增食欲素及其生理功能研究進展

和興 · 發(fā)表于 2008-7-21 20:05:54

　　近幾年，在下丘腦發(fā)現(xiàn)了可促進食欲且來源于同一前體的兩種新神經(jīng)肽：增食欲素A和B(orexin A and B)，它們可激活兩種密切相關(guān)且與G蛋白偶聯(lián)的細胞表面受體(GPCRs)。研究顯示它在增加攝食、飲水、調(diào)節(jié)睡眠覺醒周期、生殖、體溫、血壓和感覺等方面有廣泛作用。本文綜述了增食欲素的基因及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、組織分布和功能，介紹了增食欲素受體，探討了增食欲素的作用機理，并對其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景做了展望。
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　　增食欲素發(fā)現(xiàn)的背景
　　1940年有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，下丘腦腹內(nèi)側(cè)(VMH)損傷可使動物出現(xiàn)過量進食的現(xiàn)象，提示VMH可能存在一個進食中樞。1998年Yangisawa研究小組在美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心與賓夕法尼亞州史克藥廠及英國貝克曼實驗室的研究人員合作，在探素能控制進食新藥的實驗中于大鼠下丘腦腹外側(cè)發(fā)現(xiàn)了兩種新的與能量代謝有關(guān)，而與瘦素作用相反的神經(jīng)肽：增食欲素A和B。增食欲素完全是一種現(xiàn)代分子篩選技術(shù)實驗過程中的意外收獲。因為所有的已知小調(diào)節(jié)肽(小肽激素和神經(jīng)肽)都是通過作用于G蛋白偶聯(lián)的細胞表面受體(GPCRs)而起作用的，所以Yangisawa研究小組分析了許多編碼G蛋白受體的cDNA序列，在各種組織，包括腦的各個部位提取物中用高分辯的高效液相色譜法(HPLG)來篩選作用于G蛋白受體的神經(jīng)肽，在下丘腦腹外側(cè)及鄰近區(qū)域發(fā)現(xiàn)了兩種新的神經(jīng)多肽，并命名為增食欲素A和B(希臘語orexin意為食欲)。中文還有食欲素、胖素、阿拉新素不同譯名。
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　　增食欲素的結(jié)構(gòu)
　　2.1
　　蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
　　Orexin A和orexin B都來自同一前體原。從大鼠中分離出的增食欲素A，由33個氨基酸殘基組成，相對分子質(zhì)量為3562，N-端是焦谷氨酰的殘基，c-端被酰胺化，4個cys殘基形成兩套鏈內(nèi)的二硫鍵，從牛腦中分離的增食欲素A序列與大鼠完全一致。增食欲素B由28個氨基酸殘基組成，相對分子質(zhì)量為2937，c-端也被酰胺化，有46%的序列與增食欲素A一致。采用RT-PCR，5’-RACE及3’-RACE技術(shù)，獲得了編碼大鼠增食欲素前體原的全長cDNA(585bP)。起始密碼與ATG-后的開放閱讀框架編碼130個殘基的多肽(增食欲素前體原，Prepro-orexin)，起始的32個殘基具有信息肽的特征，Ala32-Gln33是信號肽切割位點，G1n33一G1n66，與增食欲素A的序列相同;Lys67-Arg68是一對堿性氨基酸，是激素原轉(zhuǎn)化酶的識別位點;Arg69-Met96與增食欲素B的序列一致，隨后的Gly-Arg-Arg序列是C-端酰胺化信號。從上可見，增食欲素前體原基因首先編碼增食欲素前體原，隨后切除信號肽產(chǎn)生增食欲素原，后者在激素原轉(zhuǎn)化酶的催化下裂解為2段多肽，其中Gln33一Gly66的N一端及C一端在酶的催化下分別生成焦谷氨酸及甘氨酰胺殘基，即為增食欲素A;另一段多肽的Gly97發(fā)生酰胺化后，即為增食欲素B。增食欲素A及增食欲素B的氨基酸與任何已知的多肽無相似之處。已克隆的增食欲素前體cDNA及人和小鼠增食欲素基因序列分析預(yù)示：人和小鼠增食欲素A的氨基酸序列與大鼠和牛的完全一致，而人增食欲素B序列中有兩個氨基酸不同于.嚙齒類動物。從總體來說，人和大鼠orexin前體原有83%完全相同，而小鼠和大鼠則有95%完全一致。由于氨基酸序列的差異主要存在于增食欲素前體羧基端(C端)，其編碼另一活性肽的可能性不大。
　　2.2
　　基因結(jié)構(gòu)
　　迄今為止，大鼠和人類的orexin前體原基因已分離克隆成功，并完成了基因全序列的測定。人的orexin前體原基因共有1432bp、2個外顯子，被1個內(nèi)含子所分隔。第1個外顯子長143bp，包括5’一端非翻譯區(qū)和N一端前7個氨基酸殘基信號序列的編碼區(qū)，第2個外顯子長度為473bp，含剩余的開放閱讀框架，即編碼N一端8～33氨基酸殘基的信號序列和orexin前體原以及3’一端非翻譯區(qū)。人的orexin前體原mRNA除了多聚A尾巴外，還含有616個核苷酸。在轉(zhuǎn)錄的起始點上游291處有增強子區(qū)域。轉(zhuǎn)錄起始點下游108～110是TGA終止密碼子，隨后123～125有.ATG起始密碼子。豬與人的orexin前體原、cDNA有8.5%的同源性。
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　　增食欲素受體的特征
　　Sakurai等是用表達HFGAN72受體的細胞篩選其激動劑時發(fā)現(xiàn)了增食欲素，故HFGAN72受體即是增食欲素受體，此后HFGAN72受體被證實是Orexin A受體(OXlR)。在各種類別的G蛋白偶聯(lián)受體中，OXlR的結(jié)構(gòu)與某些神經(jīng)肽受體最為相似。成功地轉(zhuǎn)染人OX1R cDNA的CHO細胞具有結(jié)合125I一增食欲素A的能力，放射配體結(jié)合可被非標記增食欲素A以劑量依賴的方式抑制，但不被非相關(guān)肽(MPY內(nèi)皮素-T等)抑制。增食欲素A同樣能使成功表達OXlR的CH0細胞內(nèi)的【Ca2+】濃度增加。以上結(jié)果均說明OX1R是增食欲素A的特異性受體。
　　同樣，增食欲素B也是OX1R的激動劑，但增食欲素B與OX1R的親合力明顯低于增食欲素A，表明可能存在與增食欲素B的親合力結(jié)合的另一種增食欲素受體。隨后，Sakuri等克隆了人、大鼠OX2RcDNA人的OXlR和OX2R與大鼠相比，氨基酸序列分別有94%和95%相同，提示這兩種受體的基因在種系發(fā)育中是非常保守的。放射配體結(jié)合發(fā)現(xiàn)，成功轉(zhuǎn)染人OX2R cDNA的CHO細胞與增食欲素B具有高親合力，但同時OX2R及與增食欲素A的親合力也很高，故可認為OXlR是增食欲素A的選擇性受體，而OX2R則是一種對增食欲素A及B非選擇性的受體。放射雜交作圖發(fā)現(xiàn)人OX1R基因位于染色體lp33，而OX2R基因位于染色體6cen(p11-q11)。
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　　增食欲素及其受體的組織分布
　　用Northern EP印跡分析人腦的不同區(qū)域(不包括下丘腦)的結(jié)果表明，增食欲素前體的mRNA僅見于丘腦下核，而在人的心、腦、胎盤、肺臟、肝臟、骨骼肌、腎臟、胰臟未檢測到增食欲素前體mRNA。用Northern印跡分析成年大鼠的組織發(fā)現(xiàn)，0.7kb的增食欲素前體的mRNA除在睪丸有少量的表達外，幾乎嘆在腦中表達，而OXlR，OX2R的mRNA也僅在腦組織中被發(fā)現(xiàn)，這些觀察結(jié)果與認為增食欲素是一種在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)起調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)肽的想法一致。
　　用免疫組化和原位雜交研究大鼠腦發(fā)現(xiàn)含orexin的神經(jīng)元在下丘腦及下丘腦腹部兩側(cè)呈對稱的不連貫分布。在下丘腦中，陽性神經(jīng)元見于側(cè)部和后部區(qū)域及穹隆周圍核中。在下丘腦的腹側(cè)，也有陽性神經(jīng)元分布。陽性神經(jīng)元的形狀各異，從瘦小的紡錘形到大的多極狀。組成一些與進食有關(guān)的部位如室旁核、腹內(nèi)側(cè)核、弓狀核均未見陽性神經(jīng)元。Mondal等[5]用放免法分析肥胖大鼠發(fā)現(xiàn)orexin廣泛分布于間腦和腦干的核中，包括室旁核和弓狀核等。在這些核中orexin分子主要是內(nèi)源性的。這表明orexin是一種神經(jīng)調(diào)質(zhì)或神經(jīng)遞質(zhì)或兩者皆是。它在多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)調(diào)節(jié)自分泌和神經(jīng)內(nèi)分泌。用放免法分析orexin A和orexin B發(fā)現(xiàn)，orexin大量分布在下丘腦、延髓一腦橋和中腦，大腦皮層也含orexin，而內(nèi)臟器官和脂肪組織無。OXlR和OX2R僅存在于腦組織中，且它們在腦中的分布也有顯著差異。在下丘腦腹內(nèi)側(cè)核OXlRmRNA含量最高，而室旁核則以O(shè)X2R為主。在海馬結(jié)構(gòu)、中縫背核和藍斑區(qū)OXlRmRNA含量較高，OX2RmRNA主要在大腦皮層、底丘腦和丘腦室旁核、視前核表達。OXlRmRNA出現(xiàn)在下丘腦表明它有調(diào)節(jié)攝食的作用，但其在中樞廣泛分布提示orexin可能還有其它功能，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)增食欲素能調(diào)節(jié)攝食、能量平衡、飲水、生殖、睡眠、血壓和體溫等。 ’
　　但也有不同結(jié)論，研究發(fā)現(xiàn)，增食欲素前體原mRNA在睪丸中表達，但不在卵巢中表達，OXlRmRNA也在垂體腺、腎上腺、甲狀腺、腎、睪丸、卵巢、空腸、棕色脂肪組織(BAT)等處少量表達，OX2RmMA也在腎上腺、肺、垂體等處表達，同時發(fā)現(xiàn)在不同性別、不同組織器官中表達差異有顯著性。
　　5
　　增食欲素的功能
　　5.1
　　增食欲素與瘦素(leptin)的關(guān)系
　　瘦素和增食欲素都是新近發(fā)現(xiàn)的主要作用于下丘腦，且對體重調(diào)節(jié)作用截然相反的多肽。瘦素可減低體重，增食欲素可能提高體重造成肥胖，它們之間是否有一定的聯(lián)系?Kok等最新的配對研究結(jié)果表明，發(fā)作性睡眠癥患者其增食欲素缺乏，平均24h血漿瘦素水平明顯降低，且其晝夜分泌節(jié)律消失。同時Switonska等報道了給大鼠皮下注射增食欲素A，60min后顯著提高了血瘦索和胰島素水平。與此相反，Beck等發(fā)現(xiàn)連續(xù)7d給大鼠腹腔注射瘦素后，下丘腦增食欲素A含量顯著降低;Komaki等的研究結(jié)果也表明，禁食引起二者的變化趨勢正好相反。這些至少說明瘦素和增食欲素在某種程度上相互影響、相互作用，但其關(guān)系到底如何，還有待進一步研究。另外，Horvath等對大鼠和猴腦的研究結(jié)果證明了瘦素受體(lep-R)出現(xiàn)在絕大多數(shù)富含增食欲素的神經(jīng)元中，增食欲素和既含NPY又含lep-R的神經(jīng)元有直接的突觸聯(lián)系，增食欲素能增加NPY的釋放，導(dǎo)致增加攝食;而瘦素作為脂肪組織庫的一種信號，發(fā)揮與增食欲素相反的作用，導(dǎo)致NPY釋放的減少及其中介作用效果的減弱。這提示瘦素和增食欲素可能都是通過NPY這一中介物質(zhì)而起作用的。
　　5.2
　　增食欲素與進食行為的關(guān)系
　　下丘腦側(cè)部損傷可抑制進食，使體重下降，這表明，該區(qū)域是調(diào)節(jié)進食和能量平衡的關(guān)鍵部位。刺激下丘腦富含增食欲素的神經(jīng)元所出現(xiàn)的反應(yīng)預(yù)示著增食欲素可能參與了進食的調(diào)節(jié)。為了驗證這一假說，給雄性大鼠側(cè)腦室快速灌注增食欲素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1次注射增食欲素A在lh內(nèi)產(chǎn)生與劑量依賴的刺激進食的效應(yīng)。3nmol增食欲素A可使進食增加6倍，30nmol增食欲素A可使進食增加10倍，這種效應(yīng)可持續(xù)4h之久。給雄性大鼠側(cè)腦室灌注3nmol或30nmol的增食欲素B可分別使進食量增加5倍和12倍。但增食欲素B的增食效應(yīng)僅能持續(xù)2h，短于增食欲素A，可能是因為增食欲素B是一線性多肽，有一個自由的氨基端，而增食欲素A有翻譯修正，形成雙硫鍵。增食欲素A與B增食效應(yīng)持續(xù)時間的不同，可能意味著兩者在中樞神經(jīng)系統(tǒng)有不同的功能。但無論是增食欲素A或B，其增食效應(yīng)都低于NPY，給大鼠灌注3nmol的NPY，2h和4h后可分別使食量增加24倍和12倍。增食欲素A與B相近的增食效應(yīng)，提示非選擇性受體OX2R與增食欲素在體內(nèi)的生理作用有較密切的關(guān)系。Sakurai等將成年雄性大鼠禁食48h后，用Northern印跡分析丘腦及下丘腦增食欲素前體及NPY mRNA的含量，結(jié)果增食欲素前體mRNA比正常進食的對照組增加2.4倍，NPY mRNA的水平也上調(diào)，但增加幅度低于前者。Sakurai的初步研究結(jié)果表明：增食欲素在禁食后表達增加，通過促進食物攝取而參與機體能量平衡中樞性調(diào)節(jié)。
　　5.3
　　調(diào)節(jié)飲水
　　外側(cè)下丘腦和未定帶在調(diào)節(jié)攝食和飲水方面有重要作用，該區(qū)域的損傷，不僅導(dǎo)致吞咽不能，還引起渴感缺乏。用電或化學(xué)刺激該區(qū)域，可增加飲水[20]。腦室內(nèi)注射orexin A或orexin B，以劑量依賴方式增加飲水，orexin A較orexin B的作用更強[20]，這提示通過OXlR起作用。用藥后數(shù)分鐘開始飲水，作用持續(xù)3h。Northern印跡發(fā)現(xiàn)，48h禁水后，下丘腦orexin前體原mRNA上調(diào)1.6倍，血漿滲透壓也顯著升高。這說明orexin在調(diào)節(jié)體液平衡和飲水方面有其生理作用。
　　5.4
　　對生殖系統(tǒng)的作用
　　哺乳動物生殖功能的維持需要有足夠的營養(yǎng)和代謝燃料的儲備。Orexin在調(diào)節(jié)攝食及能量平衡方面有其生理作用。故推測其對生殖也有影響。實驗發(fā)現(xiàn)，卵巢切除的大鼠用雌二醇苯甲酸和黃體酮預(yù)處理后，腦室內(nèi)注射orexin A或orexin B以劑量依賴方式快速刺激黃體生成素(LH)分泌。血漿LH峰值濃度在10min出現(xiàn)，orexin A顯著高于orexin B。但兩種orexin均抑制切除卵巢后非預(yù)處理大鼠LH的分泌，LH分泌均值和脈沖頻率顯著降低，脈沖幅度無明顯變化。這提示orexin在下丘腦水平通過促性腺激素釋放激素(GnRH)神經(jīng)元而降低LH的脈沖分泌。
　　5.5
　　對睡眠的調(diào)節(jié)
　　缺乏orexm的小鼠與人嗜睡癥患者表現(xiàn)相似。而用抗睡眠的藥物可激活含0rexin的神經(jīng)元。用orexmA后增加活化的去甲腎上腺素能神經(jīng)元，從而提高覺醒和運動活性。OX2R和orexin A前體原基因變異均可致嗜睡，大多數(shù)嗜唾癥患者不能檢測到orexin。這一切均說明orexin在協(xié)調(diào)睡眠-覺醒周期方面有重要作用。
　　5.6
　　對循環(huán)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)的作用
　　可能在調(diào)節(jié)感覺輸入、體溫、血壓等方面有生理作用。大鼠腦注入orexin后，引起血壓升高、心率增快、腎交感神經(jīng)緊張性升高等現(xiàn)象。研究表明，orexin神經(jīng)元在覺醒系統(tǒng)的配合下不依賴外周生熱作用，可通過BAT UCP1來調(diào)節(jié)體溫。
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　　展望及應(yīng)用前景
　　增食欲素是新近發(fā)現(xiàn)的，主要作用于下丘腦的多肽，是一種新的調(diào)節(jié)機體攝食及能量平衡的神經(jīng)肽，它能促進食欲，可能造成肥胖。增食欲素及其受體的發(fā)現(xiàn)使我們對機體能量平衡的機制有了深入的認識。在人類，增食欲素的臨床應(yīng)用前景不僅僅只是增加惡病質(zhì)、神經(jīng)性厭食等消瘦病人的食欲而已，它的受體拮抗劑將可能成為治療肥胖、糖尿病等能量代謝失衡性疾病的有效手段，orexin系統(tǒng)突變可致發(fā)作性睡眠，可據(jù)此制造發(fā)作性睡眠模型，有利于進一步探討嗜睡癥的發(fā)病機制或篩選資料嗜睡癥的藥物;在畜牧上，可用orexin促進食欲，增加動物采食量，發(fā)揮動物遺傳潛力，提高生產(chǎn)性能，或開發(fā)治療疾病、提高生產(chǎn)性能
　　的添加劑，有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所李宗付