中枢神经肽和关键细胞能量传感器的生理作用及机制

1、中枢神经肽和关键细胞能量传感器的生理作用及机制关键词：青春期; 基因表达; 蛋白质类; 代谢; 中枢神经系统;青春期是个体获得生殖功能的重要发育阶段，发生早晚主要由遗传因素决定1，但也受众多内源性和外源性因素的调控2,3，其中代谢信号对青春期发育的影响不容忽视4,5。流行病学证据显示，在过去100年间，女童青春期启动和月经初潮的年龄明显提前6。有观点认为，肥胖发生率的上升可能在其中发挥了重要作用7，但潜在的机制尚不清楚。过去十余年开展的研究逐步揭示了中枢神经内分泌通路在青春期代谢调控中的重要作用，特别是kiss1基因编码的Kisspeptins在调节促性腺激素释放激素(gonadotropin

2、releasing hormone,GnRH)中的突出效应8。与此同时，释放Kisspeptin、神经激肽B(neurokinin B,NKB)和强啡肽(dynorphin,Dyn)的KNDy神经元、细胞能量传感器包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,m TOR)、腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和沉默信息调控因子1(silent information regulator 1,SIRT1)等9在青春期代谢稳态调控中的作用均是当前研究热点。本文主要对参与青春期代谢调控的中枢神经肽和关键细胞

3、能量传感器的生理作用及作用机制的最新进展进行综述，以提供一个新的视角，更好地预防与控制青春期疾病的发生。1、 Kisspeptins在青春期发育中的作用1.1、 Kisspeptins的基本作用近年来，Kiss1基因的产物Kisspeptins被认为是青春期和性腺发育的主要调节因子10,11。Kisspeptins是GnRH分泌的重要调控信号，GnRH神经元表达Kisspeptins的受体Gpr54，被Kisspeptins激活后释放GnRH12。除对GnRH神经元的直接作用外，Kisspeptins还能激活分布于脑或其他部位的非GnRH细胞，有助于调节各种非生殖相关的稳态系统13,14。Ve

4、lasco等15采用转基因小鼠模型发现，Kisspeptins信号可调控体重和代谢稳态，主要是通过刺激性腺激素的分泌发挥作用，而性腺激素本身具有明确的代谢作用。1.2 、KNDy神经元近年来，研究关注神经激肽B(Neurokinin B,NKB)和强啡肽(Dynorphin,Dyn)与Kisspeptins共同在青春期代谢调控中的重要作用。Kisspeptin/神经激肽B/强啡肽(KNDy)神经元位于动物的下丘脑弓状核(arcuate nucleus,ARC)和人类的漏斗状核，因其共表达Kisspeptins、NKB和Dyn而被命名为KNDy神经元16。在啮齿动物中进行的多项研究表明17,18

5、,19,20,KNDy神经元作为GnRH脉冲发生器的调节器，支配GnRH神经元上Kisspeptins的分泌，NKB是刺激作用而Dyn是持续的抑制作用。最近的一项人群研究显示，以上2种肽对GnRH的脉冲产生并不是必要的，但NKB可加快GnRH的脉冲频率，Dyn则相反21。在青春期代谢调控方面，Navarro等20的研究表明，负能量平衡可抑制雌性大鼠青春期下丘脑中编码NKB(Tac2)及其受体NK3R(Tac3)的基因表达。因此，NKB信号可能与Kisspeptins具有协同作用。该观点得到了进一步支持，即NKB激动剂可以治疗部分由营养不良引起的青春期延迟，程度类似于Kisspeptins给药2

6、1。Li等22的研究显示，在青春期过渡期间，雌性大鼠暴露于高脂饮食(high-fat diet,HFD)时，ARC中Tac2和Kiss1基因的表达增加，主要与性早熟有关，表明NKB-Kisspeptins通路在向生殖中枢传递代谢信号方面起着重要作用。研究表明，Dyn可作为较强的食欲信号作用于K-阿片受体(K-opioid receptors,KOR)，因此负能量平衡状况可引起Dyn信号的增加，从而对GnRH的神经分泌产生抑制作用23。此外，KOR拮抗剂的中枢给药可引起雌性大鼠黄体生成素(luteinizing hormone,LH)脉冲分泌的增加和青春期提前24，进一步证实了Dyn信号在生殖调

7、控中的生理作用。但Dyn在青春期代谢调控中的作用机制尚未阐明，需要进一步的研究。2、 连接代谢和性腺功能的外周代谢激素除了上述的中枢神经肽外，有研究表明，外周激素也可将代谢信息传递给参与控制生殖的神经元，使生殖回路能够对代谢状态进行中枢感应5。本节将简要概述2种外周代谢激素，即瘦素和胰岛素在调控生殖轴中的生理作用。2.1、 瘦素瘦素(leptin)是受Lep/LEP基因编码，由白色脂肪合成和分泌的激素25。瘦素在下丘脑起着食欲减退和生热作用，以调节能量需求、脂肪储备和食物摄入量。能量不足会导致瘦素水平下降，从而增强摄食，减少能量消耗。瘦素作为一种多向性神经内分泌整合器，将身体能量储备与不同的生

8、理系统联系起来26。研究表明，瘦素缺乏(如厌食或营养不良)与青春期开始的延迟或缺失以及生殖损伤有关26,27。此外，在参与能量稳态和生殖调控的多个下丘脑核中均发现瘦素受体的表达，进一步证实了瘦素作为代谢和生殖的整合因子的作用。除瘦素缺乏外，瘦素过量的情况(如病态肥胖)也会影响青春期时相和生殖能力28，但是瘦素在这种情况下的实际贡献和潜在的作用机制尚不明确。2.2、 胰岛素有证据表明，胰岛素也对生殖轴有刺激作用，如对啮齿动物的研究表明，外周胰岛素水平的升高会显着增加LH的分泌29,30。此外，低或零胰岛素水平的状况通常与促性腺激素水平抑制以及生殖缺陷有关31，其作用的一部分可能是通过胰岛素刺激瘦

9、素的合成进行的，支持了胰岛素在控制促性腺激素中的作用。但胰岛素在控制青春期开始或促性腺激素脉冲分泌中的病理生理学作用尚未完全阐明，需要进一步的研究。瘦素和胰岛素在调控生殖中枢时的一个共同特征是均不直接作用于GnRH神经元。GnRH神经元是HPG轴的关键层级元素，有证据表明，许多代谢调节剂最终是通过影响GnRH的神经分泌而发挥作用的23。然而，GnRH神经元似乎缺乏代谢调控因子的受体，提示其对GnRH神经元的作用方式主要是间接的。有研究发现32，从GnRH神经元中选择性地消融胰岛素受体并没有扰乱青春期时相，也不影响雄性或雌性小鼠的生殖功能，与神经元中胰岛素受体消除小鼠表现出强烈的低促性腺素性功能

10、减退形成了鲜明的对比33。表明瘦素和胰岛素作为控制HPG轴的典型代谢信号，通过调节关键神经肽通路，间接地调节GnRH神经分泌。3 、细胞能量传感器和青春期的代谢调控近年来揭示营养和代谢信号调节青春期启动的分子机制研究主要关注细胞能量传感器，包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,m TOR)、腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和沉默信息调控因子1(silent information regulator 1,SIRT1)在HPG轴调控中的作用。这些细胞能量传感器作用于某些神经元群，通过整合营养

11、信号、能量状态和生殖大脑关键因子(如Kisspeptins信号)的功能，介导青春期的代谢调控。3.1、 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of Rapamycin,m TOR)m TOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，通过感知能量状态的变化，参与细胞增殖、生长和代谢等关键细胞功能的调控34。m TOR在能量过剩的情况下被激活，除在细胞水平发挥作用外，还通过整合相关营养信号和激素的信息，直接参与身体能量稳态的调控35。Roa等36的研究表明，下丘脑m TOR在青春期的代谢调控中起着重要作用，至少调节了青春期开始的部分瘦素效应。青春期前的雌性大鼠通过雷帕霉素的反复脑内注射，长

12、期中枢阻断m TOR，导致青春期成熟延迟，表现为黄体生成素和雌二醇的循环水平较低，卵巢和子宫重量降低，阴道开放延迟。此外，m TOR的失活也减弱了食物受限雌性大鼠中瘦素对青春期开始的作用。另一方面，通过脑内注射L-亮氨酸，激活m TOR，可恢复部分营养不足造成的低促性腺激素状态。通过m TOR影响青春期的机制可能涉及Kiss1神经元的调节，因为m TOR的失活明显抑制了ARC中Kiss1的表达，而不影响LH对外源性Kisspeptins的反应36，提示尽管m TOR被阻断，但Kisspeptins的下游靶点仍然发挥作用。提示Leptin-mTOR-Kisspeptins通路在青春期代谢调控中的

13、重要作用34。然而，也有研究显示，m TOR的下游靶点pS6并没有在Kiss1神经元中表达，说明m TOR对Kiss1表达的调控也可能是间接发生的37。3.2、 腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein ki-nase,AMPK)AMPK是细胞水平上的主要能量传感器，是具有催化α亚基的丝氨酸/苏氨酸激酶。与m TOR相反，AMPK在能量不足的状况下被激活，促进三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的产生38。AMPK和m TOR之间的相互关系是控制许多细胞活动的基础34,39。在下丘脑水平上，AMPK可调节食物摄入和能量消耗，并作为

14、一种综合途径传递多种激素因子对能量平衡的调节作用39,40。如在下丘脑ARC和AMPK可被食欲激素(即胃饥饿素)激活，而被瘦素抑制35。研究表明，AMPK作为能量不足状况的分子传感器，可将营养和代谢信息整合到生殖大脑，间接地指出了AMPK在Kiss1系统调节中的潜在作用41,42,43。Wen等42利用GnRH永生化细胞系gt1-7进行的体外研究显示，AMPK的药理激活抑制了Kiss1的表达和GnRH的分泌。此外，相关的体内实验表明42,43,AMPK激活剂的中枢给药可抑制成年啮齿动物Kiss1的表达并破坏动情周期。尽管如此，AMPK信号在青春期代谢调控中的最终作用尚未定论。在此背景下，Roa

15、等44最近的研究揭示了一种新的神经内分泌回路，它通过AMPK-Kiss1通路将负能量平衡状况和青春期时相联系起来。雌性大鼠青春期前长期营养不足导致下丘脑磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(p-AMPK)水平显着升高，并使阴道开放年龄延迟;AMPK激活引起的青春期开始延迟与ARC中Kiss1表达的显着抑制有关。此外，在ARC Kiss1神经元的一个子集中，发现Kisspeptins和p-AMPK的共同表达，表明AMPK信号与ARC Kiss1之间有一个直接联系，介导负能量平衡状况对青春期开始的调节作用。该观点得到了利用KAMKO小鼠(Kiss1特异性AMPK敲除小鼠)的功能基因组学研究的进一步支持:在随意

16、进食的条件下，小鼠没有显示出青春期时相的显着改变，但是保护了部分长期营养不足引起的青春期成熟的延迟44。说明下丘脑AMPK信号在青春期代谢调控中的基本作用，是通过负能量平衡状况下对ARC Kiss1神经元的抑制性调节进行的。3.3、 沉默信息调控因子1(silent information regulator1,SIRT1)SIRT1是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖的组蛋白去乙酰化酶，主要作用于组蛋白和其他细胞靶点，以进行多种生物学功能，包括表观遗传调控、代谢平衡和寿命调节45,46。成年小鼠中枢神经系统定位研究显示，SIRT1在控制神经营养功能的关键下丘脑核(包括ARC)中表达丰富

17、，水平受营养信号的调节，在禁食后适度增加47。表明SIRT1在控制寿命方面发挥着关键作用，并可能介导能量限制对哺乳动物寿命的影响。关于SIRT1在控制生殖轴的潜在作用，研究表明，先天性SIRT1缺乏的小鼠由于GnRH神经元错误地向下丘脑迁移而表现为性腺功能低下48,49。Vazquez等50与Ojeda/Lomniczi团队密切合作的研究结果显示，下丘脑SIRT1含量在出生后和青春期下降，与此段发育过程中Kiss1表达的显着增加一致，下丘脑SIRT1含量与Kiss1表达呈负相关。该研究证实SIRT1介导的Kiss1抑制是关键的表观遗传机制，营养信号通过该机制调节ARC中的Kiss1神经元，影响

18、青春期时相。研究表明，SIRTI在下丘脑Kiss1神经元中表达，在青春期前阶段，SIRT1招募抑制因子到Kiss1启动子，通过增加抑制性组蛋白浓度，抑制Kiss1转录，阻止青春期进程。随着青春期的临近，SIRT1被及时地从Kiss1启动子中逐出，以改变染色质的状态，增加激活组蛋白修饰的丰度(即H3K9ac和H4K16ac)，减少抑制性组蛋白标记(H3K4me3)，从而增强Kiss1的表达，促进青春期发育。早发性营养过剩会加速这些变化，增强Kiss1的表达，促进青春期发育;相反，营养不良会提高SIRT1水平，抑制Kiss1，推迟青春期50。上述研究有助于阐明能量传感系统在持续能量不足或过剩条件下

19、的作用模式。营养不良可降低循环瘦素水平，通过抑制m TOR信号并激活AMPK信号，抑制下丘脑Kiss1/Kisspeptins的表达，推迟青春期。此外，在营养不足条件下ARC Kiss1神经元中的SIRT1水平升高，会将该启动子的染色质锁定为抑制结构，从而加强上述m TOR和AMPK活性变化所造成的抑制作用。这种由AMPK和SIRT1主导的新的青春期抑制分子中心的发现，可能对青春期疾病的治疗产生影响。因此，ARC Kiss1神经元中的AMPK和SIRT1信号可被认为是在儿童肥胖等早熟危险状况下推迟青春期开始的合理靶点。4、 结论生殖与繁衍是生命延续的基础，生殖是耗能的过程，受身体能量与代谢状况

20、的调节。代谢与生殖的交互作用是研究人群青春期发育时相的重要方向。青春期时相偏离与多种不良健康结局有关，包括神经认知障碍、癌症51以及预期寿命缩短52。鉴于营养和代谢信号在青春期调控中的重要作用，阐明身体能量状况和代谢平衡干扰青春期发育神经内分泌通路及其分子学机制，具有重要的临床意义。参考文献1 GAJDOS Z K,HENDERSON K D,HIRSCHHOM J N,et al. Genetic determinants of pubertal timing in the general populationJ. Mol Cell Endocrinol,2010,324(1/2):21-2

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