瘦素/瘦素受体的分子生物学特性及其与肥胖的相互关系研究进展

李雪华，崔金忠，章金刚，2*，刘兴友*

(1.新乡学院生命科学与基础医学学院/动物疫病分子诊断河南省工程实验室，河南新乡 453003；2.军事医学研究院卫生勤务与血液研究所，北京 100850)

由肥胖(Obesity，ob)基因表达的瘦素(leptin，Lep)通过激活瘦素受体(leptin receptor,LepR)传递抑制摄食、调节脂肪沉积与能量代谢信号，这是大量的试验研究已经确定的既定作用[1]。功能和解剖学研究证明Lep/LepR是中枢神经系统(central nervous system，CNS)调节机体能量摄入和利用的关键调节因子[1-2]。由于Lep的循环水平与体脂含量和脂肪细胞大小呈正相关，大多数肥胖患者体内Lep水平升高[3]；然而，升高的Lep水平并不能使肥胖患者的体重正常化，这与能量稳态调节受损有关，且肥胖患者普遍存在着Lep抵抗现象[4]。根据《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》显示，能量摄入和利用的不平衡是导致个体超重肥胖的直接原因，由其引发的心脑血管疾病、癌症、慢性呼吸系统疾病和糖尿病等四类重大慢性病已成为全球性的公共卫生问题[5]。随着居民超重肥胖问题不断凸显，基于Lep/LepR在调控机体脂肪储存中发挥的作用，本文综合论述了Lep/LepR的分子作用特性、对能量代谢的调控、调控通路及其与肥胖相互关系的研究进展，以期为治疗肥胖和由肥胖引发的慢性疾病提供新的研究靶点和思路。

1 Lep/LepR的分子生物学特性

Lep是由ob基因表达的一种以α-螺旋为主的不稳定亲脂性蛋白，分子质量为16 ku，由167个氨基酸组成，N端有1个由21个氨基酸残基组成的信号肽序列，C端的Cys96和Cys146形成1个分子内二硫键的环状结构；二级结构预测发现5个α-螺旋和1个β-折叠；分泌入血后，N端信号肽被移除，形成具有生物活性的Lep[6]。Lep主要由白色脂肪组织分泌，中枢神经系统、下丘脑、垂体、骨骼肌、胃黏膜、胎盘、卵巢、睾丸和精子等周围组织中也广泛合成[7]，通过激活LepR(或OB-R)产生生物学效应。LepR是由糖尿病(diabetes，db)基因编码的Ⅰ型细胞因子受体家族，由1 165个氨基酸组成；目前为止，已经鉴定出6种LepR亚型，根据长度可分为长型(LepR-b)、短型(LepR-a,c,d,f)和分泌型(LepR-e)[8]。不同的LepR亚型激活表达Lep不同的生物学活性，缺乏跨膜和胞内结构域的分泌型是循环中主要的Lep结合蛋白，调节Lep的生物利用度[7,9]；短型通常有1个30个～40个氨基酸残基组成的短胞内结构域，主要分布于脑、肺、脑脉络丛和脑微血管丛，LepR-a和LepR-c负责Lep的易位，有助于Lep穿透细胞屏障，如血脑屏障和胎盘；长型胞内结构域由302个氨基酸残基组成，包括激活下游信号级联所需的特定基序；在下丘脑高度表达的长型已被确定为主要信号功能受体[8]。

2 Lep/LepR对能量代谢的调控

随着能量代谢障碍性疾病的大量研究发现，寻找代谢调控方面的作用靶点显得极为重要，研究表明，下丘脑是CNS中Lep的一个关键靶点[2]。脂肪组织分泌Lep后，通过血液循环的特殊途径穿过血脑屏障到达下丘脑，与LepR结合后激活下丘脑弓形核(arcuate nucleus,ARC)神经元调控下游基因阿片-促黑素细胞皮质素原(proopiomelanocortin，POMC)和神经肽Y(neuropeptide Y，NPY)、刺鼠相关蛋白(Agouti-related protein，AgRP)、γ-氨基丁酸(gamma-amino butyric acid,GABA)的转录和表达[2,10]。多数ARC LepR神经元表达POMC产生CNS黑素皮质素受体(melanocortin receptors,MCRs)的配体，抑制食欲、减少摄食和促进能量消耗；其他ARC LepR神经元表达的NAG(NPY,AgRP和GABA)促进食欲，AgRP是CNS MCRs的内源性拮抗剂[10]。综合表明，Lep在调节POMC和NAG神经元的功能、增加POMC神经元的活性和表达方面起着关键作用，可抑制NAG并降低其分泌促食欲肽的表达[11-12]。再者，当机体外周脂肪增多时，血中Lep水平升高，Lep通过抑制乙酰CoA羧化酶来抑制脂肪的合成；同时，Lep还能增强下丘脑发出神经冲动兴奋交感神经递质去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)，提高代谢率，使脂肪储存的能量转变成热能释出，进而起到脂肪动员的作用[12]。Lep是一种多效性分子，除了在食欲调节和能量平衡中的关键作用外，还参与生殖、内分泌、造血、胚胎发育及免疫功能等的调控。

3 Lep/LepR调控能量代谢的分子信号通路

Lep与LepR-b结合后招募并磷酸化激活一种相关酪氨酸激酶(tyrosine kinase)—Janus激酶2(Janus kinase 2，JAK2)，JAK2磷酸化OB-Rb胞内结构域上的3个保守酪氨酸残基(Tyr985、Tyr1077和Tyr1138)，当酪氨酸残基被磷酸化时，每个酪氨酸残基招募不同的下游信号蛋白。

Tyr985招募结合蛋白酪氨酸磷酸酶非受体11型(protein tyrosine phosphatase nonreceptor type 11,PTPN11,又称SHP2)；PTPN11被磷酸化后结合生长因子受体结合蛋白2(growth factor receptor-bound protein 2,GRB2)并激活下游效应分子，活化的丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)入核，启动相应转录子的转录[13]。PTPN11的神经元特异性缺失导致小鼠肥胖和瘦素抵抗，阻断下丘脑MAPK的表达可抑制Lep在大鼠中的抑食和减轻体重作用，抑制MAPK还能阻止Lep诱导的棕色脂肪组织的交感神经激活，表明下丘脑PTPN11-MAPK分子信号转导通路在Lep调控的能量平衡中起着重要的作用[13-14]。

磷酸化的Tyr1077招募信号转导及转录激活因子5(signal transducer and activator of transcription 5,STAT5)，可能参与Lep调控基因表达的某些方面。而Tyr1138招募STAT3，STAT3酪氨酸磷酸化(the tyrosine phosphorylation of STAT3,pSTAT3)形成二聚体并转移到细胞核内，结合于抑制食欲的POMC与促进食欲的AgRP启动子[13-14]。神经元特异性敲除STAT3会导致小鼠过度进食和肥胖，表明下丘脑STAT3信号对于能量平衡的稳态控制是至关重要的，JAK2-STAT3分子信号转导通路被认定是Lep调节能量平衡的主要信号通路[11]。考虑到STAT3信号对Lep作用的重要性，由于体内可检测Lep刺激的pSTAT3，大多数研究将pSTAT3检测等同于LepR细胞内信号的检测[12]。

磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol-3 kinase,PI3K)信号的激活也与Lep调节能量稳态有关，但其潜在的分子机制尚不完全清楚[12,15]。LepR可能招募推定的Src同源结构域2(Src homology domain 2,SH2)-包含蛋白1B(SH2-domain-containing protein 1B,SH2B1)，LepR神经元中的SH2B1是交感神经系统(sympathetic nervous system,SNS)/棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)/生热轴的重要组成部分，下丘脑特异性SH2B1消融可导致肥胖、胰岛素抵抗和肝脏脂肪变性；反之，下丘脑SH2B1的过度表达可预防高脂饮食诱导的肥胖和代谢综合征[16]。研究表明位于下丘脑的PI3K上游胰岛素受体底物(insulin receptor substrate,IRS)的缺失可导致小鼠产生瘦素抵抗和肥胖表型，此过程涉及到PI3K驱动的ATP敏感钾离子通道的激活[16]。活化的PI3K激活下游效应分子蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)通过抑制Lep信号转导负向调节因子转录因子叉头蛋白O1(Forkhead box protein O1,FoxO1)活性，使磷酸化的FoxO1转移出细胞核，促进STAT3与转录因子SP1-POMC启动子复合物相互作用[17]。下丘脑中的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号也参与了能量稳态的控制，抑制mTOR会减弱Lep的抑食作用[18]；mTOR刺激p70 S6激酶(S6 kinase,S6K)的磷酸化，S6K1的全身性缺失或S6K的选择性抑制则会消除Lep的抑食作用[18-19]。

综上所述，Lep/LepR有多种调控能量代谢的分子信号通路，JAK2-STAT3是Lep/LepR发挥调节能量平衡的主要信号转导通路，MAPK通路则主要参与Lep/LepR的外周功能，但各种转导通路潜在的分子机制还有待深入研究。

4 Lep/LepR与肥胖

肥胖是由多种炎性因子诱导产生的一种全身性慢性低度炎症状态[20]。而大多数肥胖患者是由高热量饮食(high-calorie diet,HCD)引起的，且体内循环Lep浓度升高，本课题组的前期研究发现，高脂饮食小鼠体脂率和下丘脑组织中的Lep含量均显著升高。但有研究表明外源性Lep不能减缓肥胖患者和饮食诱导肥胖(diet-induced obesity,DIO)动物的食物摄入及体重，推测可能是由于瘦素抵抗引起的食欲调节通路功能障碍和能量平衡紊乱所致[4,21]。ARC是瘦素抵抗影响的最主要部位，机制复杂。由于鲜有证据表明LepR存在遗传损伤和循环拮抗剂，因此Lep信号传导的失败可能是LepR细胞内信号介质的解耦联或其他损害Lep控制的神经回路功能的机制[21-22]。

4.1 Lep转运缺陷对肥胖的影响

Lep转运通路的缺陷可能是导致肥胖的因素之一。血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)是外周Lep单向进入CNS的主要通路[23]。研究表明肥胖患者及大多数肥胖动物模型血浆和脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中Lep浓度与体重指数(BMI)均呈显著正相关，但血浆与CSF中的Lep水平呈非线性关系[3]。然而，消瘦者摄取的效率(以CSF∶血浆Lep比率来衡量)是肥胖者的5.4倍，可能是一种可饱和的机制介导了CSF Lep的转运[3,21]。利用Lep-LepR拮抗剂作用DIO小鼠会增加其食物摄入量和体重，表明Lep在肥胖中可继续抑制食物摄入量和体重[24]。DIO动物和大多数肥胖模型ARC中pSTAT3检测升高，表明LepR-STAT3信号在内源性Lep升高时增强[25]。因此，肥胖患者体内Lep-LepR信号不是减少而是增加，这可能是因为脑Lep释放效率的降低导致Lep抵抗[26]。这与肥胖者脂肪组织功能障碍会导致高血脂而甘油三酯却可抑制Lep穿过血脑屏障的观点一致。

4.2 Lep/LepR信号转导通路异常对肥胖的影响

肥胖患者体内脂肪量的增加促使循环Lep浓度升高，LepR信号通路的增强促进LepR信号转导负调控因子表达的增加，这些机制减弱了对Lep浓度增加的反应幅度[12]。

细胞因子信号抑制因子3(suppressor of cytokine signalling 3,SOCS3)表达量的升高导致JAK2-STAT3信号通路受阻可能是最早被提出的瘦素抵抗机制；其主要机制是SOCS3与LepR上磷酸化的Tyr985结合，抑制JAK2信号转导和STAT3磷酸化[13,26]。SOCS3敲除的小鼠对HCD引起的肥胖和瘦素抵抗不敏感，而POMC神经元特异性的过表达SOCS3不仅限制外源性Lep激活LepRb，而且阻碍STAT3信号通路导致肥胖与瘦素抵抗[27]。尽管SOCS3限制了Lep作用的最大幅度，并且干扰SOCS3功能会降低体重，但SOCS3表达增加不能解释DIO[21]。DIO小鼠下丘脑中FoxO1的表达水平也会提高，细胞核内过多的FoxO1与pSTAT3以蛋白质-蛋白质的方式结合，抑制了pSTAT3与SP1-POMC启动子复合物结合，导致瘦素抵抗的发生[18,27]。

此外，肥胖和Lep水平的升高增加了蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,PTPases)的表达。PTPases通过去磷酸化LepR、JAK2和STAT3限制LepR信号传导，如蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase 1B,PTP1B,又称PTPN1)使JAK2去磷酸化和失活抑制LepR信号，而T细胞蛋白酪氨酸磷酸酶(T cell protein tyrosine phosphatase,TCPTP,又称PTPN2)直接使STAT3去磷酸化，导致LepR信号的衰减[28]。在Lep作用的分子网络中，信号转导的负调控因子提供了关键的负反馈机制，防止过度激活LepR信号通路，对调控能量平衡至关重要；但是，负调控因子的过度表达可导致Lep抵抗和肥胖。

4.3 下丘脑其他神经回路功能异常导致的Lep抵抗对肥胖的影响

在研究肥胖患者体内Lep抵抗机制过程中，除直接抑制LepR信号的系统外，还提出了多种下丘脑对高热量饮食(high-calorie diet，HCD)或饮食诱导肥胖(diet-induced obesity，DIO)的反应限制Lep-LepR的作用，主要包括下丘脑炎症(促炎细胞信号通路的激活和细胞因子的产生)、ARC LepR神经元周围胶质细胞的炎性改变以及LepR神经元内质网应激的改变等[12,29]。

5 结论与展望

自1949年发现ob基因突变导致严重肥胖和Ⅱ型糖尿病的C57BL/6J小鼠开始，到1994年Zhang的团队应用位置克隆技术分离到小鼠ob(也称为Lep)基因，从此开启了Lep/LepR对能量代谢的研究热潮。虽然在肥胖及其引发的慢性代谢性疾病的致病机制和治疗方面进行了大量的研究，但仍有许多问题有待解决。①Lep/LepR调控能量代谢的分子信号转导通路潜在的分子机制还不完全清楚，仍存在着诸多推测，信号通路如何协作调节能量代谢也需要更加细致的研究和探讨。②与最初用Lep治疗肥胖的预期相反，在DIO中，面对内源性Lep升高和LepR信号的增加，并不能使肥胖者的体重正常化。其原因可能是无法充分增加LepR信号以促进长期分解代谢信号[24]，也可能是最大的LepR信号无法向特异神经元传递足够强烈的信号[10]，但这些Lep抵抗的潜在机制是否有叠加效应还有待深入研究。③Lep是一种多效性激素，其中枢作用的多样性超出了下丘脑的作用，限制LepR信号的振幅和Lep潜在的厌食能力可能有利于生存[30]；Lep/LepR能够促进卵泡发育和胚泡的附植，被认为在最直接启动青春期的下丘脑-垂体-性腺(hypothalamo pituitary gonadal，HPG)系统中是非常重要的代谢调控因子[31]。④肥胖症的发生机制和原因复杂多样，当前主要的观点认为肥胖是受遗传和环境两大因素的影响；由于肥胖受多基因遗传因素影响，其分子遗传机制研究尚处于摸索阶段；相比遗传因素，环境因素具有一定的可控性，所以环境因素成为人们研究的热点。⑤此前Lep/LepR的研究多集中对人类健康的影响，而针对畜牧业的研究较少；鉴于Lep/LepR在组织的脂肪沉积中有重要影响，所以对于动物的改良育种中可能成为潜在的重要候选基因。