Leptin基因的研究进展

杨东英

Leptin基因的研究进展

杨东英

Leptin又名瘦素，是由肥胖基因编码，脂肪细胞分泌的细胞因子。其主要功能是通过一系列信号转导途径调节能量平衡，也与生殖、机体免疫等功能密切相关。并参与肥胖、心血管疾病、糖尿病、瘦素抵抗等多种疾病的发生与发展。本文综述了有关瘦素的最新研究进展。

leptin；功能；疾病

1 Leptin的发现

早在20世纪50年代，就有学者开始探索能量平衡与体重调节的关系，并提出了“血液中可能存在某种化学信号，通过血液循环作用于大脑的饱食中枢来缓和饥饿的感觉”这一假说。但当时并没有学者鉴定到这种化学信号或其在脑神经中的作用靶标。直到1969年，美国Jackson实验室的Coleman利用两株突变品系的小鼠（第一种突变小鼠异常肥胖，故被命名为ob小鼠；第二种突变小鼠不仅肥胖而且伴有严重的糖尿病，故被命名为db小鼠）进行联体共生实验，在ob／ob小鼠与正常小鼠相联的实验中发现，ob／ob小鼠摄食减少、体重减轻，而正常小鼠并无变化。这说明ob／ob鼠的肥胖可被来自正常小鼠血液中的调节体重的物质所纠正；其次以ob／ob小鼠与具有db突变的肥胖糖尿病小鼠（db／db）相连，ob／ob小鼠摄食极度减少而饥饿致死；另外db／db小鼠与正常小鼠相联，结果亦使正常小鼠饥饿而死，提示db／db小鼠体内存在大量调节体重的物质，而对其不敏感。ob基因和db基因的编码产物是配体和受体的关系。1991年Friedman等人提出了5种可致肥胖的单基因突变，开创了探寻肥胖病因的分子生物学基础。1994年Zhang等［1］利用位点克隆技术成功地克隆了小鼠肥胖（ob）基因及与人类的同源序列，该基因高度保守，在人类与小鼠中具有84%的同源性 。而在ob肥胖鼠中注射此基因编码的蛋白即可以改善其肥胖表型。随后，该肥胖基因的表达产物被命名为瘦素（Leptin来自希腊文的Leptos，寓意为瘦小），是由白色脂肪细胞分泌的相对分子质量为16×103的蛋白质类激素。自此，瘦素的发现改变了人们对于白色脂肪组织的传统观念，即体内的脂肪不再仅仅被视为能量储存的器官或皮下的绝缘体，而且也是体内一个非常重要的内分泌器官。2010年，Abert Lasker基础医学研究奖被授予给Douglas L.Coleman和Jeffrey M.Friedman两位科学家，以表彰他们对于瘦素这种调节食欲和体重的激素的发现。瘦素的发现也使得人们对肥胖等疾病的研究进入了分子生物学时代。

2 Leptin基因及其表达产物的分子结构

2.1 Leptin基因的结构与定位

Zhang等［1］运用位点克隆技术鉴定得到了小鼠的Leptin基因，它包括3个外显子和2个内含子，其mRNA长4.5kb，具有能够编码167个氨基酸的开放阅读框。Isse等［2］克隆了人类Leptin基因，其定位于第7号染色体，全长20kb，由3个外显子和2个内含子组成，5＇端含有多种转录因子的连接部位，为单拷贝基因。而在牛中，Leptin基因定位于4号染色体，同样由3个外显子和2个内含子组成，编码区位于第二 、三外显子上，基因全长约18.9kb，其中 mRNA 全长2.93kb［3］。

2.2 Leptin基因产物——瘦素的结构

瘦素是Leptin基因编码的脂源性内分泌激素，由167个氨基酸构成，该多肽的N端含有一个具有21个氨基酸组成的信号肽，加工成熟后含有146个氨基酸残基，分子量为16kDa。不同物种间动物的瘦素蛋白是高度保守的。Zhang等（1997）对牛、人、猩猩、恒河猴、猪、鼠的氨基酸序列进行了比对，发现同源性达67%。人们对瘦素蛋白的三维结构进行研究，最终的核磁共振分析结果表明瘦素蛋白是一个四螺旋束的细胞因子，它由4个反向平行的α螺旋组成［4］。此外，核磁共振和晶体结构分析表明瘦素蛋白还包含一个二硫键，该二硫键对瘦素蛋白的功能至关重要，因为半胱氨酸的破坏会导致瘦素蛋白生物活性的丧失［4］。通过对人类的研究也表明，Leptin基因［5］和 Leptin受体基因［6］的失活突变会导致瘦素分泌失常，最终使得人类食欲过盛并患上严重的肥胖症。

3 Leptin的功能

瘦素主要由白色脂肪组织分泌，且主要在成熟的脂肪细胞中表达，另外在胎盘、乳腺、上皮和胃粘膜中也都有表达［7］。瘦素的生物学功能是由瘦素受体介导的，瘦素受体广泛分布于下丘脑、神经、心脏、肾脏、肺脏、肝脏、脂肪组织及胰岛细胞表面，其中又以下丘脑的几个神经核团最为重要。而瘦素受体的结构可分为3部分：胞外区、胞浆区和跨膜区。由diabetes gene编码产生的mRNA经过剪切可产生6种类型的瘦素受体，分别为：长型受体（Lep－Rb）、短型受体（Lep－Ra，c，d 和f）和可溶性受体（Lep－Re）［8］。其中只有长型受体能起到信号转导的作用，它由1165个氨基酸残基构成。胞内部分有两个结构域，一个可以激活Janus激酶（Janus－activated kinase，JAK）；另一个可以和转录蛋白的激活因子相互作用，进而调节与脂类代谢相关基因的转录。短型受体则起到转运信息的作用。目前对瘦素的研究不仅仅局限于人类和啮齿类动物（大鼠和小鼠），在牛、羊、猪等方面也有很多报道。其生理作用也涉及多个方面，包括对能量、生殖及免疫的影响。可见瘦素是一种多功能的细胞因子，它在血液中游离或与瘦素结合蛋白结合后到达中枢和外周，通过与其具有高亲和力的受体结合而发挥作用，也有的在局部以旁分泌或自分泌的方式发挥作用［9］。

3.1 Leptin与能量的关系

瘦素的主要功能是调节能量平衡。一方面，瘦素可以调控动物摄食和体重。研究表明，在给肥胖的小鼠提供一段时间的外源瘦素后，其摄食量明显减少，且减少量与瘦素的供给量具有一定的线性关系，同时小鼠的体重也呈现出相应的变化。当动物因采食过多而导致肥胖时，过多脂肪产生的瘦素会刺激下丘脑的感受器，然后通过交感神经将超重信号传递到摄食中枢，使动物减少摄食，增加能量消耗，以维持体重恒定；当动物处于饥饿状态时，血液中的瘦素水平下降，进而刺激下丘脑提高副交感神经的兴奋性，增加食欲，降低能量消耗以恢复正常体重［10］。另一方面，瘦素可以抑制脂肪生成。瘦素是由脂肪细胞分泌的，其受体也存在脂肪组织中，因此瘦素在脂肪组织中可通过自分泌方式发挥最基础的作用。它既可以促进甘油三酯分解，又可以抑制脂肪酸合成酶的表达，还可以通过增加能量消耗来介导乙酰辅酶A羧化酶基因的表达，从而起到抑制脂肪生成的作用［11］。总体上，瘦素的这些生理功能是通过下丘脑的反馈调节实现的。在下丘脑中，瘦素通过激活其长型受体而发挥作用。瘦素调节能量代谢主要依赖神经肽（NPY）递质系统和促黑皮质素（MSH）系统，分别在低和高瘦素水平时发挥作用。当血液中瘦素水平正常时，瘦素与其受体结合，作用于下丘脑的食物中枢，抑制弓状核神经元合成并释放NPY递质，抑制摄食，但并不影响脂肪代谢；当超出正常水平时，瘦素可通过与下丘脑的食欲刺激网络相互作用调节摄食量，同时促进脂肪代谢，使能量消耗大于吸收，从而使体重减轻。

但也有研究表明，有些肥胖患者体内瘦素水平非常高，但并未发挥出相应的生理功效，即使外源性瘦素也无济于事，这种现象被称为“瘦素抵抗”。发生瘦素抵抗可能有以下原因［12］：①患者血液中的瘦素无法向脑脊液中正常转运，因此无法与相应受体结合；②在肥胖患者体内可能存在瘦素的拮抗物，减弱了其生物学活性；③瘦素参与的信号通路出现问题。到目前为止，瘦素抵抗的确切原因尚不知晓，还有待于进一步研究。

3.2 Leptin与生殖的关系

瘦素既可以促进动物初情期的启动又能维持动物正常的发情周期。研究表明，每天给健康的动物注射一定剂量的瘦素，一段时间后，这些动物的生殖器官质量增加。原因在于生殖器官上存在瘦素受体，瘦素与之结合从而促进组织增生，或者瘦素先作用于性腺，使其释放类固醇激素，类固醇激素再作用于靶细胞，导致组织增生，由此说明瘦素是生殖系统中的重要信号因子。Yu等的研究表明，注射外源性瘦素的大鼠比未注射外源性瘦素的大鼠初情期提前。当动物体内脂肪含量正常时，分泌入血液的瘦素可以抵达下丘脑，调节促性腺激素释放激素的分泌。部分瘦素可进入垂体前叶，与其受体结合，促进与生殖功能相关激素的释放，启动初情期［13］。这些都表明瘦素对生殖起着重要作用。

此外，对于妊娠期的动物，母体血清中的瘦素水平也反映着胎儿的数量和发育状况。如多胎的江苏湖羊血清瘦素水平要比单胎的新疆农垦细毛羊高得多［14］。也有研究表明，进入胎儿体内的瘦素可与胎儿的心脏、肝脏、骨、肺、小肠、造血干细胞、脂肪等组织器官中的受体结合，调节胎儿的生长发育。脐带血中的瘦素水平也是衡量胎儿生长状况的指标之一。当胎儿体重较轻时，瘦素水平降低，促进胎儿脂肪组织的增长；而当体重较高时，瘦素水平也升高，从而抑制体重的过度增长，避免产生异常体重的胎儿［15］。

3.3 Leptin的其他生理功能

Bado等［16］曾在胃黏膜中发现了瘦素的存在，研究表明，在生理条件下，瘦素成为胃和神经中枢之间传递摄食信息的中介活性物质，起着控制摄食行为，稳定能量收支平衡，进而调节脂肪储存，稳定体重的重要作用。此外，瘦素作为一种细胞因子，对胃粘膜屏障起营养和保护的作用［17］。Bouloumie等［18］曾提出瘦素是一种促血管生成因子，能与血管内皮生长因子（VEGF）和成纤维细胞生长因子（FGF－2）协同作用，共同促进血管生成。瘦素还具有降低骨吸收，促进骨的形成，促进骨骼发育，及骨骼肌成肌细胞增殖作用［19］。另有研究表明，瘦素通过调节固有免疫和适应性免疫在维持免疫功能及动态平衡起着重要的作用。瘦素广泛调节各种免疫细胞的分化、成熟、迁移、细胞因子分泌，并维持细胞存活，而且参与多种自身免疫病及肿瘤的病理过程［20］。

4 Leptin的作用机制与信号转导

瘦素的生物学功能是由瘦素受体介导的。血液中的瘦素浓度和脂肪含量成正比，所以瘦素可以担当“信使”的角色，向中枢神经系统传输信号。伴随着脂肪的积累，瘦素的分泌量增加，其透过血脑屏障结合特定的受体，从而激活JAK2－STAT5、STAT3、PI3K、ERK和SOCS等信号通路［21］（如图1）。

图1 瘦素受体介导的信号通路

在瘦素参与的信号转导途径中主要的信号通路蛋白家族包括：STAT、细胞因子信号抑制子（SOCS）和细胞外信号调节激酶（ERK）。STAT蛋白家族均具有SH2结构域、羧基末端酪氨酸磷酸化位点，氨基末端部分则介导与多个DNA结合位点协调结合。STAT5作为一个催乳素诱导的转录因子，最早在乳腺组织中得以鉴定，而STAT3则与乳腺凋亡相关。SOCS蛋白家族包括SOCS1、2、3以及细胞因子诱导序列（CIS），它们也都具有SH2结构域，细胞因子（如瘦素）可以诱导SOCS蛋白家族的基因转录，相反，表达的SOCS蛋白则起到抑制细胞因子参与的信号通路及其生物学活性的作用。细胞外信号调节激酶（ERK），可以将细胞外的刺激信号传递到细胞核，是参与细胞应激反应和损伤反应的主要信号蛋白，介导细胞的生长、发育、分化以及凋亡。

研究认为JAK－STAT信号通路是瘦素参与信号转导并发挥其生物学功能的主要途径。瘦素与膜上受体结合，通过受体的构象变化激活在膜内与受体结合的JAK，于此同时受体磷酸化，结合STAT的SH2结构域。随后激活的JAK磷酸化STAT的酪氨酸残基，磷酸化的STAT与受体分离，形成二聚体后进入细胞核中与特定的DNA序列结合并激活转录。

LRa能够介导受体依赖的JAK2和胰岛素受体底物（IRS－1）的酪氨酸残基磷酸化，但信号转导能力要比LRb弱的多。LRb构象改变后能与JAK2结合形成复合物，JAK2的Tyr1007和Tyr1008磷酸化可使其本身被激活，从而使LRb结构域中的Tyr985和Tyr1138两个酪氨酸残基磷酸化。LRb中磷酸化的Tyr 985可通过结合蛋白酪氨酸磷酸酶（SHP－2），使其被JAK2磷酸化后激活ERK。LRb中磷酸化的Tyr 1138可结合转录因子SOCS3，它最终反馈调节并抑制JAK2／LRb信号通路。

5 小结

因为瘦素及其受体在体内广泛分布，并且参与多种生理过程，所以如果两者出现问题就会导致相应的疾病发生，例如肥胖、心血管疾病、自身免疫性疾病等。目前，瘦素的作用机制已成为生命科学领域研究的热点，与瘦素相关的各种疾病和治疗药物研发也引起了研究人员的广泛关注。

事实上，瘦素蛋白本身并不是很难得，但要使其发挥作用，就必须解决瘦素抵抗的难题，这也是药物开发研究的关键。同时，也必须注意到其效应的复杂性，扬长避短。其中与人类相关的研究则主要集中在肥胖、Ⅱ型糖尿病以及心血管疾病发病机理，以及治疗药物的寻找等方面。总之，关于Leptin基因的一系列研究将为人类疾病的治疗工作奠定基础，开拓思路。

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Research Progress of Leptin Gene

YANG Dong－ying（Shandong Key Laboratory in Universities of Biotechnology and Utilization of Biological Resources；Shandong Key laboratory of Functional Macromolecules and Biophisics，College of Life Science，Dezhou University，Dezhou，Shandong，253023）

Leptin encoding by the obesity gene，is an adipocyte－secreted cytokine.Its main function is to regulate the balance of energy through the signal transduction pathway，and it has a strong relationship with the function of reproduction，organism immune and so on.It also participates the occurrence and development of obesity，cardiovascular disease，diabetes，insulin resistance and other diseases.This paper makes a comprehensive overview on the latest research progress of Leptin.

Leptin；function；diseases

S823

A

1001－9111（2013）06－0045－04

2013－07－20

2013－09－14

国家自然科学基金项目（30901023）

杨东英（1974－），女，山东德州市人，副教授，研究方向为生物化学与分子生物学。