1 Leptin的生物学特性
1.1 ob基因及其表达产物 Leptin 1950年 Ingalls等发现一种近亲繁殖的鼠食欲亢进,过度肥胖,体重可达正常鼠体重的3倍,脂肪超过体重的50%,并伴有不育症。通过对这种鼠的研究,发现引起肥胖是因为一个基因发生了隐性突变,遂将此基因定名为肥胖基因(obese gene)。剑桥大学的Montague(1997)在对人的肥胖研究中也证明ob基因的突变能导致肥胖并且是隐性遗传的。Friedman(1991)报道了引起鼠肥胖的5种单基因突变,它们分别是obese(ob)、diabates(db)、fat(fa)、tubby(tub)和obese yellow (Ay)。 1994年Zhang等成功克隆了鼠和人的ob基因,鉴定了它们表达的蛋白质,并把这种蛋白质命名为Leptin,中文译名瘦素、抗肥胖因子、苗条素等。留后很多畜禽的Le ptin基因被克隆成功,包括猪(Ramsa,等,1998)、牛(Ji,等,1996)、羊(Dyer,等,1997)、鸡(Taouis,等,1998)等。至此,对Leptin的研究进入了分子时代。
1.2 ob基因及 Leptin的分子结构 ob基因的突变位于第 6号染色体上,具有高保真性。ob基因全长约2.9kb,编码167个氨基酸。人类的ob基因位于染色体7q31位点.人和鼠ob基因的编码字列具有84%的同源性;猪与人类的ob基因有88%的同源性,与鼠有 85%的同源性,与牛的同源性最高,达 92%。人和鼠的ob基因表达产物Leptin均由 167个氨基酸组成,N端有力21个AA残基构成的信号肽。He等发现ob基因仅在白脂肪细胞中表达,表明Leptin是由白脂肪细胞分泌的一种蛋白质。但后来又发现棕色脂肪组织、胎盘、肌肉和胃黏膜也可以合成少量Leptin。成熟后的Leptin为146个氨基酸残基,分子量约16KD,单链球形分子,以单体形式存在于血浆中。
1.3 Leptin受体分布 鼠的Leptin受体基因位于4号染色体上,全长5.1kb,编码1162个氨基酸;人的Leptin受体由1165个氨基酸残基构成,与鼠有80%的同源性。目前已知的Leptin受体有6种,但主要是其中的两种,一种称为"长状"的Leptin受体(OB-RL),一种称为"短状"的Leptin受体(OB-RS)。 OB-RL受体比较长,主要分布在下丘脑中能表达NPY的细胞表面;OB-RS受体比较短,广泛分布于许多组织中。
2 Leptin合成和分泌的调节
2.l 激素调节 Leptin基因表达和分泌主要受胰岛素的调节,对于啮齿动物和人类,当胰岛素分泌过甚时,3~5h后Leptin水平升高,用胰岛素处理局体的脂肪组织,12~48h后,Leptin的mRNA水平升高,但Leptin对胰岛素的分泌存在负反馈作用;肾上腺促糖皮质激素是潜在调节Leptin分泌的因素,肾上腺促糖皮质激素的升高会使Leptin的基因表达水平上升;最近的实验表明,Leptin对肾上腺皮质酮激素的分泌也存在负反馈作用;Getty(1996)等在培养的脂肪细胞上发现,儿茶酚胺类β3受体激动对可以抑制Leptin的分泌,Trayhum等在活体动物实验中也发现β3受体激动剂可以降低鼠血清中的Leptin水平; Leptin的分泌水平与性别有关,雌性 Leptin水平通常比雄性的高,妇女的Leptin水平与相同体脂量的男人相比高2~4倍。睾酮和二氢高用可以使青春期男孩Leptin分泌下降62%,雌激素或抗雄激素可以使青春期男孩Leptin水平上升1倍。
2.2 营养调节Leptin由脂肪细胞分泌,血液中Leptin水平与机体脂肪含量成正比。高能量水平的日粮,会导致机体脂肪含量上升,进而使得血液中Leptin水平升高。但血液中Leptin水平对机体脂肪沉积有负反馈作用,Leptin水平升高,会抑制机体脂肪的进一步沉积。
3 Leptin的生物学功能
3.l Leptin和能量代谢 ob/ob鼠注射Leptin后(Pelleymounter等,1995),机体氧消耗增加,随意活动量和体温增加,血中胰岛素和葡萄糖水平降低,并有剂量效应,因此Leptin对能量代谢的作用机制目前还不太清楚,有可能是通过细胞线粒体的解偶联蛋白(UCP)介导的,UCP能使氧化磷酸化反应解偶联,导致从线粒体内膜漏出的蛋白质增加,能量以热的形式散发(Flier et al,1997)。
3.2 Leptin 对采食量和体重的调节 Pelleymounter等(1995)给ob/ob鼠、OB/ob鼠和OB/OB鼠腹膜(IP)注射Leptin(5μg/kg Per day),3周后 ob/ob鼠体重较注射前下降 22.2%,采食量下降52.6%;OB/ob鼠、OB/OB 4周后鼠体重较注射前分别下降11%和5.9%,采食量也有下降。Halaas等、Campfield等以正常母鼠为研究对象时也得到类似结论。
不同部位注射Leptin对动物的采食量和体重影响不同,并有剂量和时间效应。Campfied等(1995)分别给ob/ob鼠腹膜、静脉(IV)和下丘脑(ICV)对注射Leptin,发现IP(6μg/kg Per day)注射5d后ob/ob鼠采食量下降 48%,体重下降 6.8%;IV注射(3μg/kg per day)7h后ob/ob鼠采食量下降45%,体重无明显下降;给ICV注射1μg/kg,开始0.5h实验组和对照组采食量无明显差异,但lh后,实验组停止采食。Leptin对动物采食量的调节主要是通过对NPY的调节来实现的。NPY是一种神经传递质,存在于 ARC神经元上,NPY能引起动物援食和体重增加。Leptin通过一个可饱和的传导系统进入大脑,并作用于下丘脑ARC神经元表面细胞的受体,抑制NPY基因的表达分泌,从而抑制动物的采食。最近的研究表明,Leptin抑制采食还可能与下丘脑的α一黑素细胞刺激激酶、刺鼠相关蛋白和黑素浓缩激素有关。
3.3 Leptin对动物繁殖的影响 Leptin对繁殖的作用证据首先来自于对ob/ob鼠的研究。ob/ob鼠患有不孕症,一直保持着前青春期状态,卵巢激素、性内固醇激素不分泌、子宫重量几乎不变,脑垂体促性腺激素分泌量少。雄性ob/ob鼠精子管中几乎不存在精子,很少发情,睾丸间质内细胞严重萎缩。Barash等(1996)用 Leptin处理ob/ob鼠后,发现母鼠的LH水平升高,卵巢和子宫重量增加,公鼠的FSH和精子数上升,精囊重量增加。Mounzih等(1997)用 Leptin处理 ob/ob公鼠后,睾丸的重量、组织学和生殖功能均完全得到恢复。
Cheung等(1997)用 Leptin处理正常鼠发现 Leptin能影响动物发情,使动物的卵巢和子宫重量增加。Chehab等(1997)用Leptin处理正常母鼠,30~39d间,处理组和对照组分别有 85%和17%的母鼠成熟,处理组发情开始时间提前1~4d;孕娠和分娩成功率较对照组略高,发情周期缩短。在胎儿生长时,Leptin水平的变化可以矫正胎儿的大小。Antczak等(1997)观察到人和鼠的卵母细胞中Leptin参与了胚胎的形成; Harigaya等(1997)报道了脐带血液中的Leptin可以调节人的出生体重。
3.4 Leptin对脂肪组织、胰岛和骨骼肌的直接作用 Bai等(1996)发现Leptin基因在脂肪前体细胞的表达降低了激素刺激的乙酸辅酶A羧化酶基因的表达和脂肪的合成。在离体脂肪组织中,用Leptin处理能提高脂肪分解速度16倍,使棕色脂肪组织的脂蛋白脂肪酸和苹果酸酶的基因表达加倍。Shimabukuro(1997)用Leptin处理离体的胰岛组织,发现自由脂肪酸合成甘油三脂的速度降低,细胞内自由脂肪酸的氧化速度却升高,从而导致甘油三胎的含量降低了。很多研究发现Leptin对骨骼肌也存在直接作用,在离体实验中,Leptin能提高骨骼肌脂肪酸氧化速度42%,同时降低脂肪酸含成脂肪速度35%,并有剂量效应。
3.5 Leptin对免疫功能的影响 饥饿会使动物的免疫功能下降,同时体内Leptin水平也急剧下降。Lord(1998)报道Leptin能与T细胞上OB-RL结合而直接刺激CD4+T细胞的增殖和提高T-l细胞(TH)引起的细胞因子的水平,从而提高动物的免疫功能。这说明Leptin能调节T细胞的免疫应答,Leptin也许是动物营养状况和免疫系统之间的一个关键链环。
4 Leptin的应用前景
4.l医学 肥胖是人类的一个主要健康问题,在美国,估计至少有30%的人的体重至少超过正常体重20%,而且这种比例正在上升。自从ob基因被克隆以来,其在医学上的应用就成为举世瞩目的热点,Leptin可能是一种潜在的有效减肥药物,美国Amgen制药公司年以两千万美元购买了Leptin的独家产品开发权。据报道目前研究人员正在研制使用方便的Leptin类似物,以代替因直接注射而带来的不便。
4.2 动物生产 在动物生产中,Leptin有很多潜力可以利用。Leptin可以作为遗传学上的QTL标记,通过动物的体组成和繁殖力来进行育种选择;生产上可以利用免疫中和技术,使用Leptin拮抗物来降低Leptin对动物能量代谢的影响和对动物采食量的抑制作用,从而提高动物的生产性能; Leptin可以降低动物的脂肪含量,改变动物的胴体组成,因此;Letin对研究新的胴体品质改良剂,提高动物胴体品质有重要作用;Leptin对动物繁殖性能的影响的研究进展已相当惊人,Leptin可以调节胎儿、胎盘和子宫代谢,可以使动物提前发情,缩短发情周期,因此Leptin在提高动物的繁殖性能上有重要的应用价值。