李雪華，崔金忠，章金剛，2*，劉興友*

(1.新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)院/動(dòng)物疫病分子診斷河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南新鄉(xiāng) 453003；2.軍事醫(yī)學(xué)研究院衛(wèi)生勤務(wù)與血液研究所，北京 100850)

由肥胖(Obesity，ob)基因表達(dá)的瘦素(leptin，Lep)通過激活瘦素受體(leptin receptor,LepR)傳遞抑制攝食、調(diào)節(jié)脂肪沉積與能量代謝信號，這是大量的試驗(yàn)研究已經(jīng)確定的既定作用[1]。功能和解剖學(xué)研究證明Lep/LepR是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)調(diào)節(jié)機(jī)體能量攝入和利用的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[1-2]。由于Lep的循環(huán)水平與體脂含量和脂肪細(xì)胞大小呈正相關(guān)，大多數(shù)肥胖患者體內(nèi)Lep水平升高[3]；然而，升高的Lep水平并不能使肥胖患者的體重正常化，這與能量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)受損有關(guān)，且肥胖患者普遍存在著Lep抵抗現(xiàn)象[4]。根據(jù)《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告(2020年)》顯示，能量攝入和利用的不平衡是導(dǎo)致個(gè)體超重肥胖的直接原因，由其引發(fā)的心腦血管疾病、癌癥、慢性呼吸系統(tǒng)疾病和糖尿病等四類重大慢性病已成為全球性的公共衛(wèi)生問題[5]。隨著居民超重肥胖問題不斷凸顯，基于Lep/LepR在調(diào)控機(jī)體脂肪儲(chǔ)存中發(fā)揮的作用，本文綜合論述了Lep/LepR的分子作用特性、對能量代謝的調(diào)控、調(diào)控通路及其與肥胖相互關(guān)系的研究進(jìn)展，以期為治療肥胖和由肥胖引發(fā)的慢性疾病提供新的研究靶點(diǎn)和思路。

1 Lep/LepR的分子生物學(xué)特性

Lep是由ob基因表達(dá)的一種以α-螺旋為主的不穩(wěn)定親脂性蛋白，分子質(zhì)量為16 ku，由167個(gè)氨基酸組成，N端有1個(gè)由21個(gè)氨基酸殘基組成的信號肽序列，C端的Cys96和Cys146形成1個(gè)分子內(nèi)二硫鍵的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；二級結(jié)構(gòu)預(yù)測發(fā)現(xiàn)5個(gè)α-螺旋和1個(gè)β-折疊；分泌入血后，N端信號肽被移除，形成具有生物活性的Lep[6]。Lep主要由白色脂肪組織分泌，中樞神經(jīng)系統(tǒng)、下丘腦、垂體、骨骼肌、胃黏膜、胎盤、卵巢、睪丸和精子等周圍組織中也廣泛合成[7]，通過激活LepR(或OB-R)產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。LepR是由糖尿病(diabetes，db)基因編碼的Ⅰ型細(xì)胞因子受體家族，由1 165個(gè)氨基酸組成；目前為止，已經(jīng)鑒定出6種LepR亞型，根據(jù)長度可分為長型(LepR-b)、短型(LepR-a,c,d,f)和分泌型(LepR-e)[8]。不同的LepR亞型激活表達(dá)Lep不同的生物學(xué)活性，缺乏跨膜和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的分泌型是循環(huán)中主要的Lep結(jié)合蛋白，調(diào)節(jié)Lep的生物利用度[7,9]；短型通常有1個(gè)30個(gè)～40個(gè)氨基酸殘基組成的短胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，主要分布于腦、肺、腦脈絡(luò)叢和腦微血管叢，LepR-a和LepR-c負(fù)責(zé)Lep的易位，有助于Lep穿透細(xì)胞屏障，如血腦屏障和胎盤；長型胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域由302個(gè)氨基酸殘基組成，包括激活下游信號級聯(lián)所需的特定基序；在下丘腦高度表達(dá)的長型已被確定為主要信號功能受體[8]。

2 Lep/LepR對能量代謝的調(diào)控

隨著能量代謝障礙性疾病的大量研究發(fā)現(xiàn)，尋找代謝調(diào)控方面的作用靶點(diǎn)顯得極為重要，研究表明，下丘腦是CNS中Lep的一個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)[2]。脂肪組織分泌Lep后，通過血液循環(huán)的特殊途徑穿過血腦屏障到達(dá)下丘腦，與LepR結(jié)合后激活下丘腦弓形核(arcuate nucleus,ARC)神經(jīng)元調(diào)控下游基因阿片-促黑素細(xì)胞皮質(zhì)素原(proopiomelanocortin，POMC)和神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)、刺鼠相關(guān)蛋白(Agouti-related protein，AgRP)、γ-氨基丁酸(gamma-amino butyric acid,GABA)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[2,10]。多數(shù)ARC LepR神經(jīng)元表達(dá)POMC產(chǎn)生CNS黑素皮質(zhì)素受體(melanocortin receptors,MCRs)的配體，抑制食欲、減少攝食和促進(jìn)能量消耗；其他ARC LepR神經(jīng)元表達(dá)的NAG(NPY,AgRP和GABA)促進(jìn)食欲，AgRP是CNS MCRs的內(nèi)源性拮抗劑[10]。綜合表明，Lep在調(diào)節(jié)POMC和NAG神經(jīng)元的功能、增加POMC神經(jīng)元的活性和表達(dá)方面起著關(guān)鍵作用，可抑制NAG并降低其分泌促食欲肽的表達(dá)[11-12]。再者，當(dāng)機(jī)體外周脂肪增多時(shí)，血中Lep水平升高，Lep通過抑制乙酰CoA羧化酶來抑制脂肪的合成；同時(shí)，Lep還能增強(qiáng)下丘腦發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)興奮交感神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)，提高代謝率，使脂肪儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)變成熱能釋出，進(jìn)而起到脂肪動(dòng)員的作用[12]。Lep是一種多效性分子，除了在食欲調(diào)節(jié)和能量平衡中的關(guān)鍵作用外，還參與生殖、內(nèi)分泌、造血、胚胎發(fā)育及免疫功能等的調(diào)控。

3 Lep/LepR調(diào)控能量代謝的分子信號通路

Lep與LepR-b結(jié)合后招募并磷酸化激活一種相關(guān)酪氨酸激酶(tyrosine kinase)—Janus激酶2(Janus kinase 2，JAK2)，JAK2磷酸化OB-Rb胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域上的3個(gè)保守酪氨酸殘基(Tyr985、Tyr1077和Tyr1138)，當(dāng)酪氨酸殘基被磷酸化時(shí)，每個(gè)酪氨酸殘基招募不同的下游信號蛋白。

Tyr985招募結(jié)合蛋白酪氨酸磷酸酶非受體11型(protein tyrosine phosphatase nonreceptor type 11,PTPN11,又稱SHP2)；PTPN11被磷酸化后結(jié)合生長因子受體結(jié)合蛋白2(growth factor receptor-bound protein 2,GRB2)并激活下游效應(yīng)分子，活化的絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)入核，啟動(dòng)相應(yīng)轉(zhuǎn)錄子的轉(zhuǎn)錄[13]。PTPN11的神經(jīng)元特異性缺失導(dǎo)致小鼠肥胖和瘦素抵抗，阻斷下丘腦MAPK的表達(dá)可抑制Lep在大鼠中的抑食和減輕體重作用，抑制MAPK還能阻止Lep誘導(dǎo)的棕色脂肪組織的交感神經(jīng)激活，表明下丘腦PTPN11-MAPK分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在Lep調(diào)控的能量平衡中起著重要的作用[13-14]。

磷酸化的Tyr1077招募信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子5(signal transducer and activator of transcription 5,STAT5)，可能參與Lep調(diào)控基因表達(dá)的某些方面。而Tyr1138招募STAT3，STAT3酪氨酸磷酸化(the tyrosine phosphorylation of STAT3,pSTAT3)形成二聚體并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，結(jié)合于抑制食欲的POMC與促進(jìn)食欲的AgRP啟動(dòng)子[13-14]。神經(jīng)元特異性敲除STAT3會(huì)導(dǎo)致小鼠過度進(jìn)食和肥胖，表明下丘腦STAT3信號對于能量平衡的穩(wěn)態(tài)控制是至關(guān)重要的，JAK2-STAT3分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被認(rèn)定是Lep調(diào)節(jié)能量平衡的主要信號通路[11]。考慮到STAT3信號對Lep作用的重要性，由于體內(nèi)可檢測Lep刺激的pSTAT3，大多數(shù)研究將pSTAT3檢測等同于LepR細(xì)胞內(nèi)信號的檢測[12]。

磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol-3 kinase,PI3K)信號的激活也與Lep調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)有關(guān)，但其潛在的分子機(jī)制尚不完全清楚[12,15]。LepR可能招募推定的Src同源結(jié)構(gòu)域2(Src homology domain 2,SH2)-包含蛋白1B(SH2-domain-containing protein 1B,SH2B1)，LepR神經(jīng)元中的SH2B1是交感神經(jīng)系統(tǒng)(sympathetic nervous system,SNS)/棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)/生熱軸的重要組成部分，下丘腦特異性SH2B1消融可導(dǎo)致肥胖、胰島素抵抗和肝臟脂肪變性；反之，下丘腦SH2B1的過度表達(dá)可預(yù)防高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖和代謝綜合征[16]。研究表明位于下丘腦的PI3K上游胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)的缺失可導(dǎo)致小鼠產(chǎn)生瘦素抵抗和肥胖表型，此過程涉及到PI3K驅(qū)動(dòng)的ATP敏感鉀離子通道的激活[16]?；罨腜I3K激活下游效應(yīng)分子蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)通過抑制Lep信號轉(zhuǎn)導(dǎo)負(fù)向調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄因子叉頭蛋白O1(Forkhead box protein O1,FoxO1)活性，使磷酸化的FoxO1轉(zhuǎn)移出細(xì)胞核，促進(jìn)STAT3與轉(zhuǎn)錄因子SP1-POMC啟動(dòng)子復(fù)合物相互作用[17]。下丘腦中的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號也參與了能量穩(wěn)態(tài)的控制，抑制mTOR會(huì)減弱Lep的抑食作用[18]；mTOR刺激p70 S6激酶(S6 kinase,S6K)的磷酸化，S6K1的全身性缺失或S6K的選擇性抑制則會(huì)消除Lep的抑食作用[18-19]。

綜上所述，Lep/LepR有多種調(diào)控能量代謝的分子信號通路，JAK2-STAT3是Lep/LepR發(fā)揮調(diào)節(jié)能量平衡的主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，MAPK通路則主要參與Lep/LepR的外周功能，但各種轉(zhuǎn)導(dǎo)通路潛在的分子機(jī)制還有待深入研究。

4 Lep/LepR與肥胖

肥胖是由多種炎性因子誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種全身性慢性低度炎癥狀態(tài)[20]。而大多數(shù)肥胖患者是由高熱量飲食(high-calorie diet,HCD)引起的，且體內(nèi)循環(huán)Lep濃度升高，本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食小鼠體脂率和下丘腦組織中的Lep含量均顯著升高。但有研究表明外源性Lep不能減緩肥胖患者和飲食誘導(dǎo)肥胖(diet-induced obesity,DIO)動(dòng)物的食物攝入及體重，推測可能是由于瘦素抵抗引起的食欲調(diào)節(jié)通路功能障礙和能量平衡紊亂所致[4,21]。ARC是瘦素抵抗影響的最主要部位，機(jī)制復(fù)雜。由于鮮有證據(jù)表明LepR存在遺傳損傷和循環(huán)拮抗劑，因此Lep信號傳導(dǎo)的失敗可能是LepR細(xì)胞內(nèi)信號介質(zhì)的解耦聯(lián)或其他損害Lep控制的神經(jīng)回路功能的機(jī)制[21-22]。

4.1 Lep轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷對肥胖的影響

Lep轉(zhuǎn)運(yùn)通路的缺陷可能是導(dǎo)致肥胖的因素之一。血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)是外周Lep單向進(jìn)入CNS的主要通路[23]。研究表明肥胖患者及大多數(shù)肥胖動(dòng)物模型血漿和腦脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中Lep濃度與體重指數(shù)(BMI)均呈顯著正相關(guān)，但血漿與CSF中的Lep水平呈非線性關(guān)系[3]。然而，消瘦者攝取的效率(以CSF∶血漿Lep比率來衡量)是肥胖者的5.4倍，可能是一種可飽和的機(jī)制介導(dǎo)了CSF Lep的轉(zhuǎn)運(yùn)[3,21]。利用Lep-LepR拮抗劑作用DIO小鼠會(huì)增加其食物攝入量和體重，表明Lep在肥胖中可繼續(xù)抑制食物攝入量和體重[24]。DIO動(dòng)物和大多數(shù)肥胖模型ARC中pSTAT3檢測升高，表明LepR-STAT3信號在內(nèi)源性Lep升高時(shí)增強(qiáng)[25]。因此，肥胖患者體內(nèi)Lep-LepR信號不是減少而是增加，這可能是因?yàn)槟XLep釋放效率的降低導(dǎo)致Lep抵抗[26]。這與肥胖者脂肪組織功能障礙會(huì)導(dǎo)致高血脂而甘油三酯卻可抑制Lep穿過血腦屏障的觀點(diǎn)一致。

4.2 Lep/LepR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常對肥胖的影響

肥胖患者體內(nèi)脂肪量的增加促使循環(huán)Lep濃度升高，LepR信號通路的增強(qiáng)促進(jìn)LepR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)負(fù)調(diào)控因子表達(dá)的增加，這些機(jī)制減弱了對Lep濃度增加的反應(yīng)幅度[12]。

細(xì)胞因子信號抑制因子3(suppressor of cytokine signalling 3,SOCS3)表達(dá)量的升高導(dǎo)致JAK2-STAT3信號通路受阻可能是最早被提出的瘦素抵抗機(jī)制；其主要機(jī)制是SOCS3與LepR上磷酸化的Tyr985結(jié)合，抑制JAK2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和STAT3磷酸化[13,26]。SOCS3敲除的小鼠對HCD引起的肥胖和瘦素抵抗不敏感，而POMC神經(jīng)元特異性的過表達(dá)SOCS3不僅限制外源性Lep激活LepRb，而且阻礙STAT3信號通路導(dǎo)致肥胖與瘦素抵抗[27]。盡管SOCS3限制了Lep作用的最大幅度，并且干擾SOCS3功能會(huì)降低體重，但SOCS3表達(dá)增加不能解釋DIO[21]。DIO小鼠下丘腦中FoxO1的表達(dá)水平也會(huì)提高，細(xì)胞核內(nèi)過多的FoxO1與pSTAT3以蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的方式結(jié)合，抑制了pSTAT3與SP1-POMC啟動(dòng)子復(fù)合物結(jié)合，導(dǎo)致瘦素抵抗的發(fā)生[18,27]。

此外，肥胖和Lep水平的升高增加了蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,PTPases)的表達(dá)。PTPases通過去磷酸化LepR、JAK2和STAT3限制LepR信號傳導(dǎo)，如蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase 1B,PTP1B,又稱PTPN1)使JAK2去磷酸化和失活抑制LepR信號，而T細(xì)胞蛋白酪氨酸磷酸酶(T cell protein tyrosine phosphatase,TCPTP,又稱PTPN2)直接使STAT3去磷酸化，導(dǎo)致LepR信號的衰減[28]。在Lep作用的分子網(wǎng)絡(luò)中，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)調(diào)控因子提供了關(guān)鍵的負(fù)反饋機(jī)制，防止過度激活LepR信號通路，對調(diào)控能量平衡至關(guān)重要；但是，負(fù)調(diào)控因子的過度表達(dá)可導(dǎo)致Lep抵抗和肥胖。

4.3 下丘腦其他神經(jīng)回路功能異常導(dǎo)致的Lep抵抗對肥胖的影響

在研究肥胖患者體內(nèi)Lep抵抗機(jī)制過程中，除直接抑制LepR信號的系統(tǒng)外，還提出了多種下丘腦對高熱量飲食(high-calorie diet，HCD)或飲食誘導(dǎo)肥胖(diet-induced obesity，DIO)的反應(yīng)限制Lep-LepR的作用，主要包括下丘腦炎癥(促炎細(xì)胞信號通路的激活和細(xì)胞因子的產(chǎn)生)、ARC LepR神經(jīng)元周圍膠質(zhì)細(xì)胞的炎性改變以及LepR神經(jīng)元內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的改變等[12,29]。

5 結(jié)論與展望

自1949年發(fā)現(xiàn)ob基因突變導(dǎo)致嚴(yán)重肥胖和Ⅱ型糖尿病的C57BL/6J小鼠開始，到1994年Zhang的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用位置克隆技術(shù)分離到小鼠ob(也稱為Lep)基因，從此開啟了Lep/LepR對能量代謝的研究熱潮。雖然在肥胖及其引發(fā)的慢性代謝性疾病的致病機(jī)制和治療方面進(jìn)行了大量的研究，但仍有許多問題有待解決。①Lep/LepR調(diào)控能量代謝的分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路潛在的分子機(jī)制還不完全清楚，仍存在著諸多推測，信號通路如何協(xié)作調(diào)節(jié)能量代謝也需要更加細(xì)致的研究和探討。②與最初用Lep治療肥胖的預(yù)期相反，在DIO中，面對內(nèi)源性Lep升高和LepR信號的增加，并不能使肥胖者的體重正?；Ｆ湓蚩赡苁菬o法充分增加LepR信號以促進(jìn)長期分解代謝信號[24]，也可能是最大的LepR信號無法向特異神經(jīng)元傳遞足夠強(qiáng)烈的信號[10]，但這些Lep抵抗的潛在機(jī)制是否有疊加效應(yīng)還有待深入研究。③Lep是一種多效性激素，其中樞作用的多樣性超出了下丘腦的作用，限制LepR信號的振幅和Lep潛在的厭食能力可能有利于生存[30]；Lep/LepR能夠促進(jìn)卵泡發(fā)育和胚泡的附植，被認(rèn)為在最直接啟動(dòng)青春期的下丘腦-垂體-性腺(hypothalamo pituitary gonadal，HPG)系統(tǒng)中是非常重要的代謝調(diào)控因子[31]。④肥胖癥的發(fā)生機(jī)制和原因復(fù)雜多樣，當(dāng)前主要的觀點(diǎn)認(rèn)為肥胖是受遺傳和環(huán)境兩大因素的影響；由于肥胖受多基因遺傳因素影響，其分子遺傳機(jī)制研究尚處于摸索階段；相比遺傳因素，環(huán)境因素具有一定的可控性，所以環(huán)境因素成為人們研究的熱點(diǎn)。⑤此前Lep/LepR的研究多集中對人類健康的影響，而針對畜牧業(yè)的研究較少；鑒于Lep/LepR在組織的脂肪沉積中有重要影響，所以對于動(dòng)物的改良育種中可能成為潛在的重要候選基因。