当前位置: 首页 > 期刊 > 《中华内科杂志》 > 1999年第1期
编号:10273985
从瘦素到增食欲素——肥胖研究的新热点
http://www.100md.com 《中华内科杂志》 1999年第1期
     作者:陈名道

    单位:200025 上海第二医科大学附属瑞金医院、上海市内分泌研究所

    关键词:

    中华内科杂志990125 肥胖是机体脂肪细胞数量增加或体积肥大致体重超过标准体重20%以上的病理状态。在美国,1/3的成人已进入肥胖行列,每年用于治疗与肥胖相关疾病的费用达1 000亿美元以上。在发展中国家,随着经济的腾飞,肥胖的发病率迅速增加。然而对肥胖机制的研究长期徘徊,药物治疗进展甚微,直至1994年底发现ob蛋白(leptin)后,至今有关的研究论文已达1 200篇以上;进而于1998年发现增食欲素(orexin),其作用与leptin截然相反,这样对肥胖有关的激素和神经肽的研究,也即对肥胖的机制有了一些新的认识。

    一、瘦素(leptin)

    1.leptin的发展及其背景:1953年Kennedy就提出脂肪稳定(lipostasis)学说,认为在下丘脑与机体脂肪组织之间存在一种尚未被识别的信号反馈机制,这种机制使人和动物机体的重量保持相对平衡,即在一定范围内波动,如无病理状况不会过于肥胖,也不至于过于消瘦。美国Jackson实验室的Coleman为验证此学说,做了一系列为以后发现leptin作为先导的著名的联体共生(parabiosis)实验。他研究的是两种在遗传上有缺陷的小鼠,一种为ob/ob小鼠,在第6对染色体上有基因突变,另一种是db/db小鼠,在第4对染色体上有基因突变,两种小鼠表型十分相似,均多吃少动,代谢率低,先肥胖,后发展至糖尿病。他将两种不同遗传型的病态小鼠,或病态小鼠与正常小鼠间人工造成三种双联鼠实验模型,每对鼠单独饲养,以观察其变化,结果发现了令人震惊的现象:(1)db/db小鼠与正常小鼠相连,db/db小鼠依然肥胖,而正常小鼠却饥饿致死;(2)ob/ob小鼠与db/db小鼠相连,ob/ob小鼠进食减少,饥饿致死,而db/db小鼠依然肥胖;(3)ob/ob小鼠与正常小鼠相连,ob/ob小鼠进食减少,体重减轻,而正常小鼠并无变化。Coleman[1]这样预言:正常小鼠产生一种物质,这种物质正是ob/ob小鼠所缺少的,故可以使ob/ob小鼠减肥;而db/db小鼠也产生一种物质,对其本身并无作用,但可使正常小鼠和ob/ob小鼠消瘦,使其饥饿致死。
, 百拇医药
    生理学家的经典实验与预言给分子生物学家一个非常具体的挑战:首先要鉴别出这个与肥胖相关基因的DNA顺序,并进而推断其相应的蛋白质,然后再研究蛋白质的生理功能。美国Rockefeller大学的Friedman领导的实验室接受了这个挑战,1991年提出了5种可以使小鼠肥胖的单基因突变,分别是:ob(obese),db(diabetes),fa(fat),tub(tubby)和Ay(obese yellow)[2],奠定了肥胖病因的分子生物学基础。再经过持续努力,终于Zhang等[3]于1994年12月在“Nature”杂志上首次发表了克隆ob基因并由基因预见ob蛋白结构的论文。ob蛋白被称为leptin,该词来自希腊文“leptos”,意为“消瘦”,中文的译名有“消脂素”、“瘦素”、“减脂素”、“肥胖蛋白”、“瘦因子”等。ob/ob小鼠是因为ob基因发生突变,从而产生一种短而无效的leptin,或根本没有leptin mRNA的表达;而db/db小鼠的基因缺陷则是db基因的突变。现已知道db基因即为leptin受体基因。这样,Coleman的联体实验的结果得到了满意的解释:(1)db/db小鼠分泌大量的leptin,抑制了与它相联体的正常小鼠或ob/ob小鼠的食欲,持续的负能量平衡使后者饥饿致死,而其自身由于有受体缺陷,对自身超量的leptin并没有反应;(2)正常小鼠分泌一定的leptin可使与它联体而又缺少leptin的ob/ob小鼠体重减轻;(3)ob/ob小鼠没有leptin的分泌,对正常小鼠无作用。
, 百拇医药
    2.结构和功能:人类ob基因与小鼠的相似,是一条含167个氨基酸密码的DNA序列,有两条外显子,被一内含子所分隔。这种外显子和内含子的结构在动物进化过程中是高度保守的,人和小鼠的leptin的结构有84%的一致性,两者对小鼠的生理作用也十分相似。应用DNA重组技术,很快由大肠杆菌合成出人和小鼠的leptin。1995年7月,在同期“Science”杂志上有3篇引起新闻媒介轰动的关于leptin直接生理作用的论文[4-6],在动物身上总的作用有两个方面:一方面使动物进食减少,另一方面能量消耗增加,较多的脂肪被燃烧,体重下降。

    人类幼年发病的肥胖者已发现有基因的突变[7],两个有血缘关系的儿童的ob基因序列的第133个密码子缺失一个G,导致外周血中leptin浓度极低。但大多数肥胖患者并非由于基因缺陷,相反,他们的leptin的浓度是升高的。

    3.受体:下丘脑腹内侧部、侧部及弓状核是leptin的主要作用部位,存在有一种细胞内结构区较长的受体,为效应受体。另外,在脉络丛中,有一种细胞内结构区较短的受体,可能起到将leptin从外周转运至中枢的作用,称为受体中介的细胞转运(receptor-mediated transcytosis)。leptin能改变下丘脑弓状核的电阻,改变神经元突触后的电流强度,减少吗啡对促性腺激素释放激素(GnRH)脉冲发生器的抑制作用[8],提示其对下丘脑直接的电生理效应。
, http://www.100md.com
    已经发现胰岛β细胞上有leptin受体,有人提出脂肪-胰岛轴反馈假说:在正常状态下,脂肪的堆积引起leptin分泌的增加,抑制了胰岛素的分泌,以减少脂肪的同化作用,从而减少脂肪的储存。在病理状态下,由于某种原因,使leptin受体的敏感性下降,对胰岛素分泌抑制的减轻,使正常的脂肪-胰岛轴的反馈机制被破坏,高胰岛素血症会随之出现。

    4.人血液中的浓度:现已建立RIA和ELISA等测定人leptin的方法[9]。用RIA测定的136例正常人[体重指数(BMI)<23 kg/m2]平均血清leptin浓度为7.5 μg/L,而在139例肥胖病人(BMI>27 kg/m2)中则为31.3 μg/L,比正常人高数倍。年龄对其的影响并不显著,但在去除了体重的因素后,女性要高于男性0.3~2倍,其原因尚不清楚,似与雌性激素关系不大,因绝经期后妇女leptin的浓度仅稍有下降,但与雄性激素呈负相关[10]。在中国男性中发现雄激素减少是腹内脂肪积聚者的特殊改变[11],也支持这种观点。leptin的昼夜节律明显,以20∶00至次日3∶00为高峰,以后迅速下降,至中午最低,与进食后血糖及胰岛素的急性升高无直接联系。但其脉冲性释放的频率、幅度及昼夜节律与性别、肥胖程度、胰岛素浓度有一定关系[12],与皮质醇是否直接有联系尚无定论。饥饿与寒冷抑制leptin的分泌,可能是机体在恶劣环境下的一种保护性反应。
, http://www.100md.com
    在肥胖人中,血leptin浓度上升,敏感性下降,现认为这是由于肥胖病人脑脊液中leptin相对不足,称为leptin的中枢性抵抗。

    5.神经内分泌的调节机制:leptin对体脂的神经内分泌反馈调节机制可简单表达为:食物丰富肥胖leptin分泌增加下丘脑的饱食和(或)进食中枢进食抑制、活动增加体脂消耗leptin分泌减少。所以有人认为leptin是与胰岛素不同的节约基因型(thrifty genotype)的一种特殊的调节信
, 百拇医药
    号[13]

    6.对生殖系统的作用:哺乳类的生殖功能的维持需要有足够的营养及代谢燃料的储存,leptin就是带有这种信号的信使。过度少食(如神经性厌食)、消耗性疾病(如癌症)、消耗性运动(如长跑运动员及芭蕾舞演员)常有生殖功能的失调。消瘦的女孩月经初潮常来迟,提示人在消瘦时缺少这样一个信号。ob/ob小鼠虽然极度肥胖,但无leptin分泌,依然不育。用控制饮食的办法可使其体重降至正常,但仍不能使其生殖功能恢复,若用leptin治疗14天,雌性ob/ob小鼠生育功能奇迹般地恢复[14]。leptin还可使正常小鼠性成熟提前[15],并抵消正常小鼠和ob/ob小鼠因饥饿引起的生殖系统的变化。男孩在青春期前有leptin的高峰。妊娠妇女在去除体脂的因素以后,血leptin的浓度依然升高,分娩后自然恢复,这些都提示leptin在维持正常生殖功能上可能起一种特殊的作用。
, http://www.100md.com
    二、leptin作用的中介物

    1.神经肽Y(NPY):leptin在下丘脑内的作用可能有中介物,第一个想到的是NPY。NPY是一种神经调质(neuromodulator),在下丘脑的某些部位中十分丰富,是参与能量平衡与神经内分泌调控的重要介质。中枢性注射NPY可以引起几乎所有leptin缺乏的特征,包括多食、褐色脂肪组织产热量减少,及高胰岛素血症性的胰岛素抵抗,反复注射则引起肥胖。慢性应用NPY于正常动物的下丘脑,可仿制ob/ob小鼠的全套症状:多食、肥胖、体温下降、不育和生长激素分泌的抑制。说明NPY与leptin关系密切,后者可能通过前者的中介而作用于能量代谢。然而,令人意外的是,用基因剔除的方法造成完全缺乏NPY的小鼠,却仍然可以保持正常的体重、体脂百分比和正常的进食行为,对leptin的饱足反应正常,甚或超过正常。有人用leptin和NPY双重基因剔除的方法,使小鼠既无leptin,又无NPY,令人吃惊的是这种动物的体脂重量、体重、进食量、氧耗量、体温及活动程度均介于正常小鼠和ob/ob小鼠之间,证明NPY确是leptin中枢作用的一种,但不是唯一的中介物质[16]
, http://www.100md.com
    2.agouti蛋白、阿片促黑激素皮质素原及促黑激素皮质素:agouti原指南美啮齿类动物,因其皮毛上有条状黄色带,故agouti被转意为黄色带。在leptin及NPY被揭示的同时,有关leptin在下丘脑作用环节的研究已展开。最初的观察来自一种称为致死黄(lethal yellow,Ay/a)小鼠,为一种常染色体显性遗传的动物模型,在这种模型中,肥胖伴随动物长度的增加和毛皮颜色的改变,这是由于agouti蛋白异位和不正常表达的结果。这种agouti蛋白在正常情况下表达仅限于毛囊,以拮抗黑色素细胞刺激素(α-MSH)的方式来影响毛的色素沉着。对此研究的突破也在1994年,有人证实agouti蛋白可拮抗某些促黑激素皮质素(MC)的受体家族,包括在毛囊中的MC1受体(可解释皮毛颜色的改变)和MC4受体,后者仅在脑中发现。在脑中,促黑激素皮质素受体的阻滞也可引起肥胖。以后证实agouti在MC4受体处可能有两个完全相反的配基,一个起激动剂的效应,另一个则起拮抗剂的效应[17]。现有两类实验的结果似乎将MC4受体的作用置于能量内环境稳定的中心通道的位置。一是有意将MC4受体剔除,可导致肥胖综合征,与Ay小鼠情况相似,但未见色素沉着的缺陷,后者的产生需要agouti作用于MC1受体表达上的失控;二是中枢性用MC4受体激动剂(如α-MSH),使进食减少,而用合成的受体拮抗剂则进食增加,给MC4受体的功能提供了强有力的药理证据。那么受体的内源性配基究竟是什么?近年的研究出现了许多惊人的消息:来自阿片促黑激素皮质素原(POMC)的α-MSH似乎恰恰成为减少进食的激动剂[18,19];在弓状核内(也是表达NPY的部位),约30%的POMC神经元表达细胞内结构区较长的leptin受体的mRNA,而leptin正性调节POMC mRNA的表达。这样我们可以看到另一个反馈调节环:leptin升高(伴肥胖)弓状核POMC表达增加将含α-MSH的轴突突向下丘脑表达MC4R的神经元进食减少脂肪组织减少leptin减少。
, http://www.100md.com
    三、增食欲素[20-22]

    1.增食欲素发现的背景:早年脑损伤的实验曾提示在下丘脑的外侧部可能存在一个进食中枢。与此不谋而合的是,1998年美国德克萨斯大学在达拉斯的西南医学中心与史克药厂合作,在进行其他实验中于大鼠外侧下丘脑发现了两种新的与能量代谢有关,而与leptin作用相反的激素:orexin A与B。这是继1994年发现leptin以后的又一次重大突破。与根据肥胖动物模型基因突变有意识地寻找ob基因的情况不同,orexin完全是一种现代分子筛选技术实验过程中的意外收获。因为大多数已知的小调节肽(小肽激素和神经肽)是通过作用于G蛋白偶联的细胞表面受体(GPCRs)而起作用。Yanigasawa领导的实验室在寻找与孤儿G蛋白受体相连结的配基时,在各种组织,包括脑的各个部位提取物中用高分辨的HPLC来筛选GPCRs,在下丘脑侧部发现了两种神经多肽:orexin A和B。

    2.orexin的结构与基因定位:orexin A是具有33个氨基酸的多肽,N端是焦谷氨酰的残基,C端酰胺化,4个半胱氨酸残基形成两套链内的双硫键,牛的orexin A与大鼠完全一致;orexin B为28个氨基酸的多肽,其中13个氨基酸与orexin A一致。orexin A及orexin B的氨基酸顺序与任何已知的多肽无相似之处。已克隆orexin前体cDNA,人和小鼠有前orexin原基因,基因组片段也已得到,预示人和小鼠orexin A的顺序与大鼠和牛的完全一致,与人的orexin B则有两个氨基酸的差异。从总体来说,人前orexin原的顺序与大鼠的有83%的一致性,而小鼠与大鼠则有95%的一致性。大多数替代的氨基酸在前体的羧基端,似不可能为另一个活性肽的密码。用辐射杂种细胞板(radiation hybrid)作图法得知前orexin原基因与MITSTS标记相连,位于17q21,提示前orexin基因可能与总称为“17染色体相关联性痴呆”的一组神经变性疾病有关。如脱抑制-痴呆-帕金森综合征-肌萎缩复合体(disinhibition-dementia-parkinsonism-amyotrophy complex,DDPAC)和苍白球-桥脑-黑质退化(PPND),这些疾病可能由等位基因突变所引起。DDPAC和PPND最近被定位于17q21-22。
, 百拇医药
    3.orexin受体的特征:有两种受体,称为OX1R及OX2R,orexin A为OX1R激动剂,orexin B也为OX1R特异性激动剂,但与OX1R的亲和力较orexin A为低,后发现另有一个orexin受体,称为OX2R,与OX1R氨基酸顺序的一致性达64%,人与大鼠OX1R及OX2R的一致性分别为94%和95%。提示这两种受体的基因在种系发育中是非常保守的。OX2R与orexin B及orexin A都有很强的亲和力(对前者的亲和力稍高于后者),所以OX2R是一种对orexin A及B非选择性的受体,而OX1R对orexin A有选择性。其基因定位是:OX1R:1p33,OX2R:6con(p11-q11)。

, http://www.100md.com     4.orexin及其受体的组织分布:Northen印迹分析成年大鼠的组织发现,0.7 kb的前orexin原的mRNA除在睾丸表达外,几乎仅在脑内表达。OX1R及OX2R mRNA也仅在脑中被发现,这些观察结果与认为orexin是一种在中枢神经系统中起作用的调节肽的想法一致。

    用原位杂交及免疫组化的方法研究大鼠脑,发现含orexin的神经元在下丘脑及腹侧下丘脑侧部呈对称的不连贯分布。在下丘脑中,阳性神经元见于侧部和后部区域及穹隆周围的核中,在腹侧下丘脑,也见阳性神经元的分布。阳性神经元的形状各异,从瘦小的纺锤形到大的多极状。但在一些与进食有关的部位,如室旁核、腹内则核及弓状核中均未见阳性神经元。

    5.用orexin于中枢神经核可刺激进食行为:给大鼠侧脑室快速灌注orexin,1次注射orexin A在1小时内产生与剂量依赖的刺激进食的效应。3 nmol orexin A使之进食增加6倍,而30 nmol orexin A使进食增加10倍,这种效应持续达4小时之久,人orexin B也增加食物消耗,注射3 nmol orexin B使进食增加5倍,注射30 nmol则增加12倍,orexin B作用持续的时间短于orexin A,其原因可能是因为orexin B是一线性的多肽,有一个自由的氨基端,而orexin A有翻译修正,形成双硫键。两者对进食的刺激作用相似,提示非选择性orexin受体OX2R可能在活体药理学中起作用。但无论orexin A或orexin B促进食欲的作用都低于NPY,后者用相同的剂量可使进食增加幅度大于前两者的1倍左右。
, http://www.100md.com
    饥饿状态上调前orexin原mRNA。经48小时饥饿状态后,大鼠下丘脑的前orexin原的mRNA增加2.4倍,NPY mRNA也被上调,但增加幅度低于前者。

    综上所述,leptin和orexin是新近发现的、主要作用于下丘脑的两种作用截然相反的多肽,前者使食欲下降,活动增加而减肥;后者则促进食欲,可能造成肥胖。虽然大多数肥胖者并不是由于leptin的缺乏或orexin增加所引起,但这并不等于说两者与肥胖的发生与治疗方法的研究关系不大,相反,如能提高对leptin的敏感性,克服其中枢性抵抗,对治疗肥胖肯定是有益的。同样,orexin的临床应用前景也不仅仅只是增加恶病质、神经性厌食等消瘦病人的食欲而已,orexin受体拮抗剂将可能成为治疗肥胖的有效手段。更重要的是尚有许多奥秘存在于它们与其他激素和神经肽的相互错综关系之中,值得进一步探索。

    《参考文献》

    [1] Coleman DL. Obese and diabetes: two mutant genes causing diabetes-obesity syndromes in mice.
, http://www.100md.com
    Diabetologia, 1978,14:141-148.

    [2] Rink TJ. Genetics. In search of a satiety factor. Nature, 1994,372:406-407.

    [3] Zhang Y, Proenca R, Maffei M, et al. Positional cloning of the mouse obese gene and its human

    homologue. Nature, 1994,372:425-432.

    [4] Poleymounter MA, Cullen MJ, Baker MB, et al. Effects of the obese gene product on body weight
, 百拇医药
    regulation in ob/ob mice. Science, 1995,269:540-543.

    [5] Halass JL, Gajiwala KS, Maffei M, et al. Weight-reducing effects of the plasma protein encoded by the

    obese gene. Science, 1995,269:543-546.

    [6] Compfield LA, Smith FL, Guisez Y, et al. Recombinant mouse OB protein: evidence for a peripheral

    signal linking adiposity and central neural networks. Science, 1995,269:546-549.
, http://www.100md.com
    [7] Montague CT, Farooqi S, Whitehea JP, et al. Congenital leptin deficiency is associated with severe

    early-onset obesity in humans. Nature, 1997,387:903-908.

    [8] 陈名道,Ordog T.Leptin减轻吗啡对罗猴促性腺激素释放激素脉冲发生器的抑制作用的初步

    报告.中华内分泌代谢杂志,1998,14:163-167.

    [9] Considine RV, Sinda MK, Heinen ML, et al. Serum immunoreactive concentrations in normal weight
, http://www.100md.com
    and obese humans. N Engl J Med, 1996,334:292-295.

    [10] Vettor R, De Pergola G, Pagano C, et al. Gender differences in serum leptin in obese people:

    relationship with testosterone, body fat distribution and insulin sensitivity. Eur J Clin Invest, 1997,27:

    1016-1024.

    [11] 贾伟平,项坤三,丁炜,等.男性中国人体脂分布与激素模式.中华内分泌代谢杂志,1998,14:78-81.

    [12] Saad MF, Riad-Gabriel MG, Khon A, et al. Diurnal and ultradian rhythmicity of plasma leptin: effects
, 百拇医药
    of gender and adiposity. J Clin Endocrinol Metab, 1998,83:453-459.

    [13] Flier JS. Clinical review 94: What's in a name? In search of leptin's physiologic role. J Clin Endocrinol

    Metab, 1998,83:1407-1413.

    [14] Mounzih K, Lu R, Chehab FF. Leptin treatment rescues the sterility of genetically obese ob/ob males.

    Endocrinology, 1997,138:1190-1193.
, http://www.100md.com
    [15] Chehab FF, Mounzih K, Lu R, et al. Early onset of reproductive function in normal female mice treated

    with leptin. Science, 1997,275:88-91.

    [16] Erickson JC, Hollopeter G, Palmiter RD. Attenuation of the obesity syndrome of ob/ob mice by the

    loss of neuropeptide Y. Science, 1996,274:1700-1704.

    [17] Huszar D, Lynch CA, Fairchild-Huntress V, et al. Targeted disruption of the melanocortin-4 receptor
, 百拇医药
    results in obesity in mice. Cell, 1997,88:131-141.

    [18] Frieman JM. The alphabet of weight control. Nature, 1997,185:119-120.

    [19] Ollmann MM, Wilson BD, Yang YK, et al. Antagonism of central melanocortin receptors in vitro and

    in vivo by agouti-related protein. Science, 1997,278:135-138.

    [20] Flier TS, Marotos-Flier E. Obesity and hypothalamus: novel peptides for new pathways. Cell, 1998,92:437-440.
, http://www.100md.com
    [21] Sakurai T, Amemiya A, Ishii M, et al. Orexins and orexin receptors: a family of hypothalamic

    neuropeptides and G protein-coupled receptors that regulate feeding behavior. Cell, 1998,92:573-585.

    [22] Baringa M. New appetite-boosting peptides found. Science, 1998,279:1134.

    (收稿:1998-08-18), 百拇医药