楊東英

Leptin基因的研究進(jìn)展

楊東英

Leptin又名瘦素，是由肥胖基因編碼，脂肪細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子。其主要功能是通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)能量平衡，也與生殖、機體免疫等功能密切相關(guān)。并參與肥胖、心血管疾病、糖尿病、瘦素抵抗等多種疾病的發(fā)生與發(fā)展。本文綜述了有關(guān)瘦素的最新研究進(jìn)展。

leptin；功能；疾病

1 Leptin的發(fā)現(xiàn)

早在20世紀(jì)50年代，就有學(xué)者開始探索能量平衡與體重調(diào)節(jié)的關(guān)系，并提出了“血液中可能存在某種化學(xué)信號，通過血液循環(huán)作用于大腦的飽食中樞來緩和饑餓的感覺”這一假說。但當(dāng)時并沒有學(xué)者鑒定到這種化學(xué)信號或其在腦神經(jīng)中的作用靶標(biāo)。直到1969年，美國Jackson實驗室的Coleman利用兩株突變品系的小鼠（第一種突變小鼠異常肥胖，故被命名為ob小鼠；第二種突變小鼠不僅肥胖而且伴有嚴(yán)重的糖尿病，故被命名為db小鼠）進(jìn)行聯(lián)體共生實驗，在ob／ob小鼠與正常小鼠相聯(lián)的實驗中發(fā)現(xiàn)，ob／ob小鼠攝食減少、體重減輕，而正常小鼠并無變化。這說明ob／ob鼠的肥胖可被來自正常小鼠血液中的調(diào)節(jié)體重的物質(zhì)所糾正；其次以ob／ob小鼠與具有db突變的肥胖糖尿病小鼠（db／db）相連，ob／ob小鼠攝食極度減少而饑餓致死；另外db／db小鼠與正常小鼠相聯(lián)，結(jié)果亦使正常小鼠饑餓而死，提示db／db小鼠體內(nèi)存在大量調(diào)節(jié)體重的物質(zhì)，而對其不敏感。ob基因和db基因的編碼產(chǎn)物是配體和受體的關(guān)系。1991年Friedman等人提出了5種可致肥胖的單基因突變，開創(chuàng)了探尋肥胖病因的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。1994年Zhang等［1］利用位點克隆技術(shù)成功地克隆了小鼠肥胖（ob）基因及與人類的同源序列，該基因高度保守，在人類與小鼠中具有84%的同源性 。而在ob肥胖鼠中注射此基因編碼的蛋白即可以改善其肥胖表型。隨后，該肥胖基因的表達(dá)產(chǎn)物被命名為瘦素（Leptin來自希臘文的Leptos，寓意為瘦?。怯砂咨炯?xì)胞分泌的相對分子質(zhì)量為16×103的蛋白質(zhì)類激素。自此，瘦素的發(fā)現(xiàn)改變了人們對于白色脂肪組織的傳統(tǒng)觀念，即體內(nèi)的脂肪不再僅僅被視為能量儲存的器官或皮下的絕緣體，而且也是體內(nèi)一個非常重要的內(nèi)分泌器官。2010年，Abert Lasker基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎被授予給Douglas L.Coleman和Jeffrey M.Friedman兩位科學(xué)家，以表彰他們對于瘦素這種調(diào)節(jié)食欲和體重的激素的發(fā)現(xiàn)。瘦素的發(fā)現(xiàn)也使得人們對肥胖等疾病的研究進(jìn)入了分子生物學(xué)時代。

2 Leptin基因及其表達(dá)產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)

2.1 Leptin基因的結(jié)構(gòu)與定位

Zhang等［1］運用位點克隆技術(shù)鑒定得到了小鼠的Leptin基因，它包括3個外顯子和2個內(nèi)含子，其mRNA長4.5kb，具有能夠編碼167個氨基酸的開放閱讀框。Isse等［2］克隆了人類Leptin基因，其定位于第7號染色體，全長20kb，由3個外顯子和2個內(nèi)含子組成，5＇端含有多種轉(zhuǎn)錄因子的連接部位，為單拷貝基因。而在牛中，Leptin基因定位于4號染色體，同樣由3個外顯子和2個內(nèi)含子組成，編碼區(qū)位于第二 、三外顯子上，基因全長約18.9kb，其中 mRNA 全長2.93kb［3］。

2.2 Leptin基因產(chǎn)物——瘦素的結(jié)構(gòu)

瘦素是Leptin基因編碼的脂源性內(nèi)分泌激素，由167個氨基酸構(gòu)成，該多肽的N端含有一個具有21個氨基酸組成的信號肽，加工成熟后含有146個氨基酸殘基，分子量為16kDa。不同物種間動物的瘦素蛋白是高度保守的。Zhang等（1997）對牛、人、猩猩、恒河猴、豬、鼠的氨基酸序列進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)同源性達(dá)67%。人們對瘦素蛋白的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，最終的核磁共振分析結(jié)果表明瘦素蛋白是一個四螺旋束的細(xì)胞因子，它由4個反向平行的α螺旋組成［4］。此外，核磁共振和晶體結(jié)構(gòu)分析表明瘦素蛋白還包含一個二硫鍵，該二硫鍵對瘦素蛋白的功能至關(guān)重要，因為半胱氨酸的破壞會導(dǎo)致瘦素蛋白生物活性的喪失［4］。通過對人類的研究也表明，Leptin基因［5］和 Leptin受體基因［6］的失活突變會導(dǎo)致瘦素分泌失常，最終使得人類食欲過盛并患上嚴(yán)重的肥胖癥。

3 Leptin的功能

瘦素主要由白色脂肪組織分泌，且主要在成熟的脂肪細(xì)胞中表達(dá)，另外在胎盤、乳腺、上皮和胃粘膜中也都有表達(dá)［7］。瘦素的生物學(xué)功能是由瘦素受體介導(dǎo)的，瘦素受體廣泛分布于下丘腦、神經(jīng)、心臟、腎臟、肺臟、肝臟、脂肪組織及胰島細(xì)胞表面，其中又以下丘腦的幾個神經(jīng)核團最為重要。而瘦素受體的結(jié)構(gòu)可分為3部分：胞外區(qū)、胞漿區(qū)和跨膜區(qū)。由diabetes gene編碼產(chǎn)生的mRNA經(jīng)過剪切可產(chǎn)生6種類型的瘦素受體，分別為：長型受體（Lep－Rb）、短型受體（Lep－Ra，c，d 和f）和可溶性受體（Lep－Re）［8］。其中只有長型受體能起到信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用，它由1165個氨基酸殘基構(gòu)成。胞內(nèi)部分有兩個結(jié)構(gòu)域，一個可以激活Janus激酶（Janus－activated kinase，JAK）；另一個可以和轉(zhuǎn)錄蛋白的激活因子相互作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)與脂類代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。短型受體則起到轉(zhuǎn)運信息的作用。目前對瘦素的研究不僅僅局限于人類和嚙齒類動物（大鼠和小鼠），在牛、羊、豬等方面也有很多報道。其生理作用也涉及多個方面，包括對能量、生殖及免疫的影響。可見瘦素是一種多功能的細(xì)胞因子，它在血液中游離或與瘦素結(jié)合蛋白結(jié)合后到達(dá)中樞和外周，通過與其具有高親和力的受體結(jié)合而發(fā)揮作用，也有的在局部以旁分泌或自分泌的方式發(fā)揮作用［9］。

3.1 Leptin與能量的關(guān)系

瘦素的主要功能是調(diào)節(jié)能量平衡。一方面，瘦素可以調(diào)控動物攝食和體重。研究表明，在給肥胖的小鼠提供一段時間的外源瘦素后，其攝食量明顯減少，且減少量與瘦素的供給量具有一定的線性關(guān)系，同時小鼠的體重也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化。當(dāng)動物因采食過多而導(dǎo)致肥胖時，過多脂肪產(chǎn)生的瘦素會刺激下丘腦的感受器，然后通過交感神經(jīng)將超重信號傳遞到攝食中樞，使動物減少攝食，增加能量消耗，以維持體重恒定；當(dāng)動物處于饑餓狀態(tài)時，血液中的瘦素水平下降，進(jìn)而刺激下丘腦提高副交感神經(jīng)的興奮性，增加食欲，降低能量消耗以恢復(fù)正常體重［10］。另一方面，瘦素可以抑制脂肪生成。瘦素是由脂肪細(xì)胞分泌的，其受體也存在脂肪組織中，因此瘦素在脂肪組織中可通過自分泌方式發(fā)揮最基礎(chǔ)的作用。它既可以促進(jìn)甘油三酯分解，又可以抑制脂肪酸合成酶的表達(dá)，還可以通過增加能量消耗來介導(dǎo)乙酰輔酶A羧化酶基因的表達(dá)，從而起到抑制脂肪生成的作用［11］。總體上，瘦素的這些生理功能是通過下丘腦的反饋調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。在下丘腦中，瘦素通過激活其長型受體而發(fā)揮作用。瘦素調(diào)節(jié)能量代謝主要依賴神經(jīng)肽（NPY）遞質(zhì)系統(tǒng)和促黑皮質(zhì)素（MSH）系統(tǒng)，分別在低和高瘦素水平時發(fā)揮作用。當(dāng)血液中瘦素水平正常時，瘦素與其受體結(jié)合，作用于下丘腦的食物中樞，抑制弓狀核神經(jīng)元合成并釋放NPY遞質(zhì)，抑制攝食，但并不影響脂肪代謝；當(dāng)超出正常水平時，瘦素可通過與下丘腦的食欲刺激網(wǎng)絡(luò)相互作用調(diào)節(jié)攝食量，同時促進(jìn)脂肪代謝，使能量消耗大于吸收，從而使體重減輕。

但也有研究表明，有些肥胖患者體內(nèi)瘦素水平非常高，但并未發(fā)揮出相應(yīng)的生理功效，即使外源性瘦素也無濟于事，這種現(xiàn)象被稱為“瘦素抵抗”。發(fā)生瘦素抵抗可能有以下原因［12］：①患者血液中的瘦素?zé)o法向腦脊液中正常轉(zhuǎn)運，因此無法與相應(yīng)受體結(jié)合；②在肥胖患者體內(nèi)可能存在瘦素的拮抗物，減弱了其生物學(xué)活性；③瘦素參與的信號通路出現(xiàn)問題。到目前為止，瘦素抵抗的確切原因尚不知曉，還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 Leptin與生殖的關(guān)系

瘦素既可以促進(jìn)動物初情期的啟動又能維持動物正常的發(fā)情周期。研究表明，每天給健康的動物注射一定劑量的瘦素，一段時間后，這些動物的生殖器官質(zhì)量增加。原因在于生殖器官上存在瘦素受體，瘦素與之結(jié)合從而促進(jìn)組織增生，或者瘦素先作用于性腺，使其釋放類固醇激素，類固醇激素再作用于靶細(xì)胞，導(dǎo)致組織增生，由此說明瘦素是生殖系統(tǒng)中的重要信號因子。Yu等的研究表明，注射外源性瘦素的大鼠比未注射外源性瘦素的大鼠初情期提前。當(dāng)動物體內(nèi)脂肪含量正常時，分泌入血液的瘦素可以抵達(dá)下丘腦，調(diào)節(jié)促性腺激素釋放激素的分泌。部分瘦素可進(jìn)入垂體前葉，與其受體結(jié)合，促進(jìn)與生殖功能相關(guān)激素的釋放，啟動初情期［13］。這些都表明瘦素對生殖起著重要作用。

此外，對于妊娠期的動物，母體血清中的瘦素水平也反映著胎兒的數(shù)量和發(fā)育狀況。如多胎的江蘇湖羊血清瘦素水平要比單胎的新疆農(nóng)墾細(xì)毛羊高得多［14］。也有研究表明，進(jìn)入胎兒體內(nèi)的瘦素可與胎兒的心臟、肝臟、骨、肺、小腸、造血干細(xì)胞、脂肪等組織器官中的受體結(jié)合，調(diào)節(jié)胎兒的生長發(fā)育。臍帶血中的瘦素水平也是衡量胎兒生長狀況的指標(biāo)之一。當(dāng)胎兒體重較輕時，瘦素水平降低，促進(jìn)胎兒脂肪組織的增長；而當(dāng)體重較高時，瘦素水平也升高，從而抑制體重的過度增長，避免產(chǎn)生異常體重的胎兒［15］。

3.3 Leptin的其他生理功能

Bado等［16］曾在胃黏膜中發(fā)現(xiàn)了瘦素的存在，研究表明，在生理條件下，瘦素成為胃和神經(jīng)中樞之間傳遞攝食信息的中介活性物質(zhì)，起著控制攝食行為，穩(wěn)定能量收支平衡，進(jìn)而調(diào)節(jié)脂肪儲存，穩(wěn)定體重的重要作用。此外，瘦素作為一種細(xì)胞因子，對胃粘膜屏障起營養(yǎng)和保護(hù)的作用［17］。Bouloumie等［18］曾提出瘦素是一種促血管生成因子，能與血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和成纖維細(xì)胞生長因子（FGF－2）協(xié)同作用，共同促進(jìn)血管生成。瘦素還具有降低骨吸收，促進(jìn)骨的形成，促進(jìn)骨骼發(fā)育，及骨骼肌成肌細(xì)胞增殖作用［19］。另有研究表明，瘦素通過調(diào)節(jié)固有免疫和適應(yīng)性免疫在維持免疫功能及動態(tài)平衡起著重要的作用。瘦素廣泛調(diào)節(jié)各種免疫細(xì)胞的分化、成熟、遷移、細(xì)胞因子分泌，并維持細(xì)胞存活，而且參與多種自身免疫病及腫瘤的病理過程［20］。

4 Leptin的作用機制與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

瘦素的生物學(xué)功能是由瘦素受體介導(dǎo)的。血液中的瘦素濃度和脂肪含量成正比，所以瘦素可以擔(dān)當(dāng)“信使”的角色，向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳輸信號。伴隨著脂肪的積累，瘦素的分泌量增加，其透過血腦屏障結(jié)合特定的受體，從而激活JAK2－STAT5、STAT3、PI3K、ERK和SOCS等信號通路［21］（如圖1）。

圖1 瘦素受體介導(dǎo)的信號通路

在瘦素參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中主要的信號通路蛋白家族包括：STAT、細(xì)胞因子信號抑制子（SOCS）和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERK）。STAT蛋白家族均具有SH2結(jié)構(gòu)域、羧基末端酪氨酸磷酸化位點，氨基末端部分則介導(dǎo)與多個DNA結(jié)合位點協(xié)調(diào)結(jié)合。STAT5作為一個催乳素誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子，最早在乳腺組織中得以鑒定，而STAT3則與乳腺凋亡相關(guān)。SOCS蛋白家族包括SOCS1、2、3以及細(xì)胞因子誘導(dǎo)序列（CIS），它們也都具有SH2結(jié)構(gòu)域，細(xì)胞因子（如瘦素）可以誘導(dǎo)SOCS蛋白家族的基因轉(zhuǎn)錄，相反，表達(dá)的SOCS蛋白則起到抑制細(xì)胞因子參與的信號通路及其生物學(xué)活性的作用。細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERK），可以將細(xì)胞外的刺激信號傳遞到細(xì)胞核，是參與細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)和損傷反應(yīng)的主要信號蛋白，介導(dǎo)細(xì)胞的生長、發(fā)育、分化以及凋亡。

研究認(rèn)為JAK－STAT信號通路是瘦素參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并發(fā)揮其生物學(xué)功能的主要途徑。瘦素與膜上受體結(jié)合，通過受體的構(gòu)象變化激活在膜內(nèi)與受體結(jié)合的JAK，于此同時受體磷酸化，結(jié)合STAT的SH2結(jié)構(gòu)域。隨后激活的JAK磷酸化STAT的酪氨酸殘基，磷酸化的STAT與受體分離，形成二聚體后進(jìn)入細(xì)胞核中與特定的DNA序列結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄。

LRa能夠介導(dǎo)受體依賴的JAK2和胰島素受體底物（IRS－1）的酪氨酸殘基磷酸化，但信號轉(zhuǎn)導(dǎo)能力要比LRb弱的多。LRb構(gòu)象改變后能與JAK2結(jié)合形成復(fù)合物，JAK2的Tyr1007和Tyr1008磷酸化可使其本身被激活，從而使LRb結(jié)構(gòu)域中的Tyr985和Tyr1138兩個酪氨酸殘基磷酸化。LRb中磷酸化的Tyr 985可通過結(jié)合蛋白酪氨酸磷酸酶（SHP－2），使其被JAK2磷酸化后激活ERK。LRb中磷酸化的Tyr 1138可結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子SOCS3，它最終反饋調(diào)節(jié)并抑制JAK2／LRb信號通路。

5 小結(jié)

因為瘦素及其受體在體內(nèi)廣泛分布，并且參與多種生理過程，所以如果兩者出現(xiàn)問題就會導(dǎo)致相應(yīng)的疾病發(fā)生，例如肥胖、心血管疾病、自身免疫性疾病等。目前，瘦素的作用機制已成為生命科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點，與瘦素相關(guān)的各種疾病和治療藥物研發(fā)也引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

事實上，瘦素蛋白本身并不是很難得，但要使其發(fā)揮作用，就必須解決瘦素抵抗的難題，這也是藥物開發(fā)研究的關(guān)鍵。同時，也必須注意到其效應(yīng)的復(fù)雜性，揚長避短。其中與人類相關(guān)的研究則主要集中在肥胖、Ⅱ型糖尿病以及心血管疾病發(fā)病機理，以及治療藥物的尋找等方面?？傊?，關(guān)于Leptin基因的一系列研究將為人類疾病的治療工作奠定基礎(chǔ)，開拓思路。

［1］Zhang Y，Proenca R，Maffei M，et al.Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue［J］.Nature，1994，372（6505）：425－432.

［2］Isse N，Ogawa Y，Tamura N，et al.Structural organization and chromosomal assignment of the human obese gene［J］.J Biol Chem，1995，270 （46）：27728－27733.

［3］劉建明，孫少華.牛Leptin基因多態(tài)性研究進(jìn)展 ［J］.上海畜牧獸醫(yī)通訊，2007，（4）：7－8.

［4］Zhang F，Basinski M，DimarchiI D，et al.Crystal structure of the obese protein leptin－E100［J］.Nature，1997，387（6629）：206－209.

［5］Montague C T，F(xiàn)arooqi I S，Whitehead J P，et al.Congenital lep－tin deficiency is associated with severe early－onset obesity in humans［J］.Nature，1997，387（6636）：903－908.

［6］Clement K，Vaisse C，Lahlou N，et al.A mutation in the human leptin receptor gene causes obesity and pituitary dysfunction［J］.Nature，1998，392（6674）：398－401.

［7］冷俊楠，趙素梅，高士爭.Leptin介導(dǎo)的SOCS3信號通路研究進(jìn)展 ［J］.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，26（3）：405－411.

［8］Tartaglia L A.The leptin receptor［J］.The Journal of Biological Chemistry，1997，272 （10）：6093－6096.

［9］王春艷，杜瑞平，張興夫.瘦素及其生理功能概述 ［J］.動物營養(yǎng)學(xué)報，2012，24（3）：423－427.

［10］許梿萍.瘦素與阿勒泰羔羊體脂代謝和性成熟相關(guān)性研究［D］.新疆烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2008：4－5.

［11］Vanrossum T，Hoebee B，Vanbaak M，et al.Genetic variation in the leptin receptor gene leptin and weight gain in young dutch adults［J］.Obesity Research，2003，11（3）：377－386.

［12］張?zhí)K江，單安山.營養(yǎng)狀況與瘦素水平研究進(jìn)展［J］.中國公共衛(wèi)生，2008，24（2）：236－238.

［13］朱松波，韓立強.瘦素與動物生殖功能的研究進(jìn)展［J］.畜禽業(yè)，2007，213（1）：17－21.

［14］石國慶，程瑞禾，嚴(yán)玉琴，等.瘦素在綿羊妊娠早期的激素水平研究［J］.草食家畜，2004，（1）：24－26.

［15］何玉潔，陳云霞，成要平.瘦素與胎兒生長發(fā)育關(guān)系的探討［J］.山西醫(yī)藥雜志，2008，37（1）：23－25.

［16］Bado A，Levasseur S，Attoub S，et al.The stomach is a source of leptin［J］.Nature，1998，394（6695）：790－793.

［17］慕靜宇，黃玲玲.瘦素在消化道的表達(dá)及其生理意義 ［J］.福建信息技術(shù)教育，2012，（3）：38－40.

［18］Bouloumie A，Drexler H，Lafontan M，et al.Leptin，the product of ob gene，promotes angiogenesis［J］.Circulation Research，1998，83（10）：1059－1066.

［19］于太永.脂肪細(xì)胞因子leptin和TNF－α對豬骨骼肌成肌機制［D］.陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2007：48－51.

［20］呂力為.瘦素免疫調(diào)節(jié)功能研究進(jìn)展 ［J］.現(xiàn)代免疫學(xué)，2013，33（1）：1－5.

［21］Wauman J，Tavernier J.Leptin receptor signaling：pathways to leptin resistance［J］.Front Biosci，2011，16：2771－2793.

Research Progress of Leptin Gene

YANG Dong－ying（Shandong Key Laboratory in Universities of Biotechnology and Utilization of Biological Resources；Shandong Key laboratory of Functional Macromolecules and Biophisics，College of Life Science，Dezhou University，Dezhou，Shandong，253023）

Leptin encoding by the obesity gene，is an adipocyte－secreted cytokine.Its main function is to regulate the balance of energy through the signal transduction pathway，and it has a strong relationship with the function of reproduction，organism immune and so on.It also participates the occurrence and development of obesity，cardiovascular disease，diabetes，insulin resistance and other diseases.This paper makes a comprehensive overview on the latest research progress of Leptin.

Leptin；function；diseases

S823

A

1001－9111（2013）06－0045－04

2013－07－20

2013－09－14

國家自然科學(xué)基金項目（30901023）

楊東英（1974－），女，山東德州市人，副教授，研究方向為生物化學(xué)與分子生物學(xué)。