生物钟与肥胖症发生关系的研究进展

李晓玮，高燕燕

(青岛大学附属医院，山东青岛266100)

生物钟是生物适应环境周期性变化的一种内在机制，具有重要的生理功能。生物钟紊乱会严重影响人们的健康和生存。在哺乳动物中，昼夜节律系统协调所有的生理过程。身体中几乎每个细胞都拥有自己的昼夜节律。生物钟包括下丘脑的视交叉上核(SCN)的中央生物钟和外周器官中的多个周围生物钟，在光照调节下按照一定节律运转。生物钟紊乱对肥胖症的影响越来越受到重视。昼夜节律系统的去同步化可能会引起代谢综合征和肥胖并发症的发生。本文从生物钟的组成，中央生物钟、外周生物钟与肥胖症发病的关系进行总结分析。

1 生物钟的组成

1.1 中央生物钟 中央生物钟位于下丘脑腹侧的SCN，为昼夜节律主起搏器。BMAL1、CLOCK和NPAS2基因的自主调节转录、翻译和反馈环保持昼夜节律。BMAL1与CLOCK或NPAS2异源二聚化，与靶基因(Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2、Reverb、Ror、Dec)启动子结合驱动转录。转录翻译的产物PER和CRY蛋白异源二聚化，抑制BMAL1：CLOCK/NPAS2异二聚体活性。PER和CRY异二聚体逐渐降解，使电路重新开始。这种负反馈大约需要24 h才能完成基因表达周期。CLOCK/BMAL1异二聚体还刺激BMAL1表达，形成正反馈环[1]。SCN通过视网膜神经支配接受光输入，启动SCN中的基因表达。通过这种方式，将振荡器周期调整到精确的24 h。BMAL1∶CLOCK/NPAS2在时间控制下有节奏地与DNA结合，导致靶基因节奏性表达。另外核受体维甲酸相关孤儿受体α(RORα)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1-α(PGC-1α)是细胞另外的节律性调节剂，进一步增强了电路的稳健性。昼夜节律主要有以下六条反馈环路：CLOCK-BMAL1异源二聚体对包含E-box的靶基因提供中心反应，环路1：PER和CRY蛋白质二聚化并抑制核中CLOCK∶BMAL1异二聚体的活性；环路2：核受体ROR和REV-ERB分别在BMAL1启动子的响应元件内竞争结合位点，并且分别抑制其转录；环路3：PPARα通过结合位于BMAL1启动子中的PPARα应答元件来激活BMAL1的转录；环路4：NAMPT通过增加NAD+水平来调节SIRT1活性，从而提供负反馈；环路5：DEC1和DEC2转录因子通过直接结合抑制CLOCK∶BMAL1活性；环路6：核受体ERRα特异性下调BMAL1的表达，而其辅阻遏物PROX1缓解其阻遏[2～6]。

1.2 外周生物钟 SCN根据摄食周期、振荡激素(如糖皮质激素)和体温节律[2]，通过神经元和体液信号，将日夜信息发送到身体其他部位细胞中的外周生物钟，如肝脏、脂肪组织和皮肤组织，并使其节律与SCN保持一致[3]。虽然光是SCN振荡器的主要时序提示，但外周生物钟也受其他因素影响，如相关激素和食物摄入[4，5]。

2 生物钟与肥胖症发生的关系

肥胖是由脂肪过度堆积引起，其致病因素错综复杂，包括行为、环境、生理、遗传、社会和经济等因素。研究表明时钟基因的基础表达与腹部脂肪含量有关。昼夜节律参与脂质体内平衡，许多代谢因素包括酶、转运蛋白和激素也显示出昼夜节律性[1]。

2.1 中央生物钟与肥胖症发生的关系 纯合子CLOCK突变会使摄食行为的昼夜节律减弱，能量摄入和体质量显著增加，导致肥胖症。在整个昼夜周期中，CLOCK突变体动物中PER2、食欲素和生长素释放肽均降低[7]。在饮食诱导的肥胖症小鼠中，CLOCK表达下调。这种情况下，抑制CLOCK可能参与瘦素抵抗和ARC中细胞因子信号传导抑制因子3的调节[8]。BMAL1/CLOCK在脂肪组织中产生C/EBPα介导瘦素转录的昼夜节律。PER和CRY突变体动物出现类似外周时钟破坏和瘦素的失调现象。因此瘦素抵抗在昼夜功能障碍诱发的肥胖和代谢综合征中具有重要作用[9]。

BMAL1缺陷型小鼠比非缺陷型小鼠体内脂肪组织更多，表明BMAL1调节白色脂肪组织中脂肪细胞分化和脂肪生成，并在肝脏和骨骼肌中的异位脂肪沉积中起重要作用[10]。在计算机模拟研究中遗传和表观遗传学都支持BMAL1基因与能量代谢有关，BMAL1基因的某些单体型与2型糖尿病的发展相关[10]。此外，用基于全基因组染色质免疫沉淀分析发现，大量BMAL1靶基因被归类为与细胞能量代谢有关的基因[10]。鉴于BMAL1与CLOCK一起直接激活Dec1和Dec2的转录，因此BMAL1可能通过DEC1和DEC2来控制能量代谢。

Per3基因敲除的小鼠其体质量发生改变，并通过增强脂肪形成来积累脂肪[11]。Per2阻断PPARγ的募集，从而参与控制脂肪生成基因中的靶启动子，而其缺失导致脂肪细胞分化增强[12]。事实上，在肝脏和脂肪细胞中发现一半核受体表现出24 h的周期性，进一步支持了这一观点[13]。DEC1和DEC2通过抑制固醇调节元件结合蛋白-1c(Srebp-1c)的转录，从而抑制肝脏中的脂肪生成。Srebp-1c通过与其启动子区域中的E盒结合而编码脂肪生成基因的主调节因子[10]。因此，DEC表达变化可能影响肝脏中脂质储存程度。白色脂肪组织也需要DEC1基因的功能来调节脂肪形成。DEC1通过抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ(Pparγ)的表达来抑制脂肪细胞分化，该基因编码生成至关重要的脂肪核受体[10]。

2.2 外周生物钟与肥胖症发生的关系 脂肪组织作为外周组织具有时钟基因，其在组织生理学中起重要作用，调节分泌生物活性物质的节律表达，如调节甘油三酯的合成、储存及降解速率，影响全身代谢的脂肪因子(脂联素、瘦素和抵抗素等)。受损的棕色脂肪组织活动是紊乱的昼夜节律与肥胖之间关联的重要介质。增加日照时间可降低富含甘油三酯脂蛋白的脂肪酸及棕色脂肪组织对血浆中葡萄糖的吸收[14]。昼夜节律功能破坏降低了整体日常脂肪分解活性，并减弱了空腹时脂肪分解反应。

瘦素、脂联素与脂质代谢密切相关，其合成与分泌在肥胖状态下表现出特定的昼夜节律。而高瘦素血症导致瘦素抵抗，脂联素缺乏与肥胖相关疾病的病理生理学有关[15]。脂联素、抵抗素和内脂素等转录水平的生物钟基因和脂肪细胞因子都有昼夜节律，其在肥胖人群中表达的节律性轻度减弱[16]。瘦素主要由白色脂肪组织合成和分泌，是肥胖基因表达的一种蛋白质，调节体内的脂肪储存量并维持机体的能量平衡，可从多个途径参与肥胖调节。瘦素表达也如其受体一样表现出昼夜节律性，主要在夜间表达，与夜间食欲下降和摄食相对较少有关[17]。一方面，瘦素直接作用于脂肪组织，抑制脂肪的合成，加速脂肪储存能量的转化和释放，降低体质量，避免肥胖的发生；另一方面，瘦素可作用于下丘脑，通过影响其他摄食相关因子而调节体质量。当体内瘦素及其受体水平降低时，则易于引发肥胖。瘦素基因缺陷型小鼠与单独瘦素缺乏的小鼠相比，体质量增加显著，脂肪细胞肥大，甘油三酯和胆固醇水平增加的程度更大[17]。

另外，时钟基因表达与涉及脂肪组织代谢的基因如PPARα直接相关。当时钟基因(PER2、BMAL1、CRY1)、PPARγ和与糖皮质激素代谢有关的基因(HSD1、HSD2、5R、STAR和GR)在时间尺度上呈现相关性，随时间发挥不同的作用，前者用于调控时钟，后者用于参与脂肪组织代谢。某些与脂肪组织高度相关的细胞因子显示出节律性，如被认为与代谢综合征有关的脂肪因子ADIPOQ及其受体ADIPOR1、ADIPOR2在严重肥胖患者的脂肪组织中显示出昼夜节律性[18]。代谢过程中的限速酶也遵循24 h昼夜节律。许多昼夜节律的核心基因与组织代谢在转录水平紧密结合。Rev-erbα和Rev-erbβ双敲除小鼠在运动和脂质代谢失调方面显示出昼夜节律性[19]。调节核激素受体的转录共激活剂(PGC-1α)具有强烈的昼夜节律性，并且对环境和营养信号作出反馈[20]，被认为是时钟和代谢途径的关键积分器。

激素昼夜节律失调可能参与外周生物钟与SCN去同步化，增加肥胖的风险[21]。有研究表明，食欲调节激素在白天可促进生长素释放肽的分泌并增加小鼠的摄食，同时降低瘦素(饱腹感激素)水平，提高能量消耗。而瘦素在夜间分泌增加，使脂肪动员在夜间更为突出，导致血液中脂肪酸的循环水平增高。同样生长激素在夜间分泌增加促进脂肪分解，早晨暴露于光线下可促进褪黑素和血浆皮质醇的分泌，而傍晚的光线照射会减少褪黑激素的分泌并使机体的核心体温下降。

2.3 生物钟与饮食的相互影响 由低脂肪/高碳水化合物转变为低碳水化合物/高脂肪饮食后小鼠的皮质醇产生延迟，PER1、PER2、PER3和TEF基因在血液单核细胞中的表达升高[22]。单糖会使血液中脂肪酸和葡萄糖水平升高，伴随NAD(P)H水平升高，这直接影响CLOCK∶BMAL1 DNA结合的效率。在灰鼠小狐猴中，白藜芦醇可以调节运动活动和体温的昼夜节律，可逆转由高脂肪饮食引起的大鼠脂肪组织特异性昼夜节律基因表达变化，这可能与白藜芦醇可以增加SIRT1活性有关[23]，SIRT1的变构激活剂有希望成为治疗肥胖症的潜在靶点。高脂饮食喂养的小鼠，其PPARα、PPARγ表达降低。

限制进食的时机对体质量有一定影响。白天限制小鼠喂食会导致其体质量增加，并且使外围时钟与SCN时钟不一致导致代谢改变[24]。相反，夜间限制进食(活动阶段)可以促进自然摄食节律，恢复昼夜节律振荡并预防肥胖[25]。高脂饮食的小鼠在自由摄食条件下会变得肥胖，但在活动阶段受限制摄食的情况下，尽管所消耗的卡路里与随意饲喂的动物相似，但可预防肥胖[26]。总之，限时喂养对肝脏和其他代谢器官有益，根据生物钟调整进食时机可预防肥胖。已显示Rev-erb可减轻小鼠的肥胖，抑制CK1δ/ε表达可增加体外SCN节律破坏的幅度，并建立行为活动节律[27]。高效选择性CK1ε/δ抑制剂可有效增强时钟基因的表达，改善了饮食诱导的肥胖症和遗传导致的肥胖小鼠的葡萄糖耐量[28]。

昼夜节律紊乱导致肥胖，生物钟基因在脂肪生成和脂质体内平衡(特别是脂肪组织)中发挥关键作用，为进食及运动时机的选择提供一定指导作用。同时进食的时机也是生物钟的调节器，并且除了影响中央生物钟和代谢活跃的外周组织之间的同步性外，还可控制外周组织彼此同步的程度。并且基于生物钟层面预防疾病的相关药物的研制为预防及治疗肥胖症提供新方向。