能量失衡经Leptin影响...peptin系统的可能机制_徐瑞.pdf

收稿日期：2023-04-15基金项目：江苏省教育厅自然科学基金面上项目（19KJB180018）；南京体育学院重点实验室项目（SYS202102）；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划省级创新重点项目（202210330005Z）。作者简介：徐 瑞（1989-），女，辽宁盘锦人，博士，讲师，硕士生导师，研究方向：运动与内分泌。通信作者：纪 旭（2001-），女，河北保定人，研究方向：运动与肥胖。能量失衡经Leptin影响下丘脑Kisspeptin系统的可能机制徐 瑞，纪 旭，王文静，刘文青（南京体育学院 运动健康学院，江苏 南京 210014）【摘要】：Kisspeptin系统是连接机体能量平衡与下丘脑-垂体-性腺（hypothalamicpituitarygonadal，HPG）轴的重要桥梁。瘦素（Leptin）作为经典的脂肪因子受能量失衡影响后能够直接/间接作用于下丘脑中的Kiss-1神经元，影响Kisspeptin系统的表达，进而调节促性腺激素的分泌和释放，对生殖功能产生影响。从Leptin作用于 Kisspeptin 系统的分子机制、能量失衡状态下 Leptin 变化对 Kisspeptin 系统影响等方面，阐述能量失衡经Leptin对Kisspeptin系统产生影响的可能机制，以期为后续能量失衡与生殖功能相关研究提供帮助。【关键词】：下丘脑；Kisspeptin系统；瘦素；能量失衡【中图分类号】：R363，G804.2【文献标志码】：A【文章编号】：2096-5648（2023）06-0045-07机体能量失衡会伴随生殖功能异常，由能量过剩导致的肥胖与青春期启动异常和成年期生殖功能紊乱等生殖系统疾病的发生密切相关1-3。研究发现，身体脂肪的含量越高，女孩初潮年龄越低4，且青春期性早熟的男生女生BMI显著高于正常男生女生5；此外，肥胖还会导致成年男性精子活力下降甚至不育，女性出现高雄激素血症、多囊卵巢综合征等疾病。而营养不良等负能量平衡状态则会导致青少年生长发育迟缓，青春期启动延迟6-10。说明能量平衡状态与机体生殖功能之间存在直接关系。因此，探究能量失衡与生殖功能的关系并从中探寻出有效矫正办法是预防和改善能量失衡、防范生殖功能紊乱发生的有效手段。近年来研究发现，下丘脑中的 Kiss-1-GPR54 信号通路作为连接代谢与生殖的关键调节因子，在能量失衡调控生殖功能过程中发挥了决定性的作用。Kiss-1基因是最早由Lee等人研究黑色素瘤转移抑制基因在6号染色体上编码或受6号染色体上的基因调控时，从恶性黑色素瘤细胞中分离出的一种新 cDNA11。由Kiss-1基因编码的 kisspeptin 蛋白包括 145个氨基酸残基，经水解能够进一步分解为kisspeptin-54、kisspeptin-14、kisspeptin-13 和 kisspeptin-10 等短肽12。2016 年，Novaira H.等人发现表达于下丘脑的kisspeptin能够使GnRH神经元去极化，但kisspeptin并不是单独发挥作用，而是通过与其特异性内源性配体G蛋白耦联受体（G protein-coupled receptor54，GPR54）相结合发挥作用13-14。GPR54 表达于下丘脑GnRH神经元上与kisspeptin共同发挥作用调控GnRH的分泌和释放，形成以 kisspeptin为核心的 Kisspeptin系统15-16。Sandrine等人在小鼠小生长发育过程中敲除其下丘脑GPR54基因后发现，即使Kiss-1基因表达量增加也无法完成性成熟17。Navarro等人在雌性和雄性大鼠的整个出生后的发育过程中发现，下丘脑Kiss-1与GPR54表达共同呈波动变化，在新生儿期呈中等水平，在青春期前显著下降，在青春期时最大程度增加，表明在青春期下丘脑 Kisspeptin 系统表达增加并刺激促性腺激素大量分泌18，可以被认为是青春期启动的标志。而Kiss-1和/或GPR54基因的突变会引发特发性低促性腺激素性腺功能减退症（idiopathic hypogonadotropic hypogonadism，IHH）19，且Kisspeptin系统紊乱会导致中枢性性早熟、女子不孕等临 床 症 状20。因 此 在 Kisspeptin 系 统 中 Kiss-1 和GPR54协同发挥作用，在哺乳动物的各生命阶段扮演重要角色。除下丘脑外，Kiss-1基因在HPG轴中的其他环节也有表达，如卵巢、子宫、胎盘、睾丸等组织器2023年（第22卷）第6期Vol.22，No.6，2023运动人体科学 45DOI:10.15877/ki.nsin.2023.06.007南京体育学院学报2023年（第22卷）第6期官21-22，可能Kiss-1基因也有在外周组织参与调节生殖功能，但其具体机制有待探索。下丘脑中的Kisspeptin系统除调控机体生殖功能外，对于机体能量平衡状态的变化十分敏感，是连接能量代谢与生殖功能的关键因子。Castellano 等发现23过度喂养新生雌性大鼠致其体重持续增加的同时，其下丘脑Kiss-1mRNA水平也不断升高，伴有阴道开口年龄提前，出现青春期性早熟。Brown等人也发现，超重和肥胖使男孩女孩 Kisspeptin水平升高的同时，血清中FSH与LH水平也随之上升24。提示正能量平衡条件能够促进下丘脑Kiss-1的表达，并促进促性腺激素的分泌和释放。而在禁食、饮食热量限制等导致的负能量平衡条件下，雄性小鼠下丘脑Kiss-1mRNA表达水平显著降低的同时也出现GnRH/LH分泌水平减少25-26。寒冷条件下哺乳动物下丘脑Kiss-1基因的表达也受到影响，与在温暖条件下生长的雄性田鼠相比，在寒冷环境中生长的雄性田鼠下丘脑Kiss-1基因的表达明显降低，并伴随血清睾酮浓度均下降、生殖发育迟缓现象27。本团队前期对高脂饮食大鼠施加中等强度运动后也发现，运动作为促进能耗的手段之一也能够降低高脂饮食大鼠下丘脑Kiss-1基因和蛋白的表达水平，并提高其血清睾酮水平28。因此，能量失衡能够通过影响下丘脑Kisspeptin系统的表达对哺乳动物生殖功能产生影响。图 1 正、负能量平衡经下丘脑Kiss-1神经元调节HPG轴示意图Figure 1 Schematic diagram of positive and negative energy balance regulating the HPG axis by hypothalamic Kiss-1 neurons能量失衡如何作用于下丘脑Kisspeptin系统？研究发现，瘦素（Leptin）、胰岛素（Insulin）、腺苷酸活化蛋白激酶（Adenosine 5-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）等能量代谢激素/因子能够作用于下丘脑Kiss-1神经元，并对其表达产生影响29-31。其中 Leptin 作为能量代谢经典激素，与哺乳动物的肥胖、摄食行为、生殖功能稳态密切相关。近年来诸多学者针对于Leptin与Kisspeptin系统的关系展开研究，本文就能量失衡经Leptin作用于下丘脑 Kisspeptin系统的可能机制作一综述，将相关研究进行梳理，以期为后续研究提供思路。1 Leptin作用于Kiss-1神经元的可能机制Leptin是脂肪组织分泌并由肥胖基因（ob）编码的一种蛋白质类激素，主要由白色脂肪组织分泌，能够抑制脂肪酸合成酶表达，最终发挥抑制脂肪合成的作用，是调节机体能量平衡的重要因子32。1994年，在Zhang等人33克隆小鼠肥胖基因时发现，当敲除ob基因后，小鼠会出现肥胖、摄食增加等现象，而对敲除ob基因的小鼠外源性补充Leptin可增加能量消耗，降低小鼠体重并减少摄食。Leptin 主要通过与瘦素受体（Leptin receptor，LepR）结合发挥生物效能34，当前已知Leptin受体有LepRa、LepRb、LepRc、LepRd、LepRe、LepRf 6种，其中 LepRb 主要表达于下丘脑，是 Leptin参与影响下丘脑调节功能的主要介质35。46越来越多的研究证实，Leptin不仅具有调节食欲，控制体重的功能，还具有对生殖系统的调节功能。Hindlet P等人发现，当Leptin或者LepR功能不足时，大鼠不仅出现肥胖，还伴有生殖功能障碍36。Sheffer-Babila S等人的研究结果也显示，当Leptin或LepR缺乏时，GnRH 分泌明显不足，影响 FSH/LH 的分泌与释放，而外源性注射Leptin可明显改善此现象37。说明Leptin-LepR能够影响GnRH/LH的分泌和释放，进而影响生殖功能。那么Leptin是如何影响GnRH分泌和释放呢？进一步研究发现，下丘脑GnRH神经元上并没有LepR的表达38，因此Leptin并不能够直接作用于GnRH神经元上，而是通过其他途径调节GnRH的分泌，进而实现对生殖系统的调节。1.1 Leptin直接作用于Kiss-1神经元的可能机制如上文所述，GnRH神经元直接受到Kiss-1的信号刺激。Smith JT 等人通过对小鼠下丘脑 Kiss-1mRNA与LepRmRNA应用原位杂交双标记技术后发现在小鼠下丘脑ARC区域中有40%及以上的Kiss-1神经元可以表达LepR基因39。此外，在豚鼠、羊等生物的下丘脑 ARC 区域中，Kiss-1 神经元上也发现了LepR基因的表达40-41。因此，Kiss-1神经元可能是连接 Leptin 与 GnRH/LH 的关键桥梁，Kiss-1 神经元是Leptin调控的直接目标。研究证实，Leptin水平的上升会引起Kiss-1 mRNA的表达量增加39。在下丘脑中，Leptin能够与Kiss-1神经元上的LepR结合，从而刺激Kisspeptin系统的表达增加。而当Leptin分泌减少时，大鼠下丘脑Kisspeptin系统表达水平也随之降低23，且LepR基因的缺乏也会导致下丘脑Kisspeptin系统表达水平下降42。当特异性敲除Kiss-1神经元上的LepR基因后，Kiss-1神经元数量减少，kisspeptin表达水平降低，而外源性注射Leptin可以逆转此下降趋势39，43。因此，Leptin 主要通过 LepR 作用于下丘脑 Kisspeptin系统对GnRH/LH的分泌和释放产生影响，是连接能量代谢与HPG轴的重要枢纽。1.2 Leptin间接作用于Kiss-1神经元的可能机制除直接作用于Kiss-1神经元外，Leptin还能够通过其他神经元间接影响Kisspeptin系统。下丘脑ARC中的Kiss-1神经元并不是独立存在，它与下丘脑中调节中枢食欲和能量消耗的厌食性神经元阿黑皮素（pro-opiomelanocortin-，POMC）/可卡因苯丙胺调节转 录 物（cocaine-and amphetamine-regulated transcript，CART）和促食性神经元AgRP/神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）共表达，与其建立广泛的神经联系44。除参与调节食欲外，POMC/CART 神经元能够感知能量代谢信号，并传递到 Kisspeptin 系统45。-黑素细胞雌激素（-Melanocyte stimulating hormone，-MSH）是 POMC 的主要编码产物，通过与黑皮质素 4 受体（Melanocortin 4 receptor，MC4R）结合进而发挥作用。在下丘脑Kiss-1神经元上存在着MC4R的表达，因此Kisspeptin 系统可以接收到 POMC/CART 神经元所传来的刺激信号，在下丘脑中存在POMC-MSH-Kisspeptin这一信号路径。同时，在 POMC神经元上也存在LepR表达，能够接收Leptin传递的信号。故而在下丘脑中，Lepti