王曜暉，趙智權(quán)，杜運松，李麗娟

(遵義醫(yī)學院，貴州遵義563003)

生物節(jié)律是生物體內(nèi)所有生化過程的周期性變化。24 h的生物節(jié)律叫做晝夜節(jié)律。睡眠-覺醒周期、進食方式和能量代謝等行為和生理過程都呈現(xiàn)24 h節(jié)律。機體內(nèi)源性產(chǎn)生晝夜節(jié)律，即使在沒有周期性環(huán)境刺激的情況下也能保持一定的自主節(jié)律。同時，晝夜節(jié)律也受一些外在環(huán)境因素影響。光照是最主要的影響晝夜節(jié)律的因素。日照產(chǎn)生的光信號被視網(wǎng)膜中的神經(jīng)節(jié)細胞接收后，轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)視神經(jīng)束傳至下丘腦視交叉上核(SCN)，從而啟動活動周期[1]。除此之外，進食節(jié)律也可以干擾晝夜節(jié)律。SCN是生物體內(nèi)主要的生物鐘，通過物理或遺傳方式去除其功能后導致自主活動和進食節(jié)律紊亂[2]。SCN神經(jīng)元產(chǎn)生自主的晝夜節(jié)律振蕩[3]。通過密切追蹤運動員的晝夜節(jié)律活性發(fā)現(xiàn)，SCN神經(jīng)元活動頻率在白天最高，在晚上最低[4]。SCN的生物鐘決定大腦其他部分以及外周組織的生物節(jié)律。外周的生物節(jié)律可通過神經(jīng)和內(nèi)分泌途徑產(chǎn)生，也可通過SCN影響睡眠和進食周期間接形成。SCN向下丘腦室下核和背內(nèi)側(cè)核等其他下丘腦核發(fā)出最密集的神經(jīng)元投射[5]。下丘腦背內(nèi)側(cè)核發(fā)出神經(jīng)元投射到促進睡眠的腹外側(cè)視前核和促進覺醒的下丘腦外側(cè)區(qū)[6]。因此，從結(jié)構(gòu)上來看，睡眠、進食和能量代謝的晝夜節(jié)律等在下丘腦的水平發(fā)生整合，而脂肪作為生命活動的能源物質(zhì)，其代謝極有可能與晝夜節(jié)律關(guān)系密切，本文旨在論述晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝的關(guān)系。

1　生物鐘基因的反饋環(huán)路

生物鐘基因蛋白包括生物鐘循環(huán)輸出蛋白(CLOCK)、大腦和肌肉芳香烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白1(BMAL1)、隱花色素(CRY)家族、周期素蛋白(PER)、神經(jīng)細胞PAS結(jié)構(gòu)域蛋白(NPAS2)、反紅細胞增多病毒(REV-ERB)等。近年研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的心肌細胞、腎臟細胞等在完全脫離了神經(jīng)體液的調(diào)節(jié)后，仍表現(xiàn)出晝夜節(jié)律，并且在心肌、腎臟、肝臟、脂肪等組織中發(fā)現(xiàn)了PER1、PER2、CRY1、CRY2、CLOCK、BMAL1、維生素D結(jié)合蛋白(DBP)等生物鐘基因的表達。生物鐘基因運行機制如下：生物鐘由相互作用的轉(zhuǎn)錄/翻譯反饋回路通過各種生物鐘基因和產(chǎn)物蛋白的表達實現(xiàn)調(diào)控。生物鐘基因啟動后，經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯生成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，當此蛋白質(zhì)達到一定濃度，通過負反饋作用于自身基因的啟動部位，抑制該基因的表達，使其濃度高低以24 h為周期進行振蕩。在反饋回路中，由正性成分和負性成分相互作用，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。正性成分主要包括CLOCK和BMAL1等蛋白因子[7]，當生物鐘基因啟動，可使上述成份表達；負性成分主要包括PER(PER1、2、3)和CRY(CRY1、2)蛋白因子[8]，當正性成分表達后與E-box結(jié)合后啟動轉(zhuǎn)錄，使PER和CRY等成分表達，不僅可阻斷正性成分的作用，使之表達減弱或停止，而且還可以調(diào)節(jié)多個代謝通路。由于基因轉(zhuǎn)錄和蛋白轉(zhuǎn)運入核需要一定時間，生物節(jié)律分子振蕩的周期正好維持在24 h左右。

2　晝夜節(jié)律紊亂對脂質(zhì)代謝的影響

晝夜生物鐘通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵步驟發(fā)揮其作用。脂質(zhì)代謝中有很多關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，包括REV-ERB、ROR蛋白、PPARα、PPARγ和PPARδ等。這些轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子存在于肝臟、脂肪組織中，受到生物鐘的控制，并呈現(xiàn)晝夜節(jié)律表達。

2.1　晝夜節(jié)律紊亂導致脂質(zhì)代謝障礙

當進食節(jié)律與機體晝夜節(jié)律不一致時，脂質(zhì)代謝會出現(xiàn)異常。例如在白天給予小鼠高脂肪飲食比夜間更容易發(fā)生肥胖[9]。只有在夜間才能進食的小鼠與持續(xù)獲得食物的小鼠相比較，前者的生物鐘基因表達呈現(xiàn)較高幅度變化的晝夜節(jié)律，血清膽固醇降低和膽汁酸升高，脂肪酸相關(guān)的代謝物下降[10]；而且，前者不容易出現(xiàn)肥胖、高胰島素血癥和肝脂肪變性等病變。長期從事晝夜倒班工作的人罹患代謝綜合征的風險增加[11]，慢性心功能不全、中風和中風相關(guān)疾病的病死率升高[12，13]。對人類受試者的研究顯示，夜晚進食導致餐后血糖升高、高胰島素血癥和高甘油三脂血癥[14，15]。睡眠障礙可能加劇代謝失調(diào)，并且降低晝夜節(jié)律鐘幅度[16]。據(jù)報道[17～19]，肥胖本身與肝臟、脂肪組織生物鐘晝夜節(jié)律的幅度減小有關(guān)。

2.2　晝夜節(jié)律紊亂導致脂質(zhì)代謝障礙的機制

無論是整體水平還是在特定的代謝組織中，生物鐘破壞都可導致能量平衡異常和脂質(zhì)異常。研究[20]發(fā)現(xiàn),CLOCKΔ19突變小鼠會出現(xiàn)貪吃和肥胖，隨著小鼠周齡的增加，還會進一步發(fā)展成高脂血癥和肝脂肪變性。整體喪失BMAL1功能的動物，也會出現(xiàn)同樣的脂質(zhì)代謝障礙[21]。正常飲食狀態(tài)下肝臟特異性敲除BMAL1的小鼠胰島素分泌正常，但禁食時其葡萄糖清除率高于正常水平并且會出現(xiàn)低血糖[22]。與整體敲除BMAL1的小鼠類似，胰腺特異性敲除BMAL1小鼠并未出現(xiàn)晝夜節(jié)律和體質(zhì)量異常，但其胰島素分泌和葡萄糖耐量都會降低，易發(fā)生糖尿病和脂質(zhì)代謝障礙[23，24]。在胰島素刺激的作用下，骨骼肌特異性敲除BMAL1小鼠肌肉攝取葡萄糖功能受損，但空腹血糖和葡萄糖耐量正常[25]。脂肪特異性敲除BMAL1小鼠出現(xiàn)體質(zhì)量增加和脂肪組織質(zhì)量增加等不良癥狀，這主要與小鼠白天進食量增加有關(guān)。BMAL1在前脂肪細胞分化的過程中表達增高，且整體喪失BMAL1功能小鼠胚胎成纖維細胞無法分化成脂肪細胞，這些表明BMAL1在脂肪形成的過程中起到非常重要的作用。

SCN神經(jīng)元NPAS2的功能喪失不會影響小鼠自由進食時的進食模式或者體質(zhì)量[26]；NPAS2-/-小鼠僅對白天喂養(yǎng)適應(yīng)較慢，這可能與NPAS2能夠檢測細胞代謝狀態(tài)有關(guān)[27]。REV-ERBα和REV-ERBβ功能喪失的動物表現(xiàn)出顯著的脂質(zhì)代謝缺陷，包括肝臟甘油三酯明顯增加，肝臟嚴重脂肪變性和高血糖。相比之下，RORα編碼區(qū)內(nèi)源性缺失小鼠出現(xiàn)體質(zhì)量減輕，不易出現(xiàn)飲食誘導的肥胖[28，29]。

3　高脂飲食對晝夜節(jié)律的影響

通常情況下，睡眠-覺醒和食物攝入的晝夜節(jié)律是同步的。即使SCN的時鐘功能失調(diào)，進食周期也可以調(diào)控外周組織生物鐘[30]。新近文獻[31]證實，外周組織的生物鐘對營養(yǎng)感覺通路敏感，提示進食內(nèi)容和時間可以影響外周生物鐘的晝夜節(jié)律。

3.1　高脂飲食對自主活動的影響

通常情況下，大鼠和小鼠主要的活動周期出現(xiàn)在夜間。當大鼠和小鼠進食高脂飲食后，其正常的自主運動節(jié)律發(fā)生改變，表現(xiàn)出夜間活動能力降低[32，33]。此外，小鼠攝入高脂飲食導致小鼠日間活動減少，且表現(xiàn)出無規(guī)律活動[34]。與正常進食小鼠相比，在完全黑暗環(huán)境下生存的小鼠進食高熱量飲食的第1周就會表現(xiàn)出活動時間增加[35]。此外大鼠和小鼠的自主運動也發(fā)生了改變，覺醒周期也受到干擾。腦電圖顯示，高脂喂養(yǎng)動物表現(xiàn)出覺醒時間減少，同時快速動眼活動(REM)增加，非REM睡眠出現(xiàn)[36]。這些結(jié)果表明，高脂飲食可以改變自主活動的方式。

3.2　高脂飲食對生物鐘相關(guān)基因的影響

當機體攝入高熱量飲食時，脂肪儲備會迅速增加。高熱量飲食很大程度上改變了生物鐘基因在周邊器官如肝臟和脂肪組織的表達，這種變化取決于食物中能量、動物的年齡和物種[37]。對高熱量喂養(yǎng)的小鼠用qPCR方法檢測下丘腦中的BMAL1、Per2和Clock基因表達，并沒有發(fā)現(xiàn)任何差異[38，39]。此外，離體狀態(tài)下用生物熒光檢測的高熱量喂養(yǎng)和正常喂養(yǎng)的小鼠中PER2的表達，發(fā)現(xiàn)兩組間并沒有統(tǒng)計學差異。另一項研究表明，在完全黑暗的條件下飲食誘導的肥胖小鼠(DIO)的SCN中，BMAL1表達的振幅降低[37]。在DIO小鼠中，通過生物發(fā)光檢測技術(shù)證明肝臟中PER2的相位提前，肝臟和白色脂肪組織中Per2、BMAL1、CLOCK mRNA的節(jié)奏性減弱[38]?？偟膩碚f，高脂飲食很大程度上影響了外周器官的生物鐘，但是對下丘腦生物鐘相關(guān)基因的表達幾乎沒有任何影響。

脂質(zhì)是細胞膜和脂蛋白的組成成分，并且是重要的儲能運輸。脂質(zhì)作為細胞內(nèi)、外信號分子對細胞生理方面有著廣泛的影響。大量研究結(jié)果表明，晝夜節(jié)律障礙可導致脂質(zhì)代謝紊亂、肥胖和代謝疾病。由此可見晝夜節(jié)律系統(tǒng)對脂質(zhì)代謝至關(guān)重要。最近使用代謝組學和脂質(zhì)組學平臺的研究已經(jīng)顯示，在人類血漿中，數(shù)百種脂質(zhì)物質(zhì)是晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的，包括但不限于脂肪酸、甘油三酯、甘油磷脂、甾醇脂質(zhì)和鞘脂。在未來的工作中，這些分析方法可用于更好地了解晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝和肥胖等代謝疾病的相互作用。

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