神经通路，包括神经肽Y（neuropeptide Y，简称NPY）、黑色素聚集激素（melanin-concentrating hormone，简称MCH）、食欲素（orexins）及刺鼠相关蛋白（agouti-related protein，简称AGRP），增加交感神经系统活性，引起食欲降低、能量消耗增加，从而达到减轻体质量的目的[37]。NPY和AGRP促进机体进食，而POMC抑制机体进食[38]。在哺乳动物的研究中，已有关于瘦素对脂肪动员和存储脂肪消耗的研究，在鱼类的研究中主要集中在脂肪代谢中的调控机制[26]。当机体有足够的能量储存时，瘦素作用于下丘脑传递信号来抑制食欲。瘦素既可以发挥短期作用，又可以发挥长期作用。在较短的时期内，血浆瘦素是一个饱食信号，在长时期内，日平均血浆瘦素浓度传递长期的能量状态至大脑。在鲤[29]和石斑鱼[13]中，肝脏瘦素基因表达水平及血浆瘦素含量在摄食后会有所上升，而脑中瘦素基因表达水平没有变化，说明肝脏可能是循环系统中瘦素的主要来源，鱼类瘦素基因表达水平与其营养状态有关。虹鳟注射虹鳟重组表达瘦素蛋白后会出现厌食症[23]，同时饥饿处理的虹鳟的血浆瘦素水平也会升高[39]。在禁食的虹鳟和三文鱼中，血浆瘦素的含量表现为增加[39-40]。草鱼注射重组表达瘦素蛋白 24 h 后，其瘦素mRNA水平会提高5.76倍，说明瘦素对摄食、能量消耗及脂类代谢的调控存在急性效应[26]。北极红点鲑肝脏瘦素 mRNA水平在冬季，春季及初夏都比较低，随后开始上升，到十月达到最大值（最低水平的7倍），瘦素基因表达水平的季节性变化说明瘦素对能量平衡有长期调控作用[25]。同时，瘦素也可以显著减少肝脏脂蛋白脂肪酶（lipoprteinlipase，简称LPL）及硬脂酰辅酶A脱氢酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，简称SCD1）基因的表达，后者对合成单不饱和脂肪酸起着关键性的作用[26]。大西洋鲑连续20 d注射重组Lep-A1后，最高剂量组POMC基因表达水平显著增加[41]。虹鳟注射重组瘦素蛋白后，NPY基因表达水平短暂升高，POMC基因表达水平升高[31]。禁食后金鱼脑中NPY基因表达量增加，CART基因表达水平下降[42]。禁食和注射重组瘦素表明，瘦素不仅作为鱼体营养状态的信号因子，而且说明瘦素可以通过神经内分泌途径影响NPY、AGRP、POMC等基因的表达和分泌，从而发挥调控体内物质代谢和能量平衡的作用。

3瘦素对繁殖的调控

在哺乳动物中，瘦素可將机体营养状况传递至下丘脑—垂体—性腺轴，从而影响性腺发育和个体繁殖。当脂肪含量储存充足并足够满足动物繁殖时，血液中瘦素的含量高于最小阈值，此时瘦素通过血脑屏障到达下丘脑并激活下丘脑—垂体—性腺轴，刺激下丘脑产生促性腺激素释放激素（gonadotrophin releasing hormone，简称GnRH），从而触发生殖功能[43]。研究表明，鱼类瘦素对其繁殖发育也有一定的影响。哺乳动物瘦素可以增加鲈促黄体生成激素（luteinizing hormone，简称LH）的含量[33]。利用人类瘦素可以增加雌性虹鳟鱼中垂体的促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，简称FSH）和促黄体生成激素的释放量[44]，这表明瘦素可以激活鱼类下丘脑—垂体—性腺轴，引起性腺激素的分泌，从而影响鱼类的生殖活动。研究发现，对比发育成熟和未成熟的三文鱼血浆瘦素含量和肝脏瘦素基因表达水平，结果表明性腺成熟的三文鱼瘦素 mRNA水平显著升高，血浆瘦素含量也有所上升[45]，这说明瘦素作为机体脂肪储存信号传达到脑组织，从而调控脂肪累积、保证卵巢发育过程中的能量需求。大西洋鲑肝脏瘦素在精子形成中期表达增加，在精子成熟后期Lepa1和Lepa2基因表达水平分别上调7.7、49.0倍[46]。黄颡鱼脑中瘦素 mRNA水平在第Ⅲ期达到峰值，在第Ⅴ期时呈现下降趋势[12]，这表明在性腺发育的过程中，瘦素在性腺发育不同时期的差异性表达能影响鱼体内的脂肪代谢和能量消耗，对性腺的发育及脂肪动员有重要作用。

4展望

前期研究表明，瘦素是鱼类和哺乳动物的一种真正意义上的多效用激素，功能涉及食物摄取、体质量和发育的调控及脂类代谢和能量平衡，但研究热点集中在瘦素对脂肪代谢和繁殖能力的影响。鱼类中有关瘦素生物学功能的研究还有许多不足之处，如仍有许多种属的鱼类的瘦素基因序列、瘦素蛋白及瘦素的不同亚型的功能及组织分布有待发现，其作用机制尚不清楚；鱼类瘦素及其受体在体内的结合及对鱼类大脑如何组织和调控摄食中枢了解还很少；鱼类瘦素与体内其他激素或生物活性分子的生物学联系及作用机理有待进一步研究，如缩胆囊素（cholecystokinin，简称CCK）能在某种程度上起着介导金鱼瘦素抑制食欲的作用[42]；外界环境因素对瘦素的影响及瘦素对应激的调控及机体免疫反应的研究有待探究；瘦素在鱼类性腺发育过程中具体的调控机理有待发现。以上种种问题的解决将对瘦素的生物学功能、鱼类生长代谢及繁殖等相关研究产生巨大的推动作用。

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