藥物新靶點脂肪細胞因子Apelin的研究概況

藍曉紅，周永剛，繆朝玉（.解放軍第8醫院藥劑科，南京市 000；.第二軍醫大學藥理學教研室，上海市 00433）

1993年，O’Dowd等[1]在人類基因組中首次識別出孤兒G蛋白偶聯受體APJ（血管緊張素受體樣受體或稱血管緊張素1型受體AT1相關的受體蛋白）。Apelin是日本科學家Tatemoto[2]于1998年用反向藥理學方法首次從牛胃分泌物中提取到的新的血管活性肽。直到發現Apelin為孤兒G蛋白偶聯受體APJ的內源性配體，人們才從中確定APJ與血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）受體（AT1R）具有高度的同源性。但AngⅡ在中國倉鼠卵巢細胞（CHO）和成纖維細胞中并不與APJ受體結合。Apelin通過內分泌、旁/自分泌的方式發揮內皮依賴性的舒血管、降血壓、增強心肌收縮力、調節水鹽代謝、促進攝水、調節垂體激素釋放、調節生物節律和抑制人類獲得性免疫缺陷病毒（HIV）入侵等多種生物學作用。2005年，法國學者Boucher等[3]在人和大鼠模型上證實了Apelin是由脂肪細胞分泌的新的脂肪激素，高胰島素引起其表達上調，從而導致與肥胖相關的功能的紊亂。作為一種脂肪細胞因子，鑒于脂肪組織在體內分布的重要性、廣泛的生理作用及其與肥胖、高血壓、糖尿病關系的密切性，使Apelin可能作為藥物設計的新靶點，引起了國內、外科學家的密切關注。目前，就Apelin及其受體特征的文獻（1998年起）僅PubMed收錄的就超過90篇。現筆者就Apelin的研究進展綜述如下。

1 Apelin及其受體APJ的分子生物學特征和分布

1.1 Apelin及其受體APJ的分子生物學特征

人類Apelin基因定位于X染色體的q25～26.1段，由3個外顯子和2個內含子組成，信使核糖核酸（mRNA）長度為2673 bp。人、牛、大鼠和小鼠的Apelin前體肽（Preproapelin）均由77個氨基酸組成。大鼠Preproapelin與人、牛的同源性分別為82%、87%。Apelin前體肽的N末端含有1個信號肽序列；C末端，尤其從Trp-55到Phe-77的23個氨基酸在各種屬間完全保守，提示其具有重要功能。如Apelin C末端17肽K17F為Apelin活性所必需，是最有效的誘導Apelin受體的內化片段，具有降壓作用。用丙氨酸替換N末端含有的精氨酸和賴氨酸殘基（如 Lys-32、61、72 和 Arg-40、46、49、59、60、63、64、66、68），是Apelin前體肽潛在的酶切位點，可分解產生多個Apelin活性多肽片段Apelin-36、Apelin-17、Apelin-13和Apelin-12等。

人類APJ基因定位于X染色體的q12.1段，為380個氨基酸編碼的含有7個α螺旋的跨膜區段蛋白。目前與人APJ相關的基因已在大鼠、小鼠、猴、魚和青蛙等種屬中得到鑒別。APJ與AngⅡ具有31%的同源性。在成纖維細胞中AngⅡ不能與APJ結合，說明AngⅡ不是APJ的內源性配體。且用RNA的吸印轉移法、原位雜交法分析發現，Apelin成熟肽、前體Preproapelin與AngⅡ成熟肽、前體Angiotensinogen在心血管、大腦、腎臟組織分布很相似。此外，Apelin與AngⅡ均為近來新發現的血管緊張素轉換酶2（Angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）的底物。ACE2與血管緊張素轉換酶（Angiotensin-converting enzyme，ACE）具有48%的同源性，并可作用于AngⅡ，生成Ang1～7。Ang1～7具有舒張血管的作用，可拮抗AngⅡ的收縮血管作用[4]。由于Apelin與AngⅡ在基因序列、受體、酶等方面相似，推測Apelin可能具有與AngⅡ相似的生理功能，如降血壓、調節水鹽代謝等。

1.2 Apelin及其受體APJ的分布

Apelin及其受體APJ廣泛分布于人和鼠類。在大鼠的中樞系統主要分布于小腦、下丘腦、中腦、海馬垂體后葉、前腦后葉、端腦基底部；在大鼠外周組織心臟、脾、軟骨、卵巢和睪丸中呈中度表達，在肺和哺乳期的乳腺中高度表達；免疫系統如大鼠的肝臟、肝臟的枯否細胞和脾臟中有不同程度的Apelin及其受體APJ分布。人類Apelin主要在腦、心臟、腎、肺以及血管內皮細胞中高度表達；而在肌肉、棕色脂肪、肝臟中低表達[3]；B淋巴細胞和T淋巴細胞均有APJ的mRNA表達；人的松果體、腺垂體、腎上腺、胃、乳腺、肺、心臟、骨骼肌、腎臟、卵巢、腦、脂肪細胞均有Apelin及其受體APJ分布；心血管系統的冠狀動脈、大動脈、隱靜脈及各種器官的小動脈的血管內皮細胞和右心房的心內膜內皮細胞中均有Apelin及其受體APJ的分布，但在血管平滑肌細胞、心肌細胞、浦肯野細胞、竇房結細胞、心臟神經纖維和結締組織表達量極少，低于檢測水平。

Chen等[5]報道Apelin主要存在于冠狀動脈的內皮細胞，左心室心功能不全的患者血漿Apelin含量顯著增加。Saint-Geniez等[6]報道在視網膜內皮細胞，Apelin及其受體APJ受體也有表達。因此，Apelin作為血管內皮中一種局限性心血管調節因子，在心血管系統中發揮重要作用。

Apelin在人體脂肪組織廣泛分布。法國學者研究[7]發現，在離體白色脂肪組織的脂肪細胞Apelin mRNA水平與其他細胞相似，在棕色脂肪組織也有少量分布。而且在脂肪細胞分化過程中Apelin表達增加。脂肪細胞特異性基因如瘦素（Leptin）、脂聯素（Adponectin）在脂肪表達明顯比血管間質部分（Stroma vascular fraction，SVF）多。Apelin mRNA主要存在于人體的脂肪細胞和SVF，且在男性皮下脂肪、腹膜脂肪和SVF中的Apelin mRNA水平與女性相比沒有差別。

Apelin的分子結構因分布的組織不同而存在差異:肺、睪丸和子宮中以長鏈分子（Apelin-36）為主；在乳腺中長、短鏈結構形式（Apelin-36、Apelin-13）均可見到[8]。Apelin及其受體APJ在體內組織中廣泛分布，表明其可作為內分泌、旁分泌、自分泌的活性物質發揮廣泛的生物學效應。

2 Apelin的生物學功能及其可能的作用機制

2.1 心血管系統

心血管因子、應激因子、代謝因子和炎癥因子的功能紊亂和相互作用導致心血管系統內源性的調節，當超出下丘腦-垂體調控的臨界點就會導致病理改變。而Apelin就是其中重要的代謝因子之一，其與APJ配對后對心血管系統起調節作用。Katugampola等[9]通過放射性配體顯影術發現Apelin受體在人和大鼠的心臟和大的阻力血管及大鼠的外周組織中表達。進一步提示Apelin/APJ為心血管系統重要的調節因子。

2.1.1 內皮依賴性的舒血管、降壓作用。2000年，Lee等[10]首次報道了Apelin在心血管系統的降壓作用，發現將麻醉的雄性Wistar大鼠靜脈輸注Apelin-13后可明顯降低收縮壓和舒張壓。隨后科學家們發現，Apelin通過一氧化氮（NO）依賴機制降低血壓。2004年，Ishida等[11]研究發現，APJ受體缺陷的小鼠擴血管、降血壓效應喪失，而AngⅡ的縮血管作用顯著增強，表明Apelin可能具有拮抗血管緊張素的作用。Apelin可作用于血管內皮細胞生成NO，抑制AngⅡ產生，并抵消其與血管平滑肌受體結合產生的縮血管作用，最終降低血壓。近年來發現，Apelin與AngⅡ組織分布相似，都是ACE2的作用底物，且Apelin在NO-AngⅡ調節血管過程中，具有拮抗AngⅡ、抑制血壓升高的作用。各Apelin亞型之間，降血壓效應由強到弱依次為Apelin-12＞Apelin-13＞Apelin-36。

Apelin降壓信號轉導機制可能與NO的參與有關。NO具有較強的擴血管、抑制血管平滑肌細胞增殖、抗氧自由基及調節腎臟功能等重要生理功能。NO降壓作用主要通過環磷酸鳥苷（cGMP）途徑，也可通過直接下調縮血管物質AngⅡ受體AT1R或者通過激活過氧化物增殖物激活受體（PPAR）途徑實現。PPAR屬于一種孤兒受體，主要涉及胰島素敏感性、血糖及血壓調控。Apelin通過上調NO激活PPAR，從而降低血壓，改善胰島素抵抗。此外Apelin通過APJ受體作用于抑制型G蛋白（Gi）影響腺苷酸環化酶（AC）以及磷脂酶C（PLC）的活性。Apelin可直接通過AC降低環磷酸腺苷（cAMP）的水平，也可間接通過PLC-三磷酸肌醇（IP3）途徑最終使cAMP/cGMP失衡，導致血壓下降。NO-AngⅡ平衡是維持血壓穩定的關鍵因素，二者一旦失衡就將導致高血壓的發生、發展。

2.1.2 增強心肌收縮力。Szokodi等[12]發現在離體大鼠心臟注射Apelin可產生劑量依賴性的正性肌力作用。研究發現，大鼠持續輸注Apelin可明顯增強心室最大壓力、每搏輸出量，而對左室舒張末容積及心率無影響。Apelin通過激活心肌細胞G蛋白偶聯的蛋白激酶C（PKC）、PLC以及Na+-H+轉換酶、Na+-Ca2+轉換酶等通路產生增強心肌收縮力的作用；Apelin可以影響心肌收縮裝置的下游元件如肌鈣蛋白C的鈣離子親和力或肌動蛋白橫橋的再生率，最終產生正性心肌變力效應；Apelin還可通過誘導激活腎素-血管緊張素系統（RAS）蛋白-細胞外信號調節激酶（ERK）信號途徑以及NO-cGMP途徑來增強心肌收縮效應。可見，Apelin可誘導NO生成增多，而后使心肌線粒體數目增加以及功能增強，使心肌利用能量增多，從而使收縮力增強。

2.1.3 調節水鹽代謝及攝食量。Apelin在調節機體水鹽代謝及攝食量方面起著重要的作用。Apelin具有類似AngⅡ的刺激口渴效應，大鼠腹腔注射Apelin后其飲水量增加。大鼠室上核及室旁核的神經元存在Apelin的mRNA表達，同時其合成加壓素的神經元（Vasopression，VP）也有Apelin受體mRNA表達，且注射Apelin后該區VP釋放明顯減少。給脫水、血壓正常的大鼠注射Apelin后，大鼠的飲水量明顯減少但不影響其血壓。Taheri等[13]給大鼠腦室注入Apelin-13，發現其對飲食量無影響，但給藥后1 h內大鼠呈劑量依賴性地增加飲水次數和飲水量。可能機制是Apelin刺激下丘腦分泌精氨酸加壓素（AVP），但對神經肽Y的釋放無影響。O’Shea等[14]研究發現，Apelin-12對大鼠夜間攝食有抑制作用。可能機制為Apelin與APJ受體結合，通過激活PLC-PKC途徑以及參與細胞間Na+-H+交換，使Apelin特異性促進其胞外酸化作用。

2.2 中樞神經系統

2.2.1 對呼吸和血壓中樞調節的影響。在孤束核（NTS）和延髓頭端腹外側區（RVLM）Apelin-13對血壓和呼吸有調節作用。微量注射Apelin-13到NTS可引起呼吸暫停或減少膈神經放電；在RVLM可不同程度增加膈神經放電的程度；在2區均引起動脈壓升高。

2.2.2 與AVP相互作用。在中樞，Apelin和AVP共同存在于大鼠室上核大細胞神經元內，二者生物學效應相反，在維持體液穩態方面發揮著重要的調節作用。Apelin作為一種利尿神經肽通過受體APJ直接抑制AVP神經元活性和AVP的釋放來拮抗AVP的作用。脫水可誘導AVP從下丘腦的大細胞神經元中釋放增多，降低血漿Apelin的濃度。

2.3 免疫系統

2.3.1 免疫調節因子的生成。Apelin可通過脾細胞、T細胞受體及CD3受體途徑抑制多種細胞因子如干擾素-γ（INF-γ）、白細胞介素-2（IL-2）和IL-4等。從而調節機體的免疫反應。

2.3.2 抵抗HIV感染。早在1984年人們就確定了CD4是人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）進入人體靶細胞的受體。然而，轉導了人CD4基因的鼠類表面雖然也有CD4表達，但卻不被HIV感染，這一現象提示了除了CD4，HIV還需要與其他分子或輔受體結合以協同HIV-1融合、進入過程[15]。APJ為HIV的輔受體，屬于七次跨膜G蛋白偶聯的趨化因子受體超家族成員，APJ可促進原代細胞對病毒感染的敏感性，有些病毒包被蛋白可介導APJ-陽性、CD4-陰性細胞融合。一些HIV和豬流感病毒（SIV）株利用APJ作為復合體感染腦源性的NP-2/CD4細胞。Apelin作為APJ受體的內源性配體，可有效阻斷APJ復合受體活性，抑制HIV侵入NP-2/CD4細胞。而在抑制HIV侵入的能力上Apelin-36能通過抑制HIV病毒同源性受體APJ，更有效抑制HIV病毒的入侵，其抑制能力強弱表現為Apelin-36＞Apelin-17＞Apelin-13＞Apelin-12。

2.3.3 免疫反應時抑制膽堿能活性。APJ mRNA在人的B、T淋巴細胞均有表達。在植物血凝素（PHA）刺激的MOLT-3人白血病T細胞，Apelin-13可下調乙酰膽堿轉移酶基因表達，顯著減少乙酰膽堿轉移酶活性和細胞乙酰膽堿的含量和釋放。

2.4 內分泌系統

Apelin可抑制胰島素釋放與調節血液內環境穩定。2005年研究人員通過人和成熟小鼠脂肪細胞分泌Apelin實驗，首次證明了Apelin為一種新的脂肪激素。Lee等[16]研究表明，Apelin廣泛分泌于全身的脂肪細胞；肥胖伴有高胰島素血癥導致Apelin過度表達。胰島素缺陷小鼠與正常小鼠采用鏈脲霉素治療，結果胰島素缺陷小鼠Apelin mRNA明顯減少；隨后，他們通過給小鼠禁食、恢復飲食造成胰島素的生理性變化，結果禁食小鼠Apelin mRNA水平明顯減少；而恢復飲食，小鼠Apelin mRNA表達增加。胰島素在脂肪細胞調節Apelin表達的直接作用同樣在C57BL6/J小鼠體內肌肉注射及體外培養脂肪細胞都得到了證實。肥胖使脂肪細胞大小和數目急劇增加，誘發Apelin分泌增加。由于Apelin對心血管功能和血液內環境穩定的重要性，Apelin過度表達是與肥胖相關的功能紊亂的保護措施。

2.5 消化系統

Apelin可以刺激胃黏膜細胞增殖，同時是具有生理調節作用的胃腸肽。在大鼠的胃大量表達而在小腸表達較少，胰腺組織中則未見Apelin基因的表達。胚胎與新生大鼠Apelin基因表達高于成年大鼠，但Apelin蛋白表達較低，且隨著年齡增加而增加。

2.6 呼吸系統

Apelin及其受體APJ在肺組織中高度表達，表明Apelin可能參與呼吸系統的一些生物學功能。

3 Apelin與疾病的關系

3.1 Apelin在心血管疾病中的作用

3.1.1 Apelin與高血壓。Szokodi等[12]發現在左心室明顯肥大的RAS轉基因大鼠和自發性高血壓大鼠模型中，Apelin基因分別減少33%和62%，而APJ mRNA水平沒有改變。Lee等[17]研究發現，Apelin-13、Apelin-12對正常大鼠具有相同的降壓效果，而對自發性高血壓大鼠（SHR）注射同等劑量Apelin-13、Apelin-12，其平均動脈壓（MABP）分別下降60%和15%；而Apelin-10、Apelin-9對動脈壓無影響。這表明不同長度的肽段降血壓效果不同，Apelin-13能夠更有效地降低SHR大鼠的MABP。Kleinz等[18]首次證實Apelin-13被苯丙氨酸取代后有降血壓的作用。Messari等[19]研究證實Apelin-17是目前最有效的誘導APJ內部調節降血壓藥。

3.1.2 Apelin與冠心病、心力衰竭。有研究發現在冠心病（CHD）及特發性擴張型心肌病（DCM）的患者中Apelin及其受體APJ mRNA表達分別增加5倍和3倍。Chen等[5]發現心力衰竭患者在發病早期與健康人相比血漿中Apelin明顯增加，而在嚴重心力衰竭時Apelin則減少。這提示在人的心臟功能受損時，Apelin/APJ受體系統能夠代償并誘發正性肌力作用。這與在大鼠模型上發現的結果是一致的。而心臟后負荷增加超出心臟的代償能力時Apelin/APJ系統就被翻轉下調。研究者將11位心力衰竭患者的心臟內裝入左心輔助裝置（LVAD），采用微點陣方法來分析基因表達水平，結果發現APJ基因明顯增加。經分子雜交和實時定量PCR發現Apelin及其受體APJ mRNA水平分別增加3、4倍，并伴有Apelin肽的表達增加。這說明Apelin/APJ系統可以代償心肌收縮力和心臟后負荷，是通過心室來恢復此功能的。2010年，Japp等[20]首次在臨床試驗中證明了Apelin激動藥治療慢心力衰竭的心血管效應。對18名Ⅱ～Ⅲ度慢性心力衰竭患者（其中6名接受冠脈造影）進行隨機、雙盲、對照試驗（26名健康志愿者為對照組），給予Apelin-13、乙酰膽堿、硝普鈉治療，發現Apelin-13明顯引起前壁血管舒張，增加心臟指數、降低平均動脈壓、降低外周阻力。Apelin-36冠脈注射后，明顯增加冠脈血流，使左室壓力上升。表明在局部與全身血流動力學方面，Apelin是穩定慢性心力衰竭患者維持治療的最佳靶點，Apelin激動藥有可能成為有效的治療藥物。

3.2 Apelin在中樞神經系統疾病中的作用

Apelin及其受體APJ在中樞神經系統中高水平表達，提示Apelin-APJ異常可能涉及某些神經系統疾病的發病過程。

3.3 Apelin在免疫系統疾病中的作用

Apelin與免疫缺陷疾病和獲得性免疫缺陷綜合征相關。Esposito等[21]通過免疫組化測得獲得性免疫缺陷綜合征（AIDS）導致的惡病質，特別是在胰腺、腎臟、腎上腺、淋巴器官組織中Apelin表達明顯減少。

3.4 Apelin在內分泌系統疾病中的作用

過去的10年，人們發現了許多新的脂肪激素，如瘦素、脂聯素、脂抑素等，其調節參與人體脂肪細胞形成、能量儲存與代謝、飲食的控制并通過旁分泌與內分泌的形式控制血液的內環境穩定，與肥胖和糖尿病有著密切的聯系。Apelin作為一種脂肪激素也不例外。Heinonen等[22]報道肥胖患者行胃囊帶術后，Apelin水平明顯增加。提出了血漿Apelin與反映體重指數（BMI）的瘦素呈正相關性。研究[23]發現，在瘦與超重肥胖的受試者中，脂肪組織中Apelin的表達與TNF-α表達呈正相關性。Hotamisligil等[24]提出肥胖與胰島素抵抗跟信號分子胰島素（Insulin）、TNF-α水平增加相關。盡管有研究證明TNF-α有抑制Insulin的作用，但其研究提示Insulin向TNF-α轉移來調節Apelin。這種轉移可能用來維持肥胖受試者的Apelin水平。

4 展望

Apelin有望成為心血管、免疫、中樞神經、內分泌等系統潛在的藥物治療靶點。

前面的研究已經證明了在大鼠體內Apelin有舒血管、增強心肌收縮力的生物學功能。2010年Apelin的生物學功能在人體中得到初步證實，但有研究提示Apelin/APJ受體系統下調可導致心力衰竭[25]。鑒于Apelin在心血管系統的生物學功能，其可能在將來成為治療急、慢性心力衰竭和高血壓重要的藥物治療靶點。Apelin在大鼠模型上能夠明顯降低MABP，提示其能夠有效治療高血壓，降低心臟后負荷，改善心臟心搏出量、心輸出量、左室舒張末壓等。此外，Apelin在中樞神經系統的抗利尿作用有利于治療高血壓和心力衰竭。

Apelin作為一種肽，主要作用于下丘腦神經元，必須要穿過血腦屏障，而這一天然屏障阻止肽類進入中樞神經系統。這就需要我們設計一種小分子的模仿Apelin作用的非肽類物質來穿透血腦屏障。由于Apelin作為肽類經口服給藥生物利用度受到限制，阻止了其作為藥物的廣泛應用。

研究表明Apelin可能通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統（RAAS）來發揮舒血管的作用，從而調節血壓、心功能、血液內環境的穩定，故Apelin可能成為RAS系統舒血管作用的靶點。ACE2可以水解具有舒血管作用的Apelin C末端的苯丙氨酸。ACE2作為ACE的同工酶，同時也能將縮血管的AngⅡ（8肽）水解為舒血管的活性肽——Ang1～7。我們可以采用ACE2拮抗藥來阻斷的Apelin下調，保持其舒血管活性，但同時阻止了Ang1～7的生成。這還需要我們在今后研究Apelin與Ang1～7二者在擴血管中的作用，究竟何者更能發揮主導作用來決定ACE2抑制劑應用與否。

Apelin能夠阻止體外CD4/APJ陽性細胞感染HIV病毒，而APJ受體激動藥可用來阻止HIV病毒感染。目前為止，還沒發現CD4和APJ在人體組織中共表達，APJ在體內作為HIV的復合受體發揮作用。APJ融入CD4陰性細胞，受體在體外呈陽性。這提示我們可以用小分子配體綁定HIV輔受體CXCR4和APJ抑制HIV病毒感染，這可能成為潛在的治療靶點。

總之，Apelin作為一種新的脂肪因子在心血管系統、中樞神經系統、免疫系統、內分泌系統都發揮著重要的調節功能。日后還需要在以下幾個方面深入研究探索:第二信使系統調節Apelin誘導的受體激活的機制；通過確定Apelin主要藥理作用來推進受體拮抗藥、激動藥的發展；尋找Apelin/APJ在調節心血管系統、中樞神經系統、免疫系統、內分泌系統更多確切的生物學作用，從而為更好地了解其生理性的調節通路提供幫助。總之，Apelin及其受體APJ在生理、病理方面的作用應進行更多深入的研究，從而幫助我們評價這一受體系統在將來能否作為藥物治療的靶點。

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