储脂类冬眠动物的体脂积累机制

贾启慧，杨 明，邢 昕

（沈阳师范大学生命科学学院，沈阳，110034）

一些哺乳动物在季节性的寒冷、食物和水资源匮乏的环境条件下通过冬眠减少能量支出，存活越冬［1］。哺乳动物在冬眠季节并非一直维持低体温低代谢状态，整个冬眠季节被多次自发的阵间觉醒（interbout arousals，IBAs）分割成多个冬眠阵（hibernation bouts）。IBA 持续时间一般小于24 h，在短暂的IBA 阶段，动物的体温、心率和呼吸率等生理状态迅速恢复到冬眠前水平。研究表明IBA 消耗了整个冬眠季节70%的能量［2］。为了能够成功存活越冬，冬眠动物在入眠前需要提前储备好越冬所需的能源物质。根据能量储存策略不同，冬眠动物又被分为储食类冬眠动物（food-storing hibernator）和储脂类冬眠动物（fat-storing hibernator）［3-4］。储食类冬眠动物一般在冬眠前通过储存大量不腐烂的种子作为阵间觉醒期间的食物。储脂类冬眠动物则在入眠前通过增加摄食量，将越冬所需的能源物质以体脂的形式储存在体内。有一些冬眠动物既储存体脂也储存食物。能量储存策略的差异主要由动物的食性和体型决定［4］。

储脂类冬眠动物育肥期间体脂的积累速度快，积累量高。达乌尔黄鼠（Spermophilus dauricus）的体质量在育肥期会增加近1倍，体脂质量在育肥期可增加近10倍［5］。育肥期间脂肪积累主要由于摄食量增加和/或代谢率的降低导致［6-8］。在实验室条件下，育肥期间达乌尔黄鼠每日摄食量可以增加大约60%［9］。育肥结束后动物主动降低摄食量，体温呈现试探性下降，并自发进入到冬眠状态。育肥期间体脂积累程度决定了储脂类冬眠动物的越冬存活率和冬眠模式，相较于体质量较小的个体，体质量较大的个体存活率更高、冬眠表达更少［10-13］。储脂类冬眠动物体脂积累的过程被认为受内源节律的控制，是一个程序化的过程［14］。将育肥期金背黄鼠（Callospermophilus lateralis）腹腔、性腺周围和腹股沟的脂肪组织切除30 g 后，金背黄鼠在冬眠前会将脂肪增补到对照组水平［15］。育肥期接受禁食处理的金背黄鼠在恢复摄食后的2～3 d 会通过增加摄食量提高体脂积累的速度，直到体质量与对照组相近［16］。限制野外拜氏黄鼠（Urocitellus beldingi）每天的觅食时间会减少其瘦体质量（lean mass），而对体脂质量没有影响［14，17］。虽然大量储存体脂可以增加越冬的存活率，但也增加了育肥期间的觅食努力和觅食风险，因为缺少可以携带食物的颊囊结构，储脂类冬眠动物主要通过增加单次摄食量来保证育肥的效率，并减少觅食次数降低觅食风险［18-20］。对于非冬眠动物，已有一些理论解释动物“如何权衡自身脂肪储存”。设想有两个调定点：低脂肪水平和高脂肪水平［21］。在这两点之间，身体脂肪可能对食物摄入的调节作用不大。如果身体脂肪低于较低的调定点，那么相应的生理机制将被激活，刺激动物摄食，使身体脂肪恢复到上述两调定点之间；另一方面，如果身体脂肪增加太多，那么相应的生理刺激将使动物减少摄食。这被称为双重调定点模型（dual intervention point model）［21-23］。储脂类冬眠动物在冬眠前体脂快速大量积累的表型在多个物种中均有报道［5，11，24］，而其中的生理调节机制尚不清楚。本文从动物育肥的启动和终止机制及机体对高体脂耐受角度综述储脂类冬眠动物冬眠前的育肥模式和生理调节机制，以期为深入了解冬眠动物独特的生理适应提供更多线索，为预防和治疗肥胖导致的代谢疾病提供借鉴。

1 育肥的调节机制

1.1 内源调节因素

对于专性冬眠动物，如达乌尔黄鼠等，春季出眠后会进入一年一次的繁殖阶段，繁殖结束后动物自发进入育肥阶段。在育肥期间，动物主动增加摄食，白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）在短时间内快速大量积累，在7—8 月，动物体质量达到高峰，完成育肥。育肥结束后，动物自发降低摄食，体质量和体脂含量开始逐渐下降，并准备进入到冬眠阶段［5］。这类动物育肥的启动和终止被认为是受到内源节律控制的程序化过程［14］。

1.1.1 瘦素

动物的摄食和能量平衡受中枢和外周协同调节。在外周，育肥期间质量变化最大的器官WAT 不仅具有存储能量的作用，还具有重要的内分泌功能，参与机体的能量调节。瘦素（leptin）是一种由WAT合成和分泌的蛋白类激素［25］，可以穿越血脑屏障，作用到中枢神经系统中的瘦素受体上。下丘脑的弓状核（arcuate nucleus，ARC）在解剖学上接近正中隆起，具有血脑屏障透过性［26］。ARC中已经确定了两种与调节摄食有关的神经元集群：第1种是表达神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）和刺鼠相关肽（agouti-related protein，AgRP）的神经元；第2 种是表达可卡因-安非他命调节肽（cocaine-and amphetamine-regulated transcript，CART）和前阿黑皮素（proopiomelanocortin，POMC）的神经元［27］。NPY 和AgRP 神经元促进摄食和能量储存，而CART 和POMC 神经元减少摄食促进能量消耗［28］。在人和小鼠中，高浓度瘦素可通过减少NPY/AgRP 表达，增加POMC/CART 表达从而降低食欲；而低浓度瘦素可通过增加NPY/AgRP 表达，抑制POMC/CART 表达从而增加摄食。因此瘦素可将机体的能量控制在动态平衡的范围内［25，27，29］。瘦素缺陷、瘦素受体缺陷或瘦素依赖性的瘦素信号抑制因子的高表达均会导致瘦素抵抗，引起肥胖［30］。

研究表明，多个储脂类冬眠动物血清瘦素的水平与其体脂含量呈显著正相关关系，并呈现明显的年周期波动［5，31-36］。育肥期间，瘦素浓度上升没有显著抑制摄食，下丘脑中瘦素受体和NPY 的表达量在育肥期也有所升高，而其他3 种与摄食相关的神经肽表达并没有显著变化。对金背黄鼠第三脑室注射NPY 可以促进摄食［37］，提示下丘脑中NPY 参与了育肥期间摄食的调节。在育肥期间，达乌尔黄鼠下丘脑中瘦素依赖性的瘦素信号抑制因子蛋白酪氨酸磷酸酶1B（protein tyrosine phosphatase 1B，PTP1B）和细胞信号抑制因子3（suppressor of cytokine signaling 3，SCOS-3）的表达量没有显著变化［5］。对冬眠前的北极黄鼠（Urocitellus parryii）进行过量外源瘦素处理会降低其摄食量［36，38］，上述结果提示储脂类冬眠动物在育肥期间并非通过建立瘦素抵抗机制完成育肥。Xing 等［5］通过对育肥期的黄鼠进行细致的取材发现，尽管育肥期间达乌尔黄鼠体脂不断增加，但在育肥早期，其血清中的瘦素含量和WAT 中的瘦素表达量均较低，而在育肥中后期，单位质量WAT 中的瘦素表达量有10倍激增，伴随着WAT中瘦素表达量的上升，血清中瘦素水平在育肥即将结束时达到高峰。这种冬眠前瘦素水平和体脂质量的变化相关却不同步的情况在小棕蝠（Myotis lucifugus）中也有报道，研究人员认为这可能是为了让动物在育肥期间储存更多WAT［39］。上述结果提示育肥早期瘦素低表达可能在促进育肥过程中起到重要作用，然而瘦素表达的调节机制目前尚不清楚［40］。

1.1.2 胰岛素

胰岛素是调节能量平衡的重要激素之一［28］。胰岛素由胰腺合成和分泌，通过作用于胰岛素受体起作用。在中枢神经系统中，胰岛素受体存在于包括ARC在内的很多区域［41］。哺乳动物内源性胰岛素会促进葡萄糖的摄取和利用。在20世纪80年代，已有胰岛素在冬眠动物食物摄入和脂肪形成中作用的研究，如黄腹旱獭（Marmota flaviventris）在育肥期间血清胰岛素水平显著升高［42］。睡鼠（Glis glis）在育肥后会存在一段体质量下降的阶段，与其他肥胖模型不同，此阶段睡鼠存在胰岛素抵抗，但没有表现出高胰岛素血症，脂肪生成受损与胰岛素结合能力降低（受体表达降低）和受体后信号缺陷有关［43］。在野外，金背黄鼠胰岛素浓度年周期变化模式存在性别差异，雄性胰岛素浓度高峰与体质量高峰同时出现在秋季，而雌性血液中的胰岛素在怀孕、哺乳和夏季体质量增加阶段都保持高水平［44］。Buck 等［45］此前观察，在9—10 月（冬眠准备期），多纹黄鼠（Ictidomys tridecemlineatus）血清胰岛素水平比夏季高出4 倍；冬眠初期，血清胰岛素水平继续升高。在2 型糖尿病患者中，胰岛素水平升高通常与胰岛素抵抗有关，多纹黄鼠育肥期血清胰岛素的显著增加提示育肥期间可能存在可逆的胰岛素抵抗［46］。然而，在冬眠后期（12—次年1 月），多纹黄鼠的血清胰岛素恢复到基础水平，表明胰岛素抵抗具有可逆性［45］。在夏季活跃期给黄腹旱獭中枢注射胰岛素，能降低其摄食量和体质量，但在冬眠期则没有效果［47］。储脂类冬眠动物在秋季育肥期通过胰岛素抵抗机制协助积累体脂，这种胰岛素抵抗状态在动物冬眠期间可逆，但其中的机制尚不清楚［28］。在非冬眠动物中，胰岛素抵抗可能是由氧化应激引起，特别是过量产生的线粒体超氧化物，用线粒体抗氧化剂处理能使细胞逆转这种胰岛素抵抗［48］。一项对小鼠胚胎干细胞的研究发现，短暂暴露于高浓度活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）中可诱导产生胰岛素抵抗途径［49］。对人和多纹黄鼠诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）进行4 ℃冷暴露，结果表明在低温处理30 min 后，人类iPSC 低温诱导产生的ROS 明显高于多纹黄鼠iPSC，表明线粒体的即时反应导致了氧化应激的延长［50］。冬眠动物体内产生的ROS通常很低，觉醒时脂肪酸代谢旺盛，抗氧化防护机制上调［51-52］。类似的机制使冬眠动物体内的胰岛素抵抗可逆，冬眠动物成为研究这一问题的动物模型。

1.1.3 Ghrelin

1999 年，胃底产生的激素ghrelin 被发现，ghrelin可对食物摄入的变化做出快速反应［28］。Ghrelin 最初被认为是生长激素受体的内源性配体［53］，在哺乳动物体内是一种有效的促食剂。Ghrelin 通过刺激NPY 和AgRP 的分泌和下调POMC/CART 的表达，以及激活脂质代谢和能量平衡的关键调节因子AMP依赖的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）来诱导摄食［54-55］。Ghrelin 水平随着禁食而升高［56］，中枢注射和外周注射外源性ghrelin 都会引起食物摄入增加和肥胖［57-58］。储脂类冬眠动物ghrelin的研究相对较少，Florant实验室研究表明，无论在夏季还是冬季，外源ghrelin 处理均通过提高下丘脑中AMPK和ACC磷酸化水平来增加摄食［59-60］。

1.2 外源因素调节

由地球自转导致的光周期变化是最稳定的季节变化信号。由地球自转产生的昼夜交替为大多数生物体提供了一个感知时间的因素（即授时因子），使得这些生物体表现出日常的行为和生理节律［61］。在哺乳动物中，下丘脑视交叉上核起到层级协调昼夜节律的作用［61］。动物会利用光周期的年变化去预测季节变化，从而为迁徙、冬眠、滞育和繁殖等活动做好准备。许多小型哺乳动物在体质量上表现出显著的季节性变化，这在很大程度上反映在身体脂肪的变化上［62］。对专性储脂类冬眠动物来说，育肥和冬眠均被认为是受到内源节律控制的程序化过程，而外界环境因素对育肥和冬眠启动起到一定的矫正作用。然而对于兼性冬眠动物，光周期是稳定的季节性信号，也是诱导其体质量变化和入眠的重要环境因素［62-68］。光周期长度的改变会影响松果体分泌褪黑激素，从而将光周期信号转变为神经内分泌信号。金色中仓鼠（Mesocricetus auratus）在长光周期体质量最低，在短光周期体质量增加［63，65-66，69-70］；黑线毛足鼠（Phodopus sungorus）表现出与金色中仓鼠相反的季节性体质量循环，这种体质量的变化主要表现为体脂的变化［71］。对黑线毛足鼠WAT 的研究发现，在短光周期中，褪黑激素能驱动中枢神经调控脂肪动员、WAT 褐变以及增加褐色脂肪组织解偶联蛋白-1的表达，增加能量消耗降低体脂［72］。不仅如此，光周期还会影响黑线毛足鼠下丘脑对瘦素的敏感性从而影响体质量［73］。

食物的丰富程度会影响储脂类冬眠动物的育肥。在北欧森林中，棕熊（Ursus arctos）通常以植物、昆虫和有蹄类动物为食，随着纬度的增加，食物成分中的肉类重要性也随之增加［74］。在野外，棕熊通过调整食物组成、适应食物资源的变化来完成体脂积累。在夏季，棕熊通过捕食驼鹿（Alces alces）幼崽来补充大量蛋白质［75-76］；秋季，棕熊觅食是会选择能量最大化的浆果，促进脂肪积累［77-78］。纤维素是植食性和杂食性动物重要的食物组成成分。不同动物对食物中纤维素含量高低的反应不同，如食物中纤维素含量不影响肥沙鼠（Psammomys obesus）的体质量［79］，而高纤维食物可以显著抑制草原田鼠（Microtus ochrogaster）的体质量增长［80］。在实验室条件下，给育肥期的达乌尔黄鼠分别连续饲喂81 d的低纤维食物和高纤维食物，发现饲喂低纤维食物的达乌尔黄鼠的最大体质量显著高于高纤维食物组，低纤维食物组达乌尔黄鼠能量积累速率也显著高于高纤维食物组，但两组动物达到体质量峰值的日期没有差异［81］。通过限制野外拜氏黄鼠的觅食时间发现，限制觅食的拜氏黄鼠体质量显著低于自由取食的对照组，而身体脂肪在食物限制过程中没有显著差异［17］，提示体脂对于储脂类冬眠动物具有重要生理意义。相似的结果在金背黄鼠中也有报道［82］。

环境温度对储脂类冬眠动物的育肥也有影响。在寒冷和多雪的冬天过后，春季出眠的美洲旱獭（Marmota monox）、黄腹旱獭体质量较低，但在夏末体质量与暖冬年差别不大［83-84］。春季气候条件也会影响动物夏季的育肥，春季开始越早，动物生长速度越快［85］。以上结果表明，旱獭可以通过改变行为和生理策略来最大限度地育肥，从而保证平安度过冬天。

2 育肥期健康而高效的体脂积累模式

动物将能量以脂质的形式储存起来具有一定的进化优势［4］，然而对于人类，过量的脂肪积累会导致一系列的代谢类疾病，此外，非脂肪类器官（如心脏、肝和肾脏等）在肥胖过程中产生的脂肪异位堆积也是造成器官损伤的重要原因［86-88］。储脂类冬眠动物在演化过程中，产生了适应育肥期间高体脂的生理机制。达乌尔黄鼠在整个育肥阶段，体脂干质量增加近10 倍，期间腹腔脂肪和皮下脂肪质量均有显著增加，血清中甘油三酯含量增加近1 倍，血清游离脂肪酸维持在恒定水平［5，89］。然而，达乌尔黄鼠的心脏、肝脏和肾脏等非脂肪类器官在育肥期间并没有产生脂质异位积累和相应的病变［89-91］。多纹黄鼠在接受26 周高脂食物饲喂后未见明显的动脉粥样硬化迹象［92］。和非冬眠季节的棕熊相比，冬眠季节时的棕熊所有的脂类水平几乎均有所增加，胆固醇酯转运蛋白比非冬眠期高36%，使得冬眠期棕熊稳定存在高密度脂蛋白；冬眠期棕熊的炎症代谢物7-酮胆固醇和11β-前列腺素F2α下降，具有心脏保护功能的高密度脂蛋白2b 比例增加；棕熊冬眠期较低的肌肉胆固醇浓度和卵磷脂-胆固醇酰基转移酶活性表明其严格控制外周胆固醇的合成和/或释放；此外，棕熊的强大血浆抗氧化能力防止了冬眠期血浆和肌肉中过度的脂质特异性氧化损伤［93］。因此，棕熊在冬眠期间可以很好地利用大量脂质，不会像人类和非冬眠动物一样产生不良的动脉粥样硬化效应［93］。储脂类冬眠动物对高体脂耐受机制的研究还十分有限。通过比较14种非冬眠动物和4种冬眠动物基因组，研究人员发现储脂类冬眠动物一系列短的非编码DNA 发生了独立进化，而这些非编码DNA出现在人类肥胖相关的基因附近，推测储脂类冬眠动物可能独立进化出了适应肥胖的机制［94］。

3 展望

育肥是储脂类冬眠动物入眠前的重要生理准备阶段。对于专性冬眠动物，育肥和入眠的启动均受到深刻的内源节律控制。在育肥结束后，动物自发降低摄食量和每日最低体温，准备进入到冬眠状态。冬眠前体脂的储存量可以直接影响动物的冬眠存活率和冬眠表达情况。然而目前笔者还不清楚体脂储存量和入眠启动之间是否存在因果关系以及机体如何通过感知体内能量储存来调节冬眠表达。脂肪组织除了具有能量储存的功能外，还是重要的内分泌器官。WAT 分泌的多种脂肪因子在调节机体能量平衡、器官胰岛素敏感性、血压和炎症等生理过程中起到重要作用。这些脂肪因子是否参与了入眠启动和冬眠表达的调节尚不清楚。通过操控育肥期间脂肪含量，探索储脂类冬眠动物体脂积累和冬眠表达之间的相关关系以及内在的分子调节机制，将为探索冬眠的启动和维持提供独特的视角和线索。

储脂类冬眠动物对高体脂含量具有一定的耐受性，主要表现为在育肥期间伴随着体脂的大量积累，非脂肪类器官并没有表现出脂质异位堆积。育肥期脂质可以特异性地积累到脂肪组织中，意味着储脂类冬眠动物的脂肪细胞具有卓越的脂质储存能力，并且脂肪组织在脂质储存过程中依旧可以维持代谢健康。从脂肪细胞调节脂质储存能力的角度入手探索储脂类冬眠动物独特的脂肪积累机制，将为预防和治疗肥胖导致的心血管疾病和肝脏疾病提供重要借鉴。在适应自然的过程中，野生动物演化出了许多人类不具备的“超能力”，生物多样性将为人类健康和疾病治疗提供独特的视角。