增食欲素及其生理功能研究进展

和兴 · 发表于 2008-7-21 20:05:54

　　近几年，在下丘脑发现了可促进食欲且来源于同一前体的两种新神经肽：增食欲素A和B(orexin A and B)，它们可激活两种密切相关且与G蛋白偶联的细胞表面受体(GPCRs)。研究显示它在增加摄食、饮水、调节睡眠觉醒周期、生殖、体温、血压和感觉等方面有广泛作用。本文综述了增食欲素的基因及蛋白质结构、组织分布和功能，介绍了增食欲素受体，探讨了增食欲素的作用机理，并对其在动物生产中的应用前景做了展望。
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　　增食欲素发现的背景
　　1940年有学者发现，下丘脑腹内侧(VMH)损伤可使动物出现过量进食的现象，提示VMH可能存在一个进食中枢。1998年Yangisawa研究小组在美国德克萨斯大学西南医学中心与宾夕法尼亚州史克药厂及英国贝克曼实验室的研究人员合作，在探素能控制进食新药的实验中于大鼠下丘脑腹外侧发现了两种新的与能量代谢有关，而与瘦素作用相反的神经肽：增食欲素A和B。增食欲素完全是一种现代分子筛选技术实验过程中的意外收获。因为所有的已知小调节肽(小肽激素和神经肽)都是通过作用于G蛋白偶联的细胞表面受体(GPCRs)而起作用的，所以Yangisawa研究小组分析了许多编码G蛋白受体的cDNA序列，在各种组织，包括脑的各个部位提取物中用高分辩的高效液相色谱法(HPLG)来筛选作用于G蛋白受体的神经肽，在下丘脑腹外侧及邻近区域发现了两种新的神经多肽，并命名为增食欲素A和B(希腊语orexin意为食欲)。中文还有食欲素、胖素、阿拉新素不同译名。
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　　增食欲素的结构
　　2.1
　　蛋白质结构
　　Orexin A和orexin B都来自同一前体原。从大鼠中分离出的增食欲素A，由33个氨基酸残基组成，相对分子质量为3562，N-端是焦谷氨酰的残基，c-端被酰胺化，4个cys残基形成两套链内的二硫键，从牛脑中分离的增食欲素A序列与大鼠完全一致。增食欲素B由28个氨基酸残基组成，相对分子质量为2937，c-端也被酰胺化，有46%的序列与增食欲素A一致。采用RT-PCR，5’-RACE及3’-RACE技术，获得了编码大鼠增食欲素前体原的全长cDNA(585bP)。起始密码与ATG-后的开放阅读框架编码130个残基的多肽(增食欲素前体原，Prepro-orexin)，起始的32个残基具有信息肽的特征，Ala32-Gln33是信号肽切割位点，G1n33一G1n66，与增食欲素A的序列相同;Lys67-Arg68是一对碱性氨基酸，是激素原转化酶的识别位点;Arg69-Met96与增食欲素B的序列一致，随后的Gly-Arg-Arg序列是C-端酰胺化信号。从上可见，增食欲素前体原基因首先编码增食欲素前体原，随后切除信号肽产生增食欲素原，后者在激素原转化酶的催化下裂解为2段多肽，其中Gln33一Gly66的N一端及C一端在酶的催化下分别生成焦谷氨酸及甘氨酰胺残基，即为增食欲素A;另一段多肽的Gly97发生酰胺化后，即为增食欲素B。增食欲素A及增食欲素B的氨基酸与任何已知的多肽无相似之处。已克隆的增食欲素前体cDNA及人和小鼠增食欲素基因序列分析预示：人和小鼠增食欲素A的氨基酸序列与大鼠和牛的完全一致，而人增食欲素B序列中有两个氨基酸不同于.啮齿类动物。从总体来说，人和大鼠orexin前体原有83%完全相同，而小鼠和大鼠则有95%完全一致。由于氨基酸序列的差异主要存在于增食欲素前体羧基端(C端)，其编码另一活性肽的可能性不大。
　　2.2
　　基因结构
　　迄今为止，大鼠和人类的orexin前体原基因已分离克隆成功，并完成了基因全序列的测定。人的orexin前体原基因共有1432bp、2个外显子，被1个内含子所分隔。第1个外显子长143bp，包括5’一端非翻译区和N一端前7个氨基酸残基信号序列的编码区，第2个外显子长度为473bp，含剩余的开放阅读框架，即编码N一端8～33氨基酸残基的信号序列和orexin前体原以及3’一端非翻译区。人的orexin前体原mRNA除了多聚A尾巴外，还含有616个核苷酸。在转录的起始点上游291处有增强子区域。转录起始点下游108～110是TGA终止密码子，随后123～125有.ATG起始密码子。猪与人的orexin前体原、cDNA有8.5%的同源性。

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　　增食欲素受体的特征
　　Sakurai等是用表达HFGAN72受体的细胞筛选其激动剂时发现了增食欲素，故HFGAN72受体即是增食欲素受体，此后HFGAN72受体被证实是Orexin A受体(OXlR)。在各种类别的G蛋白偶联受体中，OXlR的结构与某些神经肽受体最为相似。成功地转染人OX1R cDNA的CHO细胞具有结合125I一增食欲素A的能力，放射配体结合可被非标记增食欲素A以剂量依赖的方式抑制，但不被非相关肽(MPY内皮素-T等)抑制。增食欲素A同样能使成功表达OXlR的CH0细胞内的【Ca2+】浓度增加。以上结果均说明OX1R是增食欲素A的特异性受体。
　　同样，增食欲素B也是OX1R的激动剂，但增食欲素B与OX1R的亲合力明显低于增食欲素A，表明可能存在与增食欲素B的亲合力结合的另一种增食欲素受体。随后，Sakuri等克隆了人、大鼠OX2RcDNA人的OXlR和OX2R与大鼠相比，氨基酸序列分别有94%和95%相同，提示这两种受体的基因在种系发育中是非常保守的。放射配体结合发现，成功转染人OX2R cDNA的CHO细胞与增食欲素B具有高亲合力，但同时OX2R及与增食欲素A的亲合力也很高，故可认为OXlR是增食欲素A的选择性受体，而OX2R则是一种对增食欲素A及B非选择性的受体。放射杂交作图发现人OX1R基因位于染色体lp33，而OX2R基因位于染色体6cen(p11-q11)。
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　　增食欲素及其受体的组织分布
　　用Northern EP印迹分析人脑的不同区域(不包括下丘脑)的结果表明，增食欲素前体的mRNA仅见于丘脑下核，而在人的心、脑、胎盘、肺脏、肝脏、骨骼肌、肾脏、胰脏未检测到增食欲素前体mRNA。用Northern印迹分析成年大鼠的组织发现，0.7kb的增食欲素前体的mRNA除在睾丸有少量的表达外，几乎叹在脑中表达，而OXlR，OX2R的mRNA也仅在脑组织中被发现，这些观察结果与认为增食欲素是一种在中枢神经系统内起调节作用的调节肽的想法一致。
　　用免疫组化和原位杂交研究大鼠脑发现含orexin的神经元在下丘脑及下丘脑腹部两侧呈对称的不连贯分布。在下丘脑中，阳性神经元见于侧部和后部区域及穹隆周围核中。在下丘脑的腹侧，也有阳性神经元分布。阳性神经元的形状各异，从瘦小的纺锤形到大的多极状。组成一些与进食有关的部位如室旁核、腹内侧核、弓状核均未见阳性神经元。Mondal等[5]用放免法分析肥胖大鼠发现orexin广泛分布于间脑和脑干的核中，包括室旁核和弓状核等。在这些核中orexin分子主要是内源性的。这表明orexin是一种神经调质或神经递质或两者皆是。它在多种神经网络内调节自分泌和神经内分泌。用放免法分析orexin A和orexin B发现，orexin大量分布在下丘脑、延髓一脑桥和中脑，大脑皮层也含orexin，而内脏器官和脂肪组织无。OXlR和OX2R仅存在于脑组织中，且它们在脑中的分布也有显著差异。在下丘脑腹内侧核OXlRmRNA含量最高，而室旁核则以OX2R为主。在海马结构、中缝背核和蓝斑区OXlRmRNA含量较高，OX2RmRNA主要在大脑皮层、底丘脑和丘脑室旁核、视前核表达。OXlRmRNA出现在下丘脑表明它有调节摄食的作用，但其在中枢广泛分布提示orexin可能还有其它功能，现已发现增食欲素能调节摄食、能量平衡、饮水、生殖、睡眠、血压和体温等。 ’
　　但也有不同结论，研究发现，增食欲素前体原mRNA在睾丸中表达，但不在卵巢中表达，OXlRmRNA也在垂体腺、肾上腺、甲状腺、肾、睾丸、卵巢、空肠、棕色脂肪组织(BAT)等处少量表达，OX2RmMA也在肾上腺、肺、垂体等处表达，同时发现在不同性别、不同组织器官中表达差异有显著性。
　　5
　　增食欲素的功能
　　5.1
　　增食欲素与瘦素(leptin)的关系
　　瘦素和增食欲素都是新近发现的主要作用于下丘脑，且对体重调节作用截然相反的多肽。瘦素可减低体重，增食欲素可能提高体重造成肥胖，它们之间是否有一定的联系?Kok等最新的配对研究结果表明，发作性睡眠症患者其增食欲素缺乏，平均24h血浆瘦素水平明显降低，且其昼夜分泌节律消失。同时Switonska等报道了给大鼠皮下注射增食欲素A，60min后显著提高了血瘦索和胰岛素水平。与此相反，Beck等发现连续7d给大鼠腹腔注射瘦素后，下丘脑增食欲素A含量显著降低;Komaki等的研究结果也表明，禁食引起二者的变化趋势正好相反。这些至少说明瘦素和增食欲素在某种程度上相互影响、相互作用，但其关系到底如何，还有待进一步研究。另外，Horvath等对大鼠和猴脑的研究结果证明了瘦素受体(lep-R)出现在绝大多数富含增食欲素的神经元中，增食欲素和既含NPY又含lep-R的神经元有直接的突触联系，增食欲素能增加NPY的释放，导致增加摄食;而瘦素作为脂肪组织库的一种信号，发挥与增食欲素相反的作用，导致NPY释放的减少及其中介作用效果的减弱。这提示瘦素和增食欲素可能都是通过NPY这一中介物质而起作用的。
　　5.2
　　增食欲素与进食行为的关系
　　下丘脑侧部损伤可抑制进食，使体重下降，这表明，该区域是调节进食和能量平衡的关键部位。刺激下丘脑富含增食欲素的神经元所出现的反应预示着增食欲素可能参与了进食的调节。为了验证这一假说，给雄性大鼠侧脑室快速灌注增食欲素，结果发现1次注射增食欲素A在lh内产生与剂量依赖的刺激进食的效应。3nmol增食欲素A可使进食增加6倍，30nmol增食欲素A可使进食增加10倍，这种效应可持续4h之久。给雄性大鼠侧脑室灌注3nmol或30nmol的增食欲素B可分别使进食量增加5倍和12倍。但增食欲素B的增食效应仅能持续2h，短于增食欲素A，可能是因为增食欲素B是一线性多肽，有一个自由的氨基端，而增食欲素A有翻译修正，形成双硫键。增食欲素A与B增食效应持续时间的不同，可能意味着两者在中枢神经系统有不同的功能。但无论是增食欲素A或B，其增食效应都低于NPY，给大鼠灌注3nmol的NPY，2h和4h后可分别使食量增加24倍和12倍。增食欲素A与B相近的增食效应，提示非选择性受体OX2R与增食欲素在体内的生理作用有较密切的关系。Sakurai等将成年雄性大鼠禁食48h后，用Northern印迹分析丘脑及下丘脑增食欲素前体及NPY mRNA的含量，结果增食欲素前体mRNA比正常进食的对照组增加2.4倍，NPY mRNA的水平也上调，但增加幅度低于前者。Sakurai的初步研究结果表明：增食欲素在禁食后表达增加，通过促进食物摄取而参与机体能量平衡中枢性调节。
　　5.3
　　调节饮水
　　外侧下丘脑和未定带在调节摄食和饮水方面有重要作用，该区域的损伤，不仅导致吞咽不能，还引起渴感缺乏。用电或化学刺激该区域，可增加饮水[20]。脑室内注射orexin A或orexin B，以剂量依赖方式增加饮水，orexin A较orexin B的作用更强[20]，这提示通过OXlR起作用。用药后数分钟开始饮水，作用持续3h。Northern印迹发现，48h禁水后，下丘脑orexin前体原mRNA上调1.6倍，血浆渗透压也显著升高。这说明orexin在调节体液平衡和饮水方面有其生理作用。
　　5.4
　　对生殖系统的作用
　　哺乳动物生殖功能的维持需要有足够的营养和代谢燃料的储备。Orexin在调节摄食及能量平衡方面有其生理作用。故推测其对生殖也有影响。实验发现，卵巢切除的大鼠用雌二醇苯甲酸和黄体酮预处理后，脑室内注射orexin A或orexin B以剂量依赖方式快速刺激黄体生成素(LH)分泌。血浆LH峰值浓度在10min出现，orexin A显著高于orexin B。但两种orexin均抑制切除卵巢后非预处理大鼠LH的分泌，LH分泌均值和脉冲频率显著降低，脉冲幅度无明显变化。这提示orexin在下丘脑水平通过促性腺激素释放激素(GnRH)神经元而降低LH的脉冲分泌。
　　5.5
　　对睡眠的调节
　　缺乏orexm的小鼠与人嗜睡症患者表现相似。而用抗睡眠的药物可激活含0rexin的神经元。用orexmA后增加活化的去甲肾上腺素能神经元，从而提高觉醒和运动活性。OX2R和orexin A前体原基因变异均可致嗜睡，大多数嗜唾症患者不能检测到orexin。这一切均说明orexin在协调睡眠-觉醒周期方面有重要作用。
　　5.6
　　对循环系统、自主神经系统的作用
　　可能在调节感觉输入、体温、血压等方面有生理作用。大鼠脑注入orexin后，引起血压升高、心率增快、肾交感神经紧张性升高等现象。研究表明，orexin神经元在觉醒系统的配合下不依赖外周生热作用，可通过BAT UCP1来调节体温。
　　6
　　展望及应用前景
　　增食欲素是新近发现的，主要作用于下丘脑的多肽，是一种新的调节机体摄食及能量平衡的神经肽，它能促进食欲，可能造成肥胖。增食欲素及其受体的发现使我们对机体能量平衡的机制有了深入的认识。在人类，增食欲素的临床应用前景不仅仅只是增加恶病质、神经性厌食等消瘦病人的食欲而已，它的受体拮抗剂将可能成为治疗肥胖、糖尿病等能量代谢失衡性疾病的有效手段，orexin系统突变可致发作性睡眠，可据此制造发作性睡眠模型，有利于进一步探讨嗜睡症的发病机制或筛选资料嗜睡症的药物;在畜牧上，可用orexin促进食欲，增加动物采食量，发挥动物遗传潜力，提高生产性能，或开发治疗疾病、提高生产性能
　　的添加剂，有着广阔的应用前景。
　　中国农业科学院饲料研究所李宗付