似昼夜节律与糖脂代谢的研究进展

杨 捷，刘子龙，高玉雯，铁娅滕，赵星成

(空军军医大学航空航天医学系航空航天医学训练教研室，陕西 西安710032)

1 似昼夜节律概述

机体内部呈现出一种内源的、可调适的、以近似24 h为一周期波动的生命过程称为似昼夜节律。似昼夜节律为“自激内源性节律”，即在去除外界时间信息后，这种节律依然存在，并且可随外界时间信息的变化而调节适应。调节机体似昼夜节律的无形“时钟”称为生物钟，机体的似昼夜节律由位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)的中枢生物钟和全身各组织器官的外周生物钟共同调控。人类SCN中约有100 000多个神经元，通过分泌因子与自主神经系统调节机体似昼夜节律。光是调节机体似昼夜节律行为的主要信号，照射光的强度、波长和光谱可通过调控生物钟的同步过程影响似昼夜节律[1]。外周生物钟存在于SCN之外几乎所有的器官组织中，其节律变化受到SCN的直接调控与外界环境行为因素的间接调节，例如光照、睡眠、饮食和运动等都能对其产生影响。一般而言，中枢与外周生物钟通过功能同步共同维持生物代谢的似昼夜节律。但由于非光因素对外周生物钟的间接影响，两种生物钟可能出现代谢相位上的错位。这种错位是人体似昼夜节律适应外界环境变化的机制，但在过程上对机体代谢造成了一定的破坏。研究表明，似昼夜节律失调会增加代谢疾病发生的风险。

似昼夜节律系统的分子机制已经被广泛研究，主要为时钟基因自动调节的转录-翻译反馈循环网络，涉及到CLOCK、ARNTL1(又称BMAL)、PERIOD家族(包括PER1、PER2和PER3)以及CRYPTOCHROME家族(包括CRY1和CRY2)基因等多种时钟基因。主要反馈环路为转录激活因子BMAL1与CLOCK在白天结合成异二聚体并与顺式作用元件E-box序列结合，启动节律基因的翻译。而形成的成熟PER/CRY蛋白异二聚体于晚上入核，与CLOCK/BMAL1结合并抑制自身的转录。该反馈调节环路以近似24 h为周期，有节律地调节PER和CRY基因的表达。另一条反馈环路中，CLOCK/BMAL1异二聚体激活核受体基因REV-ERBa/b的转录，其蛋白产物通过与BMAL1基因启动子中的ROREs结合直接抑制BAML1转录。ROR基因(RORa、RORb和RORg)的蛋白产物与反应元件结合激活BMAL1和NPAS2基因的转录，与REV-ERBb蛋白竞争并作用拮抗。REV-ERBa蛋白也可能通过与REV-ERB反应元件结合而充当CLOCK的转录抑制因子。最近有研究发现，具有时钟基因功能的DECs蛋白可通过直接与BMAL1蛋白结合或与CLOCK-BMAL1复合物竞争E-box位点从而抑制自身转录，这构成了第三条反馈环路[2]。可明确的是，分子水平上仍然存在许多其他未知的机制和途径可以调节似昼夜节律，但上述的反馈环路构成了24 h昼夜节律核心环节。

2 似昼夜节律与糖代谢

2.1 糖代谢的似昼夜节律性

健康成人血糖变化的昼夜节律性已在过往研究中得到证实。早在20世纪60年代进行的口服葡萄糖耐量试验中，发现实验对象口服等剂量葡萄糖后，血糖升高水平晚上显著大于早上，这表明机体葡萄糖耐量在早上较高，下午和夜晚有所降低[3]。此后进行的葡萄糖输注试验、相同膳食水平试验也得出了近似的实验结论。这证实了健康人的葡萄糖耐量切实存在昼夜模式。此外，机体胰岛素敏感性与β细胞反应的昼夜变化也与血糖的似昼夜节律有关。已知的是，胰岛素分泌的内在节律性已在多项研究中得到证实。有研究发现，相对于早晨，夜晚胰岛素敏感性降低了34%[4]。SAAD等[5]利用三重示踪技术，研究了20名健康志愿者在相同摄食和运动条件下的葡萄糖摄取、胰岛素利用和β细胞反应性的昼夜变化，结果显示与其他时刻相比，早餐后的血糖波动和胰岛素利用率更低，β细胞对葡萄糖的反应性更高。除胰岛素之外，胰高血糖素的分泌也具有昼夜节律性。RUITER等[6]的一项研究结果表明了胰高血糖素的日变化会受到昼夜节律和进食的影响。IMENSHAHIDI等[7]也研究了作为昼夜节律重要同步器的褪黑素对胰高血糖素分泌的影响。

2.2 似昼夜节律紊乱与糖代谢

现代社会生活节奏加快，诸如倒班等生活方式易引起人体昼夜节律紊乱，这成为引发2型糖尿病、心血管疾病和代谢综合征等严重疾病的重要因素。流行病学调查显示，似昼夜节律紊乱会增加2型糖尿病患病风险，其原因可能是节律紊乱引起的机体葡萄糖耐量受损。一项健康研究报告表明，2型糖尿病患病风险与倒班工作持续时间呈正相关[8]。与没有倒班工作人群相比，倒班工作人群患2型糖尿病的风险增加40%以上。此外，社交时差(工作日与休息日睡眠-觉醒时间的差异)也是引起昼夜节律紊乱继而诱发2型糖尿病的重要因素[9]。

有研究发现2型糖尿病患者的胰岛素敏感性呈现出与血糖变化相反的昼夜节律：胰岛素敏感性晚上(19∶00)最高，夜间逐渐下降，早上(08∶00)最低[4]。这被认为是引起糖尿病患者出现“黎明现象”(夜间或白天大部分时间血糖平稳，黎明时分尤其是早餐后呈现高血糖)的原因。此外有研究表明，2型糖尿病患者SCN神经元数量会发生改变，表现在与健康个体相比，糖尿病患者的精氨酸加压素神经元、血管活性肠肽神经元和胶质纤维酸性蛋白阳性的星形胶质细胞的数量显著减少[10]，这些神经元数量的减少可能影响到中枢时钟的节律性。上述各项研究结果共同表明，糖尿病的发生与机体糖代谢内在节律紊乱存在切实联系。

时钟基因通过直接或间接影响机体几乎所有内分泌因子的释放以此调节机体代谢。大量研究表明，时钟基因表达的改变与糖尿病的发生发展密切相关。胰腺特异性敲除Bmal1会抑制胰岛素分泌并导致葡萄糖耐受不良。Bmal1的缺失会引起线粒体解偶联蛋白2上调并促进线粒体解偶联，影响由葡萄糖诱导的线粒体电位产生与ATP合成过程，引起胰岛素分泌降低[11]。Bmal1还可促进葡萄糖的摄取和利用来调节肌肉和脂肪组织中的胰岛素敏感性。ZHANG等[12]发现肝脏糖异生也受到生物钟的内源性调节。Cry1和Cry2基因的表达会阻断环磷腺苷反应元件结合蛋白的磷酸化并抑制胰高血糖素介导的cAMP增加，降低空腹糖异生相关基因的表达。相对应的是，Cry基因的敲除解除了其对肝糖异生的抑制作用[13]。另有研究报道，小鼠Per2基因的敲除使血液胰岛素水平升高。与野生型小鼠相比，基因敲除小鼠胰岛素清除率降低，这不利于糖异生的发生。近年来，对Clock基因突变小鼠的研究表明Clock缺失会引起葡萄糖耐量降低与胰岛素分泌受损，与糖尿病和肥胖的发生有着密切联系[14]。Clock基因对血糖变化的影响可能与褪黑素有关(可通过褪黑素调节血糖变化)。褪黑素与其相关受体亚型结合可直接抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌从而影响血糖水平。褪黑素的分泌具有典型的似昼夜节律性：①SCN通过抑制去甲肾上腺素作用直接调节褪黑素的分泌；②CLOCK-BMAL1复合物对芳烷基胺N-乙酰转移酶(褪黑素合成限速酶)有激活作用[15]。总之，上述实验结果表明了时钟基因通过内分泌因子对葡萄糖代谢稳态发挥重要调节作用，也进一步地从基因层面解释了昼夜节律紊乱与糖尿病发生发展的联系。

2.3 似昼夜节律在糖代谢相关疾病中的应用

依据时钟基因对糖代谢的影响通路，临床上可利用相关药物探究糖尿病患者可能的治疗靶点。白藜芦醇是一种兼具代谢和昼夜节律调节效应的营养物质，其与Bmal1基因存在相关作用机制以调节生物代谢。BMAL1和CLOCK蛋白可通过SIRT1提高胰岛素抵抗小鼠中肌肉的胰岛素敏感性，这可能与白藜芦醇补充剂激活SIRT1并提高胰岛素敏感性的作用存在关联[16]。在糖尿病及多种并发症模型的研究中，褪黑素对糖尿病及并发症的治疗都具有积极意义[17]。市面上大部分药物分子靶点的表达都是有节律性的，另外，从药物消耗到发挥作用的各种过程同样也具有节律性。因此，可考虑到药物的定时给药对药物疗效的提高与副作用的减少有一定帮助。例如，在一个持续28 d的药物治疗糖尿病小鼠对照实验中，与空白对照组和日间用药的实验组相比，夜间服用格列美脲的小鼠降糖效果更为出色[18]。

3 似昼夜节律与脂质代谢

3.1 脂质代谢的似昼夜节律性

在有关人类受试者的“恒定常规”实验(受试者保持清醒并定时进食)中，发现包括脂肪酸、类固醇激素在内的多种代谢物表现出昼夜节律[19]。有关小鼠肝脏的脂质组学研究显示，接近50%的已鉴定的脂质表现出似昼夜节律性，其中在肝细胞核和线粒体中，呈现出昼夜振荡模式的脂质代谢物比例更高[20]。在肝脏中，时钟基因通过多样化的途径控制脂质代谢。核受体REV-ERBα通过与辅阻遏物结合激活HDAC3，参与调控甘油与三酰甘油(triacylglycerol，TAG)的代谢。REV-ERBα还可直接控制有关脂肪酸和磷脂酰胆碱生物合成的部分基因的昼夜节律表达，例如胆碱激酶α[21]。此外，维持脂质稳态的CCRN4L基因发现在mRNA水平上表示出高振幅节律[22]。有研究发现，与BMAL1∶CLOCK相互作用的NAD+依赖性去乙酰化酶Sirt6被认为可以控制SREBP在脂肪酸合成、β氧化和TAG储存等过程中的昼夜节律募集，从而调控肝脏脂肪酸的代谢循环[23]。

从全身血液中的脂质稳态来看，最近进行的血清或血浆脂质测量提供了有关驱动身体生理学的脂质变化谱的重要信息。MINAMI等[24]首次在小鼠血浆中提供了脂质代谢昼夜调节的数据，报告称约15%～20%的代谢物发生昼夜振荡。更有进一步的代谢组学研究揭示了人体血浆内甘油磷脂和鞘脂显著的昼夜变化[25]。

从肠道对脂质的摄取吸收方面来看，参与脂质吸收和脂蛋白生物合成的各种蛋白质存在昼夜节律性表达。研究显示Clock的降低激活了微粒体甘油三酯转运蛋白(microsomal triglyceride transfer protein，MTTP)的高表达，其作用机制是CLOCK与E-box位点结合增加小异源二聚体伴侣(small heterodimer partner，SHP)的表达，而SHP与肝细胞核因子4α和肝核受体同源物-1结合抑制了MTTP的表达[26]。

3.2 似昼夜节律紊乱与脂代谢

脂质成分代谢受到生物钟的调节，生物钟节律发生紊乱会对机体脂质代谢造成影响并增加肥胖、动脉粥样硬化或其他代谢综合征的发病风险。在人类中，上述观点有证据支持：夜班工人常出现血脂异常(例如高TAG和低高密度脂蛋白胆固醇)[27]，夜晚进食频率与体质量指数(body mass index，BMI)成正相关，因社交时差而引起的节律紊乱者，其平均BMI更高[28]。

与昼夜节律对糖代谢的调控类似，生物钟相关基因的缺失对机体脂质代谢具有显著影响。Rev-evbα和Rev-erbβ的双敲除使得小鼠昼夜节律与脂质代谢网络遭到破坏，诱发高三酰甘油血症和肝脏脂肪变性[29]。Sirt6特异性敲除动物表现出脂质代谢昼夜节律性的丧失，并被证明该基因的敲除可诱导脂肪肝的发生[30]。白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)石蜡切片的组织学分析显示Clock突变小鼠中WAT脂质积累增加和脂肪细胞肥大，表明Clock突变促进脂质积累或抑制WAT中的脂质动员[31]。其进一步的研究发现，CLOCK-BMAL1复合物可直接控制小鼠WAT中Atgl和Hsl这两类脂肪分解酶基因的表达，从而调控该组织的脂肪分解率[31]。此外，有研究表明Per2通过靶向作用S112残基位点抑制PPARγ的转录活性从而控制脂肪代谢，其脂质组学分析表明，Per2基因是WAT中正常脂质代谢所必需的[32]。事实上，缺乏Per2会引起小鼠TAG水平降低并导致成纤维细胞中的脂肪组织特异性分化增强[32]。小鼠棕色脂肪组织是哺乳动物产热的关键部位，其在脂肪酸摄取中显示出明显的昼夜节律。脂肪组织活动的昼夜节律性影响了脂质在循环中的清除速率，从而使血浆脂质浓度具有了每日节律[33]。夜曲素在肠道中存在着昼夜节律性表达，对该组织的脂质吸收和分泌至关重要。Nocturnin-/-小鼠倾向于吸收较少的TAG和胆固醇，并在肠段中保留更多的脂质[34]。

3.3 似昼夜节律在脂代谢相关疾病中的应用

对于当下肥胖等代谢综合征的治疗与预防，生物节律是一个重要的实施角度。目前，限时饮食(time-restricted eating，TRE)作为一种新的饮食策略受到了越来越多的关注。有研究表明，TRE可以用于恢复受到干扰的代谢节律，改善肥胖、胰岛素抵抗等症状，可作为预防和治疗代谢紊乱的新措施[35]。营养调节也被认为是解决肝脏代谢综合征如非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)的有效手段，增加多不饱和脂肪酸摄入量或减少饱和脂肪酸摄入量是预防NAFLD的重要举措。最近DHA被发现能克服高脂饮食引起的脂质代谢昼夜紊乱[36]。

了解昼夜节律在脂质代谢控制中发挥的作用，对未来探究脂质代谢紊乱及其引发的代谢疾病的靶向治疗具有明确意义。他汀类药物是一种HMG-CoA还原酶抑制剂，临床上广泛用于治疗2型糖尿病与动脉粥样硬化。HMG-CoA还原酶因其昼夜节律而在夜间表现较高活性，肝脏夜间合成胆固醇的能力更强，夜晚服用他汀类药物降血脂作用更为显著，因此常推荐于睡前服用。然而，KIM等[37]在2013年一项135人参加的随机双盲三期实验的报告中建议，早上给药更可取。在最近研究中，HUAN等[38]通过9周的小鼠昼夜给药对照试验，认为辛伐他汀依然是夜间给药效果更好。值得一提的是，他们还提出了辛伐他汀以昼夜节律方式调节药物转运基因的表达的新观点，这可能提示昼夜节律与药代动力学存在联系[38]。到目前为止，收集到的临床前和临床研究总体上表明了与昼夜节律相关的时间疗法的有益效果。但是，仅凭药物靶点的周期时间并不足以确定用药最佳时间，因为药物的药理作用还取决于吸收、分布、代谢和排泄，所有这些都可能受到外周和中枢生物钟的调节[39]，需要在多群体中进行更大规模的实验以进行确切的探究。

4 结束语

本文综述了似昼夜节律及其与糖脂代谢的关系。许多证据表明了机体的血糖和脂质代谢存在昼夜节律性。生物钟在不同的器官中通过对脂质合成、运输和分配的影响调节脂质代谢。葡萄糖代谢节律由多种相关性状的昼夜变化驱动，包括胰岛素敏感性、β细胞反应性、胰岛素分泌与清除和葡萄糖利用率等。有关Bmal1、Clock相关时钟基因敲除小鼠的研究证实了时钟基因在代谢调节中发挥着不可替代的作用。似昼夜节律的紊乱和内外生物钟的不同步对机体葡萄糖耐量和脂肪酸代谢都有损害，增加了糖尿病、肥胖、心血管疾病等代谢综合征的发病率。而TRE作为一种新型的预防和治疗糖脂代谢紊乱的方式，在预防肥胖，恢复受干扰的似昼夜节律方面受到越来越多的关注。似昼夜节律对代谢的重要影响提示我们深入研究似昼夜节律环路相关下游因子及关键酶，为防治糖尿病等代谢综合征、开发新药物奠定基础。未来，以似昼夜节律相关基因作为靶点的治疗方式可能会成为一种新的趋势。