生物钟对动物糖脂代谢的影响研究进展

张正敏，曹洪战，芦春莲，李 尚，周一彤，施文颖

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071001）

地球上大部分动物的生理节律分为2 个部分：一部分是活动期，另一部分是睡眠期。活动期间主要以活动和采食为主，睡眠期间主要以睡眠和禁食为主，活动/采食和睡觉/禁食期由中枢时钟系统中的分子机制支配，该机制位于下丘脑的视交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus），运行一周期约24 h，形成昼夜节律（Circadian Rhythm），即生物钟[1-2]。生物钟对动物的生理和行为起着关键性作用，许多代谢功能遵循这个变化，如肠道的消化、胰岛素的分泌和敏感性以及葡萄糖耐受性均受生物钟影响[3-6]。在人体流行病学上的研究证实，长期昼夜节律紊乱导致生理机能紊乱，这些生理失调会损害胰岛素的分泌、代谢综合征、2 型糖尿病和肥胖等疾病[7-13]。而在畜牧上，关于不同时间段饲喂矿物质对畜禽的影响研究表明，高、低钙饲粮交替饲喂可提高蛋鸡产蛋后期的产蛋率和对钙的吸收和沉积，并且可在一定程度上改善蛋壳质量[14]。糖类和脂类是动物机体主要能源物质，也是机体的主要贮能物质，糖代谢和脂代谢更是动物机体重要的代谢途径。因此，可以通过研究生物钟对糖脂代谢规律，进而提高饲料转化率及实现精准饲喂。本文就生物钟对动物糖脂代谢的生理作用及相关机理做一综述，旨在为生物钟对动物糖脂代谢的影响提供参考。

1 生物钟的定义及组成

1.1 生物钟的定义 生物钟广泛存在于各种生命体中，具有复杂的生理机制。人类关注生物钟由来已久，但至今仍没有一个确切且公认的定义。现代时间生物学之父Franz Halberg 于20 世纪50 年代将控制昼夜节律的时钟系统称为生物钟[15]。虽然对生物钟的研究机制还不太明确，但学者们普遍认为动物机体的生理、营养代谢、行为等都受内在的生物钟调控[15]。

1.2 生物钟的组成 生物钟主要由中枢时钟系统和外周时钟系统组成。中枢时钟系统位于下丘脑腹侧的视交叉上核，为昼夜节律起搏器，又称为主生物钟[15]。外周时钟系统主要存在于动物内脏和免疫器官等组织器官中，维持组织器官自身昼夜节律。下丘脑控制着大量昼夜交替行为，包括食物和水的摄入、睡眠和觉醒、体温调节和能量消耗等生理过程。调节昼夜节律的分子机制具有复杂的基因表达过程，其中许多连锁的转录、翻译和负反馈环负责调节和维持昼夜节律。CLOCK、BMAL1和NPAS2基因是生物钟的转录因子，也是昼夜节律基因表达的正调节因子，能够激活昼夜节律负调节因子的表达，即隐色素（CRY1和CRY2）和周期（PER1、PER2、PER3）家族基因的表达。CRY 和PER 蛋白通过反馈抑制其自身的表达以及其他时钟控制基因（CCGs）表达来维持和调节昼夜节律[16-17]。BMAL1 与 CLOCK 或 NPAS2 形 成BMAL1/ CLOCK、BMAL1/ NPAS2 异源二聚化，与靶基因（PER、CRY、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，抑制了BMAL1/CLOCK、BMAL1/ 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（图1）。这种负反馈大约需要 24 h 才能完成基因表达周期[18]。CLOCK/BMAL1 异二聚体还刺激 BMAL1 表达，形成正反馈环[16]。

2 生物钟对糖脂代谢的调节机理

生物钟对动物机体调节糖脂代谢平衡发挥着重要作用。生物钟、糖代谢、脂代谢三者之间相互作用、相互影响。首先，生物钟基因（CLOCK、BMAL1和NPAS2）影响糖代谢、脂肪酸合成、代谢和转运相关基因的mRNA表达；其次，糖脂代谢相关基因的mRNA 表达直接影响着糖脂的重要代谢途径；再次，糖代谢与脂代谢之间通过三羧酸循环相互调节，相互转化[15]。因此，这三者间任何一个受损都会影响其代谢功能紊乱。

生物钟对糖脂代谢产生的影响主要有2 个方面：第一是中央生物钟调控糖脂代谢基因，通过BMAL1、CLOCK和NPAS2基因的转录、翻译和反馈调节影响葡萄糖转运载体（GLUT）、脂肪酸合成酶（FAS）、脂肪结合蛋白（FABP）等基因[19]；第二是外周生物钟通过神经元和体液将昼夜信息传送到动物机体的各个部位细胞组织中的外周生物钟，与中央生物钟协同合作参与机体的糖脂代谢[20]。节律转录阻遏物孤儿核受体（Nuclear Receptor Subfamiy1，REV-ERB a）是 一 种调节脂质代谢和脂肪生成的核受体，受生物钟控制并抑制Bmal1 表达，且可直接结合于昼夜节律核转录因子（NFIL3）的启动子，从而为昼夜节律振荡提供额外的稳健性[21-22]。研究发现敲除NFIL3基因的小鼠体重下降，抑制了上皮细胞的脂质吸收和输出，影响了脂质代谢[23]。PPARγ是脂肪生成和脂肪组织发育的关键调控因子，Per2基因能够阻断了PPARγ的表达。Wang 等[24]研究发现，敲除Per2增强了脂肪的生成和脂肪细胞分化。进一步阐述了生物钟基因（CLOCK、BMAL1和NPAS2基因）影响糖代谢、脂肪酸合成、代谢和转运相关基因的mRNA 表达。此外，昼夜节律对糖脂代谢的影响远比通过影响基因调控复杂的多，轮班工作导致视交叉上核中光敏中心起搏器与糖脂代谢的敏感外围振荡器之间的不匹配，时间生物学中代谢工作的主要部分集中在肝脏。实际上，与视交叉上核不同，当食物供应时间发生变化时，肝脏中的许多节律显示出快速相移，而其他组织器官不像肝脏一样显示出快速的分子振荡去适应新的饲喂时间[25-28]，表明糖脂代谢的重要器官（如肝脏和肌肉）的不同节律变化也可能对葡萄糖代谢产生深远的影响。

3 生物钟对糖脂代谢的影响

3.1 生物钟对糖代谢的影响 糖代谢途径是动物机体代谢途径的核心部分，同时三羧酸循环与其他物质代谢途径密切相关。昼夜节律对机体糖代谢起着至关重要的作用，对人体糖尿病影响甚大，而在畜牧上可以通过昼夜节律提高动物的生长性能和繁殖性能等。

Gao 等[29]研究每日饲喂2 种不同钙水平日粮对妊娠晚期母猪胎盘脂质代谢和运输的影响，发现高钙-低钙组（H-L）和低钙-高钙组（L-H）抑制胎盘中per2的mRNA 表达，可能是抑制Per2基因表达能够增强PPARγ的表达、影响葡萄糖转运载体（GLUT）表达，进而影响猪胎盘糖代谢和转运。Hou 等[30]研究显示，db/db-mPer2Luc 小鼠的昼夜节律受损与压力反射敏感性、运动活动和新陈代谢的日常节律中断有关，但与心率或食物和水的摄入量无关。Corella 等[26]研究发现，人类2 型糖尿病和高血压的发病率增加与核心时钟基因BMAL1遗传变异相关；Woon 等[31]研究结果同样表明，葡萄糖转运载体（GLUT）等糖代谢基因受核心时钟基因CLOCK影响，诱发2 型糖尿病。Cohen 等[32]研究发现，早晨的血压飙升可以造成急性心肌梗死风险增加40%，心源性猝死风险增加29%，卒中风风险增加49%，原因可能是外周生物钟通过体液将昼夜信息传送到动物机体组织中，造成血压飙升，这一结果表明血糖代谢受生物钟的影响。

3.2 生物钟对脂代谢的影响 脂肪是动物机体的主要储能物质，当机体消耗增强或糖的摄入不足时，脂肪就分解为甘油和脂肪酸运送到各组织器官中为动物机体提供能量。研究发现，生物钟基因的表达与动物机体的腹部脂肪含量相关，昼夜节律影响着脂质代谢的酶、转运蛋白和激素，参与机体脂代谢，维持动物体内脂质平衡，防止脂肪堆积过多，在人体上控制好昼夜节律可预防肥胖[16,33]，在畜牧上研究糖脂代谢的生物钟可以提高家畜生长性能[38]。

Shimizu 等[34]研究每天不同时间饲喂相同能量对小鼠的影响，与对照组（12:00、24:00 饲喂）相比，试验组（16:00、04:00 饲喂）体重和脂肪组织重量增加，可能是小鼠晚上觅食使对照组消耗能量增多，体重减少；不吃早餐导致脂质代谢的潜在信号因子、血清NEFA、胆汁酸和胰岛素的分泌延迟，这可能是外周生物钟通过神经元和体液将昼夜信息传送到动物机体肝脏组织中，肝基因表达异常造成脂质代谢相关基因的改变。研究发现，只在12 h 光照期喂食高脂肪食物的夜间活动小鼠比只在12 h 黑暗期喂食高脂肪食物的小鼠体重明显增加[35]，这可能与小鼠的生物规律夜间活动有关，夜间活动能量消耗增多，中央时钟系统调控脂代谢基因表达增多，外周生物钟调控肝脏、肠道等组织器官增加代谢，进一步阐述了不同时间段机体的脂代谢水平不同。在每5 d 提前12 h 高脂肪饮食喂养小鼠的研究发现，暴露于明-暗循环的慢性变化有：①破坏昼夜节律改变了脾和巨噬细胞中的时钟基因节律的周期；②增强高脂肪饮食诱导了脂肪组织浸润和促炎性M1 巨噬细胞的活化；③扩增脂肪组织和骨髓中巨噬细胞的促炎细胞因子的表达；④在每日总食物摄入量不变的情况下，摄入时间不同而造成体重改变、胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良，以上变化表明昼夜节律的失调加剧了饮食诱导的全身胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良，工作循环诱导的昼夜节律改变加强了高脂饮食对炎症和新陈代谢的影响[36]。增加的游离脂肪酸（FFA）可诱导胰岛素抵抗，睡眠不足会使胰岛素抵抗增强。研究发现，选取14 名健康成人参与模拟夜班工作方案，结果发现平均FFA 水平在尾流期间显著升高，急性昼夜节律失调导致一天的FFA和葡萄糖浓度升高，当天第1 餐的葡萄糖增加，因此，如果长期持续昼夜节律失调，这些紊乱可能会增加患脂代谢紊乱的风险[37]。Wu 等[38]研究发现，与对照组（日饲喂3 次的日粮蛋白质水平为中-中-中）相比，试验组（日粮蛋白质水平为高-中-低）猪的平均日增重（ADG）在第1 期显著增加了14.75%，表明一天中蛋白质含量由高到低逐渐减少可以改善肌肉品质，可能是试验组肌肉中与肉的风味有关的生糖氨基酸（蛋氨酸、丝氨酸）含量增加，可以通过三羧酸循环生成脂类，增加体重，提高生长性能。因此，生物钟影响脂质代谢，研究生物钟可以了解畜牧生产力。

4 小 结

综上所述，全面、深入地了解生物钟对动物糖脂代谢的调节机制，能够为畜牧业精准饲喂提供理论基础、提高动物饲料消化率、降低饲料成本、提高经济效益及为环境保护做出贡献。此外，生物钟在动物上的研究逐渐得到重视，但生物钟对机体的糖脂代谢调节的机制认识仍然很不全面，对一天中每个时间段的糖脂代谢规律依然研究不全面，后续需进一步研究。