线虫脂肪模型研究

徐蔓玲，赵 阳，贾熙华，季宇彬

(1.哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨150076;2.北京大学医学部天然药物与仿生药物国家重点实验室，北京100083)

肥胖是一种体内脂肪酸(主要是饱和脂肪酸)积累增加的现象，目前在全球各地区的发生率有逐渐升高的趋势.肥胖是人类的一种慢性杀手，由于表现的不仅仅是体重的增加，而且还与众多的代谢疾病有关，如可以增加糖尿病，心血管等疾病发病风险，从而影响人的生活质量及寿命.

肥胖本质上是一种能量代谢失衡的一种疾病，能量的平衡是食物摄取，营养的转运和储存共同作用的结果[1].控制饮食是减肥的一个重要手段，但我们仍然发现有一部分人群对多余体重的增加有耐受性，这意味着人体内存在着一些编码基因，这些基因通过编码与营养摄取，代谢、储存的系统相关酶从而来调节能量的摄取代谢平衡.有报道称导致人体肥胖的因素40%～70%与人体内的某些功能基因异常有关[2].肥胖的治疗除了饮食控制之外，研究者还试图通过调节一些体内功能基因的表达，从而减少饱和脂肪酸的积累，促进其转化，从而达到体重减少的目的.

秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans，简称线虫)是一种重要的模式生物，它为我们研究脂肪代谢机理及相关基因作用提供了极大的方便.1963年，Brenner发现了秀丽隐杆线虫，并将之引入到生物学界研究，如今秀丽隐杆线虫几乎应用到从胚胎发育学到老年学等各个生物学研究领域.线虫的成虫有约1 mm长，整个生长周期为两三周.以缺陷型大肠杆菌(OP50)为食，繁殖快，具有经济，观察周期短的优势.线虫具有丰富的遗传资源和遗传背景，它是世界上第一个完成全基因组测序的生物.人们发现它体内保留着约有65%的与人体疾病相关的基因[3].随着功能基因组时代的到来，线虫被视为可以探明人类致病基因或致病相关因子，寻找可能的药物靶点的强大工具.人们研究发现线虫体内有超过300个基因显示当它们激活时可以减少脂肪的积累，有超过100个基因当它们激活时可以增加脂肪的的储存[4].线虫目前已经成为研究脂肪代谢的重要模型生物.

线虫成为研究脂肪代谢与分子机制的重要模型是因为它和其他模式生物相比，具有许多无可比拟的优势[5]:1)线虫身体通身透明，脂肪颗粒主要存储于肠道及皮下组织，且标记简单，利用油红、苏丹黑、尼罗红染色后，用显微镜就可以观察线虫体内脂肪的堆积;2)线虫中具体脂肪酸成分经过衍生化后，利用气质联用(GC－MS)方法进行分析考察;3)线虫中脂肪酸合成与代谢的生化通路，与其他动物以及人体相同或高度相似，各关键代谢步骤的酶与其他物种相似度较高;4)线虫的一些脂肪积累核心调控通路已经研究成熟，便于进行后期参照和进一步研究[6].

1 线虫脂肪酸代谢途径

线虫体内脂肪酸代谢途径包括脂肪酸的合成与储存，分解与转运.它和其他生物及人体基本相似.但研究发现有区别的是线虫体内的不饱和脂肪酸主要来自于以乙酰辅酶A为起点的从头合成，原因是这部分脂肪酸在大肠杆菌食物中不存在，且大肠杆菌自身也不能合成[7].例如，线虫体内主要脂肪酸棕榈酸C16∶0的来源93%来自于它的细菌食物—大肠杆菌，另有7%来自体内以乙酰辅酶A为起点的从头合成[7].仅有的这7%从头合成部分在不饱和脂肪酸合成中起到了极大的作用.它承担着约线虫中20%的不饱和脂肪酸的合成，另外约有＞99%的单甲基支链脂肪酸C15∶iso和C17∶iso的合成也来自于此[8].不饱和脂肪酸是线虫生长必需的，如多不饱和脂肪酸(PUFAs)的减少，会造成线虫体内脂肪酸成分构成失衡，导致生长缓慢，生殖缺陷等多种表型缺陷[9].单甲基支链脂肪酸的缺失，线虫会停止生长和发育[10].

图1中，(A)从头合成多不饱和脂肪酸是指在乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和脂肪合成酶(FAS)的从底物乙酰辅酶A开始合成，食物中获得的脂肪酸如棕榈酸C16∶0也可以进入到该途径，然后在各种去饱和酶和碳链延长酶的作用下转变为不饱和脂肪酸.(B)单甲基支链脂肪酸的合成是以支链脂肪酸为底物，在脂肪合成酶(FAS)和特殊的延长酶作用下合成 C15∶iso和C17∶iso.

2 Δ9脂肪酸去饱和酶在脂肪酸代谢调节方面的作用

线虫体内单不饱和脂肪酸(MUFAs)是调节脂质合成与分解的一个重要的节点.Δ9脂肪酸去饱和酶(Stearoyl－coenzyme A desaturase)，是在饱和脂肪酸的9位插入第一个双键，又被称为SCD.在哺乳动物小鼠体内，人们研究发现SCD基因突变体小鼠相对于野生型，增加25%的食物消耗，但体内积累的脂肪却明显少于野生型[11－12]，原因在于SCD缺陷型小鼠可以减少脂肪生成，增加线粒体氧化酶作用，并增加生热作用.研究表明SCD在能量代谢中具有重要的调节作用，是开发肥胖治疗药物一个很有前景的靶点[13].无论是小鼠还是线虫，SCD基因的突变体脂肪含量显著下降.研究还发现，SCD突变体线虫是通过调控脂滴的大小和数目这两者来共同影响脂肪含量的[14].线虫体内SCD是由 fat－5、fat－6、fat－7 基因编码的.fat－5 特异性编码使 C16∶0 转变为 C16∶1，fat－6、fat－7 特异性编码使C18∶0转变为C18∶1n9.如果这三个基因都突变的话，线虫则不能存活，这表明内源性的单不饱和脂肪酸是线虫存活所必需的.但如果仅是基因表达受到抑制，单个或两个基因发生突变的话，线虫能存活，但脂肪积累会减少[15].例如，使Fat－7表达量降低后，脂肪积累会减少，生命周期变短，但fat－7基因缺失突变体却没有发生类似的状况，这可能是由于fat－6、fat－7突变后剩余的Δ9脂肪酸去饱和酶代谢补偿的结果[15].在线虫体内实际上Δ9脂肪酸去饱和酶受多种因素的影响，如核激素受体NHR－49，sbp－1和转录共激活子mdt－15 的调控[15－17].

3 线虫脂肪调节的核心通路

线虫脂肪调节的核心通路研究的有许多，代表的有:胰岛素通路和TGF－信号通路，核激素受体NHRs介导的信号通路，Sbp－1/mdt－15介导的信号通路、5－羟色胺介导的信号通路.

3.1 胰岛素通路和TGF－信号通路

胰岛素信号通路(insulin signaling pathway)是线虫脂肪代谢调节的一个重要的通路.已有研究发现胰岛素信号通路调节在脂肪代谢作用方面从线虫到人体是高度保守的[18].线虫胰岛素信号通路调节主要是daf－2途径，daf－2编码一种胰岛素受体，线虫体内daf－2编码基因与人体胰岛素受体基因1/3同源，是胰岛素信号通路中的一个关键基因.daf－2突变后的线虫增加了脂肪的积累和糖元的产生[19].线虫 age－1与daf－2突变体的表型相似，age－1与人磷脂酰肌醇3－羟基酶同源，是胰岛素受体(daf－2编码的)的下游分子，它的突变体中线虫的脂肪积累也会增加[20].daf－18干扰age－1下游蛋白PDK－1，从而使SGK－1/akt－1/－2复合体磷酸化，起到抑制下游途径daf－16受体作用.daf－16是胰岛素信号通路的一个重要的角色，它的靶点是 daf－2.daf－16能编码 forkhed家族中的转录因子FOXO.胰岛素信号通路还有另外一条平行调节的通路，即daf－7信号通路.daf－7因与TGF－的同源，也被称TGF－信号通路，它的突变体也能增加脂肪的积累和糖元的产生[19].

3.2 核激素受体介导的信号通路

核激素受体(nuclear homone recpetors，NHR s)是存在细胞核外面的一些转录因子，NHR－49和NHR－80是两种重要的核激素受体，它们可以调节fat－5和fat－7的表达.人们研究nhr－80突变体的fat－5和fat－7的表达水平，发现nhr－80对于fat－7上调表达来补偿fat－6的突变是必须的[16].在nhr－49突变体线虫中，和野生型相比，fat－5和fat－7的表达量减少了30倍;脂肪酸的组成发生了变化，C18∶0与C18∶1n9的比值增加了2倍多，即Δ9脂肪酸去饱和酶的活性降低.这说明nhr－49可以促进线虫脂肪酸去饱和酶基因的表达[21].通过系统的研究发现，nhr－49除了促进线虫脂肪酸去饱和酶基因的表达，还可以促进线粒体－氧化酶基因的表达.nhr－49基因突变后，可以显著降低可能与线粒体－氧化密切相关的ech－1、F09F3.9和acs－2这3种基因的表达量，导致线虫脂肪积累明显增加[16].因此nhr－49可以促进ech－1、F09F3.9和acs－2这3种－氧化酶基因的表达，nhr－49突变体中脂肪积累过多的原因之一可能是线粒体－氧化功能的降低[6].虽然NHR－49与哺乳动物核激素受体中肝细胞核因子4家族高度相似，但功能中更接近过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator－activated receptors，PPARS).实际上，研究也证实NHR－49在调节脂肪合成，脂肪酸、糖元的氧化功能是与小鼠的PPAR －是一致的[22].

3.3 sbp－1/mdt－15介导的信号通路

固醇反应元件结合蛋白(sterol response element binding protein SREBP)是维持哺乳动物体内脂肪和胆固醇稳态的一个重要转录调节子[23].新合成的SREBPs存在于细胞膜的内质网中，这时它们没有生物活性，但当特殊的细胞脂肪水平下降时，这类蛋白就会转运到高尔基体中，然后进入到细胞核中发挥生物活性，激活脂肪合成基因的转录，线虫体内有其同源基因sbp－1，运用与该基因相关的RNAi或突变体技术，发现该基因具有降低线虫脂肪储存功能，提高饱和脂肪酸的组成，生长受到伤害，减少脂肪合成基因如fat－6，fat－7的表达[24－25].这些研究表明 SREBP 在线虫体内是脂肪酸合成和脂类平衡的一个重要调节因子.MDT－15是一个中间体，可以直接和特异性影响SREBP的活性[25].在线虫体内，RNAi干扰技术减少 mdt－15的表达，线虫生长缓慢，脂肪储存降低，并减少fat－7的表达[25].这预示着Δ9脂肪酸去饱和酶是这些调节因子的重要靶点.外源性补充油酸(十八烯酸)，可以挽救 mdt－15、sbp－1及fat－6/fat－7突变动物的表型，因此，sbp－1在线虫的脂肪积累及脂肪酸的组成的调控中发挥重要功能，mdt－15则作为转录共激活子作用于该通路的调控.

3.4 5－羟色胺介导的信号通路

tph－1基因编码线虫中惟一的色氨酸羟化酶，在5－羟色胺的生物合成中发挥重要作用.在人体中，服用5－羟色胺受体激动剂或5－羟色胺再摄取抑制剂会减少进食和减轻体重.小鼠缺少5－羟色胺，会增加进食、增加体重并发展为糖尿病.在线虫中，喂食5－羟色胺会使线虫咽泵运动速率加快，脂肪酸积累减少.tph－1突变体线虫缺少5－羟色胺，脂肪积累增加，减少产卵和吞食、代谢速率减慢但生命延长.这样tph－缺失导致的代谢失调可能部分归因于TGF－和胰岛素类似的神经内分泌的信号下调[26].

4 结语

综上所述，线虫是研究脂肪代谢一种重要的模式生物，尽管线虫体内仍有许多影响脂肪代谢基因功能未了解清楚，但这并不能影响线虫自身成为脂肪研究的首选模型.利用线虫脂肪代谢模型可以深入解析脂肪酸代谢的分子机制，并可能对人体肥胖等代谢障碍疾病研究具有重要的指导作用.另外，我们把线虫脂肪模型引入到天然产物有降脂活性化合物的筛选中，可以拓宽天然产物的活性筛选范围，还可以提高筛选效率，增加了天然产物在脂肪代谢疾病方面的成药几率.

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