昼夜节律与脂质代谢关系的研究进展

王曜晖，赵智权，杜运松，李丽娟

(遵义医学院，贵州遵义563003)

生物节律是生物体内所有生化过程的周期性变化。24 h的生物节律叫做昼夜节律。睡眠-觉醒周期、进食方式和能量代谢等行为和生理过程都呈现24 h节律。机体内源性产生昼夜节律，即使在没有周期性环境刺激的情况下也能保持一定的自主节律。同时，昼夜节律也受一些外在环境因素影响。光照是最主要的影响昼夜节律的因素。日照产生的光信号被视网膜中的神经节细胞接收后，转化成电信号，经视神经束传至下丘脑视交叉上核(SCN)，从而启动活动周期[1]。除此之外，进食节律也可以干扰昼夜节律。SCN是生物体内主要的生物钟，通过物理或遗传方式去除其功能后导致自主活动和进食节律紊乱[2]。SCN神经元产生自主的昼夜节律振荡[3]。通过密切追踪运动员的昼夜节律活性发现，SCN神经元活动频率在白天最高，在晚上最低[4]。SCN的生物钟决定大脑其他部分以及外周组织的生物节律。外周的生物节律可通过神经和内分泌途径产生，也可通过SCN影响睡眠和进食周期间接形成。SCN向下丘脑室下核和背内侧核等其他下丘脑核发出最密集的神经元投射[5]。下丘脑背内侧核发出神经元投射到促进睡眠的腹外侧视前核和促进觉醒的下丘脑外侧区[6]。因此，从结构上来看，睡眠、进食和能量代谢的昼夜节律等在下丘脑的水平发生整合，而脂肪作为生命活动的能源物质，其代谢极有可能与昼夜节律关系密切，本文旨在论述昼夜节律与脂质代谢的关系。

1　生物钟基因的反馈环路

生物钟基因蛋白包括生物钟循环输出蛋白(CLOCK)、大脑和肌肉芳香烃受体核转运蛋白1(BMAL1)、隐花色素(CRY)家族、周期素蛋白(PER)、神经细胞PAS结构域蛋白(NPAS2)、反红细胞增多病毒(REV-ERB)等。近年研究发现，体外培养的心肌细胞、肾脏细胞等在完全脱离了神经体液的调节后，仍表现出昼夜节律，并且在心肌、肾脏、肝脏、脂肪等组织中发现了PER1、PER2、CRY1、CRY2、CLOCK、BMAL1、维生素D结合蛋白(DBP)等生物钟基因的表达。生物钟基因运行机制如下：生物钟由相互作用的转录/翻译反馈回路通过各种生物钟基因和产物蛋白的表达实现调控。生物钟基因启动后，经转录、翻译生成相应的蛋白质，当此蛋白质达到一定浓度，通过负反馈作用于自身基因的启动部位，抑制该基因的表达，使其浓度高低以24 h为周期进行振荡。在反馈回路中，由正性成分和负性成分相互作用，发挥调节作用。正性成分主要包括CLOCK和BMAL1等蛋白因子[7]，当生物钟基因启动，可使上述成份表达；负性成分主要包括PER(PER1、2、3)和CRY(CRY1、2)蛋白因子[8]，当正性成分表达后与E-box结合后启动转录，使PER和CRY等成分表达，不仅可阻断正性成分的作用，使之表达减弱或停止，而且还可以调节多个代谢通路。由于基因转录和蛋白转运入核需要一定时间，生物节律分子振荡的周期正好维持在24 h左右。

2　昼夜节律紊乱对脂质代谢的影响

昼夜生物钟通过调节脂质代谢的关键步骤发挥其作用。脂质代谢中有很多关键的转录调节因子，包括REV-ERB、ROR蛋白、PPARα、PPARγ和PPARδ等。这些转录调节因子存在于肝脏、脂肪组织中，受到生物钟的控制，并呈现昼夜节律表达。

2.1　昼夜节律紊乱导致脂质代谢障碍

当进食节律与机体昼夜节律不一致时，脂质代谢会出现异常。例如在白天给予小鼠高脂肪饮食比夜间更容易发生肥胖[9]。只有在夜间才能进食的小鼠与持续获得食物的小鼠相比较，前者的生物钟基因表达呈现较高幅度变化的昼夜节律，血清胆固醇降低和胆汁酸升高，脂肪酸相关的代谢物下降[10]；而且，前者不容易出现肥胖、高胰岛素血症和肝脂肪变性等病变。长期从事昼夜倒班工作的人罹患代谢综合征的风险增加[11]，慢性心功能不全、中风和中风相关疾病的病死率升高[12，13]。对人类受试者的研究显示，夜晚进食导致餐后血糖升高、高胰岛素血症和高甘油三脂血症[14，15]。睡眠障碍可能加剧代谢失调，并且降低昼夜节律钟幅度[16]。据报道[17～19]，肥胖本身与肝脏、脂肪组织生物钟昼夜节律的幅度减小有关。

2.2　昼夜节律紊乱导致脂质代谢障碍的机制

无论是整体水平还是在特定的代谢组织中，生物钟破坏都可导致能量平衡异常和脂质异常。研究[20]发现,CLOCKΔ19突变小鼠会出现贪吃和肥胖，随着小鼠周龄的增加，还会进一步发展成高脂血症和肝脂肪变性。整体丧失BMAL1功能的动物，也会出现同样的脂质代谢障碍[21]。正常饮食状态下肝脏特异性敲除BMAL1的小鼠胰岛素分泌正常，但禁食时其葡萄糖清除率高于正常水平并且会出现低血糖[22]。与整体敲除BMAL1的小鼠类似，胰腺特异性敲除BMAL1小鼠并未出现昼夜节律和体质量异常，但其胰岛素分泌和葡萄糖耐量都会降低，易发生糖尿病和脂质代谢障碍[23，24]。在胰岛素刺激的作用下，骨骼肌特异性敲除BMAL1小鼠肌肉摄取葡萄糖功能受损，但空腹血糖和葡萄糖耐量正常[25]。脂肪特异性敲除BMAL1小鼠出现体质量增加和脂肪组织质量增加等不良症状，这主要与小鼠白天进食量增加有关。BMAL1在前脂肪细胞分化的过程中表达增高，且整体丧失BMAL1功能小鼠胚胎成纤维细胞无法分化成脂肪细胞，这些表明BMAL1在脂肪形成的过程中起到非常重要的作用。

SCN神经元NPAS2的功能丧失不会影响小鼠自由进食时的进食模式或者体质量[26]；NPAS2-/-小鼠仅对白天喂养适应较慢，这可能与NPAS2能够检测细胞代谢状态有关[27]。REV-ERBα和REV-ERBβ功能丧失的动物表现出显著的脂质代谢缺陷，包括肝脏甘油三酯明显增加，肝脏严重脂肪变性和高血糖。相比之下，RORα编码区内源性缺失小鼠出现体质量减轻，不易出现饮食诱导的肥胖[28，29]。

3　高脂饮食对昼夜节律的影响

通常情况下，睡眠-觉醒和食物摄入的昼夜节律是同步的。即使SCN的时钟功能失调，进食周期也可以调控外周组织生物钟[30]。新近文献[31]证实，外周组织的生物钟对营养感觉通路敏感，提示进食内容和时间可以影响外周生物钟的昼夜节律。

3.1　高脂饮食对自主活动的影响

通常情况下，大鼠和小鼠主要的活动周期出现在夜间。当大鼠和小鼠进食高脂饮食后，其正常的自主运动节律发生改变，表现出夜间活动能力降低[32，33]。此外，小鼠摄入高脂饮食导致小鼠日间活动减少，且表现出无规律活动[34]。与正常进食小鼠相比，在完全黑暗环境下生存的小鼠进食高热量饮食的第1周就会表现出活动时间增加[35]。此外大鼠和小鼠的自主运动也发生了改变，觉醒周期也受到干扰。脑电图显示，高脂喂养动物表现出觉醒时间减少，同时快速动眼活动(REM)增加，非REM睡眠出现[36]。这些结果表明，高脂饮食可以改变自主活动的方式。

3.2　高脂饮食对生物钟相关基因的影响

当机体摄入高热量饮食时，脂肪储备会迅速增加。高热量饮食很大程度上改变了生物钟基因在周边器官如肝脏和脂肪组织的表达，这种变化取决于食物中能量、动物的年龄和物种[37]。对高热量喂养的小鼠用qPCR方法检测下丘脑中的BMAL1、Per2和Clock基因表达，并没有发现任何差异[38，39]。此外，离体状态下用生物荧光检测的高热量喂养和正常喂养的小鼠中PER2的表达，发现两组间并没有统计学差异。另一项研究表明，在完全黑暗的条件下饮食诱导的肥胖小鼠(DIO)的SCN中，BMAL1表达的振幅降低[37]。在DIO小鼠中，通过生物发光检测技术证明肝脏中PER2的相位提前，肝脏和白色脂肪组织中Per2、BMAL1、CLOCK mRNA的节奏性减弱[38]。总的来说，高脂饮食很大程度上影响了外周器官的生物钟，但是对下丘脑生物钟相关基因的表达几乎没有任何影响。

脂质是细胞膜和脂蛋白的组成成分，并且是重要的储能运输。脂质作为细胞内、外信号分子对细胞生理方面有着广泛的影响。大量研究结果表明，昼夜节律障碍可导致脂质代谢紊乱、肥胖和代谢疾病。由此可见昼夜节律系统对脂质代谢至关重要。最近使用代谢组学和脂质组学平台的研究已经显示，在人类血浆中，数百种脂质物质是昼夜节律调节的，包括但不限于脂肪酸、甘油三酯、甘油磷脂、甾醇脂质和鞘脂。在未来的工作中，这些分析方法可用于更好地了解昼夜节律与脂质代谢和肥胖等代谢疾病的相互作用。

参考文献：

[1] Albrecht U. Timing to perfection: the biology of central and peripheral circadian clocks[J]. Neuron, 2012,74(2):246-260.

[2] Albus H, Bonnefont X, Chaves I, et al. Cryptochrome-deficient mice lack circadian electrical activity in the suprachiasmatic nuclei[J]. Curr Biol, 2002,12(13):1130-1133.

[3] Buhr ED, Takahashi JS. Molecular components of the Mammalian circadian clock[J]. Handb Exp Pharmacol, 2013,217：3-27.

[4] Yamazaki S, Kerbeshian MC, Hocker CG, et al. Rhythmic properties of the hamster suprachiasmatic nucleus in vivo[J]. J Neurosci, 1998,18(24):10709-10723.

[5] Gooley JJ, Schomer A, Saper CB. The dorsomedial hypothalamic nucleus is critical for the expression of food-entrainable circadian rhythms[J]. Nat Neurosci, 2006,9(3):398-407.

[6] Chou TC, Scammell TE, Gooley JJ, et al. Critical role of dorsomedial hypothalamic nucleus in a wide range of behavioral circadian rhythms[J]. J Neurosci, 2003,23(33):10691-10702.

[7] BungerM K, Wilsbacher L D, Moran SM, et al. Mop3 is an essentia component of the master circadian pacemaker in ammals[J]. Cell, 2000,103(7):1009-1017

[8]Honma S, Kawamoto T. Dec1 and Dec2 are regulators of the mammalian molecular clock[J]. Nature, 2002, 419(6909):841-844.

[9] Arble DM, Bass J, Laposky AD, et al. Circadian timing of food intake contributes to weight gain[J]. Obesity(Silver Spring), 2009,17(11): 2100-2102.

[10] Hatori M, Vollmers C, Zarrinpar A, et al. Time-restricted feeding without reducing caloric intake prevents metabolic diseases in mice fed a high-fat diet[J]. Cell Metab, 2012,15(6):848-860.

[11] De Bacquer D, Van Risseghem M, Clays E, et al. Rotating shift work and the metabolic syndrome: a prospective study[J]. Int J Epidemiol, 2009,38(3):848-854.

[12] Brown DL, Feskanich D, Sanchez BN, et al. Rotating night shift work and the risk of ischemic stroke[J]. Am J Epidemiol, 2009,169(11):1370-1377.

[13] Pan A, Schernhammer ES, Sun Q, et al. Rotating night shift work and risk of type 2 diabetes: two prospective cohort studies in women[J]. PLoS Med, 2011,8(12):e1001141.

[14] Hampton SM, Morgan LM, Lawrence N, et al. Postprandial hormone and metabolic responses in simulated shift work[J]. J Endocrinol, 1996,151(2):259-267.

[15] Scheer FA, Hilton MF, Mantzoros CS, et al. Adverse metabolic and cardiovascular consequences of circadian misalignment[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2009,106(11):4453-4458.

[16] Moller-Levet CS, Archer SN, Bucca G, et al. Effects of insufficient sleep on circadian rhythmicity and expression amplitude of the human blood transcriptome[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2013,110(12):E1132-E1141.

[17] Ando H, Yanagihara H, Hayashi Y, et al. Rhythmic messenger ribonucleic acid expression of clock genes and adipocytokines in mouse visceral adipose tissue[J]. Endocrinology, 2005,146(12):5631-5636.

[18] Caton PW, Kieswich J, Yaqoob MM, et al. Metformin opposes impaired AMPK and SIRT1 function and deleterious changes in core clock protein expression in white adipose tissue of genetically-obese db/db mice[J]. Diab Obes Metab, 2011,13(12):1097-1104.

[19] van der Spek R, Kreier F, Fliers E, et al. Circadian rhythms in white adipose tissue[J]. Prog Brain Res, 2012,199:183-201.

[20] Turek FW, Joshu C, Kohsaka A, et al. Obesity and metabolic syndrome in circadian Clock mutant mice[J]. Science, 2005,308(5724):1043-1045.

[21] Shimba S, Ogawa T, Hitosugi S, et al. Deficient of a clock gene, brain and muscle Arnt-like protein-1 (BMAL1), induces dyslipidemia and ectopic fat formation[J]. PLoS One, 2011,6(9):e25231.

[22] Marcheva B, Ramsey KM, Buhr ED, et al. Disruption of the clock components CLOCK and BMAL1 leads to hypoinsulinaemia and diabetes[J]. Nature, 2010,466(7306):627-631.

[23] Sadacca LA, Lamia KA, deLemos AS, et al. An intrinsic circadian clock of the pancreas is required for normal insulin release and glucose homeostasis in mice[J]. Diabetologia, 2011,54(1):120-124.

[24] Dyar KA, Ciciliot S, Wright LE, et al. Muscle insulin sensitivity and glucose metabolism are controlled by the intrinsic muscle clock[J]. Mol Metab, 2014,3(1):29-41.

[25] Paschos GK, Ibrahim S, Song WL, et al. Obesity in mice with adipocyte-specific deletion of clock component Arntl[J]. Nat Med, 2012,(12):1768-1777.

[26] Wu X, Wiater MF, Ritter S. NPAS2 deletion impairs responses to restricted feeding but not to metabolic challenges[J]. Physiol Behav, 2010,99(4):466-471.

[27] Bugge A, Feng D, Everett LJ, et al. Rev-erbalpha and Rev-erbbeta coordinately protect the circadian clock and normal metabolic function[J]. Genes Dev, 2012,26(7):657-667.

[28] Lau P, Fitzsimmons RL, Raichur S, et al. The orphan nuclear receptor, RORalpha, regulates gene expression that controls lipid metabolism: staggerer (SG/SG) mice are resistant to diet-induced obesity[J]. J Biol Chem, 2008,283(26):18411-18421.

[29] Mamontova A, Seguret-Mace S, Esposito B, et al. Severe atherosclerosis and hypoalphalipoproteinemia in the staggerer mouse, a mutant of the nuclear receptor RORalpha[J]. Circulation, 1998,98(24):2738-2743.

[30] Tahara Y, Kuroda H, Saito K, et al. In vivo monitoring of peripheral circadian clocks in the mouse[J]. Curr Biol, 2012,22(11):1029-1034.

[31] Gnocchi D, Pedrelli M, Hurt-Camejo E, et al. Lipids around the clock: focus on circadian rhythms and lipid metabolism[J]. Biology(Basel), 2015,4(1):104-132.

[32] Sherman H, Genzer Y, Cohen R, et al. Timed high-fat diet resets circadian metabolism and prevents obesity[J]. FASEB J, 2012,26(8):3493-3502.

[33] Pendergast JS, Branecky K L, Yang W, et al. High-fat diet acutely affects circadian organisation and eating behavior[J]. Eur J Neurosci, 2013,37(8):1350-1356.

[34] Branecky KL, Niswender KD, Pendergast JS. Disruption of daily rhythms by high-fat diet is reversible[J]. PLoS One, 2015,10(9):e0137970.

[35] Kohsaka A, Laposky AD, Ramsey, KM, et al. High-fat diet disrupts behavioral and molecular circadian rhythms in mice[J]. Cell Metab, 2007,6(5):414-421.

[36] Luppi M, Cerri M, Martelli D, et al. Waking and sleeping in the rat made obese through a high-fat hypercaloric diet[J]. Behav Brain Res, 2014,258:145-152.

[37] Cunningham PS, Ahern SA, Smith LC, et al. Targeting of the circadian clock via CK1δ/ε to improve glucose homeostasis in obesity[J]. Sci Rep, 2016,6:29983.

[38] Kohsaka A, Laposky AD, Ramsey KM, et al. High-fat diet disrupts behavioral and molecular circadian rhythms in mice[J]. Cell Metab, 2007,6(5):414-421.

[39] Jang H, Lee G , Kong J, et al. Feeding period restriction alters the expression of peripheral circadian rhythm genes without changing body weight in mice[J]. PLoS One, 2012,7(11):e49993.