營(yíng)養(yǎng)素對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的影響、瘦素的作用及其機(jī)理

■丁兆坤 李 培 劉富娟 許友卿

（廣西大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)研究所廣西高校水生生物健康養(yǎng)殖與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧535004）

瘦素(1eptin)是一種蛋白質(zhì)激素，屬于 I型細(xì)胞因子[1-2]。

瘦素在機(jī)體內(nèi)的靶組織器官多，生物學(xué)功能廣，主要包括：①抑制攝食，刺激能量消耗；②維持正常的血脂代謝；③調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育；④促上皮細(xì)胞、血管生長(zhǎng)；⑤維護(hù)消化系統(tǒng)的功能；⑥調(diào)節(jié)免疫功能和炎癥反應(yīng)；⑦調(diào)節(jié)神經(jīng)內(nèi)分泌等[3]。

在調(diào)控?cái)z食和代謝中，瘦素與其他許多因素（包括多種激素和神經(jīng)遞質(zhì)等）相互關(guān)聯(lián)，共同發(fā)揮作用，其機(jī)制十分復(fù)雜，許多問(wèn)題亟待探討。水生動(dòng)物瘦素更是一個(gè)新的研究課題。

2014年，Watson等[4]指出，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、基因表達(dá)和生理機(jī)能之間存在復(fù)雜的相互作用，因此微量元素可能造成遺傳學(xué)和生理學(xué)改變。營(yíng)養(yǎng)素為人和動(dòng)物包括魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)發(fā)育所必需，是機(jī)體新陳代謝的基礎(chǔ)，在整體、組織器官、細(xì)胞和基因水平上調(diào)控著機(jī)體的生命活動(dòng)，影響非常大[5]。營(yíng)養(yǎng)素水平直接影響?hù)~(yú)類(lèi)的飼料利用、生長(zhǎng)、發(fā)育，顯著影響其生產(chǎn)水平[6]。因此，研究營(yíng)養(yǎng)素對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的調(diào)節(jié)及機(jī)理，對(duì)理解調(diào)控?cái)z食、能量代謝的機(jī)制具有科學(xué)理論意義；能為有計(jì)劃、有目的、有效地控制水產(chǎn)動(dòng)物體重、脂類(lèi)沉積和能量代謝，根據(jù)需要生產(chǎn)理想、優(yōu)質(zhì)和健康的水產(chǎn)品提供基礎(chǔ)依據(jù)；同時(shí)為調(diào)控人類(lèi)肥胖、維護(hù)健康、提高生產(chǎn)力等提供參考，因此具有深遠(yuǎn)的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 瘦素基因的表達(dá)、瘦素作用及其機(jī)理

1.1 瘦素基因的表達(dá)

Zhang等[7]于1994年首先在Nature報(bào)道，克隆了小鼠和人編碼瘦素的肥胖基因(obese gene)，又稱(chēng)之為瘦素基因(leptin gene)。2005年，Kurokawa 等[8]先在水生動(dòng)物克隆了河豚(Fugu obscurus)的瘦素基因，發(fā)現(xiàn)它與人類(lèi)的瘦素基因只有13%的同源性，魚(yú)類(lèi)瘦素的氨基酸序列與哺乳類(lèi)差異很大，然而，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)高度保守。瘦素前體由167個(gè)氨基酸組成，于分泌入血時(shí)，被修飾除去其中由21個(gè)氨基酸組成的N-端信號(hào)肽，形成由146個(gè)氨基酸組成、分子量為16 kD、有生物學(xué)功能的成熟瘦素，以單體形式存于血液中[1,6]。

不同物種的瘦素基因表達(dá)相異。魚(yú)類(lèi)瘦素主要在肝中表達(dá)[9-11]，也表達(dá)于魚(yú)腦、垂體、精巢和卵巢等組織[12]。但是，哺乳動(dòng)物的瘦素主要由白色脂肪組織分泌[6，13-14]，也表達(dá)于下丘腦、胃、骨髓、骨骼肌、胎盤(pán)、胎兒等組織[15-16]。

不同亞型瘦素基因表達(dá)也相異。如斑馬魚(yú)(Da?nio rerio)[17]和草魚(yú)(Ctenopharyngodon idellus)[18]的leptin-A均主要在肝中表達(dá)，可是，leptin-B大量表達(dá)于斑馬魚(yú)腦和眼中[17]，而草魚(yú)主要表達(dá)于小腦[19]。

1.2 瘦素的功能

瘦素在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮多種生物學(xué)功能，如參與調(diào)節(jié)攝食、能量代謝、生長(zhǎng)、體重、激素分泌、免疫和繁殖等[11，20-22]。哺乳動(dòng)物瘦素在攝食[6]、糖和脂肪代謝[3，8，23]、能量消耗[24]、促進(jìn)生長(zhǎng)[3]、免疫[3，25]、造血[3]、生殖[26-28]等發(fā)揮重要作用。魚(yú)類(lèi)瘦素可調(diào)節(jié)魚(yú)類(lèi)的攝食[18，29]、葡萄糖和脂肪代謝[30-31]、促進(jìn)生長(zhǎng)[10]、繁殖[17，32]等。例如，性成熟的大西洋鮭(Salmo salar)肝瘦素mRNA水平和血清瘦素含量均顯著高于未成熟者[33]。人類(lèi)瘦素可提高雌性虹鱒(Oncorhynchus mykiss)垂體的促黃體生成激素(LH)和促卵泡激素(FSH)的釋放量。瘦素能顯著提高團(tuán)頭魴(Megalobrama amblycephala)的繁殖能力[34]。然而，至今魚(yú)類(lèi)瘦素的功能研究，主要集中在攝食、體重、脂肪代謝和能量代謝調(diào)節(jié)方面。由于瘦素可給大腦提供能量平衡和長(zhǎng)效食物的調(diào)節(jié)信號(hào)——長(zhǎng)效肥胖信號(hào)[35]，因此，瘦素能調(diào)節(jié)食欲，控制肥胖。2016年，Yan等[36]發(fā)現(xiàn)，注射瘦素能顯著抑制金魚(yú)(Carassius auratus)食欲、減緩消化管道的排空速度。注射虹鱒重組表達(dá)瘦素后，虹鱒降低促食欲因子——神經(jīng)肽Y(NPY)基因的表達(dá)水平，并促進(jìn)其抑制食欲因子——阿片促黑色素原基因的表達(dá)，因而顯著抑制虹鱒的攝食行為[29]。給草魚(yú)注射草魚(yú)重組表達(dá)瘦素24 h后,草魚(yú)的瘦素mRNA水平升高5.76倍，表明瘦素以急性效應(yīng)調(diào)控?cái)z食、脂類(lèi)代謝和能量消耗；與此同時(shí)，瘦素顯著降低肝硬脂酰輔酶A脫氫酶1(SCD1)和脂蛋白脂肪酶(LPL)基因的表達(dá)，前者在合成單不飽和脂肪酸中發(fā)揮關(guān)鍵作用[18]。給金魚(yú)腹腔和側(cè)腦室注射哺乳動(dòng)物瘦素后，金魚(yú)減少攝食、體重下降、降低調(diào)控?cái)z食和能量代謝的相關(guān)基因表達(dá)。給鱸魚(yú)腹腔注射人的瘦素也可抑制其攝食[37]。然而，Won等[10]給雜交條紋鱸(♂Moron saxatilis×♀M.Chrysops)注射瘦素100 ng/g后，其生長(zhǎng)素-1基因表達(dá)量顯著高于對(duì)照組。

2016年，Yuan等[38]指出，Leptin-A 參與桂魚(yú)(Siniperca chuatsi)能量代謝的主要調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)攝食和能量代謝中發(fā)揮重要作用；而Leptin-B調(diào)控特殊中樞神經(jīng)系統(tǒng)的能量交換。

1.3 瘦素的作用機(jī)理

瘦素通過(guò)瘦素受體(Leptin-R)介導(dǎo)發(fā)揮作用。瘦素受體廣泛分布于機(jī)體的中樞及外周組織，但是，瘦素對(duì)攝食的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)影響下丘腦攝食中樞進(jìn)行的[39]。瘦素受體是單一跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞激肽類(lèi)I型，由胞外、跨膜和胞內(nèi)三個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。按胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域氨基酸序列和長(zhǎng)短的差異，把瘦素受體分為長(zhǎng)型、短型和可溶型三種亞型[3]，其中長(zhǎng)型瘦素受體是瘦素的主要作用受體[40]。魚(yú)類(lèi)瘦素受體首先從海水青鳉克隆出來(lái)，海水青鳉瘦素受體主要在鰓、脾、腎和肌肉中表達(dá),而且雌性瘦素受體的表達(dá)量高于雄性[41]。

分泌到血液中的瘦素先與血清蛋白結(jié)合，由血液運(yùn)輸至下丘腦與瘦素受體結(jié)合，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而發(fā)揮瘦素作用[42]。目前認(rèn)為，瘦素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑包括以下幾方面。

1.3.1 JAK/STAT信號(hào)通路

瘦素的直接受體為黑素細(xì)胞激素原(POMC)和神經(jīng)肽Y(NPY)。當(dāng)瘦素與其受體結(jié)合后，通過(guò)瘦素受體胞內(nèi)段膜近端區(qū)域的酪氨酸激酶(Ja-nus kinase，JAK)結(jié)合位點(diǎn)與JAK結(jié)合，而激活JAK，導(dǎo)致“信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子”(signal transducer and activator of tran-scription，STAT)磷酸化而從受體上脫離，并以二聚體形式進(jìn)入細(xì)胞核，作為轉(zhuǎn)錄因子與特異的DNA序列結(jié)合，參與基因表達(dá)調(diào)控[29，43-44]。這是介導(dǎo)瘦素信號(hào)傳輸?shù)闹饕贰狫AK/STAT信號(hào)通路。

1.3.2 RST－PI3K信號(hào)通路

瘦素能通過(guò)與胰島素信號(hào)級(jí)聯(lián)中的某些信號(hào)分子相互作用，參與調(diào)控胰島素介導(dǎo)的信號(hào)傳遞。胰島素受體亞型通過(guò)本身的激酶引起酪氨酸(tyrosine)磷酸化而被激活，其重要靶蛋白是磷脂酰肌醇232激酶(phosphatidylinositol 232 kinase，PI3K)，引發(fā)PI3K依賴(lài)的絲/蘇氨酸激酶(receptor serine/threonine kinases,RSTK)被激活，同時(shí)活化另一蘇氨酸蛋白激酶，調(diào)節(jié)糖原合酶的磷酸化過(guò)程[45]。

1.3.3 其他信號(hào)通路

瘦素能激活其他神經(jīng)元活性，產(chǎn)生一些神經(jīng)遞質(zhì)抑制促食神經(jīng)肽Y(NPY)的作用。如瘦素能激活黑素細(xì)胞激素原(POMC)而產(chǎn)生α-促黑素細(xì)胞激素(α-MSH)，后者與黑皮質(zhì)素-4(MCR-4)受體結(jié)合，進(jìn)而封閉阻止NPY的作用。瘦素可通過(guò)降低NPY的合成來(lái)調(diào)控?cái)z食。瘦素能通過(guò)影響動(dòng)物下丘腦和后腦的葡萄糖感受性神經(jīng)元的活性，激活厭食欲肽(POMC、CART、CCK)的表達(dá)和抑制促食神經(jīng)肽Y(NPY、AgRP、Orexin)的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控其攝食行為，并促進(jìn)能量消耗[46]。此外，瘦素還能通過(guò)改變下丘腦下行神經(jīng)元的活性，提高胃神經(jīng)元膽囊收縮素受體的活性，增強(qiáng)膽囊收縮素的作用而調(diào)節(jié)食欲[47]。此外，還有其他一些假說(shuō)或正在研究的信號(hào)通路。

2 營(yíng)養(yǎng)素對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的影響

瘦素基因表達(dá)受許多因素影響，其中營(yíng)養(yǎng)素是主要因素之一，脂肪、糖類(lèi)、蛋白質(zhì)都顯著影響水生動(dòng)物瘦素基因的表達(dá)。

2.1 脂肪對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的影響

體脂量是影響瘦素基因表達(dá)的主要因素。脂肪組織體積或熱卡攝取量的變化可顯著影響瘦素mRNA及其表達(dá)。血清瘦素濃度與脂肪組織瘦素mRNA水平、體重指數(shù)尤其是與體脂的百分含量呈正相關(guān)[32，48]。通常，體重增加，瘦素mRNA升高，瘦素濃度提高；反之，體重減輕，瘦素mRNA減少，瘦素濃度降低。相較而言，肥胖者的脂肪細(xì)胞瘦素mRNA和血清瘦素水平較高；同體的大脂肪細(xì)胞所含的瘦素mRNA高于小脂肪細(xì)胞[49]。如過(guò)度進(jìn)食致體重增加10%，體脂從15.8%增至19.4時(shí)，瘦素濃度可增加3倍[26]。

攝入脂肪顯著影響瘦素基因表達(dá)。用添加4%脂肪的飼料投喂草魚(yú)，其瘦素基因陽(yáng)性面積比對(duì)照組增加80.40%，顯著提高瘦素表達(dá)、生長(zhǎng)性能、脂肪含量和脂肪分解酶活性，降低脂肪合成酶活性[50]。但是，Kousoulaki等[51]給大西洋鮭投喂植物油添加劑，不增加其瘦素表達(dá)。

瘦素基因表達(dá)與日糧脂肪酸組成及其能量代謝相關(guān)[52]。投喂n-3和n-6長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸(LCPUFAs)的虹鱒(Oncorhynchus mykiss)于24 h內(nèi)，其瘦素表達(dá)均是降低；而且投喂LC-PUFAs的虹鱒魚(yú)瘦素表達(dá)量低于投喂植物油者[53]。富含n-3多不飽和脂肪酸(PUFAs)的膳食，可直接降低機(jī)體的血漿瘦素水平[54]。然而，江津等[55]報(bào)道，相對(duì)于n-6 PUFAs來(lái)說(shuō)，給小鼠飼喂含n-3 PUFAs的飼料或添加n-3 PUFAs體外培養(yǎng)3T3-L1細(xì)胞，均顯著增加瘦素表達(dá)，并有劑量效應(yīng)。

此外，由腎上腺皮質(zhì)分泌的一類(lèi)甾體激素——糖皮質(zhì)激素(Glucocorticoid)，又名腎上腺皮質(zhì)激素，可直接或間接引起瘦素水平的增高[26]。

2.2 糖類(lèi)對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的影響

瘦素基因表達(dá)與血糖水平正相關(guān)。投喂后的鯉(Cyprinus carpio)肝瘦素表達(dá)量上升，并于血糖升高和血清游離脂肪酸下降之后達(dá)到峰值，這說(shuō)明瘦素表達(dá)上升是由血糖含量升高所致[56]?？崭箷?huì)降低瘦素mRNA及血清瘦素濃度，但進(jìn)食可恢復(fù)其濃度。短時(shí)過(guò)量攝食可致血清瘦素濃度提高40%[49]。投喂齊口裂腹魚(yú)(Schizothorax prenanti)1 h后，其瘦素表達(dá)量為1.02，而禁食對(duì)照組瘦素表達(dá)量為0.58[57]。饑餓3周的鱸(Perca fluviatilis)肝瘦素mRNA水平顯著減少,再投喂3周后鱸肝瘦素mRNA水平則回升[37]。

然而，Kling等[58]報(bào)道，禁食3周后，虹鱒瘦素表達(dá)水平顯著升高。禁食1周后，斑馬魚(yú)肝Leptin-A mRNA水平顯著升高，而Leptin-B mRNA水平顯著下降，可見(jiàn)瘦素的不同亞型表達(dá)相異[17]。投喂糖脂比14∶1的飼料24 h后，大菱鲆(Scophthalmusmaximus)血糖水平2倍于投喂糖脂比1∶6的對(duì)照組，魚(yú)肝瘦素表達(dá)量顯著降低，但肌肉瘦素受體的表達(dá)量卻顯著升高，效果相異[59]。

2.3 蛋白質(zhì)對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的影響

肉堿(carnitine)抑制瘦素表達(dá)。肉堿是一種可用蛋氨酸和賴(lài)氨酸生物合成的類(lèi)氨基酸復(fù)合物。分別用添加肉堿0、200、400 mg/kg飼料投喂草魚(yú)8周后，其肝胰臟瘦素表達(dá)隨肉堿添加量的增加而下降[51]。這與用大鼠做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，當(dāng)用添加肉堿0、125、250、500 mg/kg飼料投喂大鼠6周后，其3個(gè)肉堿組的血清瘦素水平顯著低于對(duì)照組[60]。

神經(jīng)肽抑制瘦素表達(dá)。給草魚(yú)注射神經(jīng)肽2～4 h后，其體內(nèi)瘦素表達(dá)量顯著下降[61]。

然而，Kousoulaki等[51]給大西洋鮭(Salmo salar)投喂植物蛋白，不影響其瘦素表達(dá)。蛋白質(zhì)激素——胰島素可刺激瘦素表達(dá)[26]。用胰島素處理小鼠后，其脂肪細(xì)胞中瘦素表達(dá)升高[62]。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述，營(yíng)養(yǎng)素特別是脂肪對(duì)水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的影響很大，但其機(jī)理亟待研究。目前，研究哺乳動(dòng)物瘦素頗多，但研究水生動(dòng)物瘦素是個(gè)新課題。應(yīng)該綜合利用多科學(xué)、從基因、分子、細(xì)胞、器官和整體水平，全方位、深入地研究水生動(dòng)物瘦素的生物學(xué)功能和影響因素，更要深入研究影響瘦素基因表達(dá)的因素及機(jī)制。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該特別關(guān)注：①不同水生動(dòng)物瘦素及其功能研究；②水生動(dòng)物瘦素的作用機(jī)理，尤其是瘦素-受體復(fù)合體及其信號(hào)通路；③不同水生動(dòng)物瘦素基因、受體的分布及克??；④影響水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的因素及調(diào)控機(jī)制；⑤實(shí)際應(yīng)用研究。