孙凌宇 严 翊 陈 静
(北京体育大学运动人体科学学院,国家体育总局运动应激适应重点实验室,北京 100084)
Kisspeptin 是Kiss1 基因编码的产物,在大脑(丘脑、杏仁核)[10-12]、肝脏[13-14]、睾丸[14-16]、卵巢[17-18]、胎儿肾上腺[19]、心脏[20]、脂肪[14,20-21]和胎盘[22]等多种器官中广泛存在,在调节葡萄糖稳态[23]、摄食行为[24]、昼夜节律[25]和心脏功能[25]等方面发挥着重要作用。表达在下丘脑区域的Kiss1 神经元有2 个不同的亚群,即弓状核(arcuate nucleus, Arc)Kiss1神经元和前腹侧脑室核/室 周 核 (anteroventral periventricular/periventricular preoptic nucleus,AVPV/PeN)Kiss1神经元[26]。之前的研究大多针对中枢Kisspeptin在维持生殖功能和性腺发育中的作用,然而生殖功能的异常通常伴随代谢的改变,并且代谢的异常也会引起生殖功能紊乱,代谢活动与生殖功能紧密相关,涉及多个生理过程。已有多项研究表明,中枢Kisspeptin 信号不仅参与整个发育过程中生殖功能的调控,在能量代谢调节方面也发挥着重要作用[27]。Kisspeptin 可以通过整合外周的信号因子、激素信号和中枢的神经递质等信息,影响机体的能量代谢平衡。本文将重点对下丘脑Kisspeptin 在调控机体能量平衡中的作用进行总结和归纳,为探究机体维持能量稳态的分子机制提供新的线索,为更好地防治相关代谢性疾病提供更多理论依据。
繁殖行为是确保物种存续的基础,这一功能受到下丘脑-垂体-性腺(HPG)轴的调控。在HPG轴内, 下丘脑中的促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone,GnRH) 能够刺激垂体分泌促性腺激素来维持内分泌轴的功能[28],其中最重要的促性腺激素是黄体生成素(luteinising hormone, LH) 和 促 卵 泡 激 素(follicle-stimulating hormone,FSH),促性腺激素水平升高是青春期启动的关键[28]。下丘脑中GnRH 神经元并不是自主脉冲分泌GnRH,而是响应Kiss1 神经元的刺激,并分泌GnRH[29]。其中,Kisspeptin是Kiss1神经元分泌的,兴奋GnRH神经元[30-33]的最有效的神经肽/神经递质,它能够刺激75%~90%的 GnRH 神经元去极化。下丘脑GnRH神经元中存在Kisspeptin的受体G蛋白偶联受体54(GPR54, 又 称 Kiss1 受 体 (Kiss1 receptor,Kiss1R)),这是Kisspeptin调控GnRH分泌的有效信号途径[34]。AVPV/PeN 中的Kisspeptin 神经元受雌二醇(estradiol,E2)的正调控,并介导E2对雌性排卵期前GnRH/LH 激增的正反馈诱导,而Arc Kisspeptin神经元刺激GnRH/LH的强直性、搏动性释放,控制性腺性类固醇的合成、配子的发生以及月经周期[35-36]。当体内的Kiss1R和/或Kiss1基因发生突变时,机体会出现青春期延迟、不孕不育及促性腺激素水平下降等现象[37]。
生殖过程中,机体需要消耗大量的能量。当机体能量储备不足或能量过度蓄积时,均会影响HPG 轴的功能,进而影响生殖行为。Kiss1 神经元是连接生殖及能量平衡的关键节点,它是外周代谢性激素(例如瘦素(leptin)、胰岛素(insulin))的直接靶标[38-39],能够整合机体的代谢信息,进而调控生殖行为。有研究显示,啮齿类动物和灵长类动物能量储备不足时,下丘脑Kiss1 基因的表达受到抑制,LH 的表达水平下降,最终导致其青春期延迟甚至不孕不育[40-42]。近些年研究发现,Kiss1神经元不仅能够接收外周代谢信号的调控,Kisspeptin本身也可以调控机体的能量平衡,Kiss1神经元与机体能量平衡之间存在双向关系。由于生殖与Kisspeptin 系统的相互关系已经得到了很好的综述,本文将特别关注Kisspeptin 信号在调控机体代谢和能量平衡方面的新作用。
Kisspeptin 对摄食行为的抑制作用首先在小鼠身上得以验证。Stengel 等[43]向小鼠脑室注射Kisspeptin发现,过夜禁食后再喂养小鼠,4~5 h内的进餐频率、总进餐时间和总进食量均减少,但注射Kisspeptin 后24 h 的累积食物摄入量与对照组相比,没有显著性差异,然而,当对非禁食状态小鼠进行相同实验时,同等剂量的Kisspeptin 没有对摄食行为产生影响[43-44]。随后的研究同样证明,Kisspeptin 脑室注射使过夜禁食后再喂养雄性大鼠4~5 h内的食物摄入量减少[24]。上述实验首次揭示了饥饿状态下,Kisspeptin 对小鼠摄食行为具有抑制作用。随后,Talbi等[44]将上述研究结论在沙漠跳鼠身上进行验证,他们发现,Kisspeptin 对摄食行为的抑制作用仅存在于雌性沙漠跳鼠,而对雄性沙漠跳鼠无效。这表明,Kisspeptin 的摄食抑制作用不仅仅取决于机体的能量状态,还与性别有关,Kisspeptin 是否通过影响性激素水平调控机体能量代谢,有待进一步验证。但是与上述几个研究结果不同的是,Cázarez-Márquez等[45]对自由进食的雄性大鼠的研究发现,向脑室注射Kisspeptin,24 h后的累积食物摄入量减少,Dong 等[46]研究显示,向小鼠腹腔注射Kisspeptin,24 h 后的食物摄入量及进食频率均受到抑制[45-46]。综上所述,大多数证据表明,一次性Kisspeptin 脑室给药或腹腔注射,均可产生厌食效应,但目前实验动物的营养状态,以及注射Kisspeptin 的时间、剂量和途径对摄食行为的具体影响,结论还不统一,细节仍需进一步探索,以期更精准地揭开Kisspeptin 在进食调控中的作用。
除了利用药理给药的方式研究Kisspeptin 在进食调控中的作用,多项研究利用转基因小鼠沉默Kisspeptin 信号,探索其对小鼠摄食行为的影响。如,Padilla 等[47]向小鼠的Arc 脑区注射破伤风毒素(tetanus toxin,TeTx),以沉默Arc Kiss1 神经元。该研究发现,阻断Kisspeptin 信号后,小鼠24 h的累计摄食量并不受到影响,但摄食行为的昼夜节律受损,与对照组相比,Arc Kiss1 神经元沉默的小鼠在睡眠期(白天)食物摄入增多,活动期(夜间)摄食量减少。在睡眠期内小鼠保持清醒并大量进食,生物节律打乱,进而导致代谢紊乱,造成体重增加和肥胖。
除针对配体Kiss1基因进行食欲相关的研究外,一些研究针对Kiss1R 进行研究。以全身Kiss1R 基因敲除(Kiss1R-knockout,Kiss1R-KO)小鼠为模型进行探究,发现长期缺乏Kisspeptin 信号会导致小鼠无论在光照期还是黑暗期,食物摄入均减少[23,48-50]。全身阻断Kisspeptin 信号后对小鼠摄食行为的抑制作用,虽然在结论上与中枢Kisspeptin药理给药对摄食行为的抑制作用并不一致,但二者在实质上并不冲突。Kiss1R-KO小鼠模型敲除了全身所有组织和细胞(包括中枢和外周) 中的Kisspeptin 信号,因此对摄食行为和能量平衡的影响更加复杂。不同模型对摄食的影响不同,可能的原因之一是,Kiss1R-KO小鼠出现脂肪组织过度蓄积的现象,脂肪的堆积导致血液中瘦素水平上升,瘦素作为一种厌食激素[51],导致小鼠的食物摄入量减少,这可能是引起中枢Kisspeptin 和全身Kiss1R 信号引起的表型不一致的原因[49]。今后的研究可针对特定部位的Kisspeptin 信号进行研究,为代谢性疾病的靶向治疗提供更精准的理论依据。
研究人员除了在动物模型上研究Kisspeptin 对于食欲的作用,Izzi-Engbeaya 等[52]在人体实验上也对Kisspeptin 在食欲方面的作用进行研究,他们向隔夜禁食的男性注射Kisspeptin,发现Kisspeptin可以促进胰岛素的分泌、调节血清代谢物,但并未引起肠道激素、食欲及摄食量上的变化。考虑到Kisspeptin 代谢作用的性别二态性,未来可以考虑对女性进行研究,以评估Kisspeptin 在人群中是否有调控摄食的作用。
2.2.1 Kiss1神经元通过兴奋POMC神经元并抑制AgRP/NPY神经元影响能量摄入及代谢
经济市场的国际化发展,对人才的素质提出越来越高的要求,进而导致高校在培养人才方面不断进行探索和变革,目前,英语已经成为国际化人才的必备素质之一,其中英语口语更是至关重要,也正是基于此背景,本文将着重分析高校英语口语测试的必要性,通过可行性策略的提出,希望能够切实促进高校英语口语教育的发展,提高学生们的综合素质,具有重要的社会现实意义。
中枢Kiss1 神经元可作用于多个与摄食调控相关的大脑核团,包括Arc、正中视前核(median preoptic nucleus,MnPO)、终纹床核(bed nucleus of stria terminalis, BNST)、 下 丘 脑 室 旁 核(paraventricular nucleus,PVN) 和 外 侧 下 丘 脑(lateral hypothalamus,LH)等[53]。其中,Arc 脑区表达多种与摄食相关的神经元,包括使机体产生厌食效应的阿片促黑素细胞皮质素原神经元(proopiomelanocortin,POMC)神经元和促进机体食物摄入的神经肽-Y 神经元/刺豚鼠相关肽神经元(neuropeptide-Y/agouti-related peptide, AgRP/NPY)等[54]。已有研究通过解剖学、免疫荧光染色、电生理学等技术手段证实Arc Kiss1 神经元与POMC神经元及AgRP/NPY神经元存在紧密的突触联系[55-57]。Arc Kiss1神经元属于谷氨酸能神经元,可以通过I 型和IV 型代谢性谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor, mGluRs)mGluR1 和mGluR5 兴奋POMC 神经元,并通过mGluR2 和mGluR7 使AgRP/NPY 神经元超极化,抑制AgRP/NPY 神经元[56,58-60],最终实现对摄食行为的调控[61]。有研究显示,POMC 及AgRP/NPY神经元上均表达Kiss1R[59]。Kisspeptin可以通过作用于POMC 神经元上的Kiss1R,增强钠钙交换通道(Na/Ca exchanger,NCX)和非选择性阳离 子 通 道 (transient receptor potential cation channel,TRPC)的活性,直接激活POMC 神经元[59-60,62]。但是,Kisspeptin 不能直接激活AgRP/NPY神经元,AgRP/NPY神经元中表达神经相关肽受 体 (RF amide-related peptide receptor,NPFFR1),Kisspeptin 可以通过抑制NPFFR1 激动剂RF 酰 胺 相 关 肽3 (RFamide-related peptide-3,RFRP-3)的活性,进而抑制AgRP/NPY 神经元放电,使其处于超极化状态[60,63]。Kiss1神经元还可以通过激活投射到AgRP/NPY神经元的中间γ氨基丁酸(GABA)能神经元(释放抑制性神经递质),进而抑制AgRP/NPY 神经元活性[59]。此外,有研究通过高频光刺激,激活Arc Kiss1神经元后发现,Arc Kiss1 神经元可通过II 型谷氨酸受体mGluR 使AgRP/NPY 神经元超极化,抑制其神经元活性[56](图1)。
综上所述,Kisspeptin 对AgRP/NPY 神经元的抑制作用及对POMC 神经元的兴奋作用可以部分解释中枢Kisspeptin 具有抑制食欲的作用。另一些研究显示,POMC神经元的激活速度较慢,自激活到通过α 黑色素细胞刺激素(α-melanocytestimulating hormone,α-MSH)达到抑制食欲的作用通常需要24~48 h[64],而上述Kisspeptin 中枢药理给药的实验研究中,在给药1 h内即观察到厌食作用。因此,Kisspeptin 的厌食作用可能不完全是通过POMC 神经元的激活介导的,未来还需要更多的证据解析中枢Kisspeptin 神经元调控食欲的神经机制。
2.2.2 Arc Kiss1神经元通过投射到PVN调节饱足感
有研究证实PVN 中存在Kiss1 神经元的投射[65-66]。虽然PVN 不同亚区域内的神经元均可接受来自Arc Kiss1 神经元及AVPV/PeN Kiss1 神经元的纤维投射(图1),但其功能并不一致。PVN 中的神经元不表达Kiss1R[67],因此其不可被Kisspeptin直接激活,但PVN中的内侧小细胞神经元可接收来自Arc Kiss1 神经元释放的强啡肽原(prodynorphin,PDYN)和vGlut2 的刺激。此外,PVN 脑区的内侧小细胞神经元可被AVPV/PeN Kiss1 神经元释放的GABA 能神经递质间接抑制[68]。这些PVN中的小细胞神经元与机体的食欲调节密切相关[65-67],但具体的机制尚未被明确阐释,有待进一步探究。
下丘脑背内侧核(dorsomedial nucleus,DMH)内的神经元表达多种神经肽,包括胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)、NPY、可卡因苯丙胺调节转录肽(cocaine and amphetamine-regulated transcript,CART) 和瘦素受体(leptin receptor,LepR)等,这些神经肽与温度、体重和棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)产热等密切相关[69-73]。多项研究证实,Arc 及AVPV/PeN 脑区的Kiss1神经元,均可投射到DMH[66,74-78]。Arc Kiss1神经元投射到DMH后,其轴突末端可释放兴奋性神经递质,激活下游DMH脑区的LepR和 CART神经元等[64]。已有研究证实,DMH 内的LepR 和CART 神经元可通过作用于交感神经-BAT 回路来诱导BAT 产热[73,79-81]。因此,Arc Kiss1 神经元可能通过对DMH的直接作用参与调节能量消耗,还有待更多数据支撑。此外,有研究发现AVPV/PeN Kiss1 神经元与Arc Kiss1 神经元的作用机制不同,其通过激活中间GABA 能神经元,进而抑制DMH脑区内LepR 和CART 等的神经元,使交感神经活性下降,从而限制BAT产热[78]。
恒温哺乳动物的核心体温在一个狭窄的范围内上下波动,对维持机体稳定和能量平衡至关重要。下丘脑作为大脑的一个关键区域,在核心体温调节过程中发挥关键作用。一些证据表明,Kisspeptin信号有助于机体体温的维持。其中,有研究显示,在大鼠睡眠期(白天)向其脑室中注射Kisspeptin-13蛋白,发现其体温在注射Kisspeptin-13后出现急剧上升,并在一段时间内维持较高水平[82]。然而,具体哪个脑区的Kiss1 神经元发挥作用以及如何引发这种体温调节效应仍不清楚。另有实验证实,利用表达TeTx的病毒,沉默雌性小鼠的Arc Kiss1神经元可以降低昼夜节律体温波动的幅度[47],但文章并未证实,这一体温变化是否是由Kisspeptin 信号通路特异性介导的,还需要更多数据支撑。Arc Kiss1 神经元为KNDy 神经元, 其共表达Kisspeptin、神经激肽B(neurokinin B,NKB)和强啡肽(dynorphin,DYN),其中NKB 可以通过投射到内侧视前区(preoptic area,POA)的温度调节区域,影响体温,并在更年期产生潮热[83],沉默Arc Kiss1 神经元后,是否通过这一过程影响体温,有待进一步探究。
众所周知,缺乏E2 的绝经后妇女可能会出现潮热,这种周期性的强烈热感会对她们的生活质量产生负面影响[84]。而潮热的产生,一部分原因是机体核心体温调控阈值下降。有研究显示,口服E2 可使核心体温调控的出汗阈值显著升高,从而改善潮热,但其机制尚不明确[85]。Kiss1神经元被认为在引起潮热中起关键作用,其可投射到表达神经激肽3 受体(neurokinin-3 receptor,NK3R)的POA 温度调节区,尤其是正中视前核(median preoptic area,MnPO)脑区,进而调节体温和潮热。有研究通过向Arc注射谷氨酸钠阻断Arc Kiss1神经元,发现Arc Kisspeptin 信号传导障碍抑制了E2对体温调节的影响[86],从而导致机体核心体温调控阈值下降。另研究表明,Arc Kiss1 神经元可向AVPV/PeN发出广泛的投射,但对下丘脑腹内侧视前区(ventromedial preoptic area,VMPO) 和MnPO 中的温度敏感神经元的输入非常有限。相反,AVPV/PeN Kiss1 神经元可广泛投射到POA,包括VMPO 和MnPO 等区域[78]。因此,Arc Kiss1神经元可通过激活AVPV/PeN Kiss1 神经元间接激活POA 温敏神经元,实现对核心体温的调节[60,68]。但Kiss1神经元参与体温调节的神经环路及具体机制,仍需进一步探索。
身体活动量的改变,影响机体的能量状态。有研究观察到,沉默Arc Kiss1 神经元影响雌性小鼠24 h 的活动量和睡眠时间。在活跃期,沉默Arc Kiss1 神经元的小鼠与对照组小鼠相比,身体活动减少,睡眠时间增加;而在非活跃期,沉默Arc Kiss1神经元的小鼠睡眠时间减少[47]。另外一些研究显示,Arc Kiss1 神经元表达缺失的啮齿类动物在自由进入的跑轮上活动较少[87-89],体力活动水平显著下降。并且,有研究显示Arc Kiss1 神经元通过投射到视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN) 的 下 丘 脑 亚 室 旁 核 (subventricular paraventricular nucleus of the hypothalamus,SPZ)和DMH,调节身体活动、睡眠和昼夜节律[90]。
下丘脑Kisspeptin 信号通路对机体能量状态的改变非常敏感[91]。能量失衡会刺激脂肪组织释放瘦素、脂联素(adiponectin),刺激胰腺释放胰岛素,刺激胃肠释放胃饥饿素(ghrelin)、肠促胰酶肽,并刺激性腺分泌雄激素、雌激素、皮质醇/皮质酮、生长素释放肽、甲状腺激素等,这些外周代谢因子可以通过直接刺激下丘脑Kiss1神经元(表1),也可通过刺激下丘脑其他含有代谢信号受体的谷氨酸能神经元、GABA 能神经元、RFRP-3、AgRP/NPY 和POMC/CART 神经元间接与Kiss1 神经元产生交互作用,改变神经元兴奋性,调节食欲[9,91-92]、生 殖 发 育[91,93]等 功 能。下 丘 脑Kisspeptin 信号通路已成为改善生殖功能、治疗能量平衡障碍的潜在靶点。
Table 1 Effect of different metabolic hormones and neuropeptides on the expression of hypothalamic Kisspeptin in different animal models表1 不同代谢激素和神经肽对不同动物模型下丘脑Kisspeptin表达的影响
脂联素通过作用于两种脂联素受体AdipoR1和AdipoR2[94-95]发 挥 其 生 物 学 作 用。AdipoR1 和AdipoR2在大脑多个脑区都有表达[96-97],脂联素与其受体特异性结合后可激活AMP 活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK),随后活化的AMPK 可通过促进脂肪酸氧化,并刺激葡萄糖摄取来促进能量的消耗[94-95]。有研究分析了脂联素对下丘脑Kiss1神经元的影响,该研究使用在体脑室注射及体外下丘脑神经元(GT1-7细胞)离体培养两种形式,证实脂联素以及AMPK 的激活剂能够降低体外和体内Kiss1 mRNA的表达水平,而AMPK的抑制剂则导致Kiss1 mRNA在体外和体内的表达增加[98]。综上所述,这些发现表明能量代谢的改变,影响脂联素的含量,脂联素进而通过改变Kiss1神经元的活动,影响生殖。
瘦素由脂肪组织分泌,具有广泛的生物学功能,是维持能量平衡和体重[9]所必需的。下丘脑内多个脑区表达LepR,其通过响应瘦素的刺激,调节能量代谢[99-100]。研究显示,下丘脑部分神经元既表达LepR,又分泌Kisspeptin[101]。
在营养缺乏的情况下,瘦素含量较低,导致下丘脑Kiss1 神经元mRNA 转录水平降低[102-104],而外源注射瘦素可大大促进下丘脑Kiss1 神经元mRNA 转录水平。有研究显示,高达40%的Arc Kiss1 神经元中表达了LepR[101],这表明瘦素直接作用于Kiss1神经元,与瘦素缺乏有关的生殖及代谢障碍,可能是由Kiss1 神经元介导的。此外,LepR在下丘脑多个区域大量表达[105],并且表达在GABA、NPY、AgRP、POMC 等多个神经元上,而这些神经元可间接影响Kiss1神经元的活性,因此,瘦素与Kiss1神经元关系紧密,共同调节多种功能。目前关于瘦素-下丘脑Kiss1神经通路在调控生殖方面的研究较多,而瘦素在能量代谢调控中发挥着重要作用,Kiss1 神经元在能量代谢调控中也应发挥重要的作用,但相关研究较为匮乏,未来可针对瘦素-下丘脑Kiss1神经通路在代谢调节方面的作用进行深入探索。
胰岛素是一种由胰腺β 细胞分泌的代谢性激素,除了调节糖代谢外,胰岛素也可通过对中枢的作用调节生殖功能[106]。胰岛素受体(insulin receptor,IR) 在Arc Kiss1 神经元上大量表达,Kiss1神经元中IR基因的特异性缺失延迟了小鼠青春期的开始,不过,其成年期的生殖能力是正常的[107]。这些结果表明,Kiss1神经元中的胰岛素信号传导对于生殖轴的青春期启动至关重要,但其并非导致成年期性成熟的关键因素。目前的研究局限于胰岛素对Kiss1神经元生殖调控作用的影响,而胰岛素对Kiss1神经元调控机体糖代谢方面的影响鲜有研究,是未来亟待探究的新领域。
胃饥饿素的受体是生长激素促分泌激素受体(growth hormone secretagogue receptor, GHSR),在Kiss1 神经元中有一定量的表达。当机体处于能量缺乏状态或外源性给予胃饥饿素时,使机体内胃饥饿素含量增加,进而导致下丘脑Kiss1 mRNA转录水平降低[108]。Frazao 等[109]研究证实,E2 在Kiss1 神经元响应胃饥饿素调控中具有重要作用。当机体内E2 水平升高后,可刺激下丘脑Arc 脑区大量表达GHSR,此时可接受胃饥饿素刺激的Kiss1神经元数量大幅增加,Kiss1神经元受到胃饥饿素刺激后,其转录水平大幅降低,生物活性受到抑制,对生殖及代谢控制产生负面影响。
Kisspeptin 及其在青春期发育和生殖中的关键作用被发现后不久,它在调节代谢功能方面的作用也逐渐被挖掘。Kiss1 神经元在调控机体能量代谢中的作用,涉及多个脑部核团、神经环路,其分子机制十分复杂。本文综述了下丘脑Kiss1 神经元参与代谢调控过程的最新研究进展(图2)。首先,中枢Kiss1神经元参与食欲的调节。Kiss1神经元可以释放兴奋性神经递质,并通过调控POMC 和AgRP/NPY 神经元的活性,限制机体的食物摄入量。此外,Arc Kiss1 神经元也可以通过投射到PVN 脑区的神经元来传递饱足感。其次,中枢Kiss1 神经元影响体温的调节和产热。Arc Kiss1神经元可以投射到与温度调节相关的POA脑区,影响核心体温。Arc Kiss1神经元可以通过释放兴奋性递质到DMH脑区,调节产热和能量消耗。此外,Arc Kiss1 神经元也能影响身体活动,进而影响昼夜节律和代谢。最后,Arc Kiss1神经元通可以响应外周的激素信号的刺激,如脂联素、瘦素、胰岛素、胃泌素等,影响机体的能量代谢。综上可见,下丘脑Kiss1 神经元是影响机体能量代谢平衡的关键性神经元,在预防和改善代谢性疾病方面有着积极影响和重要研究意义。中枢Kisspeptin 及其受体对机体能量代谢调控的神经及分子机制仍需要进一步深入探究,鉴于目前治疗肥胖的药物仍然极为有限,深入理解Kiss1神经元在肥胖形成过程中的作用具有重要意义。
Fig.2 Schematic hypothalamus Kiss1 neurons for regulating energy metabolism图2 下丘脑Kiss1神经元调控能量代谢的示意图