魚類瘦素的研究進展

高金偉+習丙文+謝駿

摘要：瘦素（leptin）由肥胖基因（obesity genes，Ob）編碼，主要由脂肪組織分泌，在脊椎動物生理活動中具有重要的生理作用。瘦素可通過與瘦素受體（leptin receptor，簡稱LepR）結合，在抑制食欲、調節能量平衡、神經內分泌、生長與生殖等方面發揮著重要作用。本文主要針對近年來魚類瘦素的克隆、分子特征與生物學功能、脂類代謝和繁殖的調控進行簡要概述，以期為魚類生理學研究及漁業生產提供一定的參考。

關鍵詞：魚類；瘦素（leptin）；瘦素受體（leptin receptor）；脂類代謝；繁殖；研究進展

中圖分類號： S917文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0020-04

瘦素（leptin）是肥胖基因（obesity genes，Ob）的編碼產物，大小為16 ku，是Ⅰ類α螺旋細胞因子之一，主要由脂肪組織產生和分泌，因在哺乳動物中有調控能量平衡和抵抗肥胖作用而聞名。在哺乳動物中，瘦素具有抑制食欲[1]、調節能量代謝[2]、神經內分泌[3]、生長[4]、生殖[5]、免疫反應[6]等多種功能。瘦素通過與多種組織及多種形式的瘦素受體（leptin receptor，簡稱LepR）結合，作用于中樞及外周的多個生物學位點，影響機體的許多生理和生命代謝過程[7]。瘦素的發現有助于定義一類新發現的具有內分泌調節作用的脂肪細胞，從而更易于理解瘦素對食物攝取及能量代謝的調控作用。隨著分子生物技術的發展，越來越多物種的瘦素基因得以克隆，為研究其生物活性及生物學作用奠定了堅實的基礎。

1瘦素

1994年，Zhang等利用定位克隆的方法獲得小鼠的肥胖基因和人類瘦素基因，其中人類瘦素基因DNA全長達 15 000 bp 以上，相對分子質量為16 ku，包含3個外顯子和2個內含子，位于第7號染色體上[8]。瘦素主要由白色脂肪組織分泌，其他組織少量分泌，主要有棕色脂肪組織、腦垂體、心臟、骨骼、肝臟等[9-10]，在機體內以游離和結合2種形式存在，其中游離型具有生物學活性。血液循環中的瘦素主要由腎臟清除。血漿中的瘦素水平受多種因素的調節，如體脂量、雌激素、糖皮質激素、胰島素及腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，簡稱TNF-α）促進瘦素表達，而腎上腺素、去甲腎上腺素、甲狀腺激素、環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophoshate，簡稱cAMP）、PPAR-Y激動劑（如噻唑二烷酮）及雄激素卻抑制瘦素表達[11]。由于魚類瘦素存在重復基因組，因而其cDNA序列及編碼的氨基酸長度也不盡相同。黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）瘦素 cDNA全長為 1 119 bp，編碼172個氨基酸[12]。石斑魚（Epinephelus coioides）gLepA、gLepB cDNA長度分別為671、684 bp，分別編碼161、158個氨基酸[13]。大西洋鮭魚（Salmo salar）sLepA1、sLepA2分別編碼171、175個氨基酸[14]。魚類瘦素基因結構與哺乳動物類似，由信號肽與成熟肽組成，具有分泌蛋白的特征，其在肝臟中表達量最高，而哺乳動物中leptin在脂肪組織中高表達[15]。

分子結構分析表明，瘦素蛋白包含4個反向平行的α-螺旋，呈“升—升—降—降”排列，形成獨特的四螺旋結構，由2個長交叉鏈和1個短的左手螺旋束連接[16]。瘦素含有1個由2個半胱氨酸組成的連接α-螺旋C和D羧基末端的二硫鍵，缺失時會喪失其生物學活性[17]，該結構可能在瘦素生物學功能方面發揮著重要作用，推測其可能為瘦素活性結構域之一。魚類與哺乳動物瘦素蛋白氨基酸序列同源性很低，但是二級結構和三級結構卻高度保守，都含有四螺旋結構及2個半胱氨酸形成的二硫鍵[18]。

1.1瘦素的分子克隆

2005年，Kurokawa等克隆出紅鰭東方鲀（Takifugu rubripes）的cDNA序列[19]。隨后，瘦素基因序列在其他魚類中相繼被克隆、分離出來，主要有鯉（Cyprinus carpio）[18]、日本青鳉（Oryzias latipes）[20]、綠河鲀（Tetraodon nigroviridis）[21]、金魚（Carassius auratus）[22]、虹鱒（Oncorhynchus mykiss）[23]、大西洋鮭[14]、斑馬魚（Danio rerio）[24]、北極紅點鮭（Salvelinus alpinus）[25]、草魚（Ctenopharyngodon idella）[26]、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）[27]、石斑魚[13]、黃顙魚[12]。在某些魚類中同時存在2種瘦素基因，如日本青鳉中存在mLEP-A和mLEP-B[20]、斑馬魚中存在Leptin-a和Leptin-b[24]、石斑魚存在gLep-A和sLep-B[13]，然而在某些特定魚類如紅鰭東方鲀中由于一個未知基因的缺失導致它缺少Leptin-b[19]。魚類中發現的瘦素基因主要有2類：Leptin-a和Leptin-b，但是在魚類已克隆的瘦素基因中絕大部分是Leptin-a[28]，到目前為止，在草魚[26]及鮭屬的虹鱒[23]和北極紅點鮭[25]中僅有1種（Leptin-a）被報道；在鯉中發現2種同源Leptin-a，分別命名為Leptin-Ⅰ和Leptin-Ⅱ[18]；在大西洋鮭中也發現2種同源Leptin-a，分別命名為sLep-A1和sLep-A2[14]；在金魚中發現2種同源的Leptin-a，分別命名為gLep-a Ⅰ和gLep-a Ⅱ[29]。研究發現，魚類與不同種屬魚類及其他動物之間的氨基酸一級結構同源性很低，紅鰭東方鲀瘦素氨基酸序列與人的相似性只有13.2%，與其他3種魚類（大西洋鮭、青鳉和斑馬魚）的相似度在18%～48%之間[30]。斑馬魚瘦素氨基酸與人的同源性僅為18%[24]。盡管瘦素在其他動物之間的氨基酸序列相似度低，但在鮭、鱒中高度保守，高達98.7%[31]。

1.2瘦素的生物學功能

瘦素在生物體內具有廣泛的生物學效應，主要是抑制攝食、增加能量消耗、維持正常的脂類代謝和能量平衡[32]，也可以調節機體的生長發育過程[33]。近來有研究發現，瘦素參與造血功能、骨生成和T細胞介導的免疫反應過程[34]。瘦素對機體內各種生理功能的調節作用均通過與LepR的結合來實現[35]。LepR是單一跨膜信號轉導的細胞激肽類Ⅰ型受體，由細胞外結構域、跨膜結構域、細胞內結構域3個部分組成，根據細胞內位點，胞內結構域氨基酸序列及長短不同，把LepR分為2種亞型，即長受體（LepRb）和短受體（LepRa），其中瘦素主要的作用受體是LepRb，其胞內區含302～303個氨基酸殘基，可激活JAK2/STAT（酪氨酸激酶2/信號轉導子和轉錄啟動子）信號通路[36]。LepRb在具有調節攝食和體質量功能的下丘腦核團（弓狀核、背內側核、腹內側核和外側核）上高度表達，同時在一些外周組織如心、肺、淋巴結中也有表達，但表達水平均較低。目前，LepRa的生物學功能和作用機制尚不清楚。

2瘦素對脂類代謝的調控

瘦素作為傳達脂類代謝信號至腦組織的一種重要激素，與下丘腦上分布的LepR通過瘦素結合蛋白（leptin-binding domain，簡稱LBD）結合后，通過信號級聯放大作用，激活多種厭食神經通路，主要誘導促黑激素（melanocyte-stimulating hormone，簡稱MSH）作用于促黑皮素受體4（melanocortin 4 receptor，簡稱MC4R）、可卡因-苯丙胺調控轉錄肽（cocaine and amphetamine regulated transcript，簡稱CART）、促腎上腺皮質激素釋放激素（corticotropin releasing hormone，簡稱CRH）、增加阿黑皮素原（preproopiomelanocortin，簡稱POMC）的生物合成等。同時抑制促進食欲的神經通路，包括神經肽Y（neuropeptide Y，簡稱NPY）、黑色素聚集激素（melanin-concentrating hormone，簡稱MCH）、食欲素（orexins）及刺鼠相關蛋白（agouti-related protein，簡稱AGRP），增加交感神經系統活性，引起食欲降低、能量消耗增加，從而達到減輕體質量的目的[37]。NPY和AGRP促進機體進食，而POMC抑制機體進食[38]。在哺乳動物的研究中，已有關于瘦素對脂肪動員和存儲脂肪消耗的研究，在魚類的研究中主要集中在脂肪代謝中的調控機制[26]。當機體有足夠的能量儲存時，瘦素作用于下丘腦傳遞信號來抑制食欲。瘦素既可以發揮短期作用，又可以發揮長期作用。在較短的時期內，血漿瘦素是一個飽食信號，在長時期內，日平均血漿瘦素濃度傳遞長期的能量狀態至大腦。在鯉[29]和石斑魚[13]中，肝臟瘦素基因表達水平及血漿瘦素含量在攝食后會有所上升，而腦中瘦素基因表達水平沒有變化，說明肝臟可能是循環系統中瘦素的主要來源，魚類瘦素基因表達水平與其營養狀態有關。虹鱒注射虹鱒重組表達瘦素蛋白后會出現厭食癥[23]，同時饑餓處理的虹鱒的血漿瘦素水平也會升高[39]。在禁食的虹鱒和三文魚中，血漿瘦素的含量表現為增加[39-40]。草魚注射重組表達瘦素蛋白 24 h 后，其瘦素mRNA水平會提高5.76倍，說明瘦素對攝食、能量消耗及脂類代謝的調控存在急性效應[26]。北極紅點鮭肝臟瘦素 mRNA水平在冬季，春季及初夏都比較低，隨后開始上升，到十月達到最大值（最低水平的7倍），瘦素基因表達水平的季節性變化說明瘦素對能量平衡有長期調控作用[25]。同時，瘦素也可以顯著減少肝臟脂蛋白脂肪酶（lipoprteinlipase，簡稱LPL）及硬脂酰輔酶A脫氫酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，簡稱SCD1）基因的表達，后者對合成單不飽和脂肪酸起著關鍵性的作用[26]。大西洋鮭連續20 d注射重組Lep-A1后，最高劑量組POMC基因表達水平顯著增加[41]。虹鱒注射重組瘦素蛋白后，NPY基因表達水平短暫升高，POMC基因表達水平升高[31]。禁食后金魚腦中NPY基因表達量增加，CART基因表達水平下降[42]。禁食和注射重組瘦素表明，瘦素不僅作為魚體營養狀態的信號因子，而且說明瘦素可以通過神經內分泌途徑影響NPY、AGRP、POMC等基因的表達和分泌，從而發揮調控體內物質代謝和能量平衡的作用。

3瘦素對繁殖的調控

在哺乳動物中，瘦素可將機體營養狀況傳遞至下丘腦—垂體—性腺軸，從而影響性腺發育和個體繁殖。當脂肪含量儲存充足并足夠滿足動物繁殖時，血液中瘦素的含量高于最小閾值，此時瘦素通過血腦屏障到達下丘腦并激活下丘腦—垂體—性腺軸，刺激下丘腦產生促性腺激素釋放激素（gonadotrophin releasing hormone，簡稱GnRH），從而觸發生殖功能[43]。研究表明，魚類瘦素對其繁殖發育也有一定的影響。哺乳動物瘦素可以增加鱸促黃體生成激素（luteinizing hormone，簡稱LH）的含量[33]。利用人類瘦素可以增加雌性虹鱒魚中垂體的促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，簡稱FSH）和促黃體生成激素的釋放量[44]，這表明瘦素可以激活魚類下丘腦—垂體—性腺軸，引起性腺激素的分泌，從而影響魚類的生殖活動。研究發現，對比發育成熟和未成熟的三文魚血漿瘦素含量和肝臟瘦素基因表達水平，結果表明性腺成熟的三文魚瘦素 mRNA水平顯著升高，血漿瘦素含量也有所上升[45]，這說明瘦素作為機體脂肪儲存信號傳達到腦組織，從而調控脂肪累積、保證卵巢發育過程中的能量需求。大西洋鮭肝臟瘦素在精子形成中期表達增加，在精子成熟后期Lepa1和Lepa2基因表達水平分別上調7.7、49.0倍[46]。黃顙魚腦中瘦素 mRNA水平在第Ⅲ期達到峰值，在第Ⅴ期時呈現下降趨勢[12]，這表明在性腺發育的過程中，瘦素在性腺發育不同時期的差異性表達能影響魚體內的脂肪代謝和能量消耗，對性腺的發育及脂肪動員有重要作用。

4展望

前期研究表明，瘦素是魚類和哺乳動物的一種真正意義上的多效用激素，功能涉及食物攝取、體質量和發育的調控及脂類代謝和能量平衡，但研究熱點集中在瘦素對脂肪代謝和繁殖能力的影響。魚類中有關瘦素生物學功能的研究還有許多不足之處，如仍有許多種屬的魚類的瘦素基因序列、瘦素蛋白及瘦素的不同亞型的功能及組織分布有待發現，其作用機制尚不清楚；魚類瘦素及其受體在體內的結合及對魚類大腦如何組織和調控攝食中樞了解還很少；魚類瘦素與體內其他激素或生物活性分子的生物學聯系及作用機理有待進一步研究，如縮膽囊素（cholecystokinin，簡稱CCK）能在某種程度上起著介導金魚瘦素抑制食欲的作用[42]；外界環境因素對瘦素的影響及瘦素對應激的調控及機體免疫反應的研究有待探究；瘦素在魚類性腺發育過程中具體的調控機理有待發現。以上種種問題的解決將對瘦素的生物學功能、魚類生長代謝及繁殖等相關研究產生巨大的推動作用。

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