肥胖基因和瘦素

　　中华内分泌代谢杂志

　　CHINESE JOURNAL OF ENDOCRINOLOGY AND METABOLISM

　　1999年第15卷第2期Vol.15No.2 1999

徐淑静　徐明彤　傅祖植

　　 关键词：肥胖基因 瘦素(leptin)

　　1956年Kennedy提出一个设想^〔1〕(lipostasis theory)：脂肪组织能产生一种物质，通过作用于下丘脑的代谢控制中枢，影响机体的能量摄入和消耗以调节体重和体脂量。Coleman进行的联体共生实验(parabiotic experiment)显示^〔2〕：以存在ob(obese)等位基因突变的肥胖小鼠(ob/ob)与正常小鼠(+/+)相连，结果使ob/ob鼠摄食减少而体重下降，说明ob/ob鼠的肥胖可被来自正常鼠血液中的调节体重的物质所纠正；其次以ob/ob鼠与具有db突变的肥胖糖尿病小鼠(db/db)相连，ob/ob鼠摄食极度减少而饥饿致死；另外db/db鼠与正常鼠相连，结果亦使正常鼠饥饿而死，提示db/db鼠体内存在大量调节体重的物质，而对其不敏感。ob基因和db基因的编码产物是配基和受体的关系。近年把这种ob基因的编码产物称为leptin(源于希腊语leptos，意为“瘦的”，中文译作瘦素)，已证实是脂肪细胞分泌的一种激素，由于其具有调节体重的作用而日益受到重视。

　　一、ob基因和ob基因缺陷

　　1994年Zhang等利用定位克隆技术首次成功地克隆了小鼠的ob基因及人类的同源序列^〔3〕，至今ob基因的定位和结构已明确。小鼠ob基因位于第6号染色体，人类ob基因位于第7号染色体的q31.3。ob基因长约20kb，由3个外显子和2个内含子组成，其编码区位于第2和第3外显子。在部分正常的啮齿类动物和人类中可见49位谷氨酰胺密码子的缺失，此多态性的意义尚不清楚。在5’侧翼区域中包含了TATA盒样的序列和数个顺式调控元件(3个拷贝的GC盒、AP-2结合位点和C/EBP结合位点)^〔3，4〕。ob基因编码4.5 kb mRNA，含一个高度保守的能编码167个氨基酸的开放读码框架，其5’端有97bp的先导序列，3’端是3.7kb的非翻译序列。ob基因的表达具有脂肪组织特异性，且只有成熟的脂肪细胞才有表达。在啮齿类动物和人类的各种器官中进行ob mRNA的检测，结果在脑、心、肺、胰、肝、骨胳肌中均未检出，但在大网膜、后腹膜、肠系膜及皮下脂肪组织中却明显可见，尤以皮下脂肪组织最多^〔5〕。

　　目前已在两种遗传性肥胖鼠中发现ob基因突变，致leptin合成受阻^〔3〕。在C57BL/6J ob/ob鼠中发现ob基因第105位精氨酸密码子发生了无义突变，产生大量缺陷的ob mRNA，血中没有功能性的leptin。在SM/Ckc+^Dacob^2J/ob^2J鼠系由于ob基因启动子区发生变异，致不能转录ob mRNA。在这两种鼠系的血循环中均缺乏leptin。在其它啮齿类先天肥胖动物如db/db小鼠、fa/fa大鼠^〔6〕，及获得性肥胖的动物模型中，如过量摄食导致肥胖的小鼠、谷氨酸钠注射致VMH损伤小鼠及棕色脂肪缺失小鼠^〔7〕，均未检测到ob基因突变。在人类(白种人、亚洲人)肥胖者及2型糖尿病患者筛查ob基因突变的研究中，大部分没有检测到突变，仅Considine筛查到一例ob基因编码序列的变异，在94位由蛋氨酸代替了缬氨酸。提示大多数肥胖者的肥胖并不是由于ob基因突变所致^〔8，9〕。

　　二、Leptin

　　ob基因编码产物是一种由167个氨基酸组成的蛋白质，在分泌入血过程中去除其中由21个氨基酸组成的N-端信号肽，形成leptin。成熟的leptin含146个氨基酸，分子量为16KD，具有强亲水性，以单体形式存在于血浆中。人和鼠的leptin氨基酸序列有84%的同源性^〔3〕。

　　1.影响leptin水平的因素：循环中leptin浓度与脂肪组织ob mRNA的量相关。leptin水平受多种因素调节，普遍认为机体的体脂量是影响leptin水平的主要因素。脂肪组织体积或热卡摄取量的变化可影响ob mRNA和leptin的浓度。血leptin浓度和脂肪组织ob mRNA的量与体重指数(BMI)、尤其与体脂百分含量呈　正相关关　系^{〔10，11〕}。体重减轻，ob mRNA减少，leptin水平降低；反之，体重增加，ob mRNA升高，leptin水平增高。在体脂无明显变化的情况下，空腹可降低ob mRNA及血leptin浓度，而进食可恢复其浓度。短时间内过量摄食(12小时内120cal/kg)可使血leptin浓度在无体重增加的情况下升高40%^〔12〕。肥胖者脂肪细胞ob mRNA及血平均leptin浓度明显大于体重正常者。同一个体中大的脂肪细胞比较小的脂肪细胞含ob mRNA更多，推测脂肪细胞的大小可能是ob mRNA表达的一个主要决定因素。目前尚不清楚是细胞壁的伸展、或储存的甘油三酯增多，还是细胞内存在一种特殊的代谢决定着ob mRNA的量。

　　研究表明胰岛素也是ob基因表达的重要调节因素。链脲佐菌素引起的糖尿病动物模型ob mRNA减少90%，而用胰岛素治疗后ob mRNA的量得到一定恢复^〔13〕。在体外实验中，胰岛素可显著增加脂肪细胞ob mRNA及leptin的产生。皮下注射胰岛素使小鼠ob mRNA增多，用正常血糖和高血糖胰岛素钳夹技术进一步研究获得一致结果^〔12〕。Malmstrom等对正常人及2型糖尿病患者用高胰岛素钳夹技术的研究发现：空腹血浆胰岛素与血浆leptin浓度正相关，输入胰岛素后血浆leptin浓度明显升高^〔14〕。Widjaja等对三组不同种族2型糖尿病患者的研究结果显示，血浆leptin浓度与空腹胰岛素浓度相关，用胰岛素治疗的糖尿病患者leptin浓度和胰岛素浓度均明显高于用其它方案治疗者^〔15〕。以上结果均提示胰岛素有调节leptin浓度的作用。

　　在不同的人群中的研究提示种族和年龄对血leptin浓度的影响不大，但不同性别血leptin浓度却有显著差异。Ostlund报道^〔11〕即使是在体脂百分含量相同的情况下，女性血leptin浓度是男性的3倍(1.71μg/L vs 5.80μg/L)，此性别差异是否与女性更易于积聚脂肪有关尚待研究。

　　2.Leptin的转运及leptin受体：Housenecht的研究^〔16〕表明分泌到血液中的leptin大部分通过与血清蛋白结合来运输。在人类至少有两种leptin结合蛋白，相对分子质量分别为176 000和240 000，估计游离的leptin才具有生物活性。Leptin是大分子物质，通过血脑屏障　时需要特定　的途径。Banks等^〔17〕用¹²⁵I标记leptin的研究发现，leptin向脑脊液的转运具有饱和性和限制性，血清leptin浓度约25μg/L时达到饱和，超过此浓度时脑脊液中leptin浓度不再随血leptin浓度增加而呈比例增加。平均血leptin浓度较正常体重高300%的肥胖个体，其脑脊液leptin浓度仅增加30%。Leptin向脑脊液转运的饱和性可能是极度肥胖者发生leptin抵抗的原因之一，但不是肥胖的原发因素。因为通常在血leptin浓度达到25μg/L之前就有肥胖的发生。

　　继ob基因的克隆，小鼠的leptin受体基因及其人类同源序列也相继得到了克隆。Leptin受体基因在大脑脉络丛、下丘脑、肝脏、胰脏、肺脏及肾脏等多个部位均有表达，此与leptin具有广泛的生物效应有关^〔18〕。目前已发现C57BL/KsJ db/db小鼠和Zucker fatty (fa/fa)大鼠的leptin受体基因发生突变，血leptin浓度升高，具有肥胖表型，而对外源性leptin无反应^〔19〕。在人类迄今还没有发现leptin受体的突变^〔20〕。

　　3.Leptin的生物学效应：目前的研究表明leptin具有广泛的生物学效应，其中较重要的是作用于下丘脑的体重调节中枢，引起食欲降低、能量消耗增加从而减轻体重^{〔21，22〕}。Pelleymounter等给C57BL/6J ob/ob鼠每日腹腔内注射leptin，结果使小鼠体重减轻，脂肪量减少，摄食量以及血糖和胰岛素浓度降低，其代谢率、体温和活动量有所提高。Halaas等有类似报道，他们配比喂养两组性别、鼠龄和体重相匹配的ob/ob鼠，实验组每日腹腔内注射leptin，12天后其体重减轻程度明显大于对照组(分别减轻16g和11g，P＜0.02)。这些结果说明不能只用摄食量来解释leptin诱导的体重下降。研究者认为leptin至少在两方面增强了动物的能量利用：增加活动和加快代谢。Leptin也可使野生型(+/+)鼠的体重减轻，但所需剂量较大。进一步的研究表明leptin与下丘脑的leptin受体结合后可能通过抑制神经肽Y(NPY)的合成与释放来实现其调节体重的作用的^〔23〕。肥胖动物NPY基因在下丘脑的表达增加。给ob/ob鼠腹腔注射重组leptin在使摄食量减少56%的同时，下丘脑弓状核的NPY mRNA减少42.3%。另有学者发现leptin能直接抑制NPY的释放。

　　另一方面，有学者认为leptin可能作为脂肪——胰岛内分泌轴的一部分，参与胰岛素分泌的调节。Kieffer的动物实验结果显示leptin(100ng/ml)可抑制ob/ob鼠胰岛分泌胰岛素。Emilsson更发现leptin浓度≥10nmol/L对胰岛素分泌有抑制作用，而低浓度(1nmol/L)无抑制作用。胰岛β细胞内有leptin受体的存在。leptin可致ob/ob鼠β细胞Ca^?明显降低，伴有细胞膜的超极化及膜传导的增强，可激活ATP敏感的钾离子通道(K_ATP)，而K_ATP特异性抑制剂甲磺丁脲可逆转上述的leptin的作用，提示leptin作为胰岛素分泌的抑制剂具有重要的生理作用。leptin抑制胰岛素分泌，而胰岛素可刺激leptin的释放。可见，在脂肪组织和β细胞之间通过leptin和胰岛素形成一个双向的反馈环^〔24〕。

　　近年的研究还发现leptin可恢复雌性ob/ob鼠的生育力^〔25〕。雌性ob/ob鼠早期的性发育正常，但其发育程度停留在青春期前。用重组leptin治疗除可减轻体重外，尚可恢复其生育力，而单用饮食控制无此作用，提示leptin在正常生殖功能的调节中起一定作用，其机理尚有待于进一步研究。

　　4.肥胖个体中的Leptin抵抗现象：Leptin对体脂和体重的调节存在一个反馈系统，当机体体脂量增加时，血leptin水平升高，作用于下丘脑的调节中枢令摄食减少、能量消耗增加；反之，当机体体脂量减少时，血leptin水平亦减少，其通过中枢进行相应的摄食和能量输出的调节。

　　在一些啮齿类先天肥胖动物(如db/db小鼠和fa/fa大鼠)和过量摄食导致的肥胖动物中，肥肪组织ob mRNA表达增加，血leptin水平升高。说明这些动物体内对leptin的反应减弱或无反应，这种现象称为leptin抵抗，表明ob基因表达下游环节存在障碍^〔6，7〕。人类肥胖者也存在leptin抵抗现象^〔11〕，由于在大多数肥胖者中未筛查到ob基因变异，推测此leptin抵抗现象在人类肥胖的发生中起重要作用。已发现db/db鼠和fa/fa鼠的leptin基因发生突变，致下丘脑leptin受体发生变异而不能与leptin结合^〔19〕。但对人类leptin受体的研究迄今未发现突变的存在^〔20〕。人类的leptin抵抗现象不能用leptin受体基因的异常来解释。其可能的原因有：血循环中存在leptin的抗体或拮抗物；或是血循环中leptin结合蛋白的增加令游离的leptin减少；血脑屏障的leptin转运饱和现象等；更为引起研究者重视的是下丘脑中leptin信号系统与其它体重调节因子之间的失衡，如NPY系统。Leptin抵抗发生的确切机制还有待于进一步的研究。

　　ob基因的发现时间不长，目前的研究大多局限于动物实验和离体实验，尚存在许多问题有待进一步的研究。如leptin受体广泛存在于周围组织中，其生理作用除了已知的体重调节、胰岛素分泌调节和对生殖的作用外还有什么?leptin产生的调节机制?肥胖者的leptin抵抗现象的原因何在?ob基因信号系统在肥胖症及其相关疾病如2型糖尿病、冠心病、高血压及高脂血症等的发生中的作用是什么?ob基因的发现对研究肥胖及其相关疾病的发病机制具有重要意义。

　　作者单位：徐淑静　CMB资助国内访问学者　550004 贵阳医学院附属医院内分泌科；中

　　徐明彤　傅祖植　山医科大学孙逸仙纪念医院内分泌科

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(收稿：1998-01-19　修回：1998-08-25)