黑皮质素神经元通过多重途径调节新陈代谢

赵宇飞,科尔沁满来,张 雪,李鹏辉,杜晨光

(内蒙古农业大学职业技术学院,内蒙古 包头 014109)

中枢黑皮质素通路由众多神经元组成,释放内源性黑皮质素配体(ACTH,α-β-γ黑皮质素刺激激素(MSH)),五个受体(MC1R,MC2R,MC3R,MC4R及MC5R)和内源性黑皮质素抑制剂/反向激动剂及刺鼠相关肽(AgRP)。中枢神经系统中POMC神经元定位在下丘脑弓状核(ARC)及脑干的孤束核(NTS)内,二者均涉及到能量平衡的调节中。在热量充足的应答中,POMC神经元被激活后减少进食,增加能量消耗及减少体重。AgRP被促进食欲的激素Ghrelin激活,被厌食激素如5羟色胺或Leptin抑制[1-3]。

ACTH和α-β-γ MSH是中枢黑皮质素系统的激动剂,结合五种不同的G蛋白偶联受体(MC1R,MC2R,MC3R,MC4R及MC5R)。这五种黑皮质素受体经鉴定仅有MC3R和MC4R表达在中枢神经系统,ACTH和α-β-γ MSH与MC3R和MC4R结合进而调节能量平衡[1-3]。类似于人类基因突变,MC4R基因敲除小鼠表现为食欲增加、高血糖、血Leptin增多以及血胰岛素增多。

在中枢黑皮质素系统中AgRP和POMC在小丘脑弓状核是两个上游神经元。这两个上游神经元整合、分配来自于中枢或外周的激素或神经信号等信息如脂肪酸(FA)、胆囊收缩素(CCK)、肽 YY(PYY)、瘦素、胰岛素、饥饿素、垂体腺苷酸环化酶激活肽(PACAP)、羟色胺、GABA以及谷氨酸盐。本文主要概述“营养感应”中枢黑皮质素通路内的信号在健康范围内维持体重及肥胖中的作用。

1 激素信号

1.1 Leptin Leptin有外周脂肪组织合成并释放,在调节能量平衡中有重要的作用。在啮齿类和人类中Leptin或其受体缺乏是暴食和减少能量消耗导致肥胖的原因。Leptin注射到Leptin敲除小鼠中可完全的抑制暴食及肥胖,现已证明长期注射Leptin可完全消耗尽脂肪组织。脑室内注射非选择性MC4R抑制剂SHU9119可抑制肥胖小鼠中Leptin的抑制进食效应。同样,脑室内注射Leptin不能缓解MC4R敲除肥胖小鼠的暴食行为。只有在中枢黑皮质素系统被SHU9119抑制时Leptin通过中枢系统可调节葡萄糖合成减少。这些结果显示,中枢黑皮质素系统是Leptin调节体重、能量平衡及葡萄糖稳态的下游靶点。

1.2 Insulin Insulin是一种由胰腺分泌的肽类激素,主要调节外周血糖平衡。中枢Insulin与其受体(IR)结合模拟一种能量过剩的状态,从而抑制进食及体重增加。IR广泛表达在中枢神经系统中,在下丘脑区域表达量最高。在AgRP神经元中敲除IR发现抑制肝脏合成葡萄糖需要Insulin激活AgRP神经元。然而,在POMC神经元中敲除IR不影响能量或葡萄糖稳态。尽管如此,黑皮质素系统依然影响Insulin的作用。尤其是弓状核POMV神经元投射到中间外侧核和迷走神经背侧运动核的MC4R表达区域,减少Insulin释放或者增加Insulin敏感度。一个潜在的机制,MC4R的活化可能是由于Insulin通过AMPK通路激活mTOR信号,抑制c-Jun N氨基末端激酶活性以及促进Insulin信号[5]。这些研究显示,在黑皮质素系统与Insulin信号通路间有强相互作用。

1.3 脂肪酸类 脂肪酸类(FA)作为一个营养利用率的感受器在脑内控制能量平衡。在下丘脑内,来自于外周的FA信号调节摄食、Insulin分泌以及肝葡萄糖合成(HGP)。啮齿类动物脑室内注射单不饱和酸油酸(OA)或多不饱和氧-3-二十二碳六烯酸显示增加POMC mRNA表达量以及减少了NPY mRNA表达量,随后释放α-MSH释放减少进食、降低体重及葡萄糖合成。然而,中枢给药SHU9119 48 h后,没有明显的血糖水平-OA持续抑制血糖合成的作用[6]。脂肪酸合成酶(FAS)和促进食欲的NPY在弓状核出有共表达关系。抑制FAS C75的作用能够明显的减少进食及体重。然而,这种厌食效应通过影响NPY在黑皮质素系统中的合成被介导[7]。总之,POMC神经元和AgRP神经元在下丘脑内指示血浆FA水平及他们的代谢物调节能量平衡及葡萄糖稳态。

1.4 胆囊收缩素 胆囊收缩素(CCK)是一种胃肠释放肽,合成在胃肠系统及中枢神经系统。所有外周或中枢给药CCK均会引起进食减少。首先进食后,CCK激活孤束核CCK神经元,孤束核神经核团做出应答进而抑制进食并且减少进食量。化学遗传和光遗传学试验均显示这种饱食功能通过CCKNTS-PVH通路介导。其次,电生理记录显示,PVH中约有23%的MC4R神经元被CCK-8激活,表明CCK激活PVH中控制食欲的MC4R表达神经元[8]。第三,在大鼠中SHU9119可阻断CCK介导的抑制进食效应。最后,MC4R激动剂黑素2(MTII)在第四室刺激ERK1/2在NTS的磷酸化作用,而MC4R抑制剂SHU9119在第四室调节自由进食的老鼠限制了CCK诱导的ERK1/2在NTS的磷酸化作用,并阻断CCK引起的减少食物摄入效应。以上结果显示,活化的MC4R参与CCK介导的抑制进食效应。

1.5 Ghrelin Ghrelin是一种促食欲肽,主要合成在胃中。当缺乏Ghrelin受体小鼠饲喂高脂饮食后表现为血压不正常及偏瘦。此外,这些GHSR缺乏小鼠表现为增加自发活动及增强葡萄糖稳态[9]。Ghrelin通过激活ARC内的NPY/AgRP神经元中的GHSR从而刺激进食及增加局部脂肪量。脑室内(ICV)注射未酰化Ghrelin增加MC4R表达量,减少MC3R表达量[10]。在人类的研究中与瘦患者相比在MC4R缺乏的患者中,对总Ghrelin的餐后抑制减弱。表明对人类餐后Ghrelin抑制的调节可能涉及到中枢黑皮质素信号。以上结果表明,中枢黑皮质素信号在调节Ghrelin的促食欲效应中起关键性作用。

1.6 缩氨酸YY 缩氨酸YY(PYY)是一个厌食胃肠激素,主要表达在肠L细胞。PYY与能量平衡及葡萄糖稳态有关。餐后PYY与胰高血糖素样肽1共同分泌。PYY敲除小鼠表现为进食增加并演变为肥胖。相反,PYY过表达转基因小鼠减少进食量并防止了饮食诱导的肥胖。在人类的研究中外周给药PYY3-36可减少进食。在饮食诱导的肥胖啮齿类动物模型中,外周给药PYY3-36可减少进食、降低体重及提高胰岛素敏感度。有趣的是,在之后的研究中证明MC4R对于PYY3-36的厌食效应并不重要,因为PYY3-36同样影响包括野生型小鼠及MC4R缺乏小鼠的饱食。因此,在接下来的研究中需要阐明PYY和MC4R间的关系。

1.7 垂体腺苷酸环化酶激活肽 垂体腺苷酸环化酶激活肽(PACAP)最初来源于牛下丘脑,属于作用于血管的肠道多肽/分泌素/高血糖素的神经肽家族,PACAP基因敲除小鼠与受损的脂类代谢、糖类摄入及棕色脂肪组织产热有关,然而PAC1R基因切除小鼠导致胰岛素对葡萄糖的敏感度受损、减少葡萄糖耐受性[11]。此外,脑室内注射PACAP与PAC1R结合后增加POMC mRNA和MC4R mRNA的表达,减少进食并增加能量消耗。然而这种影响在PACAP或PAC1R基因敲除小鼠中被削弱。PACAP在食物摄入量中的影响通过MC3-R或MC4-R抑制剂SHU9119同样被减弱。因此,上述结果表明,PACAP通过黑皮质素相关通路影响能量平衡。

2 神经信号

2.1 血清素 血清素(5-羟色胺,5-HT)是一种多功能单胺神经递质,分泌与所有的外周组织及脑组织。现已证明血清素与5-HT2C或5-HT1B受体结合后可抑制进食及促进体重减少[12]。药理学研究证明,在中枢神经系统中增加5-HT活性能够引起血清素的厌食效应。全身缺乏5-HT2C或5-HT1B小鼠导致暴食、肥胖、葡萄糖稳态受损及减弱对厌食5-HT药物的反应。最近的研究显示,黑皮质素通路是重要的血清素反向影响能量平衡的下游调节剂[13]。大鼠使用 MC3R或 MC4R抑制剂SHU9119处理后5-HT2C受体特异性激动剂D-Fen的厌食效应被减弱。有趣的是小鼠缺乏MC4Rs对于5-HT2C受体激动剂诱导的肥胖没有反应。这些研究表明,完整的中枢黑皮质素系统对于血清素的厌食效应是必须的。

2.2 GABA γ-氨基丁酸(GABA)在脑内主要的抑制性神经递质,作用的发挥通过两种不同类型的膜GABA受体：离子转换(GABAA)和代谢型(GABAB)受体。双边下丘脑外侧区注射GABAA受体抑制剂苦味毒可明显的引起进食相反注射GABAA受体激动剂蝇蕈醇可明显抑制进食及体重。表明GABA有直接抑制POMC神经元快速影响下游神经元活性的作用。最后这些结论表明,在后脑的外侧臂旁核GABA释放到AgRP神经元与GABAA受体神经元结合进而调节食欲及体重。接下来的研究中将使用遗传小鼠模型,这对于进一步理解GABA在中枢黑皮素途径中的作用有积极意义。

2.3 谷氨酸盐 谷氨酸盐是脑内一种主要的兴奋性神经递质,主要调节体重、进食及代谢。在暴食进食障碍的狒狒模型中代谢性甘氨酸盐mGluR5受体激动剂(R,S)-2-氯-5-羟基苯甘氨酸(CHPG)研究证实也可刺激进食,谷氨酸能抑制剂 NMDA及mGluR5受体证实可减少食物摄入量[14]。在NPY神经元和POMC神经元上观察到大量的囊泡谷氨酸转运体2(VGluT2)-免疫反应末端,表明谷氨酸能神经纤维被定位在弓状核区域[15]。这些结果显示,谷氨酸盐通过黑皮质素依赖性途径可能影响进食行为。此外,在MC4RR沉默背景的小鼠中仅在Sim1神经元中选择性的恢复MC4R表达通过改善暴食进而逆转肥胖表型。因此,这些研究结果表明,在下丘脑PVH中MC4R表达的谷氨酸能神经元对于MC4R控制进食是必要和充分的。

3 展望

使用基因突变及药用化合物很大程度拓展了我们对于黑皮质素系统在调节能量平衡中作用的认识。Leptin、CCK、脂肪酸、Ghrelin和血清素在能量平衡中的作用取决于黑皮质素系统。相反,PYY、PACAP和谷氨酸盐在能量平衡总的作用不依赖此系统。神经科学的发展尤其是小鼠模型的发展、SRISPR技术、光遗传学、化学遗传学、顺行/逆行映射技术及细胞测序随着神经元或激素输出的鉴定对于体重调节至关重要[16]。为了验证从啮齿类动物上的发现,还需要建立灵长类动物模型。这些未来的研究将为人类疾病提供重要的思路。