肥胖基因

JournalofSichuanInstituteofAnimalHusbandryandVeterinaryMedicine

肥胖基因

龙火生　向　钊　李艳杰　左福元　杨公社

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(1　西北农林科技大学畜牧兽医学院　陕西杨凌　712100)(2　西南农业大学荣昌校区动物科学系　重庆荣昌　402460)

摘　要　肥胖症已经逐渐成为了一个严重的健康问题和社会问题,对肥胖症的研究已深入到分子水平。自肥胖基因被克隆以来,针对肥胖基因的结构、突变、表达及其产物的生物学作用已进行了大量的研究。本文就肥胖基因的发现和定位、结构和突变及其产物———瘦素的相关研究进行了综述,并指出了对肥胖基因进行深入研究的相关领域。关键词　肥胖症　肥胖基因　瘦素(leptin)

中图分类号　Q812　　　　文献标识码　A　　　　文章编号　1009-0533(2002)01-0043-05

肥胖(obesity)是因体内热量摄入大于消耗,甘油三酯在脂肪组织内贮存过多而造成体重

超常的一种病症,是一个复杂的生理和病理学过程。过去认为该病的发生与民族生活习惯和所处的地理环境等因素有关,现在将肥胖症分为无明显内分泌、代谢病因可寻的单纯性肥胖和继发于神经—内分泌—代谢紊乱基础上的继发性肥胖。随着人类生活水平的提高,单纯性肥胖症的发病率急剧增加。肥胖患者的体重指数(BMI:bodymassindices,定义为体重对身高平方的比值)、皮脂厚度、局部脂肪分布、热量摄入和消耗、代谢率等均受遗传的影响。自肥胖基因(obgene)被克隆[1]以来,越来越多的学者正致力于肥胖基因及其产物瘦素(Leptin,源于希腊语leptos,意为瘦的,也见译作肥胖抑素、肥胖蛋白、苗条蛋白、瘦蛋白和消脂素)的研究,试图从分子遗传学角度探讨导致该症发生的机制,以找到更加有效的预防和治疗肥胖症的方法。

1　肥胖基因的发现和定位

对肥胖遗传基础的认识主要来源于对小鼠和人的相关研究。1950年发现了一种ob/ob(obese)小鼠,这种小鼠患有一种隐性遗传的肥胖症,能导致脂肪量超过50%、成年小鼠不育等[2],当时无法解释这种缺陷的遗传机理。1966年,Hummel等发现ob/ob小鼠近亲———肥胖的糖尿病小鼠db/db(diabetes)也出现肥胖症,且有高血糖症[3]。1973年,Coleman对以上两个

收稿日期:2002—01—05

龙火生(1971—):男,四川隆昌人,博士研究生,主要从事现代生物技术的研究。

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品系的小鼠进行了著名的联体共生实验(parabioticexperiment)[4]:以存在ob等位基因突变的肥胖小鼠(ob/ob)与正常小鼠(+/+)相连,结果使ob/ob鼠摄食减少而体重下降,说明ob/ob小鼠的肥胖可被来自正常小鼠血液中的调节体重的物质所纠正;其次以ob/ob小鼠与具有db突

变的肥胖糖尿病小鼠(db/db)相连,ob/ob小鼠摄食极度减少而饥饿致死,说明尽管ob/ob突变和db/db突变小鼠的遗传表型非常相似,但ob/ob小鼠的血液中缺少某种能够减少脂肪、降低体重的因子;另外,db/db小鼠与正常小鼠相连,结果亦使正常小鼠饥饿而死,提示db/db小鼠体内存在大量调节体重的物质,因缺乏其受体而对其不敏感,ob基因和db基因的编码产物可能是配基和受体的关系。该实验引起了对体重调节物质大量而深入的研究。

Kennedy通过其研究于1953年提出脂肪沉积假说(lipostasistheory)[5]:脂肪组织能产生一种物质,通过作用于下丘脑的代谢控制中枢,影响机体的能量摄入和消耗以调节体重和体脂量。直到1995年,Targaglia等克隆得到瘦素受体后,这一假说才得以证实。1994年Zhang等人综合前人的研究,通过定位克隆和定性研究,首次成功地克隆了小鼠的ob基因及人类的同源序列,并证明ob基因编码了一种蛋白质[1]。这种蛋白质能抑制脂肪的蓄积、维持脂肪细胞的正常大小,当时命名为瘦素。由于其具有调节体重的作用而日益受到重视,科学家们开始大量研究肥胖基因及其产物瘦素,使肥胖症相关研究真正深入到分子水平。

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2　肥胖基因的结构和突变

2.1　肥胖基因的结构　ob基因的表达具有脂肪组织特异性,且只有成熟的白色脂肪细胞才有表达。对啮齿类动物和人类的各种器官进行obmRNA的检测,结果在脑、心、肺、胰、肝、骨胳肌中均未检出,但在大网膜、后腹膜、肠系膜及皮下脂肪组织中却明显可见,尤其在皮下脂肪组织最多[7]。

ob基因长约20kb,由3个外显子和2个内含子组成,其编码区位于第2和第3外显子。在5′侧翼区域中包含了TATA盒样的序列和数个顺式调控元件(3个拷贝的GC盒、AP-2结合位点和C/EBP结合位点)[8]。ob基因编码约4.5kb的mRNA,含一个高度保守的能编码167个氨基酸的开放读码框架,其5′端有97bp的先导序列,3′端是3.7kb的非翻译序列。

小鼠ob基因位于第6号染色体,人类ob基因位于第7号染色体的q31.3,猪ob基因定位在18号染色体,均为常染色体隐性遗传。戴茹娟等对猪ob基因cDNA进行克隆和分析,得到猪ob基因cDNA全长3,239bp序列,与人和鼠的ob基因编码区核苷酸序列的同源性分别为88.5%和84.7%;猪与人和鼠ob基因编码的氨基酸序列的同源性分别为86.0%和83.4%[9]。各种动物与人之间ob基因的这种强保守性的一个好处在于,可以用它们来建立动物模型,研究人类肥胖症的病因和预防治疗。Taouis等[10]1998年首次克隆出鸡的肥胖基因。他们根据小鼠ob基因cDNA序列设计引物,获得了600bp、编码163个氨基酸的鸡的肥胖基因,还证明了鸡肥胖基因可在脂肪组织和肝脏中表达。由于哺乳动物肥胖基因只能在脂肪组织中表达,表明禽类和哺乳动物肥胖基因的表达和调控有所不同。

2.2　肥胖基因的突变　在部分正常的啮齿类动物和人类中可见49位谷氨酰胺密码子的缺失,此多态性的意义还不清楚。小鼠和人ob基因的克隆和分析,证明了遗传性肥胖小鼠的肥胖表型是由于ob基因的遗传变异而不能产生正常的蛋白产物造成的。遗传性肥胖小鼠与突

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变型肥胖小鼠的肥胖发生过程类似,出生时体重均正常,但很快便出现严重的肥胖。目前已至少在两种遗传性肥胖鼠中发现ob基因的突变,致使瘦素合成及功能发挥过程受阻[1]。在C57BL/6Job/ob鼠中,发现ob基因第105位精氨酸密码子发生了无义突变,使105位上编码精氨酸的密码子突变为终止密码子,虽然转录出高于正常20倍的obmRNA,而这些obmRNA是有缺陷的,翻译出一种截短的蛋白质,最后分泌进入血液循环的是没有正常功能的瘦素;而在SM/Ckc+Dacob2J/ob2J鼠系由于ob基因启动子区发生变异,直接导致obmRNA不能转录。这两种鼠系的血循环中均缺乏瘦素。但在其它啮齿类先天肥胖动物如db/db小鼠、fa/fa大鼠及获得性肥胖的动物模型中,如过量摄食导致肥胖的小鼠、谷氨酸钠注射致棕色脂肪缺失小鼠,均未检测到ob基因突变。在人类(白种人、亚洲人)肥胖者及2型糖尿病患者筛查ob基因突变的研究中,大部分没有检测到突变,仅Considine筛查到一例ob基因编码序列的变异,在94位由蛋氨酸代替了缬氨酸。以上研究结果提示大多数肥胖者的肥胖可能并不是直接由ob基因突变造成的[11,12]。

3　肥胖基因产物———瘦素

3.1　瘦素水平影响因素及其受体　ob基因编码产物是一种由167个氨基酸组成的蛋白质,在分泌入血过程中去除其中由21个氨基酸组成的N-端信号肽,形成瘦素。成熟的瘦素含146个氨基酸,分子量为16KD,具有强亲水性,以单体形式存在于血浆中。人和鼠的瘦素氨基酸序列有84%的同源性[1]。

已有多项研究表明,瘦素水平受多种因素调节。现普遍认为,机体的体脂量是影响瘦素水平的主要因素,血液循环中瘦素浓度与脂肪组织obmRNA的量相关。对糖尿病动物模型的研究发现,胰岛素也是ob基因表达的重要调节因素,因为链脲佐菌素引起的糖尿病动物模型obmRNA减少90%,而用胰岛素治疗后obmRNA的量也得到一定恢复[13]。而且在体外实验中,胰岛素可显著增加脂肪细胞obmRNA及瘦素的产生[14]。在不同人群中的研究提示种族和年龄对血瘦素浓度的影响不大,但不同性别血瘦素浓度却有显著差异。Ostlund报道[15]即使是在体脂百分含量相同的情况下,女性血液瘦素浓度是男性的3倍(分别为1.71和5.80μg/L),此性别差异是否与女性更易于积聚脂肪有关尚待研究。

继ob基因的克隆之后,小鼠的瘦素受体基因及其人类同源序列也相继得到了克隆。瘦素受体基因在大脑脉络丛、下丘脑、肝脏、胰脏、肺脏及肾脏等多个部位均有表达,此与瘦素具有广泛的生物效应有关[6]。目前已发现C57BL/KsJdb/db小鼠和Zuckerfatty(fa/fa)大鼠的瘦素受体基因发生突变,血瘦素浓度升高,具有肥胖表型,而对外源性瘦素无反应。3.2　瘦素的生物学作用　目前的研究表明,瘦素具有广泛的生物学作用,其中最重要的是作用于下丘脑的体重调节中枢,引起食欲降低、能量消耗增加从而减轻体重[17,18]。瘦素对体脂和体重的调节存在一个反馈系统,机体体脂量增加,血瘦素水平升高,作用于下丘脑的调节中枢令摄食减少、能量消耗增加;反之,机体体脂量减少,血瘦素水平亦减少,其通过中枢进行相应的摄食和能量输出调节。

Pelleymounter等[18]给C57BL/6Job/ob鼠每日腹腔内注射瘦素,结果使小鼠体重减轻,脂肪量减少,摄食量以及血糖和胰岛素浓度降低,其代谢率、体温和活动量有所提高。Halaas等[17]

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有类似报道,他们配比喂养两组性别、鼠龄和体重相匹配的ob/ob鼠,实验组每日腹腔内注射瘦素,12d后其体重减轻程度明显大于对照组。这些结果说明不能只用摄食量来解释瘦素诱导的体重下降。研究者认为瘦素至少在两方面增强了动物的能量利用:增加活动和加快代谢。

瘦素也可使正常鼠的体重减轻,但所需剂量较大。进一步的研究表明:瘦素与下丘脑的瘦素受体结合后,可能通过抑制神经肽Y(NPY)的合成与释放来调节体重[19]。肥胖动物NPY基因在下丘脑的表达增加。给ob/ob鼠腹腔注射重组瘦素在使摄食量减少56%的同时,下丘脑弓状核的NPYmRNA减少42.3%。另有学者发现瘦素能直接抑制NPY的释放。

另一方面,有学者认为瘦素可能作为脂肪———胰岛内分泌轴的一部分,参与胰岛素分泌的调节。Kieffer的动物实验结果显示瘦素(100ng/ml)可抑制ob/ob鼠胰岛分泌胰岛素。Emilsson发现瘦素浓度≥10nmol/L对胰岛素分泌有抑制作用,而低浓度(1nmol/L)无抑制作用,瘦素作为胰岛素分泌的抑制剂具有重要的生理作用。瘦素抑制胰岛素分泌,而胰岛素可刺激瘦素的释放。可见,在脂肪组织和β细胞之间通过瘦素和胰岛素形成一个双向的反馈环[20]。近年的研究还发现瘦素可以恢复雌性ob/ob鼠的生育力。雌性ob/ob鼠早期的性发育正常,但其发育程度停留在青春期前。用重组瘦素治疗除可减轻体重外,还可恢复其生育力,而单用饮食控制无此作用,提示瘦素在正常生殖功能的调节中起一定作用,其机理尚有待于进一步研究。最新的研究表明:瘦素还有引导和提高血管通透性的作用,同时还协同成纤维细胞生长因子2(FGF-2)和血管内皮生长因子(VEGF),一起刺激和促进组织中血管的生成[22]。3.3　肥胖个体中的瘦素抵抗现象　在一些啮齿类先天肥胖动物(如db/db小鼠和fa/fa大鼠)和过量摄食导致的肥胖动物中,肥肪组织obmRNA表达增加,血瘦素水平升高。说明这些动物体内对瘦素的反应减弱或无反应,这种现象称为瘦素抵抗。人类肥胖者也存在瘦素抵抗现象,由于在大多数肥胖者中未筛查到ob基因变异,推测瘦素抵抗在人类肥胖的发生中起重要作用。已发现db/db鼠和fa/fa鼠的瘦素基因发生突变,致下丘脑瘦素受体发生变异而不能与瘦素结合。但对人类瘦素受体的研究迄今未发现突变的存在,人类的瘦素抵抗现象不能用瘦素受体基因的异常来解释。可能存在的原因有:血循环中存在瘦素的抗体或拮抗物;或是血循环中瘦素结合蛋白的增加令游离的瘦素减少;血脑屏障的瘦素转运饱和现象等;更为引起研究者重视的是下丘脑中瘦素信号系统与其它体重调节因子之间的失衡,如NPY系统等。

ob基因的发现时间不长,目前的研究大多局限于动物实验和离体实验,尚存在许多问题有待进一步的研究。如瘦素受体广泛存在于外周组织,其生物学作用除了已知的体重调节、胰岛素分泌调节、对生殖的作用、促进血管生成之外还有什么?瘦素产生的调节机制是什么?肥胖者的瘦素抵抗现象的原因何在?ob基因信号系统在肥胖症及其相关疾病如2型糖尿病、冠心病、高血压及高脂血症等的发生中的作用如何?对ob基因进一步深入的研究将有可能发现肥胖及其相关疾病的发病机制。

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OBESEGENE

LongHuosheng　XiangZhao　LiYanjie　etal.

Abstract　Obesityhasbecomeaseverehealthproblemaswellasasocialone.Manyresearcheshavebeendoneonthestructure,mutations,expressionandfunctionsofobgenesinceitwasclonedinmicein1994.Inthisarticle,wereviwedtheresearchresultsaboutthediscovery,locations,structures,muta-tionsofobgenesinanimalsandhuman,andbiologicalfunctionsofobgene.Finallywepointedoutsome

fieldsinwhichfurtherresearchesshouldbedoneaboutthegene.Keywords　Obesity,Obgene,Leptin