動物食欲調(diào)節(jié)的中樞信號通路

劉 磊 宋志剛

(山東農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，泰安 271018)

下丘腦是食欲調(diào)控中一個極為重要的關鍵區(qū)域。早期損傷和刺激試驗產(chǎn)生了“雙中樞”學說:室旁核為飽中樞，外側(cè)下丘腦為攝食中樞［1］?，F(xiàn)研究結(jié)果表明，雙中樞實際上是由一些分散的神經(jīng)通路組成，這些神經(jīng)通路在下丘腦核團中形成極為復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡。其中，以5'－磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)兩大調(diào)控位點在整個網(wǎng)絡中占主導作用。外周信號經(jīng)AMPK或mTOR食欲網(wǎng)絡的傳遞后，能刺激食欲相關肽的表達，如促食欲作用的神經(jīng)肽Y(NPY)和刺鼠相關蛋白(AgRP)；抑制食欲作用的前黑素細胞皮質(zhì)素原(POMC)、可卡因和安菲他命調(diào)節(jié)因子(CART)［2］，使機體在不同的能量平衡情況下協(xié)調(diào)攝食和能量消耗。

1 AMPK信號通路

AMPK是一個異源三聚體，包括催化亞基α、調(diào)節(jié)亞基 β 和 γ的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶［3］。缺乏葡萄糖、缺氧、缺血及熱休克等引起腺苷一磷酸/腺苷三磷酸比率(AMP/ATP)升高的情況都會激活AMPK。AMPK被稱為細胞能量感受器，廣泛參與細胞內(nèi)的物質(zhì)代謝。因此，AMPK在機體的能量穩(wěn)態(tài)中起著非常重要的作用［4］。研究發(fā)現(xiàn)，下丘腦的各個區(qū)域(弓狀核、室旁核、下丘腦腹內(nèi)側(cè)核和下丘腦外側(cè)區(qū))都有AMPK的表達［5］，并對采食量的調(diào)節(jié)起非常關鍵的作用［6］。

1.1 AMPK-ACC-CPT1

乙酰輔酶A是聯(lián)系蛋白質(zhì)、葡萄糖和脂肪三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝的關鍵中間產(chǎn)物。乙酰輔酶A在乙酰輔酶A羧化酶(ACC)的作用下形成丙二酰輔酶A，再在脂肪酸合成酶(FAS)的作用下形成脂肪酸。而肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶－1(CPT－1)能轉(zhuǎn)移長鏈酯酰輔酶A進入線粒體進行氧化分解，但CPT－1受丙二酰輔酶A的變構抑制調(diào)節(jié)。此反應過程中，ACC和CPT－1分別是脂肪酸合成和分解的關鍵限速酶。正常生理狀況下，胞液中較高水平的丙二酰輔酶A變構抑制CPT－1，CPT－1活性處于較低水平，脂肪酸氧化水平較低。機體應激(營養(yǎng)應激、鍛煉、局部缺氧等)可激活 AMPK［7］，AMPK 激活后的一個直接效應就是引起ACC的磷酸化，使其活性下降，降低了細胞內(nèi)丙二酰輔酶A水平，從而解除丙二酰輔酶A對CPT－1的抑制，增加脂肪酸的氧化［8］。在休息中的下丘腦細胞，ATP需要量非常低，AMPK處于失活狀態(tài)，ACC有活性，一些乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為丙二酰輔酶A，抑制脂肪酸氧化；相反，當體內(nèi) ATP減少，AMPK被激活，ACC失活，丙二酰輔酶A水平下降，促進脂肪酸氧化，以產(chǎn)生更多的ATP，供細胞利用［9］。

另外也有研究指出，AMPK激活后可磷酸化和激活丙二酰輔酶A脫羧酶(MCD)，也可降低丙二酰輔酶A水平，減輕對CPT－1的抑制，刺激脂肪酸 β 氧 化［10］。Velasco 等［11］提 出 AMPK 調(diào) 節(jié)CPT－1活性的另外一種模式:AMPK通過直接磷酸化細胞支架成分(細胞角蛋白8和18)刺激CPT－1，提高脂肪酸β氧化。

研究顯示，ACC及FAS高表達于下丘腦弓形核、腹內(nèi)側(cè)核等區(qū)域，并與促食欲的NPY神經(jīng)元共表達［12］。中樞注射FAS抑制劑可顯著降低小鼠的采食量，提示下丘腦神經(jīng)元存在著脂肪酸再合成途徑，并且該途徑與機體的攝食調(diào)控相關。進一步的研究表明，F(xiàn)AS抑制劑的抑攝食作用主要依賴于丙二酰輔酶A的積累，后者通過上調(diào)食欲肽POMC/CART和下調(diào)食欲肽NPY/AgRP的表達，導致動物采食量降低［13］。

1.2 UCP2-FOXO1-pCREB

同源轉(zhuǎn)錄因子(BSX)在下丘腦中高度表達，特別是在NPY/AgRP神經(jīng)元中。當與叉頭框O1(FOXO1)和磷酸化cAMP相應元件綁定蛋白(pCREB)結(jié)合后，分別能促進 AgRP和 NPY的mRNA表達［6］。當激活AMPK時，通過 ACC－丙二酰輔酶A－CPT1途徑，導致脂肪酸的分解增加，使得線粒體中活性氧產(chǎn)生增多。而線粒體中活性氧是由解偶聯(lián)蛋白2(UCP2)來緩沖和介導的，升高的活性氧使UCP2表達增加。UCP2有磷酸化FOXO1和CREB的作用，因此，整個網(wǎng)絡的結(jié)果是FOXO1－pCREB和BSX的結(jié)合能力增強，使得 NPY/AgRP 轉(zhuǎn)錄增加［14］。

2 mTOR信號通路

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，哺乳動物中mTOR與其他不同的蛋白結(jié)合，形成了2種復合體mTORC1和mTORC2。mTORCl對雷帕霉素敏感，而 mTORC2不敏感［15］，過去十幾年的研究主要集中于mTORC1。基于對mTORC1的研究，目前認為mTOR參與感受營養(yǎng)信號、調(diào)節(jié)細胞生長與增殖，參與機體的基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯起始、核糖體生物合成、細胞凋亡等多種生物學過程［16］。

2.1 PI3K-Akt-mTOR

腫瘤抑制基因TSC2(tuberous sclerosis complex 2)和TSC1(tuberous sclerosis complex 1)的基因產(chǎn)物分別是腫瘤抑制因子結(jié)節(jié)性硬化復合物2(TSC2)(又名 tuberin，分子質(zhì)量約 200 ku)和TSC1(又名 hamartin，分子質(zhì)量約130 ku)，TSC2與TSC1通過形成復合體而對mTOR及其介導的下游信號發(fā)生作用［17］。小G蛋白Rheb(ras homolog enriched in brain)作為 TSC1－TSC2復合物和mTOR之間的“橋梁蛋白”，其作用是結(jié)合三磷酸鳥苷(GTP)或鳥苷二磷酸(GDP)，Rheb與GTP結(jié)合時mTOR被激活，Rheb與GDP結(jié)合時mTOR被抑制。TSC2是GTP激活蛋白(GAP)，它作用于 Rheb－GTP 使其水解而呈 Rheb－GDP 狀態(tài)，是mTOR 信號的負調(diào)節(jié)物［18－19］。TSC1－TSC2 復合物接受來自于上游多個激酶的調(diào)節(jié)，對生長因子、營養(yǎng)、能量和環(huán)境脅迫(如低氧)等刺激信號做出反應。TSC1－TSC2復合物是mTOR直接的上游調(diào)節(jié)物，mTOR信號通路感受的營養(yǎng)信號一般要通過它們介導。

磷脂酰肌醇－3－激酶(PI3K)是一個包括許多脂質(zhì)激酶的家族，由1個調(diào)節(jié)亞基(P85)和1個催化亞基(P110)組成。在細胞中，胰島素及胰島素樣生長因子通過其受體及胰島素受體底物激活PI3K－Akt－mTOR通路，而其他生長因子多通過 ERas激 活 PI3K－Akt－mTOR 通 路。 磷 酸 酶 基 因(PTEN)使磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)的D3位去磷酸化以抑制在PI3K的催化下磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)向PIP3的轉(zhuǎn)變。Akt在PIP3作用下向細胞膜轉(zhuǎn)位，繼而被PI3K激活的PI3K依賴性激酶1(PDK1)同時磷酸化激活，直接磷酸化激活mTORC1。磷酸化的Akt還可以使TSC2磷酸化，抑制TSC2的活性，加速TSC1與TSC2的降解，這個過程引起mTOR在TSC1－TSC2復合物抑制的狀態(tài)下釋放，從而激活mTOR，增強其信號傳導通路［20］。激活的mTOR通過調(diào)節(jié)下游因子作用于食欲基因的調(diào)控。

不論 Akt直接還是間接調(diào)控 mTOR，TSC1－TSC2復合體都是mTOR活性調(diào)節(jié)中的關鍵抑制因子。TSC1－TSC2復合物可接受來自上游多個激酶的調(diào)節(jié)，對生長因子、能量、應激和氨基酸等其他營養(yǎng)因子做出反應［21－22］。

2.2 mTOR-4EBP1/p70S6K-NPY/AgRP

在下丘腦中，mTOR最主要的功能是對蛋白質(zhì)合成和采食量的調(diào)控。mTOR信號激活后，磷酸化并激活40S核糖體S6蛋白激酶(p70S6K)，mTOR可使S6K第412位蘇氨酸殘基磷酸化，被磷酸化的S6K的活性可上升約100倍，并參與翻譯過程。真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白(4E－BP1)通過和真核啟動因子復合物(eIF－4E)的mRNA帽結(jié)合亞單位的結(jié)合抑制翻譯啟動。靜止細胞中主要是去磷酸化狀態(tài)，當有增生刺激時，mTOR使4E－BP1的第37位及第46位蘇氨酸殘基磷酸化，同時第65位絲氨酸和第70位蘇氨酸的磷酸化也與mTOR密切相關，與前者不同的是，后者間接依賴于mTOR，可能是由于某種mTOR依賴型蛋白激酶或mTOR抑制性磷酸酶活性改變所引起的［23］。4E－BP1 被磷酸化后，降低了它與 eIF－4E 的親和力，使 eIF－4E 能與 eIF－4G、24B、24A 結(jié)合形成多亞基單位的eIF－4F復合物，這種作用使翻譯增加。哺乳動物細胞活化的mTOR也可刺激轉(zhuǎn)錄活化因子(STAT3)，使RNA聚合酶Ⅱ活性增加，同時磷酸化Rb蛋白(pRb)和細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑(p27kip1)而抑制其功能，激活RNA聚合酶Ⅰ～Ⅲ，從而促進轉(zhuǎn)錄［24］。mTOR被磷酸化激活后，通過調(diào)控4E－BP1和p70S6K 2條不同的下游通路，分別抑制NPY/AgRP和促進POMC的表達，但是關于二者之間具體的調(diào)節(jié)過程至今還未研究清楚［25］。

3 AMPK與mTOR的互作

已經(jīng)有研究指出激活的AMPK可以抑制由生長因子和氨基酸刺激激活的mTOR信號途徑［26］。其分子機制為:AMPK被激活后可直接磷酸化mTOR的第2 446位上的蘇氨酸而抑制其活性［22］。也有報道AMPK使TSC2磷酸化而間接抑制mTOR的活性［27］。AMPK被激活后，能在第1 227位上的蘇氨酸和第1 345位上的絲氨酸磷酸化TSC2，TSC2通過調(diào)控Rheb與GDP的結(jié)合來抑制 mTOR 的活性［28］。

除了AMPK與mTOR直接的上下游之間的調(diào)節(jié)，AMPK與mTOR的互作還表現(xiàn)在對機體物質(zhì)代謝共同的調(diào)控位點上，通過影響機體內(nèi)物質(zhì)代謝來間接調(diào)控中樞食欲信號。mTORC1能加強低氧誘導因子(HIF1a)的翻譯。HIF1a激活后能加強葡萄糖轉(zhuǎn)運因子的轉(zhuǎn)錄，提高葡萄糖酵解酶的活性，從而增加了葡萄糖的攝取和糖酵解［29－30］。同樣，Merrill等［31］首先發(fā)現(xiàn)活化 AMPK也能促進肌肉對葡萄糖的吸收。AMPK可通過提高葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT4)的轉(zhuǎn)移來促進肌細胞葡萄糖的吸收，促進骨骼肌糖酵解，從而影響骨骼肌中糖原含量。固醇類調(diào)節(jié)因子綁定蛋白(SREBP1和SREBP2)是屬于基礎螺旋環(huán)狀亮氨酸鏈型的轉(zhuǎn)錄因子，并且有與膜結(jié)合的特征，是調(diào)控脂肪酸、膽固醇和甘油三酯合成酶的重要基因轉(zhuǎn)錄因子，例如SREBP1能直接調(diào)節(jié)FAS基因的轉(zhuǎn)錄［32］。最近的研究發(fā)現(xiàn)SREBP1和SREBP2已經(jīng)成為mTORC1參與脂肪代謝的重要調(diào)節(jié)因子，mTORC1能通過SREBP1促進FAS基因轉(zhuǎn)錄和翻譯，促進脂肪酸的合成［33－34］。相反，AMPK 能通過下調(diào)SREBP1基因表達，而抑制FAS基因轉(zhuǎn)錄和翻譯，最終抑制脂肪酸的合成［32］。機體內(nèi)的蛋白質(zhì)不斷的更新，即它們在不斷地被降解，并被新合成的蛋白質(zhì)取代，其中自我吞噬是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要途徑之一。哺乳動物自我吞噬啟動激酶(Ulk1)能夠引發(fā)自我吞噬行為，當葡萄糖缺乏時，AMPK能直接磷酸化Ulk1的絲氨酸第317和第777位點，增加 Ulk1活性；當營養(yǎng)充足時，mTOR能通過磷酸化絲氨酸第757位點而抑制Ulk1活性，并能破壞Ulk1和AMPK之間的相互作用。mTOR、Ulk1、AMPK之間的相互協(xié)調(diào)，使機體自我吞噬行為穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)［35－37］。

4 小結(jié)

機體能量穩(wěn)態(tài)與采食量的協(xié)調(diào)是一個非常復雜的過程，包括一些信號通路和營養(yǎng)感應因子。mTOR是生長因子和營養(yǎng)信號的整合器［38］，胞內(nèi)外的影響因子通過不同的細胞表面受體或靶蛋白將信號轉(zhuǎn)導至mTOR或直接作用于其下游效應器，來調(diào)節(jié)下丘腦中食欲肽的表達。AMPK作為細胞內(nèi)的能量感受器，能將能量信號在下丘腦中整合，通過協(xié)調(diào)采食量來保證機體的能量平衡。而現(xiàn)在越來越多的證據(jù)證明，AMPK和mTOR所介導的信號通路不是獨立的，而是相互作用、協(xié)調(diào)共同維持機體的穩(wěn)態(tài)平衡［39－40］。

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