生物節(jié)律與肝臟能量代謝

高文康,舒艷蕓,葉進(jìn),潘曉莉,華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科 湖北省武漢市 430022

0 引言

自生命誕生以來(lái),生物體便開(kāi)始不斷進(jìn)化以適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的環(huán)境改變,尤其是陽(yáng)光和溫度的日變化[1].而生命體的功能也表現(xiàn)出以24 h為周期的節(jié)律性波動(dòng),比如清晨心率血壓升高,夜晚逐漸下降,我們把這些生理活動(dòng)的改變稱為晝夜節(jié)律,它起源于一種內(nèi)源性計(jì)時(shí)系統(tǒng)(即生物鐘)[2].機(jī)體內(nèi)諸如睡眠-覺(jué)醒周期、體溫、血壓、激素和代謝等都受到晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)[3,4].

肝臟作為全身新陳代謝的樞紐,其功能包括調(diào)節(jié)碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝,膽汁合成,造血凝血及解毒等多個(gè)方面[5].研究證實(shí),肝臟內(nèi)進(jìn)行的各色生理活動(dòng)幾乎都受到生物鐘的控制,而生物節(jié)律的紊亂則會(huì)引起肝臟新陳代謝及相應(yīng)功能的紊亂,嚴(yán)重時(shí)可發(fā)展為代謝性疾病[6-9].隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏加快,工作休息節(jié)律與生理節(jié)律的去同步化已成常態(tài),相關(guān)代謝疾病的發(fā)病率逐年攀升并呈年輕化趨勢(shì)[9],故深入研究生物節(jié)律與肝臟代謝顯得十分必要.本文結(jié)合近幾年的相關(guān)科學(xué)報(bào)道,主要介紹了肝臟生物節(jié)律的來(lái)源和調(diào)控機(jī)制,總結(jié)了生理和病理?xiàng)l件下肝臟生物節(jié)律的變化,重點(diǎn)闡述了他們?cè)谡{(diào)節(jié)葡萄糖、脂質(zhì)、膽汁酸等代謝過(guò)程中所發(fā)揮的作用以及對(duì)某些疾病發(fā)生發(fā)展的潛在影響.

1 生物節(jié)律的產(chǎn)生及分子機(jī)制

哺乳動(dòng)物的生活幾乎無(wú)時(shí)不刻地受到生物節(jié)律的調(diào)控,譬如睡眠覺(jué)醒周期[10,11].它使機(jī)體適應(yīng)白天和黑夜,讓不同的組織器官在不同的時(shí)間段上發(fā)揮著各自的功能,那么機(jī)體是如何被賦予時(shí)間特性的呢？

早在20世紀(jì)60年代,時(shí)間生物學(xué)創(chuàng)始人之一Colin Pittendrigh就曾假設(shè)晝夜節(jié)律系統(tǒng)是由光敏感的“起搏器”時(shí)鐘和外周從屬的振蕩器所組成[12],后來(lái)的研究也證實(shí)這一觀點(diǎn).哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜感光器(視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞)將光能轉(zhuǎn)化為電脈沖,并通過(guò)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞將其傳遞至大腦,表達(dá)光色素黑素的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的子細(xì)胞對(duì)可見(jiàn)光譜具有特定的敏感性,并直接將光信號(hào)傳遞到下丘腦區(qū)域,即視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN).之后通過(guò)體液和神經(jīng)調(diào)節(jié),SCN將“時(shí)間信息”(也稱為“給時(shí)器”)傳遞給其他組織器官以及細(xì)胞,從而實(shí)現(xiàn)外周組織時(shí)間上的同步化[13].因此,從解剖學(xué)上講,哺乳動(dòng)物產(chǎn)生晝夜節(jié)律的系統(tǒng)是分級(jí)的,通常將受光照限制的SCN稱為核心生物鐘,它為機(jī)體內(nèi)所有其他外圍時(shí)鐘設(shè)定了基線時(shí)間.最近幾年,SCN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其功能已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題.已知人類的SCN大約由100000個(gè)神經(jīng)元組成,密布在SCN的中心和外周區(qū)域,它們具有不同的聯(lián)系方式,神經(jīng)遞質(zhì)譜和晝夜節(jié)律相位,但是,不同類型的神經(jīng)元在SCN中如何分布,相互之間如何識(shí)別以及對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生中所發(fā)揮的功能作用尚未可知,有待研究[14].

生物鐘是一種細(xì)胞自主的分子機(jī)制,在分子水平上也是有層次的運(yùn)行.細(xì)胞節(jié)律震蕩使大量基因有節(jié)律地表達(dá),導(dǎo)致機(jī)體生理和行為的明顯改變[15].研究發(fā)現(xiàn)人體所有細(xì)胞中的晝夜節(jié)律振蕩依賴由生物鐘基因組成的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)[16]的調(diào)控(圖1).其中一條研究較為清楚的反饋環(huán)路涉及時(shí)鐘基因(Period,Per)和隱花色素基因(Cryptochrome,Cry),他們由轉(zhuǎn)錄激活因子CLOCK (circadian locomotor output cycles kaput),NPAS2(neuronal Per-Arnt-Sim domain protein 2)和ARNT1 (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator like protein 1,也稱為BMAL1)激活,形成CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1異二聚體,這些復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的E-box元件(E-box elements)結(jié)合,激活Per和Cry基因的轉(zhuǎn)錄,其翻譯得到的Per和Cry蛋白又被導(dǎo)入細(xì)胞核并抑制自身基因的轉(zhuǎn)錄[16-18],隨后新的晝夜節(jié)律周期開(kāi)始.第二個(gè)反饋環(huán)路則使得振蕩機(jī)制更加穩(wěn)固,它由核受體亞家族1D(nuclear receptor subfamily 1 group D member,NR1D,亦稱為REV-ERBA)與RAR相關(guān)的孤兒受體(RAR related orphan receptor,ROR)家族組成,它們同樣由核心時(shí)鐘激活,并競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合ROR反應(yīng)元件結(jié)合位點(diǎn)(ROR response element binding sites,RORE),以調(diào)控BMAL1基因的節(jié)律性表達(dá).其中,REV-ERBA的結(jié)合抑制BMAL1轉(zhuǎn)錄,屬于負(fù)調(diào)控因子; 而ROR結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)域可促進(jìn)BMAL1的轉(zhuǎn)錄[19].此外,最近研究還發(fā)現(xiàn)DECs的表達(dá)發(fā)揮了時(shí)鐘基因的功能,并且DECs可以通過(guò)與BMAL1結(jié)合或與CLOCK-BMAL1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合E-box位點(diǎn)來(lái)抑制自身轉(zhuǎn)錄[20],這形成了第三條自主反饋環(huán)路.總之,這些復(fù)雜的反饋回路產(chǎn)生了大約24 h的周期節(jié)律[21],我們稱之為晝夜節(jié)律.

圖 1 核心時(shí)鐘中典型的轉(zhuǎn)錄反饋回路. CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1異二聚體可激活PER,CRY,REV-ERBA,ROR基因的轉(zhuǎn)錄.PER和CRY蛋白反過(guò)來(lái)抑制CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1所依賴的轉(zhuǎn)錄.REV-ERBA和ROR蛋白可競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合RORE以調(diào)控BMAl1基因的節(jié)律轉(zhuǎn)錄.PER:周期基因; CRY:隱花色素基因; REV-ERBA:核受體亞家族1D; ROR:RAR相關(guān)的孤兒受體; RORE:ROR反應(yīng)元件結(jié)合位點(diǎn);CLOCK:時(shí)鐘基因; NPAS2:神經(jīng)元PAS結(jié)構(gòu)域蛋白2; BMAL1:芳烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1.

2 生物節(jié)律參與調(diào)控肝臟功能

核心鐘基因可控制器官特異性的轉(zhuǎn)錄因子的節(jié)律性表達(dá),再通過(guò)這些特異性轉(zhuǎn)錄因子控制主要代謝調(diào)節(jié)因子及相關(guān)酶的表達(dá)[5].肝臟在維持全身代謝機(jī)能中發(fā)揮著不可替代的作用,于是生物鐘與肝臟功能的關(guān)系受到廣泛關(guān)注.研究人員通過(guò)對(duì)小鼠進(jìn)行一些高通量的生物節(jié)律過(guò)程研究,以明確生物鐘是否參與調(diào)節(jié)肝臟生理功能.這些研究涉及了順?lè)唇M[22-25]、轉(zhuǎn)錄組[26,27]、蛋白質(zhì)組[28-30]和脂質(zhì)組[31,32]等多個(gè)方面.其中,順?lè)唇M分析[22-25]顯示這兩個(gè)不同的mRNA譜系來(lái)源于晝夜節(jié)律振蕩器,可以定期募集或移除轉(zhuǎn)錄因子和共調(diào)節(jié)因子,通過(guò)表觀遺傳修飾改變生物鐘鐘控基因(clock-controlled gene,CCG)的染色質(zhì)狀態(tài),從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄以控制生物體節(jié)律.轉(zhuǎn)錄組分析揭示了肝臟中兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)錄峰,它們分別與休息期和活動(dòng)期相對(duì)應(yīng)[33-37],這很可能反應(yīng)機(jī)體高度不同的生理需求,比如肝臟介導(dǎo)的能量代謝和解毒活動(dòng).DNA修復(fù),核糖體生物發(fā)生,自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等細(xì)胞過(guò)程也受到晝夜調(diào)節(jié),一般集中在翻譯后水平[28-30].總而言之,這些研究大體揭示了生物鐘對(duì)肝臟功能生理水平上的調(diào)控,而調(diào)節(jié)失控則表現(xiàn)出有助于非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)及其他代謝疾病發(fā)展的勢(shì)頭.

3 生物節(jié)律與肝臟葡萄糖代謝

肝臟是哺乳動(dòng)物調(diào)節(jié)糖代謝的主要器官,并與腦、胰腺、骨骼肌等器官協(xié)同維持體內(nèi)血糖水平穩(wěn)定[5].雖然直接的葡萄糖信號(hào)是機(jī)體適應(yīng)血糖快速變化的關(guān)鍵,但是生物鐘似乎為此提供了有節(jié)奏的基線調(diào)節(jié).譬如,夜間饑餓后的食物攝取[38].研究表明,生物鐘通過(guò)同步各組織相關(guān)的糖代謝活動(dòng)來(lái)維持葡萄糖穩(wěn)態(tài),其中大腦中的中樞生物鐘控制著休息-活動(dòng)及飲食-禁食的節(jié)律,產(chǎn)生節(jié)律性的營(yíng)養(yǎng)吸收和信號(hào)傳遞,而肝臟外周生物鐘的作用可能是緩沖由這些節(jié)律性行為所引起血糖水平的周期性波動(dòng)[39].

在機(jī)體活動(dòng)期,葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter,Glut)和胰島素受體的表達(dá)水平達(dá)到峰值[27,40],以應(yīng)對(duì)攝食引起的血糖升高.在葡萄糖進(jìn)入肝細(xì)胞后,即被磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-Phosphate,G6P),該產(chǎn)物可通過(guò)糖酵解或磷酸戊糖旁路被消耗掉,當(dāng)葡萄糖攝入過(guò)量時(shí)也可以通過(guò)糖原復(fù)合物的形式儲(chǔ)存起來(lái),生物鐘可調(diào)控上述所有過(guò)程[34,41].進(jìn)入休息期,體內(nèi)葡萄糖水平下降,通常糖皮質(zhì)激素可以刺激糖異生以產(chǎn)生葡萄糖維持機(jī)體所需,而Cry可通過(guò)蛋白質(zhì)間的相互作用抑制糖皮質(zhì)激素受體來(lái)調(diào)控這一過(guò)程[42,43].此外,隱花色素進(jìn)一步調(diào)控糖異生以及胰高血糖素受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),主要機(jī)制如下:胰高血糖素受體激活后通過(guò)G蛋白異源三聚體傳遞信號(hào),刺激環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)的產(chǎn)生,cAMP可介導(dǎo)環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)的節(jié)律性磷酸化及轉(zhuǎn)錄活性[44],進(jìn)而CREB調(diào)節(jié)糖異生的關(guān)鍵酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PCK1)的表達(dá)[45].隱花色素因負(fù)調(diào)控G蛋白異源三聚體從而抑制cAMP的積累,間接降低了PCK1的表達(dá)(圖2).

另外,葡萄糖代謝還受到核受體REV-ERBA的調(diào)控[46].REV-ERBA是核心生物鐘的組分之一,并且是肝生物鐘及機(jī)體代謝的中央調(diào)節(jié)器[47].REV-ERBA通過(guò)CLOCK-BMAL1依賴的轉(zhuǎn)錄激活而有節(jié)奏的表達(dá),它與RORα和RORγ競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合時(shí)鐘基因啟動(dòng)子區(qū)域中的RORE和DevDR2元件,以反饋調(diào)控核心鐘基因的表達(dá)[48].此外,REV-ERBA在靶基因啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合位點(diǎn)與肝特異性轉(zhuǎn)錄因子——肝細(xì)胞核因子(hepatocyte nuclear factor,HNF) 4α或HNF6結(jié)合,通過(guò)組蛋白去乙?；? (histone deacetylase 3,HDAC3)及其他共阻遏物調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄基因代謝,例如,長(zhǎng)鏈脂肪酸延長(zhǎng)酶5 (Elongation of very long chain fatty acids protein 5,ELOVL5)或酰基輔酶A合成酶短鏈家族成員3 (acyl-CoA synthetase short chain family member 3,ACSS3)[49].由此可見(jiàn),肝臟生物鐘通過(guò)多種機(jī)制協(xié)同維持生理狀態(tài)下的葡萄糖水平.

我們知道,機(jī)體內(nèi)葡萄糖水平與胰島素密切相關(guān),而胰島素抵抗是2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病等代謝性疾病中關(guān)鍵的病理生理過(guò)程,所以不難得到這樣的假設(shè),即生物節(jié)律的紊亂可能是導(dǎo)致胰島素抵抗的重要因素.其中,最早的證據(jù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)60年代,人們發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者糖耐量日節(jié)律的改變[50].隨后的研究表明時(shí)鐘基因突變小鼠會(huì)患代謝綜合征[51],非正常時(shí)間段(睡眠階段)攝食會(huì)導(dǎo)致小鼠肥胖[52],晝夜節(jié)律失調(diào)導(dǎo)致人糖耐量下降[53]等,這些結(jié)論促生了晝夜節(jié)律假說(shuō)的提出,尤其對(duì)小鼠組織(如肝臟[38,54]、胰腺[55-57]、肌肉[58,59]等)特異性基因敲除模型的研究進(jìn)一步支持該假說(shuō).最近幾年實(shí)驗(yàn)還觀察到夜間光線暴露對(duì)葡萄糖代謝的影響.比如夜間昏暗的光線可以擾亂小鼠日常進(jìn)食和行為活動(dòng)節(jié)律,導(dǎo)致其肥胖和糖耐量降低,但在大鼠中尚未發(fā)現(xiàn)[60-62]; 2017年一項(xiàng)對(duì)大鼠的研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)環(huán)境光的波長(zhǎng)會(huì)對(duì)葡萄糖耐量產(chǎn)生影響:白光,綠光可以降低糖耐量而非藍(lán)光,紅光[63]; 人類的觀察結(jié)果與嚙齒類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)一致,如明亮的環(huán)境光可直接降低健康個(gè)體胰島素敏感性[64]; 健康受試者在夜間保持清醒時(shí),明亮的光線會(huì)增加其血漿葡萄糖水平[65]; 另外,睡眠障礙,社交時(shí)差及輪班工作等常見(jiàn)的可引起人類節(jié)律紊亂的原因也被證實(shí)會(huì)增加代謝性疾病的風(fēng)險(xiǎn).如節(jié)律性睡眠障礙患者的睡眠不足可導(dǎo)致其糖耐量降低和高血糖[66]; 輪班工人罹患2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)增加,增加程度與上夜班的次數(shù)相關(guān)[67]; 晝夜節(jié)律失調(diào)降低了非輪班工人和慢性輪班工人的葡萄糖耐量和胰島素敏感性[68-70].綜上可見(jiàn),無(wú)論何種原因?qū)е碌臅r(shí)鐘節(jié)律紊亂均在組織水平上促進(jìn)了胰島素抵抗,也促進(jìn)了相關(guān)代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展.對(duì)于胰島素抵抗的治療,一方面人們?cè)噲D通過(guò)改善光照,調(diào)節(jié)睡眠時(shí)間等恢復(fù)機(jī)體正常的節(jié)律,另一方面也期待可以找到提高生物鐘基因表達(dá)量的分子來(lái)降低血糖水平并減輕飲食誘導(dǎo)的肥胖[71].就目前而言,REV-ERBα激動(dòng)劑SR9011及REV-ERBβ激動(dòng)劑SR9009是具有希望的藥物,此外ROR激動(dòng)劑和CRY穩(wěn)定劑也被證明對(duì)治療代謝性疾病有一定作用[72-74],它們?cè)谌梭wI期藥物研究值得期待.

4 生物節(jié)律與肝臟膽汁酸代謝

肝臟是膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸(bile acids,BAs)的主要場(chǎng)所,肝細(xì)胞合成的膽汁酸主要促進(jìn)腸道營(yíng)養(yǎng)吸收,此外它還是一種重要的信號(hào)分子[75,76],具有旁分泌和內(nèi)分泌功能[77].譬如它是法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR)以及G蛋白偶聯(lián)受體TGR5 (G-protein-coupled receptor TGR5)的生理性配體,能激活一些信號(hào)通路(如絲裂原活化蛋白激酶通路[75,76]).通過(guò)調(diào)節(jié)這些不同的信號(hào)網(wǎng)絡(luò),膽汁酸不但能調(diào)節(jié)自身水平,也能調(diào)控甘油三酯,膽固醇和葡萄糖水平[75,76].

研究發(fā)現(xiàn),膽汁酸的合成,調(diào)節(jié)膽汁酸的關(guān)鍵酶以及核受體均隨晝夜節(jié)律而發(fā)生明顯改變[78-80].其中,膽汁酸合成主要受轉(zhuǎn)錄反饋環(huán)的調(diào)控,該環(huán)路主要組分包括核受體FXR,SHP (small heterodimer partner)[81]以及腸成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15 (intestinal fibroblast growth factor 15,FGF15,在人類中是FGF19)[82,83],生物鐘均參與調(diào)控上述組分[84],并共同驅(qū)使膽汁酸經(jīng)典合成通路中的限速酶——膽固醇7α羥化酶(cholesterol 7-alpha -hydroxylase,Cyp7a1)的節(jié)律性轉(zhuǎn)錄.但FXR的節(jié)律對(duì)調(diào)節(jié)肝臟膽汁酸穩(wěn)態(tài)貢獻(xiàn)度大小仍然存在爭(zhēng)議,譬如在FXR缺失的小鼠和腸道特異性FXR-/-小鼠中,無(wú)法檢測(cè)到FGF15和有機(jī)溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體α (organic solute transporter alpha,OSTα)[84,85],但是Cyp7a1表達(dá)的晝夜節(jié)律在這兩種模型中并沒(méi)有改變.猜測(cè)除FXR外,可能存在其他途徑參與膽汁酸穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié).此外,Cyp7a1的表達(dá)還受到生物鐘基因的調(diào)控.如肝臟CLOCK調(diào)控的,富含脯氨酸和酸性氨基酸(proline and acidic amino acid rich,PAR)的堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子DBP控制著Cyp7a1的轉(zhuǎn)錄,在時(shí)間上限制其表達(dá)[80].REV-ERBα也是調(diào)節(jié)膽固醇和膽汁酸代謝的關(guān)鍵因子,在REV-ERBα缺乏的小鼠中,Cyp7a1的節(jié)律表達(dá)受到抑制[86,87],其機(jī)制可能是通過(guò)調(diào)節(jié)E4bp4和Shp基因的轉(zhuǎn)錄,來(lái)調(diào)控Cyp7a1的表達(dá)[86].最近的研究發(fā)現(xiàn)膽汁酸還是潛在的時(shí)間生物學(xué)信號(hào),可以反過(guò)來(lái)影響生物鐘分子.如2016年Govindarajan等[88]人發(fā)現(xiàn)非結(jié)合膽汁酸顯著改變了回結(jié)腸以及肝臟生物鐘基因的表達(dá)水平,其中肝臟的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)器(如DBP)和相關(guān)基因(如Per2,Per3和Cry2)的表達(dá)發(fā)生了顯著改變.隨后人們又發(fā)現(xiàn)進(jìn)食可誘導(dǎo)膽汁酸池組分的變化進(jìn)而影響生物鐘分子[89].總之,這些機(jī)制共同作用使得機(jī)體在膽汁酸水平上產(chǎn)生了晝夜節(jié)律[90].

圖 2 細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的晝夜節(jié)律代謝. GLUT是晝夜節(jié)律性表達(dá)的,在活動(dòng)階段可以有效的吸收葡萄糖,在休息階段可釋放葡萄糖.胰島素信號(hào)可進(jìn)一步刺激葡萄糖攝取.胰島素受體的表達(dá)和敏感性受生物鐘的調(diào)節(jié).肝細(xì)胞和肌肉中的葡萄糖可有效地儲(chǔ)存為糖原,該反應(yīng)限速酶糖原合成酶2 (glycogen synthase,GYS2)也處于節(jié)律控制之下.PCK1具有節(jié)律性,它受胰高血糖素調(diào)控,而胰高血糖素信號(hào)受到CRY蛋白的負(fù)調(diào)控.糖皮質(zhì)激素可刺激糖異生,CRY蛋白可以抑制糖皮質(zhì)激素受體影響上述過(guò)程.葡糖糖也可以由其他代謝物合成,這些代謝物在糖異生過(guò)程中受REVERBA的節(jié)律性調(diào)節(jié).GLUT:葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白; GYS2:糖原合成酶2; PCK1:磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1; CREB:環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白;cAMP:環(huán)磷酸腺苷; CLOCK:時(shí)鐘基因; BMAL1:芳烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1; CRY:隱花色素基因; REV-ERBA:核受體亞家族1D.

晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)膽汁酸穩(wěn)態(tài)對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)體生理平衡至關(guān)重要,一旦失調(diào)(如限制進(jìn)食、睡眠剝奪)就很可能導(dǎo)致膽汁淤積和代謝性疾病的發(fā)生[91].有研究發(fā)現(xiàn),限時(shí)喂養(yǎng)(time-restricted feeding,TRF)可以擾亂肝臟Cyp7a1 mRNA的節(jié)律表達(dá),誘導(dǎo)血漿膽汁酸水平和組成的改變,影響脂質(zhì)代謝,并導(dǎo)致代謝紊亂的發(fā)生[89,92].而睡眠中斷會(huì)誘導(dǎo)脂質(zhì)蓄積和動(dòng)員的失調(diào),破壞膽汁酸穩(wěn)態(tài),增加諸如肥胖、胰島素抵抗等代謝障礙的風(fēng)險(xiǎn)[93].盡管越來(lái)越多的證據(jù)證實(shí)膽汁酸水平具有晝夜節(jié)律,但究其運(yùn)輸節(jié)律及誘導(dǎo)代謝性疾病的分子機(jī)理上(尤其是時(shí)間病理學(xué))仍然需要更多研究.

5 生物節(jié)律與肝臟脂質(zhì)代謝

肝臟主要通過(guò)調(diào)節(jié)脂肪酸從頭合成及氧化、脂蛋白合成、脂質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化來(lái)參與脂質(zhì)代謝.由Turek等[51]人開(kāi)創(chuàng)性研究顯示:生物鐘基因突變的小鼠,血液中膽固醇和甘油三酯含量升高.此后,人們對(duì)小鼠模型進(jìn)行了大量有關(guān)生物鐘的實(shí)驗(yàn).

針對(duì)小鼠CLOCK基因的研究發(fā)現(xiàn)其可以影響肝臟脂質(zhì)的代謝.CLOCK突變(Clockmt/mt)小鼠高表達(dá)微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)移蛋白(microsomal-triglycerid transfer protein,MTP),其機(jī)制主要是由于CLOCK蛋白能夠上調(diào)小異源二聚體伴侶SHP以負(fù)向調(diào)控MTP的表達(dá),其中SHP通過(guò)與MTP啟動(dòng)子上的HNF4α/肝核受體同源物1 (liver nuclear receptor homolog 1,LRH-1)結(jié)合以抑制MTP的表達(dá)[94].此外,在Clockmt/mt小鼠中參與脂質(zhì)吸收的基因其表達(dá)并未顯示晝夜節(jié)律,對(duì)限制喂養(yǎng)也沒(méi)有反應(yīng)[94,95],而表現(xiàn)出與甘油三酯合成和脂解相關(guān)基因節(jié)律性表達(dá)的改變[96-98].

針對(duì)小鼠體內(nèi)BMAL1的研究發(fā)現(xiàn)其也可調(diào)節(jié)脂肪的合成、分解、儲(chǔ)存及利用.缺乏BMAL1的小鼠表現(xiàn)如下:(1)血漿甘油三酯的日節(jié)律紊亂[99]; (2)幾種關(guān)鍵的成脂因子表達(dá)降低[100],如PPARγ、脂肪細(xì)胞脂肪酸結(jié)合蛋白2 (adipocyte fatty acid-binding protein 2,aP2)、CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α [CCAAT/enhancer-binding protein α,(C/EBP)α]、SREBP-1a和FAS; (3)脂肪組織未表現(xiàn)出脂解基因相關(guān)的節(jié)律振蕩,如Hsl和Atgl,表明BMAL1參與脂解過(guò)程[97]; (4)脂肪儲(chǔ)存和利用方面的損害,如循環(huán)中游離脂肪酸水平增加,誘導(dǎo)肝臟和骨骼肌中異位脂肪的形成.此外,缺乏BMAL1的小鼠呼吸商很高,意味著B(niǎo)MAL1在利用脂肪參與能量代謝上面發(fā)揮了作用[101].

針對(duì)小鼠體內(nèi)BMAL1主要抑制因子REV-ERBα的研究發(fā)現(xiàn),缺乏REV-ERBα的小鼠表現(xiàn)出脂質(zhì)代謝和膽汁酸代謝受損[102,103].其中,REV-ERBα的調(diào)節(jié)功能受核受體輔助抑制因子1 (nuclear receptor co-repressor 1,NCoR1)的控制,它通過(guò)激活HDAC3的一個(gè)亞基來(lái)抑制目標(biāo)基因(如BMAL1等)的轉(zhuǎn)錄[104].REV-ERBα和NCoR1募集與HDAC3募集同步,其中HDAC3的募集在明暗時(shí)期分別具有高低效率[100]:在暗期,低濃度的REV-ERBα降低了HDAC3與肝臟代謝基因的關(guān)聯(lián),有利于脂質(zhì)的生物合成和儲(chǔ)存.在光期,高水平的REV-ERBα增加了HDAC3與肝臟代謝基因的關(guān)聯(lián),從而減少了脂質(zhì)的生物合成.一旦小鼠肝臟中REV-ERBα或HDAC3的缺失,則會(huì)導(dǎo)致高甘油三酯血癥和肝臟脂肪變性[105].

Per和Cry基因也參與調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,如缺乏Per1和/或Per2的小鼠血漿甘油三酯水平降低[32,106].對(duì)Per2敲除小鼠的研究表明,Per2可以阻斷PPARγ招募啟動(dòng)子而對(duì)其發(fā)揮抑制作用[106].Cry基因缺乏會(huì)增加飲食誘導(dǎo)肥胖的易感性,如高脂飲食的Cry1/2-/-小鼠與野生型小鼠相比更快且更容易出現(xiàn)肥胖,且其白色脂肪組織中與脂質(zhì)攝取和脂肪生成相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào),如Fas,Acc1,Acsl4,Dgat1,Dgat 2等[107].

以上這些實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)了脂肪酸、甘油三酯及膽固醇的水平可由生物鐘組分的突變而發(fā)生改變,也證實(shí)了生物鐘基因是脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[106,108,109].不難發(fā)現(xiàn),一旦機(jī)體晝夜節(jié)律紊亂,必然導(dǎo)致脂質(zhì)代謝失調(diào)從而加速肥胖甚至代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展[9,110-112],這一觀點(diǎn)已在動(dòng)物身上得到驗(yàn)證.如CLOCK突變和BMAL1敲除的小鼠都表現(xiàn)出葡萄糖耐量下降,胰島素分泌減少,高脂飲食的敏感度增加,食欲亢進(jìn)并且超重[55,113]; Per突變的果蠅可檢測(cè)到脂質(zhì)代謝中間體的變化(如二酰甘油和酰基肉堿)以及饑餓敏感性的增加[111].此外對(duì)于人類而言,還有其他證據(jù)暗示上述觀點(diǎn).如長(zhǎng)期夜間光照導(dǎo)致節(jié)律紊亂的患者可伴有脂質(zhì)代謝紊亂[114]; 吃夜宵的頻率與肥胖和體重指數(shù)(body mass indexes,BMI)的升高呈正相關(guān)[115]; 還有因社交時(shí)差導(dǎo)致節(jié)律紊亂者,其平均BMI更高,脂肪含量也更高[116].反過(guò)來(lái),肥胖患者的BMAL1,Cry1,Cry2和Per2基因在明(晝)相表達(dá)顯著增加,暗(夜)相表達(dá)顯著下調(diào),提示生物鐘基因及其下游通路的表達(dá)也受到脂質(zhì)代謝紊亂的反饋影響[117].目前對(duì)于改善生物節(jié)律,減輕脂肪蓄積降低,患病風(fēng)險(xiǎn)的策略有如下幾點(diǎn):首先是限制進(jìn)食時(shí)間,如對(duì)生物鐘基因突變小鼠限時(shí)喂養(yǎng)(在活動(dòng)階段10 h可以進(jìn)食)可以恢復(fù)其新陳代謝節(jié)律,保護(hù)其免于肥胖[118].其次是營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié),改變膳食比例.如投喂蛋白含量較高,碳水化合物含量較低的食物可以促進(jìn)小鼠肝腎多個(gè)時(shí)鐘基因的表達(dá)節(jié)律,增加了BMAL1和Cry1的平均表達(dá)量[119]; 減少飽和脂肪酸(SFA)的攝入或者增加多不飽和脂肪酸(PUFA)的攝入,比如Omega-3 PUFA,它甚至被建議作為NAFLD的潛在治療劑[120]; 還有最近的DHA[121,122],它可以克服由高脂飲食引起的小鼠脂質(zhì)代謝晝夜節(jié)律紊亂[123].此外,人為補(bǔ)充一些激素可能具有效果,如褪黑素可以改善高脂喂養(yǎng)小鼠腸道菌群的晝夜節(jié)律[124],具有一定抗肥胖功效.不過(guò)遺憾的是,上述種種有前景的措施,其潛在機(jī)制尚未明確,應(yīng)用人體效果如何仍需進(jìn)一步研究.

6 生物節(jié)律與肝臟蛋白質(zhì)代謝

飲食攝入的蛋白質(zhì)通常在小腸中被降解為氨基酸,并被吸收運(yùn)輸?shù)礁闻K[125].氨基酸可用于糖異生,合成蛋白質(zhì),生成活性分子(如甲硫氨酸腺苷酸化所產(chǎn)生的SAM)以及降解釋放出氨參與尿素循環(huán),所以細(xì)胞中的氨基酸很少在保持游離狀態(tài).在進(jìn)食狀態(tài)下,胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)下游激酶AKT激活mTOR-S6激酶途徑以促進(jìn)蛋白質(zhì)翻譯,AKT或S6K1還可以使BMAL1磷酸化,并將其招募到翻譯復(fù)合物中,促進(jìn)復(fù)合物的活性[126,127].由于核糖體生物合成[128]和mRNA特定亞組的優(yōu)先翻譯[129]是受晝夜節(jié)律調(diào)控的,所以蛋白質(zhì)合成也具有普遍節(jié)律,尤其在合成體內(nèi)許多重要分泌蛋白上(如白蛋白,視黃醇結(jié)合蛋白,甲狀腺素運(yùn)載蛋白等),它們對(duì)肝臟功能而言特別重要.

在夜間禁食期間,肌肉和肝細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子KLF15可以介導(dǎo)下游酶的節(jié)律表達(dá),這些酶參與了肌肉中氨基酸的動(dòng)員,并在肝臟中用于糖異生和尿素循環(huán)中氨的再利用[130].因此,血漿中總氨基酸,支鏈氨基酸和尿素的水平在人體中表現(xiàn)出晝夜節(jié)律,并在夜間達(dá)到峰值[130].當(dāng)給予KLF15-/-小鼠富含蛋白質(zhì)飲食時(shí),它們出現(xiàn)了急性代謝紊亂(如低血糖,高氨血癥和尿素生成受損),從而證明了其對(duì)氨基酸代謝的重要性[130].此外,最近研究發(fā)現(xiàn)支鏈氨基酸可通過(guò)PI3K-AKT途徑負(fù)調(diào)控KLF15表達(dá)[131],提示了氨基酸在調(diào)節(jié)代謝方面的潛在機(jī)制.

7 結(jié)論

過(guò)去二十年,人們對(duì)晝夜節(jié)律,能量代謝和激素穩(wěn)態(tài)之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)逐步增加,進(jìn)而揭示了核心生物鐘在協(xié)調(diào)周圍器官生物鐘的作用,并且還發(fā)現(xiàn)了既與晝夜節(jié)律相關(guān)又與代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的若干基因.可以肯定,晝夜節(jié)律是人類生理平衡的重要組分,而任何串?dāng)_都可能打破這種微妙的平衡,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的病理改變.即使目前已證實(shí)晝夜節(jié)律失調(diào)與某些疾病發(fā)生率攀升有關(guān),卻也很難評(píng)估晝夜節(jié)律紊亂在這些疾病發(fā)展中所占的比重.因此,我們需要更多的研究去深入了解生物節(jié)律參與代謝、致病過(guò)程的分子途徑,這不僅為治療提供靶點(diǎn),還為預(yù)防代謝性疾病創(chuàng)造了機(jī)遇,也有益于改善公眾健康,合理指導(dǎo)疾病的預(yù)防和健康保健.