瘦素的生物学作用及其相关机制研究进展

周向阳，吴迪，米甜，李文娟

(1.河北大学基础医学院，河北 保定 071000；2.河北省炎性自身免疫性疾病发病机制及防治重点实验室，河北 保定 071000)

瘦素是由人类染色体7q31.3的肥胖基因(obese gene，OB)编码的一种分泌型蛋白质，1994年由Friedman团队克隆[1]。在人类和啮齿动物中，血浆瘦素水平反映了脂肪组织库的充盈状态，与体脂总量呈正相关[2]，因此可作为良好的体脂含量生物标志物。此外，代谢紊乱和病态肥胖患者体内瘦素和其受体(leptin receptor，LEPR)表达异常[3]，影响其在神经内分泌、炎症、胰岛素分泌、伤口愈合以及肿瘤的发生和发展中的作用，提示瘦素参与体内多种重要生物学功能的调节。

1 瘦素

瘦素是由167个氨基酸组成的非糖基化蛋白，作为具有四螺旋束的细胞因子[4]，包含1个二硫键(图1)。成熟的瘦素需要切掉其氨基端21个氨基酸信号肽成为具有强亲水性的单链球形分子，分泌入血后，分别以游离和结合两种状态存在，前者为活性形式。机体内，瘦素主要由脂肪组织中的白色脂肪细胞(white adipose tissue，WAT)分泌，在胎盘、卵巢、乳腺、骨骼肌、胃和淋巴组织等呈现低水平[5]；血清瘦素水平遵循昼夜节律，夜间高于白天[6]。此外，代谢和内分泌因素也影响瘦素的表达和分泌，如葡萄糖、胰岛素和雌激素可促进其分泌，而儿茶酚胺或肾上腺素能受体激动剂、甲状腺激素和雄激素则抑制其分泌[7]。血浆瘦素浓度则具有显著的性别差异，成年女性每单位脂肪质量的血清瘦素浓度高于男性[8]，其生理意义尚不清楚。

图1 瘦素的结构模型

瘦素对能量稳态的影响主要通过其在大脑中的作用来介导，还参与控制下丘脑-垂体-性腺轴影响机体生殖发育的过程和肾上腺素的分泌。瘦素穿过血-脑脊液屏障(blood brain barrier，BBB)转运至中枢可能涉及LEPR和独立于LEPR的相关机制，部分瘦素以饱和运输的方式进入脑脊液[9]。另有研究[10]表明，瘦素可不通过BBB直接刺激下丘脑内侧区域的弓状核部分神经元进行信号传导，且这些神经元表现出对循环瘦素的高敏感性。Murphy等[11]研究表明，WAT分泌的内源性瘦素还可作为旁分泌因子激活支配组织的脊髓感觉神经。因此，外周瘦素可不进入大脑，通过激活部分传入神经与中枢神经系统联系发挥作用；或者直接作用于外周组织，调节胰岛素分泌，促进内皮细胞血管生成，并影响免疫系统[12]。

2 LEPR

LEPR由人类染色体1p31.3的糖尿病基因编码，可以识别和转运瘦素，目前研究[13]显示，其共有6种亚型，分别命名为LEPR-a至LEPR-f，根据选择性剪切和存在形式分为长型(LEPR-b)、短型(LEPR-a、LEPR-c、LEPR-d、LEPR-f)和可溶型(LEPR-e)。长型和短型LEPR有共同的胞外结构域(839个氨基酸残基)和跨膜结构域(34个氨基酸)，胞内结构域长度不同。LEPR可自身寡聚形成同源二聚体[14]，瘦素可介导该二聚体的进一步寡聚化，形成具有4个瘦素分子和4个LEPR分子的四元信号复合物[15]；也可能需要更高阶的LEPR聚类来实现瘦素信号的最佳激活[16]。LEPR-b亚型是瘦素发挥功能的主要受体，在大脑与代谢调节相关的区域高表达[17]；LEPR-a在肾脏、肺、脉络丛和脑微血管中表达，可能对瘦素通过BBB转运到大脑中起重要作用，也与瘦素的清除有关。LEPR在细胞表面的停留时间很短，同时受到分别由内皮抑素(endostatin，ES)-1和ES-2调节的配体依赖和配体非依赖的内吞作用，随后被溶酶体所降解[18]。

3 瘦素的生物学作用及其作用途径

3.1 瘦素与代谢

瘦素作为一种调节机体能量平衡的激素，在下丘脑内弓状核、腹内侧核、背内侧核和外侧区核团中发现了其反应神经元的异质性群体[19]。弓状核和腹内侧核区域与瘦素调节葡萄糖代谢有关，由中枢神经系统介导。在静脉和脑室内输注瘦素后可以增强小鼠葡萄糖代谢，与多种组织(包括心脏、棕色脂肪组织和骨骼肌)的葡萄糖摄取增加有关[20-21]。Lee等[22]研究表明，在体外，瘦素可以抑制胰腺β细胞的胰岛素基因表达及其分泌，并抑制异位脂肪堆积，保护胰腺β细胞免受脂肪毒性。瘦素对葡萄糖稳态影响还与胰岛素的敏感性增加[23-24]以及慢速瘦素给药期间血浆胰岛素循环水平的显著降低相关[25]。同时瘦素改善糖代谢的能力也可以通过胰岛素非依赖性机制实现，研究[26]表明，在使用链脲佐菌素(streptozotocin，STZ)破坏胰腺β细胞功能引起极低的血浆胰岛素水平诱导高血糖大鼠模型中，慢速皮下注射瘦素可改善胰岛素缺乏糖尿病大鼠的血糖，葡萄糖代谢率显著提高。Neumann等[27]在联合注射STZ和胰岛素出现受体拮抗作用的小鼠中，发现瘦素仍然能够降低血糖。这些研究都表明瘦素在维持葡萄糖稳态中具有重要作用。

其次，瘦素通过增加机体的能量消耗和影响食物摄取来调节生物体能量代谢，从而使其体脂保持在相对稳定的状态(图2A)。研究[28]证实，脂肪组织的分解受交感神经系统(sympathetic nervous system，SNS)的调节，OB-/ob-小鼠以及饮食诱导瘦素抵抗的肥胖小鼠中皮下脂肪组织受SNS支配显著减弱。对于OB-/ob-小鼠，通过缓慢给予瘦素作用于下丘脑弓状核区域中的刺鼠相关蛋白(Agouti-related protein，AgRP)和促黑素皮质素(pro-opiomelanocortin，POMC)神经元，进一步调节下丘脑室旁核中的脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)表达，恢复SNS对脂肪组织的支配，这表明瘦素是SNS支配脂肪组织分解所必需的动态调节分子。在外周组织中，瘦素还能直接或通过交感神经间接激活AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，从而抑制乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACC)活性，并刺激外周组织中脂肪酸的氧化，继而减少脂肪合成，增加脂肪氧化分解[29]。AMPK早期激活是通过瘦素直接作用于外周组织，而后期的激活则依赖瘦素对下丘脑-交感神经系统轴的作用。Jaubert等[30]研究表明，瘦素可引起脂肪分解和非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acids，NEFA)氧化，并在大鼠WAT外植体中通过蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)依赖机制激活脂肪细胞一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase，NOS)诱导NO合成，硝化磷酸烯醇丙酮酸羧激酶C(phosphoenolpyruvate carboxykinase C，PEPCK-C)，进而降低其水平。而NOS抑制剂预处理后可消除瘦素对脂代谢及甘油生成的影响，表明瘦素可减少甘油生成和NEFA再酯化，限制大鼠能量储存。因此，在脂代谢过程中瘦素是不可或缺的。

A 代谢；B 炎症；C 免疫；D 创伤愈合；E 肿瘤图2 瘦素的生物学作用及机制

3.2 瘦素在炎症和免疫过程中的作用

脂肪组织是一个动态的内分泌器官，它不仅产生脂肪因子，还分泌在人体内稳态中发挥重要作用的促炎和抗炎细胞因子(图2B)，WAT是与肥胖相关的炎症因子的主要来源[31]。一般来说，在炎症急性期，瘦素促进脂肪细胞分泌IL-6和TNF-α等炎性细胞因子，同时减少抗炎介质如IL-10的分泌[32]。瘦素单独或联合IL-1可促进诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)和环氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)的表达，促进NO、前列腺素E和IL-8等炎性因子的产生。C-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)和核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)对于瘦素诱导关节软骨细胞产生促炎因子及破坏性递质有一定调节作用，通过激活下游磷脂酶C(phospholipase C，PLC)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)促进NO合成，形成炎性环境，这些都是瘦素刺激氧化应激的体现[33]。脂肪组织巨噬细胞(adipose tissue macrophages，ATMs)与肥胖应激下的炎症反应密切相关，Acedo等[34]证实，瘦素在ATM极化过程中促进ATM向M2抗炎表型巨噬细胞的活化，但同时也产生大量的促炎细胞因子包括TNF-α、IL-6和特异性趋化因子如单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)等。研究[35]表明，肥胖者血清瘦素水平升高导致全身低水平的炎症发生，在心血管中诱发血管炎症和血管平滑肌肥大，这些因素都会导致肥胖患者更容易患上动脉粥样硬化、高血压、冠心病和血栓。另外，在炎症非急性期，瘦素也发挥抗炎作用。有研究[36]表明，瘦素可以通过刺激ATMs中的环磷酸腺苷信号，通过PKA抑制盐诱导激酶(salt-inducible kinase，SIK)磷酸化修饰组蛋白去乙酰化酶4(histone deacetylase 4，HDAC4)，去磷酸化后的HDAC4通过抑制细胞核中的NF-κB基因活性，降低炎症反应的程度。Gan等[37]将瘦素的炎症反应与叉头框蛋白C2(forkhead box protein C2，FOXC2)联系起来，后者通过与Janus激酶2(Janus kinase 2，JAK2)/信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)-PR结构域16(PR/SET domain 16，PRDM16)途径的下游相互作用来减轻脂肪细胞的炎症。这些研究证实瘦素可以通过多种途径参与炎症反应的调节。

小鼠和人类瘦素功能的遗传缺陷与胸腺萎缩和免疫缺陷有关，因此易受感染。瘦素在体外刺激人单核细胞的增殖和活化，并增加单核细胞表面标志物的表达，同时，通过激活JAK2-STAT3通路，增强小鼠巨噬细胞中CC趋化因子配体(CC chemokine ligand，CCL)的表达[38](图2C)。瘦素诱导巨噬细胞产生TNF-α间接激活人中性粒细胞，通过TNF-α和CXC基序趋化因子配体1(C-X-C motif chemokine ligand 1，CXCL1)介导中性粒细胞迁移，依赖磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)通路诱导中性粒细胞向炎症部位募集，但与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of Rapamycin，mTOR)信号传导无关[39]。瘦素还能保护中性粒细胞免于凋亡，延迟线粒体中细胞色素c的释放和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶的激活。对于T细胞的增殖和活化，瘦素在不同情况下也发挥不同作用。通过激活小鼠体内mTOR通路，瘦素抑制调节性T细胞(regulatory T cells，Tregs)增殖[40]，对效应T细胞(effector T cells，Teffs)则促进其增殖[41]，可能会更好地抑制自身免疫反应。有研究[42]表明，瘦素水平在系统性红斑狼疮患者中异常升高，能促进自身反应性T细胞的存活和增殖，可能用于自身免疫性疾病的靶向治疗。

3.3 瘦素与创伤愈合

机体的创伤愈合被认为是一个动态而复杂的过程，涉及多种激素和细胞因子。近年研究发现，瘦素作为一种促创伤愈合因子参与创伤修复的调控(图2D)，在创面的表达快速上调[43]。在小鼠创面用瘦素抗体中和瘦素作用后，创面愈合进程延缓，同时OB-/ob-小鼠的伤口愈合能力也降低。瘦素可以促进血管内皮细胞的增殖及再血管化发挥血管生长因子的作用[44-45]。Tadokoro 等[46]将瘦素与缓释可吸水凝胶一起应用于小鼠背部皮肤的化学性伤口，观察创面修复过程并测量溃疡面积后发现，瘦素治疗组伤后第8天创面再上皮化明显增强，溃疡区结缔组织中血管生成增加，促进了伤口愈合。Umeki等[47]将瘦素应用于兔牙龈创面，发现局部注射瘦素后口腔黏膜上皮细胞迁移，口腔黏膜创面区完全愈合所需的时间缩短，溃疡下结缔组织的血管生成增加，从而促进口腔黏膜的愈合。Tanigawa等[48]在OB-/ob-小鼠中观察到，胃溃疡愈合损伤在于血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)表达和血管生成的减少，OB-/ob-小鼠给予瘦素可逆转胃溃疡并伴随VEGF表达和血管生成增加。此外，瘦素可以作为角质形成细胞的有丝分裂原，活化角质细胞的细胞外调节蛋白激酶(extracellular-signal-regulated kinases，ERK)信号通路，促进角质细胞的增殖及迁移[49]；瘦素还能通过JAK2/STAT3信号通路以剂量依赖方式诱导人口腔角质形成细胞表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)和角质形成细胞生长因子(keratinocyte growth factor，KGF)表达增加[50]，趋化上皮细胞从创缘向创面迁移，加速创面的上皮化，促进创面收缩，在创面愈合中起重要作用。瘦素还可以通过促进伤口部位的肉芽组织生成和胶原蛋白合成，增强Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白表达，从而加速伤口愈合[51]。此外，瘦素基因转录水平在皮肤成纤维细胞缺氧后迅速上调，这种反应的发生机制涉及低氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor 1，HIF-1)激活[52-53]，后者与瘦素基因启动子中的低氧反应元件(hypoxia response element，HRE)结合，诱导瘦素的快速表达。但持续高浓度瘦素并不能改善创面皮肤再上皮化及创面愈合能力，El-Deeb等[54]测定了瘦素在糖尿病大鼠和正常大鼠口腔创面中的愈合能力，正常大鼠创面上皮的愈合程度明显高于糖尿病大鼠，这种结果可能与糖尿病大鼠存在瘦素抵抗的作用有关，提示瘦素可作为一种促进非糖尿病患者口腔黏膜创面愈合的治疗手段。

3.4 瘦素与癌症

肥胖作为多种癌症发生和发展的危险因素，涉及的生物学机制包括脂肪组织重构及脂肪因子分泌异常、炎症和氧化应激、异位脂肪沉积和肠道微生物群改变等[55-56]。肥胖者癌症周围的脂肪细胞是癌症基质中的一类重要成分，通过释放各种脂肪因子和代谢产物为癌症组织提供特殊的微环境[57]。瘦素作为一种关键脂肪因子，通过与瘦素受体结合在多种癌症如肝癌[58]、肺癌[59]、乳腺癌[60- 61]、前列腺癌[62]、结直肠癌[63]、肾癌[64]和黑色素瘤[65]等的发生和转移过程中发挥重要作用(图2E)。瘦素促进肝癌发展的直接作用主要由PI3K/Akt、MEK/ERK1/2和JAK2信号通路之间的相互作用所介导，进而促进下游细胞周期蛋白D1表达增加，同时逆转转化生长因子β1(transform growth factors β1，TGFβ1)所介导的BCL2相关X(BCL2 associated X，BAX)上调来阻止肿瘤细胞凋亡，进而发挥促肝癌细胞增殖的作用[66]。由于肿瘤在发生与发展的过程中需要大量的血液供应，因此血管生成对于恶性实体肿瘤突破上皮基膜后进一步侵袭发展是至关重要的。Ribatti等[67]采用免疫组织化学等方法，通过检测40例肝癌患者血管内皮和肝癌细胞的瘦素和LEPR的表达及肿瘤微血管密度，发现瘦素与其受体的表达和肝癌的血管生成水平显著相关，表明瘦素可能通过增强血管生成发挥促肝癌发展的作用。肿瘤组织周围环境的主要组成部分是细胞外基质(extracellular matrix，ECM)，肿瘤细胞通过侵袭周围的ECM，促进细胞的转化和转移，进而促进肿瘤的迁移和发展[68]。瘦素还可增强基质金属蛋白酶-7(matrix metalloproteinase-7，MMP-7)表达以促进卵巢癌细胞迁移和侵袭，用ERK或JNK抑制剂进行预处理显著减弱瘦素介导的作用，表明这些信号通路参与瘦素对卵巢癌进展的影响[69]。人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase，hTERT)与细胞的永生化、肿瘤的发生和细胞的衰老密切相关，其水平决定细胞端粒酶的活性，Stefanou等[70]认为，瘦素的表达与肝癌组织中的hTERT表达水平高度相关，通过对肝癌HepG2细胞体外培养后进行相关研究发现，瘦素是通过STAT3和MYC/Max二聚化蛋白(max dimerization protein，Mad)/MYC相关因子X(MYC associated factor X，MAX)信号转导通路活化hTERT，促进MMP-9和MMP-13的表达，为肝癌细胞的转移提供更有利的环境。

4 结语

瘦素作为一种多功能脂肪因子，最新研究证实它与能量代谢、炎症反应和生殖发育有关，在病理生理过程中同样具有重要的作用。目前有关疾病与瘦素的研究主要集中在肥胖、糖尿病、心血管疾病、创伤愈合及肿瘤发展等方面。总之，瘦素对机体的影响广泛，调节生理作用具有多效性。人类对瘦素的研究也处于一个初步的阶段，仍然有很多问题亟待解决：瘦素如何通过BBB转运进入大脑发挥相关作用有待进一步研究；瘦素作用于多个脑区，但参与脂肪组织中脂解调节或控制这些交感神经的分支神经网络尚未完全清楚；肥胖患者中血浆瘦素水平升高，存在瘦素抵抗的相关机制也尚未完全阐明；瘦素在皮肤创伤中发挥作用的确切机制没有得到充分了解；瘦素及其受体参与肿瘤发生、发展的机制尚不明朗。这些问题的有效解决，需要在未来深入探究瘦素在正常生理与病理中的双重作用及其调控机制，可对临床相关疾病的诊断与治疗方面提供新的思路和理论依据。