褪黑素的生物學(xué)作用研究進(jìn)展

董孝國(guó)，董孝芝

(商丘師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南商丘476000)

褪黑素(melatonin)又名美拉酮寧、抑黑素、松果腺素，化學(xué)名稱(chēng)為N－乙酰基－5－甲氧基色胺，分子式為C13H16N2O2，相對(duì)分子量為232.27，熔點(diǎn)116～118℃，純品為淡黃色葉片狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示［1］.1958年美國(guó)耶魯大學(xué)的皮膚病專(zhuān)家Aaron Lerner等首次從牛松果體中分離得到該物質(zhì)，并證明了其生物活性［2］.這種激素能夠使一種產(chǎn)生黑色素(melanin)的細(xì)胞顏色變淺，故取其前綴mela;同時(shí)它是由5－羥基色胺(serotonin)生成，故取其后綴tonin，因此這種松果體激素被命名為褪黑素(melatonin).褪黑素在生物體中的含量水平隨每天的時(shí)間變化而變化.

圖1 褪黑素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Figure 1 Chemical structure of melatonin

1 褪黑素的生物合成和代謝途徑

褪黑素主要由哺乳動(dòng)物的松果體分泌，人的松果體是附著于中腦背側(cè)四疊體上方的、豆粒大小的組織［3］.除松果體以外，哺乳動(dòng)物的視網(wǎng)膜、淚腺、皮膚也能產(chǎn)生少量的褪黑素［4－6］.此外，某些變溫動(dòng)物(青蛙)的眼睛、腦部和皮膚，以及某些藻類(lèi)也能合成褪黑素［7，8］.

褪黑素的生物合成路徑如圖2所示.褪黑素能夠以色氨酸為原料，經(jīng)過(guò)羥基化、脫羧、N－乙酰化和氧甲基化途徑最終合成，也可由5－甲氧基色胺經(jīng)N－乙酰化途徑而合成［9］.褪黑素的生物合成受光周期的制約，呈晝夜和季節(jié)性的節(jié)律變化［10－12］.夜間褪黑素的分泌量是白天的5～10倍，通常凌晨2∶00時(shí)左右，褪黑素的生物分泌量達(dá)到高峰，此時(shí)松果體中褪黑素的含量最高，而后分泌量減少，至中午最低;人體在3歲時(shí)褪黑素的分泌量達(dá)到高峰，青春期時(shí)分泌量略有下降，以后隨年齡增長(zhǎng)而逐漸下降［1，13，14］.此外，褪黑素可由胎盤(pán)進(jìn)入胎兒體內(nèi)，也可經(jīng)母乳進(jìn)入新生兒體內(nèi)［15］.

圖2 褪黑素的生物合成路徑［9，16］Figure 2 Biological synthesis pathways of melatonin

褪黑素的降解主要發(fā)生在肝臟中，其途徑如圖3所示.經(jīng)典的褪黑素降解途徑為褪黑素(I)在肝臟中經(jīng)CYP1A1、CYP1A2或CYP1B1(a)的6－羥基化產(chǎn)生6－羥基褪黑素(II)，最終通過(guò)尿液排出.褪黑素在脫乙酰基酶(b)的作用下生成5－甲氧基色胺(III)，經(jīng)單胺氧化酶(c)氧化生成5－甲氧基吲哚乙醛(IV)，再通過(guò)醛脫氫酶(d)被轉(zhuǎn)化為5－甲氧基吲哚乙酸(V)或經(jīng)醇脫氫酶(e)生成5－甲氧基色醇(VI).在kynuric途徑中，褪黑素可被活性氧(reactive oxygen species，ROS)或UV－B轉(zhuǎn)化為N1－乙酰基－N2－甲酰基－5－methoxykynuramine(AFMK)(VII)，該途徑中間產(chǎn)物包括3－羥基褪黑素(VIII)、2－羥基褪黑素(IX)、褪黑素的2－吲哚滿(mǎn)酮(X)、3－羥基褪黑素的2－吲哚滿(mǎn)酮(XI)和褪黑素的二氧環(huán)乙烷(XII).參與褪黑素轉(zhuǎn)化為AFMK的酶或者假酶(pseudoenzymes)包括細(xì)胞色素C、辣根過(guò)氧化物酶、吲哚胺雙加氧酶、過(guò)氧化物酶、oxoferryl血紅蛋白或血紅素.此外，通過(guò)不同的路徑，過(guò)氧化氫酶、芳胺甲酰胺酶、血過(guò)氧化物酶或ROS均可以促進(jìn)AFMK(VII)轉(zhuǎn)化為AMK(XIII)(f).最終，褪黑素可通過(guò)CYP2C19或CYP1A2脫甲基生成N－乙酰基色胺.

2 褪黑素的生物學(xué)作用

2.1 調(diào)節(jié)睡眠作用

晝夜節(jié)律睡眠障礙(circadian rhythm sleep disorders，CRSDs)主要發(fā)生在老人、嚴(yán)重視力障礙、輪班工人，以及經(jīng)常需要倒時(shí)差的人群中.此外，各種形式的失眠也影響著人們生活質(zhì)量.CRSDs和某些形式的失眠具有一個(gè)共同特點(diǎn)，即具有對(duì)松果體分泌的褪黑素的敏感性.褪黑素能夠調(diào)節(jié)位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)的生物鐘，具有調(diào)節(jié)睡眠的作用［17］.一些以人為受試體的研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素能夠誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜、降低體溫、使胃腸道平滑肌放松，以及誘導(dǎo)其與睡眠有關(guān)的變化［18，19］.母乳中的褪黑素能夠起到改善嬰兒睡眠和減少嬰兒絞痛的作用［15］.Wright等［20］將10 mg的褪黑素和安慰劑分別每天給患自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders，ASD)癥的受試兒童連續(xù)服用3個(gè)月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)褪黑素比安慰劑更能改善兒童的睡眠潛伏期(平均47 min)和總睡眠時(shí)間(平均52 min).然而，Gehrman等［21］以老年癡呆癥患者為受試者的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與安慰劑相比褪黑素并未起到促進(jìn)睡眠和誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜的作用.

圖3 褪黑素的降解路徑［6］Figure 3 Degradation pathways of melatonin

2.2 抗衰老作用

老齡化的主要特點(diǎn)是生理功能和代謝過(guò)程逐漸惡化.褪黑素(通常被稱(chēng)為自由基清除劑)是一種強(qiáng)氧化劑，能夠保護(hù)身體免受有害物的影響，而褪黑素會(huì)隨著人年齡增加而減少，因此推測(cè)褪黑素與人體的老齡化具有相關(guān)性［22］.褪黑素能夠清除羥基、碳酸脂、多種有機(jī)基團(tuán)，以及ROS，同時(shí)也能夠通過(guò)促進(jìn)抗氧化酶，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶、谷胱甘肽還原酶等的合成來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化性;褪黑素還能夠保持線粒體的動(dòng)態(tài)平衡，減少自由基的合成，以及保護(hù)線粒體ATP的合成［23］.褪黑素的抗氧化性能在治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、女性不孕及老年原發(fā)性高血壓患者方面已得到證明［16］.

Forman等［24］每天將不同劑量的褪黑素(1 mg/kg和10 mg/kg)加入小鼠飲用水中，30 d后通過(guò)實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄酶聯(lián)免疫反應(yīng)檢測(cè)心臟中的炎癥介質(zhì)(腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素1和10、NFkBp50和NFkBp52)，細(xì)胞凋亡標(biāo)記物(BAD、BAX和Bcl2)，以及相關(guān)的氧化應(yīng)激(血紅素加氧酶1和2、內(nèi)皮細(xì)胞和誘導(dǎo)性一氧化氮合成酶)的水平.結(jié)果顯示，與青年對(duì)照組相比，在老年加速衰老易發(fā)生的小鼠(senescence－accelerated mice prone，SAMP8)體內(nèi)炎癥、氧化應(yīng)激和凋亡標(biāo)記物水平均增加，而在加速衰老抵抗小鼠(senescence－accelerated－resistant mice，SAMR1)體中這些參數(shù)變化較小，且并不隨年齡增加而增加.停止喂食褪黑素后，這些參數(shù)在老年加速衰老易發(fā)生的小鼠體中明顯降低.Gutierrez－Cuesta等［25］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素的慢性治療能夠降低SAMP8的氧化應(yīng)激和神經(jīng)退行性蛋白酶/Cdk5途徑，以及SAMP8大腦中的腦衰老和神經(jīng)退行性疾病GSK3β和tau蛋白磷酸化標(biāo)記物的磷酸化，說(shuō)明褪黑素能夠起到保護(hù)神經(jīng)和抗衰老的效果.

2.3 調(diào)節(jié)免疫作用

褪黑素對(duì)先天性免疫和獲得性免疫都具有促進(jìn)作用.褪黑素可以通過(guò)多方面發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能，如增加免疫器官的重量，提高外周血中淋巴細(xì)胞百分?jǐn)?shù)，促進(jìn)抗體形成及T、B淋巴細(xì)胞增殖反應(yīng)，刺激細(xì)胞因子產(chǎn)生，參與復(fù)雜的神經(jīng)—內(nèi)分泌—免疫網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控［26］.

周愛(ài)民等［27］通過(guò)測(cè)定小鼠腹腔吞噬細(xì)胞吞噬率考察了褪黑素對(duì)機(jī)體非特異性免疫功能的影響，發(fā)現(xiàn)100～200 μg/kg的褪黑素對(duì)免疫功能低下或缺陷小鼠，在特異性和非特異性功能發(fā)揮免疫增強(qiáng)作用，但對(duì)正常小鼠，褪黑素只能提高小鼠的特異性細(xì)胞免疫功能.朱海娟等［28］研究了新生大鼠缺氧缺血性腦損傷(hypoxic－ischemic brain damage，HIBD)時(shí)對(duì)脾臟中腫瘤壞死因子α(TNF－α)、白細(xì)胞介素6(IL－6)表達(dá)的變化及外源性褪黑素對(duì)其產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明新生大鼠HIBD時(shí)，脾臟TNF－α和IL－6的表達(dá)上調(diào)，而褪黑素可以抑制TNF－α的表達(dá)而增加IL－6的表達(dá)，HIBD對(duì)脾臟褪黑素受體的表達(dá)沒(méi)有影響，而外源性褪黑素對(duì)褪黑素受體mRNA的表達(dá)有下調(diào)作用.Da Cunha Pedrosa等［29］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠通過(guò)相應(yīng)TCR/CD3的復(fù)合刺激來(lái)抑制CD95配體的mRNA和蛋白的表達(dá)上調(diào)，從而保護(hù)人體和小鼠CD4+T細(xì)胞的凋亡，這種抑制作用是通過(guò)干擾活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T cells，NFAT)的鈣調(diào)素/鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活化來(lái)阻止NFAT轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中.

2.4 抗腫瘤作用

褪黑素能夠促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，同時(shí)保持正常細(xì)胞的生存活力，被認(rèn)為是一種很有前景的抗腫瘤劑.褪黑素作為重要的生理性抗腫瘤抑制劑，其抗腫瘤作用機(jī)制主要為阻斷雌激素作用通道、影響細(xì)胞分裂周期、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子的分泌和釋放、干擾鈣調(diào)素和微觀蛋白功能、增加細(xì)胞間縫隙連接等［30］.

血管是腫瘤擴(kuò)散的重要媒介，當(dāng)腫瘤擴(kuò)散時(shí)，現(xiàn)有的血管供應(yīng)量增加，導(dǎo)致缺氧癌細(xì)胞的擴(kuò)散，而因子－1(hypoxia inducible factor－1，HIF－1)是重要的缺氧誘導(dǎo)血管調(diào)節(jié)器.Park等［31］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素在人結(jié)腸癌細(xì)胞株HCT116中能夠破壞HIF－1α蛋白水平，并在缺氧條件下抑制HIF－1的轉(zhuǎn)錄活性，導(dǎo)致血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子表達(dá)減少.因此，褪黑素可通過(guò)抑制HIF－1介導(dǎo)的血管形成來(lái)阻止腫瘤的產(chǎn)生.Kim等［32］研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠抑制小鼠體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)，阻斷腫瘤新生血管，并能在腫瘤發(fā)生過(guò)程中減少HIF－1α蛋白的表達(dá).考慮到HIF－1α在大多數(shù)人類(lèi)癌癥中的過(guò)度表達(dá)，作者認(rèn)為褪黑素可以作為一種強(qiáng)效的癌癥治療劑.

Gonzalez等［33］研究褪黑素對(duì)胰腺AR42J腫瘤細(xì)胞株的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠引起［Ca2+］c和［Ca2+］m的瞬間變化，誘發(fā)膜電位去極化和黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)氧化水平的降低.此外，該研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)褪黑素響應(yīng)的Ca2+依賴(lài)的caspase－3活性，說(shuō)明褪黑素能夠通過(guò)對(duì)線粒體及caspase－3的活性作用來(lái)降低腫瘤細(xì)胞AR42J活性.Uguz等［34］考察了在大鼠胰腺腫瘤細(xì)胞株AR42J中褪黑素對(duì)三種化療藥物:5－氟尿嘧啶、順鉑和阿霉素導(dǎo)致的細(xì)胞毒性和細(xì)胞凋亡的影響.結(jié)果表明，褪黑素和三種化療藥物均能夠?qū)е翧R42J時(shí)間依賴(lài)的活性的降低，在48 h時(shí)細(xì)胞毒性達(dá)到最高.此外，褪黑素能夠明顯增強(qiáng)化療藥物的細(xì)胞毒性.說(shuō)明褪黑素能夠促進(jìn)化療誘導(dǎo)的AR42J鼠胰腺腫瘤細(xì)胞的毒性和凋亡.

3 結(jié)語(yǔ)

褪黑素具有改善睡眠、抗衰老、調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤等多種生物學(xué)作用，被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的化合物.褪黑素已被美國(guó)食品和藥物管理局(U.S.Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)批準(zhǔn)作為膳食補(bǔ)充劑使用，我國(guó)衛(wèi)生部也批準(zhǔn)褪黑素應(yīng)用于保健品中.但關(guān)于褪黑素的生物學(xué)作用研究多建立在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，而缺乏針對(duì)褪黑素毒副作用的臨床實(shí)驗(yàn).此外，褪黑素的生物學(xué)作用機(jī)理方面也亟待更為深入的研究.

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