肥胖发生的分子机制

肥 胖 发 生 的 分 子 机 制张红敏1 陈世伟21成都中医药大学02级博士生 成都610075 2四川大学华西公共卫生学院营养与食品卫生教研室03级博士生 成都610041摘要 肥胖已经成为危害健康的一项公共卫生问题 其发病过程复杂 危害严重 研究表明 肥胖是一种由食欲和能量调节紊乱引起的疾病 与基因 环境 膳食结构等多种因素有关 但具体发病机制尙不清楚 本文主要从遗传学角度 综合近年来的研究 按 信号传导系统异常 肥胖相关基因突变等两方面对其发病加以综述 认为肥胖的发生与肥胖相关基因的突变密切相关关键词 肥胖 信号传导 基因突变Molecul mechanism of obesityZhang hongmin 1 Chen shiwei 21. Chengtu university of Traditional Chinese Medicine, Chengtu 610075 ,China2. Department of nutrition and food hygienic, West China college of public health , Sichuan university , Chengtu 610041, ChinaAbstract Obesity has become a public wealth question of harming human being’s health. Investigationshowed the obesity is associated with gene, enviroment and constitution of food, and is induced regulation disorder of food appetite and energy , although mechanism isn’t known. This paper is written to integrate data of near years from abnormality of signal conducting system and mutation of obesity-related genes according to genetic point of view, and concluded that obesity is highly associated with mutation of obesity-related genes.Key words: obesiy, signai conducting system, gene mutation肥胖已成为现代社会中最常见的 发病呈逐年上升的营养障碍性疾病 近年的研究表明 肥胖是一种多基因多因素基础上的常见代谢失调症[1,2] 已经成为危害人类健康的主要杀手 对于肥胖的研究最早可追溯到19世纪末 但直到1994年 Zhang 等[3]在小鼠成功克隆了肥胖基因 ob gene 并且鉴定了人类的相应ob 基因和它所表达的蛋白产物Leptin 才使肥胖的机制研究走上了分子水平的高度 本文就对近10年来所取得的辉煌成就 从遗传学角度分以下2个方面做一概述1 信号传导系统异常研究资料表明 人类肥胖的基础不是leptin 的缺乏 而是对内源性leptin 产生了抵抗 以致不能发挥其生物学效应[4] leptin 抵抗的病理学基础可能在于下丘脑中leptin 作用的受体后信号转导及转录活化因子 STAT 及其各种后续基因 它们中任一组分发生异常均可能形成leptin 抵抗而导致肥胖发生 另外 体重的减轻不仅包括脂肪细胞体积的减少 也包括脂肪细胞数目的减少[5] Prins 等[6]首次应用凋亡的理论阐明了正常的脂肪细胞在体内数目减少的可能的分子机制 由此也引起了脂肪细胞凋亡与肥胖关系的研究1.1 Leptin 传导通路异常JAK-STAT 途径目前被认为是Leptin 信号转导的主要途径[7] Leptin 的生理学作用主要是通过受体后的信号转导途径来实现的 即越过血脑屏障后的Leptin 与其受体 LEPR 结合 激活JAK STAT 信号转导途径 形成STAT 同源或异源复合物 该复合物转运入细胞核 进而调节受leptin 控制的后续基因 如 NPY CRH 等基因 的转录 影响脑内的摄食和饱食中枢 调节食物摄入和能量消耗[3]下丘脑是LEPR 神经肽Y NPY 促肾上腺皮质激素释放激素 CRH 等神经内分泌递质的主要产生位点 这些神经递质的过度兴奋或抑制将导致肥胖[8] 故下丘脑被认为是leptin 作用的关键区域[9] Leptin 与下丘脑内的特异性受体LEPR 结合后即通过信号转导途径调控这些神经内分泌递质的产生LEPR 是Leptin 的高亲和力受体 属第I 类细胞因子受体家族[10] LEPR 不同的剪切形式可以形成几种不同的受体 分为长胞内区受体和短胞内区受体 LEPRa 和LEPRc 为短胞内区受体 其功能上可能是运载体 主要与leptin 的血浆运输和清除有关 如果LEPRa LEPRc 发生缺陷则可以阻碍leptin 通过血脑_______________________________________________________________________________屏障LEPRe也是一种短胞内区受体由于没有疏水区因此具有可溶性受体的性质血浆高LEPRe水平可以增加其与leptin的亲和力从而抑制leptin与下丘脑内细胞膜受体的结合LEPRb则是一种长胞内区受体在结构上存在JAK的结合位点即box1box2和可诱导STAT磷酸化的特异性区域即YXXQ 序列而JAK和STAT磷酸化又是第I类细胞因子受体信号转导的关键步骤因此LEPRb长胞内区受体的异常表达将会影响JAK STAT信号转导途径以及后续基因的表达研究证实LEPR突变使其在细胞表面的表达明显减少与Leptin的亲和力显著降低因此可引起啮齿类动物的肥胖[11]Ghilardi [12]的观察发现LEPR的变异还可以引起db/db小鼠的肥胖表型正常小鼠下丘脑中LEPRb占LEPR总量的3040db/db小鼠LEPR缺陷的遗传性肥胖小鼠中LEPRb则明显减少而LEPRa在db/db小鼠与正常野生型小鼠中的表达并无差异进一步的研究还发现LEPRb的突变可导致JAK STAT途径的缺陷显著降低活化egr l启动子转录的能力从而使leptin无法发挥效应而导致肥胖表型[11]在COS转染细胞中的研究表明只有正常的LEPRb才具有激活STAT3STAT5和STAT6的作用并认为JAK STAT是leptin发挥抗肥胖效应的主要候选途径[12]Yamashita[13]观察到用leptin 刺激能够稳定表达fa型LEPRb的中国仓鼠卵巢CHO细胞半小时后CHO细胞表面LEPR与leptin的亲和力即明显降低极早期基因c-fos c-jun jun-b的表达均显著减少磷酸化STAT3的水平较表达正常LEPRb的CHO细胞呈现出明显的不足另一研究也同样证实了leptin对受体后信号转导的影响当正常SD大鼠从下腔静脉注射重组leptin lug/g后下丘脑磷酸化STAT3也逐渐呈现出明显增加趋势[14] LEPR介导的JAK STAT信号转导途径还可以为多种蛋白因子所抑制包括特异性的和非特异性的Carpenter[15]的实验表明SHP2SH2containing phosphatase 2是STAT的一种抑制分子如果LEPRb胞内段986位含有酪氨酸则可以介导SHP2发生磷酸化促进SHP2与LEPR的结合但当986位的酪氨酸为苯丙氨酸取代后则可以减弱SHP2的磷酸化反应减少SHP2与LEPR的结合而增加STA T介导的表达消除leptin抵抗增加内源性leptin信号的有效性PIAS protein inhibitor of activated STA T3则是另一种STAT的抑制因子[16]leptin的生物学效应需要有磷酸化的STAT3来介导而PIAS3蛋白则可结合磷酸化的STAT3阻断STAT3与DNA结合这一环节抑制STAT3所介寻的后续基因活化提示PIAS 3是特异性STAT3的抑制子在肥胖发生中可能参与了leptin抵抗的机制最近还发现了一个新的可由细胞因子诱导的STAT抑制子家族[17]其成员包括SOCS suppressors of cytokine signaling SSI STAT-induced STAT inhibitor JAB JAK binding等这些小分子蛋白都具有SH2功能域可以与STAT和JAK的特异性区域结合降低它们的酪氨酸激酶活性抑制STAT的活化从而抑制信号转导1.2 脂肪细胞凋亡通路异常肥胖不仅是脂肪细胞体积的增大也包括脂肪细胞数目的增加[18]脂肪细胞体积的改变主要通过脂肪生成或脂肪溶解作用该过程已基本明确脂肪细胞数目的改变包括前脂肪细胞增殖分化过度或前脂肪细胞脂肪细胞的凋亡或去分化[18]凋亡的异常与许多疾病密切相关肥胖时脂肪细胞数目的增加与凋亡不足是否有关尚不清楚凋亡是一个基因控制的程序性的过程受到促凋亡基因和抗凋亡基因的调控有报道肥胖时棕色脂肪细胞凋亡增加此效应可被去甲肾上腺素抑制使凋亡减少在体外用TNF和去血清培养诱导遗传性肥胖鼠棕色脂肪细胞凋亡并用去甲肾上腺素对抗该作用同时检测Bcl2/Bax抗凋亡基因/促凋亡基因表达产物的比率结果发现去除血清可使Bcl2/Bax下降而去甲肾上腺素则提高Bcl2/Bax的比率TNF对该比率无影响说明棕色脂肪细胞的凋亡与Bcl2家族有关[19]肥胖者血中leptin TNF等一系列与凋亡相关的因子常明显高于正常脂肪细胞产生TNF增加有可能是一种保护性反应机制TNF可诱导脂肪细胞凋亡也许从某种程度上限制了个体潜在性的体重增加[18]ICV应用leptin后凋亡增加且可能与PPAR的磷酸化水平有关部分肥胖者虽然血中leptin增高但中枢对Leptin却不敏感可能会干扰leptin诱导凋亡的信号系统从而使PPAR的磷酸化水平失衡导致凋亡异常进一步研究脂肪细胞凋亡与肥胖的关系将对肥胖的发病机理及治疗提供又一重要的依据2 肥胖相关因子基因的突变基因突变在介导肥胖症发生中的作用也越来越受到人们的关注现已揭示多个基因位点编码的蛋白质或多肽与该病发生相关如ob LEPR解偶联蛋白UCPs前阿促黑激素皮质素原pro-opiomelanocortin POMC及促黑激素皮质素受体-4 Melanocortin-4 receptor MC4R等基因的突变2.1ob基因与leptinob基因在脂肪细胞中呈特异性表达编码产生高度亲水性的分泌蛋白分泌入血的过程中失去-端信号序列后生成leptin在小鼠中ob基因位于6号染色体由45kb的mRNA翻译成leptin蛋白[3]在遗传性肥胖小鼠ob/ob小鼠中由于编码第105位氨基酸Arg的密码子变成终止密码子而成为无义突变Arg105Stop[3]血中的正常的Leptin缺乏使机体对食物能量的吸收和新陈代谢的调节失去控制能量摄入增多体重增加发生肥胖ob基因缺乏或变异都可能导致肥胖人类ob基因位于7号染色体长臂7q31.3由3个外显子和2个内含子构成由包括3非翻译区在内的mRNA编码翻译成分子量16KD的leptin[20]肥胖人的ob基因异常是从巴基斯坦旁遮普地区的近亲结婚家系中2名高度肥胖的8岁女孩86kg和2岁男孩子29kg中发现的他们的出生体重在正常范围但在婴儿期就开始出现摄食过多出生后3个月就呈现出高度肥胖基因解析的结果表明ob基因中编码第133位氨基酸的密码子的一个碱基鸟嘌呤的缺失导致突变为终止密码子在土耳其发现的其他肥胖家系中Leptin第105位氨基酸由Arg变成Trp出现错义突变[21]2.2 Leptin受体Leptin是通过与其受体结合来传递其调节能量代谢信号的LEPR属I类细胞因子受体家族具有独特的一级结构其二级结构与细胞因子相似LEPR基因又叫糖尿病基因diabetesgene db是leptin的高亲和力受体在下丘脑下部尤其是弓状核活跃表达管理着具有重要生理活性的饱食信号的传导LEPR 基因异常在小鼠中已被确认的有db/db da3j/db3j db PAS/db PAAS3种而在大鼠中有fa/fa fa/fa2种在db/db小鼠中发现LEPR基因突变引起LEPR基因RNA剪接异常导致产生异常的LEPR造成肥胖[22]在fa/fa大鼠中也发现LEPR基因突变[23]在遗传性肥胖Zucker fa/fa大鼠其全部LEPR异构体共用的细胞外区域的第269位氨基酸谷氨酰胺转变为脯氨酸出现错义突变Gln Pro这些变异导致合成缺失的膜贯通部位或细胞内区域的LEPR对Leptin失去反应引起肥胖人类的LEPR基因位于1p31基因长度超过70kb由20个外显子和19个内含子组成[24]已报道人类LEPR基因突变引起LEPR功能改变导致严重肥胖[25]肥胖患者中LEPR基因多部位存在多态性[26,27]但尚未鉴定出与上文中讲的小鼠大鼠一样的基因变异内含子2发生碱基改变可能引起LEPR 基因mRNA剪切异常导致产生异常的LEPR LEPR基因外显子18碱基改变导致其968位氨基酸由Ala Asp氨基酸改变可能影响受体的空间构象从而影响其功能[28]1997年Matsuoka等[24]对LEPR基因的220外显子应用PCR技术做了测序分析发现了7种核苷酸变异分别为Lys109Arg Gln223Ser Ser343Ser Ser492Thr Lys656Asn Ala976Asp Pro1019Pro其中1092239761019位变异率较高变异频率分别为799110085因此LEPR作为肥胖的候选基因正是目前肥胖分子机制研究领域的热点2.3 3-肾上腺素能受体3-AR基因突变-AR基因与肥胖相关的主要是Trp64Arg突变[29]其频率在体脂向心性分布明显的男性明显升高[30] 3Trp/Arg变异可能会导致体内能量代谢作用降低而出现肥胖[31]2.4神经肽基因和阿片促黑激素皮质素原基因目前认为与肥胖相关的神经肽基因主要有NPY基因和POMC基因Bray等[32]认为肥胖与NPY基因序列变异有关但不是肥胖的主要原因他们研究了10例美籍墨西哥患者的基因序列其中5例为儿童5例为成年人先选中NPY的基因位点再从5端开始分析1100个碱基对及所有NPY的外显子结果发现共有8个基因变异点其中包括在假设的非调节区-880I/D2个碱基的插入在外显子与内含子1的交界处17对碱基的缺失69I/D变异的结果分析表明在整个样本中-880I/D和腰围臀围比具有高度相关性p=0.041且在一个家谱中发现69I/D变异与这一家族的肥胖有关有许多研究表明POMC基因的变异引起肥胖的发生Miraglia等[33]采用SSCP的方法对87例肥胖儿童平均发病年龄为4.7 2.5岁的染色体上POMC基因的编码区进行分析发现存在三种变异:G3834C 导致正常POMC信号肽第7位上丝氨酸被苏氨酸取代;C3840T导致正常POMC信号肽的前体物第9位上丝氨酸被亮氨酸取代;C7406G导致正常-内啡肽第236位上精氨酸被甘氨酸取代至于其确切的发病机理则有待于更进一步的研究2.5MC4R基因MC4R基因变异是导致遗传性肥胖不可忽略的因素人类MC4R编码基因是一个由996个碱基对构成的单一外显子位于18号染色体长臂上[34]对于MC4R基因突变在调节人类体重变化中重要性的研究始于1998年当时Yeo等先后报道了两例MC4R基因不同部位移码突变严重肥胖病例[35]之后的两年多时间里有关MC4R基因突变与遗传病肥胖症的关系研究广泛开展到目前为止已有十余个MC4R突变位点被相继报道MC4R基因突变包括多态性发生率约为3%广泛家系调查显示上述各突变中除Farooqi等[36]发现的N-62-S突变外其余均仅为杂合子单体型基因缺陷而该突变在1个家系共11人的三位极度肥胖BM1:45至48成员中表达为纯合子基因型为Ser/Ser而该家系另外四位杂合子基因型为Asn/Ser 突变成员的BMI均低于30但大于25故认为MC4R基因突变导致的肥胖症既可以是显性遗传也可以是隐性遗传的其中以显性遗传为主要方式[37]Hinney等[38]对306例肥胖者的MC4R基因方面进行了研究发现有如下一系列基因变异:CTCT 密码处4对碱基缺失导致了断裂蛋白的产生患者及其母亲均属于杂合性缺失这一变异被认为与家族显性遗传性病态肥胖有关2例肥胖先证者中发现有MC4R在35位点处有无意义的变异导致断裂蛋白产生其中包括基末端的细胞外区域此外携带者还表现为错义的突变Arg35Val在酪氨酸-终止和Arg37Val两种类型的错义突变中其主要属于母系传递因此这些变异形成了单倍体型男性肥胖患者一般包括两种无意义的突变:Ser30Phe Gly252Ser另外在极度肥胖男性患者中还发现有另外4种不同的无意义突变:Pro78Leu Thr112Met Arg165Trp Ile317Thr由此可见MC4R基因的无义突变在显性遗传性肥胖致病中意义重大2.6解聚蛋白基因UCPs geneUCPs基因为一组基因包括UCP1UCP2UCP3和UCP4其中UCP2基因是人类肥胖的主要候选基因[39]在体内分布广泛主要通过调节机体的基础代谢率BMR来控制体重[40]一旦基因突变就可能发生肥胖Lentes等[41]测定25个高加索肥胖儿童的BMR和UCP2基因发现所有研究对象都存在外显子4上的点突变164位碱基变成导致第55个遗传密码丙氨酸被缬氨酸取代和外显子8上插入突变其能量代谢均表现为较低的BMR最终体重增加George等[42]对Caucasian和美籍黑人UCP2基因编码序列的分析发现了外显子2Ala55Val突变该氨基酸替换发生在第一和第二跨膜区之间的基质向膜外环处是常见的UCP2基因变异Otabe等[43]在法国Causasian人种中也发现了5个UCP2基因变异其中外显子2Gly85Ser突变可能与2型糖尿病伴肥胖相关另有报道外显子2Ala55Val突变及外显子6插入缺失多态与Pima印第安青年人睡眠时代谢率相关且纯合子比杂合子代谢率低[44]国内UCPs基因的研究显示UCP1基因A G-3826变异与2型糖尿病病人体脂含量和分布相关[45]UCP2基因Ala55Val变异与中国女性股部皮下脂肪面积和体重指数相关[46]综上说明肥胖的发病是多种基因及其相关因子异常表达共同作用的结果虽说肥胖的发生非常复杂性但近几年对其机制的研究取得了巨大的成就如对leptin的系统研究如果能把各种基因及其因子的变化同中枢神经调控食欲的网络有机结合明确其相互关系对阐明肥胖发生的机制将有重要意义参考文献[1] 苏立伟. 国外医学卫生学分册199825270-72[2] 龚海霞郭锡熔陈荣华等. 中华医学遗传学杂志2003203268-271[3] Zhang Y, Ricordo P, Margherifa M. Nature,1994;372:425431.[4] Bary GA, Lancet, 1996; 3489021:140-141[5] Miller WHJ, Faust IM, Goldberger AC, et al. AMJ Physiol. 1983,245:74 80.[6] Prins JB, Walker NI. Biochem Biophys Res Commun, 1994, 201:500-507[7] Udagawa J et al. Brain Res20008682:251[8] Kalra SP Dube MG Pu S et al. Endocr Rev1999201:68-100[9] White DW Kuropatwinski KK Dwvos R et al. J Biol Chem19972727:4065-4071[10] Vongs A Fong TM Xu L et al. Endocrinology1996;13711:5178-5181[11] Silva BA Bjorbaek C Uotani S et al. Endocrinology1998;1399:3681-3690[12] Ghilardi N Zieglar S Wiestner A et al. Proc Natl Acad Sci USA1996;9313:6231-6235[13] Yamashita T Murukami T Otani S et al. Bichem Biophys Res Commun1998; 246 3:752-759[14] McCowen KC Chow JC Smith RJ. Endocrinology1998;13911:4442-4447[15] Carpenter LR Farruggella TJ Symes A et al. Proc Natl Acad Sci USA1998;9511:6061-6066[16] Chung CD Liao JY LIU B et al. Science1997; 2785344:1803-1805[17] Bjorbaek C Elmquisk JK Frantz JD et al. Mol Cell1998;14:619-625[18] Prins JB Stephen O. Clin Sci199792:3-11[19] Luca B Icristina T. FEBS Letters1998431:80-84[20] Isse N, Qgawa Y, Tammura N,et al. J Biol Chem1995,27046:27[21] Robert V et al. J Clin Invest, 1995;95:2986[22] Chen H Charlat O Louis A et al. Cell. 199684:491-495.[23] Wupeng XS Streamaon C Okada N et al. Diabetes199746:513-518.[24] Matsuoka N, Ogawa Y, Hosoda K, et al. Diabetologia, 1997, 4010:1204-1210.[25] Clement K Vaisse C Lahlou N et al. Nature1998392:398 401.[26] Gotoda T Manning BS Goldstone AP et al. Human Molecular Genet19976:869-876.[27] Chung WK Kehoe LP Chua M et al. Diabetes199746:1509-1511.[28] 陈刚罗敏丁伟. 中华内分泌代谢杂志2001175298-300[29] 高从容邹大进张家庆. 国外医学内科学分册199825:294 296.[30] 朱旅云刘坤申王任平等. 中华内科杂志2002414224-228[31] 莫宝庆陈荣华郭锡熔等. 中华医学遗传学杂志2001185371-374[32] Bray MS Boerwinkle E Hanis CL. Obeses Research200083:219[33] Miraglia Del Giudice E Cirillo G et al. Int J Obes Relat Metab Disord2001251:61[34] Gantz I, et al. J Biol Chem1993268:15174-15179[35] Yeo GSH et al. Nat Genet199820:111-112[36] Farooqi IS et al. J Clin Invest2000106:271-279[37] Sina M Hinney A Ziegler A et al. Am J Hum Genet1999656:1501-1507[38] Hinney A Schmidt A Nottebom K. J Clin Endocrinol Metab1999844:1483[39] Fleyry C Nevrova M Collins et al. Nat Genet199715:269[40] Bouchard C Perusse L Chagnon YC et al. Hum Mol Genet19976:1887[41] Lentes KU Tu N Chen H et al. J Recept Signal Transduct RES19991-4:229[42] George A Angela MB Richard P et al. Diabetes199847:685.[43] Otabe SC Karine C Nathalie R et al. Diabetes199847:840[44] Walder K Norman RA Hanson RL. Hum Mol Genet19987:1431[45] 郑以漫项坤三贾伟平等. 中华内分泌代谢杂志199814:224.[46] 郑以漫项坤三贾伟平等. 国际华夏内分泌大会论文摘要汇编.1999:6。