酒精经下丘脑POMC/AgRP神经元致能量失衡机制研究进展

杜 琴，严宗逊，宗海红综述，李敬东审校

0 引 言

下丘脑弓状核内的阿片黑皮质素原/刺鼠基因相关肽(pro-opiomelanocortin/agouti-related peptide,POMC/AgRP)神经元与体内能量代谢关系密切，POMC神经元是重要的厌食神经元，而AgRP神经元则是与其功能相反的促食欲神经元。酗酒导致代谢综合征和2型糖尿病的发病增加。不仅与肝及外周组织损伤有关，且可能与损伤POMC/AgRP神经元有关。本文主要就酒精经下丘脑POMC/AgRP神经元导能量失衡机制研究进展作一综述。

1 POMC/AgRP神经元简介

下丘脑是进化上保守的大脑结构，可调节生物体的基本功能，如体内代谢平衡和繁殖。在下丘脑神经元群体中，弓形核的黑皮质素系统在控制稳态功能中起主要作用。弓形核的黑皮质素神经元由两个不同的神经元群体组成：POMC的神经元和表达神经肽Y/刺鼠相关肽(NPY/AgRP)的神经元[1]。特别是弓形核的POMC神经元是代谢和繁殖的关键调节剂。在人类中，POMC基因位于2p23号染色体上，包含三个外显子和两个内含子(3708bp和2886bp)，跨度为7665bp[2]。其具有3种不同的启动子，可调节该基因在不同组织中的差异转录。这些启动子包埋在确定的CpG岛中，在正常的非表达组织中甲基化，使其不表达。而在表达POMC基因的组织中，启动子被特定地未甲基化以允许必需的转录因子的结合[3]。POMC基因在大脑，垂体和各种外周组织中表达。在大脑中，该基因主要在下丘脑弓状核中的神经元表达，并且在大脑其他部位(如杏仁核，海马，大脑皮层和脑干的核束孤窝)表达较少。 在垂体中，POMC mRNA水平在前叶和神经中叶中高度表达[2]。

2 POMC/AgRP神经元的功能

下丘脑弓状核内合成的POMC和AgRP，对能量平衡作用相反，POMC基因编码经历组织特异性蛋白水解的多肽激素前体，从而生成生物活性肽和激素的特定库，包括促肾上腺皮质激素，α-，β-和γ-黑素细胞刺激激素(melanocyte stimulating hormone,MSHs)和β-内啡肽，所有这些均可调节食物消耗和能量平衡[1]。

2.1α-MSHPOMC神经元中，神经肽前体被裂解为α-MSH，分泌后激活黑皮质素4受体(melanocortin 4 receptor,MC4R)，MC4R与刺激性G蛋白(Gs)偶联以激活腺苷酸环化酶(cAMP)，cAMP浓度升高激活，和下游蛋白激酶A(PKA/AKT)激活(即传统的Gs -cAMP-PKA信号通路)。此外MC4R诱导的cAMP浓度增加会激活直接由cAMP(EPAC)激活的交换蛋白，从而导致转录因子cAMP响应元件(cAMP response element,CRE)结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)的ERK1/2依赖性磷酸化，cFos的转录增加并降低了AMP激活的蛋白激酶(AMPK)的磷酸化和活性[4-5]。POMC神经元的膜去极化导致α-MSH释放，MC4-R活化，MC4R信号传导通过减少食物摄入和增加能量消耗来诱导一组特定基因的表达，从而发挥分解代谢作用[5]。而AgRP拮抗α-MSH对MC4-R的作用，从而导致增加食物摄入量和能源消耗的减少[6]。此外，包含抑制性神经递质GABA的NPY /AgRP神经元投射到POMC神经元上[7]，对POMC神经元活性起直接的抑制作用。

2.2β-内啡肽尽管人们认为POMC对能量平衡的主要影响是由α-MSH介导的，但有证据表明，另一种POMC衍生的肽，β-内啡肽(β-endorphin/β-EP)，一种内源性阿片样肽，可影响进食行为[8]。β-EP还通过与脑μ阿片受体(μ-opioid receptor,MOR)相互作用来影响进食行为，包括POMC神经元表达的与MOR的自抑制相互作用[9]。其可拮抗α-MSH对食物摄入的影响[10]。β-EP也已显示出抑制AgRP神经元的作用[11]。 β-EP在调节能量平衡中的作用已得到广泛研究，但仍未被完全了解。

2.3NPY/AgRP神经元该神经元中表达的MC3R的功能是调节GABA在MC4R神经元上的释放，其途径是将能量平衡从一个设定点调整到另一个设定点[12]。NPY/AgRP神经元可通过禁食和生长素释放肽激活，并受瘦素和进食的抑制[13-14]。AgRP神经元表达生长素释放肽受体，也称为生长激素促分泌素受体(growth hormone secretagogue receptor,GHsr)，以介导生长素释放肽的致食性和糖调节作用生长素释放肽通过依赖于线粒体解偶联蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)的机制诱导AgRP神经元活化[15-16]。实验证明下丘脑AgRP神经元(而非POMC神经元)中的n-甲基-d-天冬氨酸受体(n-methyl-d-aspartate receptors,NMDAR)亚基GLUN2B是小鼠正常体重稳态所需的。仅在AgRP神经元中去除GLUN2B将导致体重、热量摄入、脂肪量、循环瘦素水平降低[17]。下丘脑内注射谷氨酸类似物(NMDA特异性受体)会引起强烈的进食行为[18]，而NMDA特异性受体拮抗剂会抑制进食[19]。通过在AgRP神经元上表达的含GLUN2B的NMDAR引起的谷氨酸能输入的丧失，完全可以防止瘦素缺乏的肥胖动物患上糖尿病[17]。

3 POMC/AgRP 神经元调节

已经证明，许多与能量稳态控制有关的激素会影响POMC/AgRP mRNA表达或POMC/AgRP神经元兴奋性，包括胰岛素和瘦素、营养物质如脂肪酸和葡萄糖，也可能在POMC和AgRP神经元活性的调节中起重要作用。重要的是，所有这些信号都具有调节ATP依赖性钾(ATP-sensitive potassium,KATP)通道的能力[20]。根据“神经传感器”模型，葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白(glucose transporter,GLUT)(如GLUT2)被神经元吸收。然后，葡萄糖被葡萄糖激酶磷酸化，随后代谢生成ATP。无论使用何种底物，神经元代谢都会产生ATP，该ATP结合并关闭KATP通道，从而导致钾流出减少，神经元膜去极化并最终导致电活动增加。KATP通道，其包括一个信道孔亚基(KIR 6.1或6.2)和调节磺脲亚基(SUR1或SUR2)，被广泛表达于大脑中，包括POMC和AgRP的神经元[20]。 下丘脑弓状核内的POMC神经元被证实受到葡萄糖的刺激，葡萄糖的兴奋作用可能是直接的，因为当用低钙、高镁溶液阻止突触传递时，葡萄糖仍然能够激发POMC神经元。在高脂饮食的肥胖小鼠中，POMC神经元对葡萄糖的感觉变得有缺陷，肥胖引起的POMC神经元葡萄糖感觉丧失的机制涉及UCP2，一种线粒体蛋白，损害了葡萄糖刺激的ATP生成[21]。另一方面，ATP的产生会降低AMP/ATP比率，从而导致AMPK活性降低，至少在POMC和AgRP神经元中AMPK本身似乎是葡萄糖感测所必需的[20]。

3.1瘦素脂肪细胞衍生的激素，作用于中枢神经系统上通过激活瘦素受体的长信号形式来调节能量平衡、葡萄糖代谢和神经内分泌行为[22, 23]。阿片促黑素皮质素(pro-opiomelanocortin)和刺鼠相关蛋白(agouti-related peptide)神经元，均表达瘦素受体，并分别受到瘦素的刺激和抑制。在本世纪初，人们发现瘦素通过打开非选择性阳离子通道来激发/去极化POMC神经元，这是代谢激素抑制食物摄入的重要作用[24]。2015年人们发现TRPC 5通道构成了介导反应的非选择性阳离子通道[25]。瘦素通过非选择性阳离子电流的激活使POMC神经元去极化，当瘦素结合到LepR-b的细胞外区域时，激活Janus激酶( Janus kinase,JAK)。JAK结合并磷酸化LepR-b[26]，后者激活STAT3，一旦磷酸化，STAT3与POMC和AgRP启动子结合，刺激POMC表达并抑制AgRP[27-28]。POMC神经元中的瘦素受体与JAK-IRS-PI3K信号传导途径偶联，从而诱导POMC神经元活化[29]。酪氨酸磷酸酶PTP1B已被证明是POMC神经元中瘦素信号传导的重要调节剂，因为在此特定的神经元群体中删除它可减少饮食引起的肥胖，并增加能量消耗[30]。有研究表明，AgRP神经元中ATF4的缺失提高了瘦素的敏感性，瘦素调节神经回路，抑制食物摄入和增加能量消耗[31]。

3.2胰岛素胰岛β细胞分泌胰岛素，短期内取决于血糖水平，长期内取决于脂肪水平。胰岛素调节POMC神经元的兴奋性并促进POMC的表达，胰岛素诱导的POMC细胞兴奋性增加转化为转录活性增强，即脑室内注射胰岛素后，弓形核中c-Fos表达增加，特别是POMC神经元中的c-Fos表达增加[32]。在中枢神经系统中，当胰岛素与其受体结合时，会诱导IR的自磷酸化和IRS蛋白的募集以及随后PI3K和MAPK级联的激活。在POMC神经元中，胰岛素受体(InsR)与磷酸肌醇3激酶(PI3K)p110β激活偶联[33-34]。而通过抑制PI3K活性消除了InsR介导的POMC神经元兴奋[32-33]。PI3K的激活会产生磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(PIP3)，从而刺激磷脂酶C(PLC)和蛋白激酶B(AKT)活化[32,35-36]。活化的AKT进入细胞核，通过叉头盒转录因子O型亚型1的磷酸化和失活来调节神经肽的表达，即可促进POMC的转录和羧肽酶的表达，同时增加POMC对α-MSH的处理，并抑制食物摄入[37]。胰岛素通过打开KATP通道使AgRP神经元超极化并抑制其放电[38]。胰岛素也抑制神经肽AgRP对于α-MSH /MC4R的拮抗作用[39-40]。IR信号抑制下丘脑中表达AgRP的神经元，从而有助于抑制胰岛素对肝葡萄糖生成(HGP)的作用，中枢神经系统介导的HGP抑制是由迷走神经传出和α7烟碱型乙酰胆碱受体共同调控的，这些受体促进肝中Kupffer细胞的表达并释放白介素6(IL-6)，IL-6通过STAT3反过来作用于肝细胞，以抑制糖原异生酶的表达，如葡萄糖6磷酸酶(由G6pc编码)和磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶。最近研究表明，AgRP神经元的急性激活可通过抑制供应棕色脂肪组织(BAT)的交感神经纤维的活性从而抑制BAT的葡萄糖摄取来促进全身胰岛素抵抗，而不影响HGP。这些作用似乎与黑皮质素系统无关，因为POMC神经元的急性激活对BAT葡萄糖摄取没有影响[41]。

当侧脑室注射瘦素和胰岛素时，两者都会抑制食物摄入[42-43]。瘦素和胰岛素对摄食的抑制可通过预处理SHU9119(一种MCR-3/4拮抗剂)阻断，支持黑素皮质素系统在这一过程中的作用[44]。胰岛素和瘦素与其同源受体结合，都经过IRS-PI3K-PLCγ-信号传导途径，从而导致TRPC5通道激活；IRS蛋白的磷酸化激活PI3K，随后激活PLCγ1以增强TRPC通道活性和POMC神经元兴奋性。由于很明显胰岛素和瘦素对于调节食物摄入和能量消耗至关重要，因此该信号通路，尤其是非选择性TRPC5通道，是导致肥胖和肥胖症中胰岛素和瘦素抵抗的关键解偶联事件的潜在靶标[45]。

4 酒精对POMC/AgRP的影响

饮酒，尤其是高风险饮酒，被认为是全球最严重的公共卫生问题之一，是全球疾病的第五大主要危险因素[46]。已证明长期接触乙醇液体饮食可降低POMC和PC1/3转化酶(PC1/3是负责将POMC裂解为后续MC肽的酶)。大鼠40 μm冠状切片的显微照片显示下丘脑弓状核(Arc)中PC1/3阳性细胞体的定量显示：与配对饮食的对照饮食(CD)相比，暴露于含乙醇饮食18天(ED18)的SD大鼠在下丘脑弓状核(Arc)显示出POMC和PC1/3 IR的显著降低[47]。以及SD大鼠的弓形、延伸杏仁核区域和丘脑的α-MSH水平[48]。慢性酒精暴露后大鼠下丘脑中POMC mRNA和肽水平降低[47,49]。乙醇对NMDA受体(NMDAR)功能的作用已得到深入研究。通常，急性酒精暴露具有抑制作用，而长期暴露会导致NMDAR介导的突触可塑性以及NMDAR介导的谷氨酸能突触传递增加[50]，从而促进进食，体重增加。此外，选择性删除皮质中间神经元中的GluN2B NMDAR亚基可减少乙醇的寻觅[51]。怀孕母鼠通过酒精饮食的摄入会导致雌性、雄性后代在成年后下丘脑的POMC神经元功能显着下降，包括POMC基因表达降低及其蛋白产物β-内啡肽生成。导致POMC基因较低表达的胎儿酒精程序设计似乎涉及DNA甲基化，胎儿酒精暴露动物在POMC基因启动子区域的近端显示出一些CpG二核苷酸的甲基化增加[52]。研究表明，急性酒精摄入会暂时降低人脑中葡萄糖的代谢率(cerebral metabolic rate of glucose,CMRGlu)，而长期过量饮酒会导致CMRGlu持续下降。与急性和慢性酒精消耗相关的CMRGlu降低可能反映了酒精导致的大脑活动减少(通过降低神经元兴奋性)[53]。综上表明酒精可能通过改变POMC/AgRP活性而对进食、能量代谢产生影响。

同时有数据表明，在饮酒一段时间后，α-MSH信号的减弱和AgRP活性的增加损害了MC系统对过量乙醇消耗的保护作用[54]。研究表明，MTII(MCR激动剂)的外周和中枢给药均降低了C57BL / 6J小鼠的自愿乙醇摄入量，而注射MCR拮抗剂AgRP-(83-132)显着增加了C57BL / 6J小鼠的自愿乙醇摄入量[55]。表明MTII对乙醇摄入的作用是由MCR介导的。此外，MC4-R似乎是调节MCR激动剂对乙醇摄入的作用的主要受体[56]。酒精不但可经过降低POMC神经元活性、α-MSH水平，增加AgRP活性从而导致进食增加、肥胖及胰岛素抵抗的发生，同时长时间饮酒还损害MC系统对过量饮酒的保护作用。

5 结 语

POMC神经元水解产物α-MSH和β-内啡肽等以及AgRP通过MCR(尤其是MC4R)调节进食行为及能量代谢，其活性受与能量稳态控制有关的激素(包括胰岛素和瘦素)及营养物质(如脂肪酸和葡萄糖)调节。目前研究显示酒精可能通过降低POMC活性、α-MSH水平，增加AgRP活性，增加食物摄入、减少能量消耗，导致肥胖及胰岛素抵抗；同时AgRP在促进酒精摄入中起作用。本文提示POMC/AgRP神经元的调节可能与人类糖尿病和肥胖的新疗法的未来发展有关。