采食是动物生存生长的基础,科学、合理地对动物采食量进行调控,可以使动物生产性能和生产效率达到理想水平,适宜的采食量也是判断动物健康状况的重要依据。影响动物采食的生理因素有很多,其中主要调控因素是外周调节因子和中枢调节系统。早在20世纪90年代,人们就发现黑皮质素受体-4(melanocortin-4 receptor,MC4R)是下丘脑腹内侧核(ventromedial nucleus,VMH)分泌的一种肽类物质,在采食量调控的过程中起着关键的作用[1]。MC4R是黑皮质素受体家族成员之一,属于G-蛋白耦联受体(G protein-coupled receptors,GPCR),但其调控动物采食量的具体作用机理尚不清楚。本文就MC4R的生物学特征、在动物采食量调控中的作用机理及影响其活性的因素进行简要综述。
1 MC4R的生物学特征 1.1 基因结构黑皮质素受体(melanocortin receptor,MCR)基因家族成员有5种,MC1R、MC2R、MC3R、MC4R、MC5R,都是GPCR,主要是耦联环3′,5′-磷酸腺苷(cyclic3′,5′-adenosine monophosphate,cAMP)信号通路,有7个跨膜结构域(图1)[2, 3]。图1中灰色残基存在于MCR上,黑色的残基只存在于MCR而在其他GPCR中并不存在。MCR是最小的GPCR,在细胞外有短的氨基末端(N端),细胞内有羧基末端(C端)和小的第二细胞外环[4]。MC4R蛋白的N-末端在细胞外,C-末端在细胞内,每2个跨膜区形成1个拌区,MC4R的结合区在跨膜区,通常在第3、4、5、7跨膜段内,跨膜区是相当保守的,在同一类受体中几乎是相同的。与G蛋白发生作用的重要位点在N-末端和C-末端的第3跨膜段和第2个胞内区,第2和3胞内环和C-末端存在蛋白激酶作用的磷酸化位点。
1.2 分布与基因表达调控
MCR在不同组织中存在不同的生理学功能,如表1所示[4, 5],而受体的分布与自主神经内分泌的功能有关[4]。经过对MC4R克隆和鉴定表明,MC4R在皮质、丘脑、下丘脑和脑干的中枢神经系统均广泛表达[6]。有学者通过荧光定量PCR分析发现,齐口裂腹鱼的脑和卵巢中MC4R具有高的表达水平,在胚胎时期可以检测到MC4R mRNA,其分布受到中枢和外周调控[7]。Kim等[8]鉴定MC4R基因的多态性与表型变异的联系试验中,以来自5个品系1 800头商品猪为试验对象,检测基 因型,结果显示MC4R基因与背膘、生长率和饲料的采食量呈显著正相关。
最初Gantz等[9]通过RNA分子杂交和原位杂交研究发现,MC4R在人的大脑中表达,只有1个外显子,是由996个碱基对构成,并用荧光标记原位杂交技术成功将人的MC4R定位在18号染色体上(q21.3)。Switonski等[10]研究显示,MCR基因编码的氨基酸都在常染色体上(296个MC2R,332个MC4R),并且MC4R基因在单一染色体上,例如人和小鼠在18号染色体上,牛在24号染色体上;而猪的染色体组型稍有不同,6号染色体上有MC1R、MC2R、MC5R基因,但没有MC4R的基因。Kim等[11]测得猪的MC4R基因定位在1号染色体上(q22-27)。通过标记MC4R基因分析得知,鸡的2号染色体(GGA2)和人18号染色体(HSA18)存在同源区[12]。
2 MC4R对动物采食量调控MC4R的活性不影响动物采食频率,而影响动物采食量和对饲料的择食性。已有试验证明,脑干中MC4R的活性会影响动物采食量[13],MC4R失活会导致采食量增加而产生肥胖[14],因此深入研究MC4R在采食量调控中的作用十分重要。
动物主要通过外周调节因子和中枢调节系统调控动物采食量,中枢调节系统以神经元和神经递质为主导[15],外周调节因子主要有胃肠道调节肽、肥胖信号分子(瘦素和胰岛素)及营养物质等,但这些参与采食量调节的外周调节因子,均最终通过影响中枢系统来发挥作用[16]。采食量调控的最主要中枢是下丘脑,下丘脑的弓状核(arcuate nucleus,ARC)、旁室核(paraventricular nucleus,PVN)、背内侧核(dorsomedial hypothalamus,DMH)都是调控采食量的主要的核团[17],ACR为主要的神经元聚集区,可通过神经突触向其他核团传递神经递质信号,神经元信号最终传导至后脑部孤束核(nucleus of the solitary tract,NTS),到达大脑采食量调控相关区域,提高或降低采食量(图2)。试验表明,瘦素和胰岛素是采食量调控的最重要外周调节因子[16, 18],而MC4R对采食量的调节是作为瘦素、胰岛素采食量调控通路的下游介质来发挥作用的[19]。给雄性大鼠的第3脑室注射无选择性的MC4R拮抗剂SHU9119,通过c-Fos测定表达量来确定瘦素在调控采食量中的作用,研究表明,注射拮抗剂后会抑制MC4R的活性,从而抑制瘦素对采食量的负调控作用[20] ,证明MC4R是瘦素影响采食量的重要介质。
2.1 MC4R的激活型配体与抑制型配体
MC4R活化必须与配体相结合,动物体内MC4R有2种配体:激活型配体和抑制型配体。ARC存在2种调控采食量的神经元:一种神经元合成及分泌阿黑皮质素原(pro-opiomelanocortin,POMC),是黑皮质素的前体物质,能转化为α-促黑素(melanocyte-stimulating hormone,MSH)、β-MSH、γ-MSH和肾上腺皮质素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)4种黑皮质素,α-MSH是MC4R主要的激活型配体;另一种神经元合成及分泌神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)和刺鼠相关蛋白(agouti-related peptide,AgRP),是MC4R的抑制型配体[5]。α-MSH与MC4R结合可以激活MC4R的活性,刺激降低采食的刺激素(促甲状腺激素和促肾上腺皮质激素释放激素)释放或抑制能促进采食的肽(食欲素和黑色素凝集素)释放,若阻碍α-MSH与MC4R结合,阻断黑皮质素厌食通路,最终使动物采食量提高[19]。可卡因-安非他明调节转录肽(amphetamine-regulated transcript,CART) mRNA与POMC神经元共同表达,动物研究表明,脑室注射CART抑制动物采食,然而脑室注射CART抗血清提高采食量[22]。AgRP与α-MSH竞争结合MC4R,阻碍MC4R与配体结合,抑制MC4R的活性,提高动物采食量。NPY通过刺激Y1-Y5受体和AgRP共同调控动物采食量(图3)[19]。
2.2 黑皮质素诱导MC4R信号通路
MC4R与其他GPCR类似,都是由受体、G蛋白和效应酶组成。MC4R与配体结合后通过G蛋白引起一系列反应,先提高腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase,AC)的活性,再激活蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)调控细胞内cAMP的浓度。也有报道表明,配体诱导MC4R活化修饰细胞外调节酶(extracellular signal-regulated kinases,ERK-1/2)、AMP-激活酶(AMP-activated kinase)、c-jun激酶(c-jun kinases,CK)、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)和蛋白激酶C(prorein kinase,PKC)的活性(图4)[5]。PKC和PKA活化后可使胞浆内底物磷酸化或进入胞核使核蛋白丝氨酸/络氨酸磷酸化,磷酸化的核蛋白与cAMP应答元件(cAMP-responsive element,CRE)结合,激活CRE调控基因转录,从而调控基因表达和细胞代谢,抑制饱食中枢减少采食量。
3 影响MC4R活性的因素
MC4R的活性受生物学因素及营养因素的影响,这些因素对MC4R的活性调控主要是通过对AgRP、NPY和POMC活性调控进行的。
3.1 生物学因素MC4R活性调控的重要因子是激素和神经肽类的物质,如胰岛素、瘦素、NPY、AgRP及POMC等。这些物质通过影响α-MSH与MC4R结合来影响MC4R的活性,改变动物采食量。瘦素、胰岛素调控下丘脑ARC内相关蛋白和激素表达水平来调控动物的采食量[23]。黑皮质激素是MC4R的激动剂,与MC4R的亲和力顺序为:α-MSH=ACTH>β-MSH≥γ-MSH[4]。LK-SPL-024和MT-Ⅱ是a-MSH的类似物,也是MC4R的激动剂[24, 25]。NPY和AgRP是MC4R的抑制剂,抑制MC4R的活性,提高动物的采食量。脑室注射MC4R激动剂MT-Ⅱ或抑制剂SHU9119改变动物采食量,当注射在PVN区域对采食量的影响非常大,这是由于这个核区MC4R基因表达量特别高。下丘脑5′-磷酸腺苷激活蛋白酶(5′-adenosine monophosphate activated protein kinase,AMPK)可以调控动物采食量,通过调控下丘脑AMPK分泌可以使促食神经肽NPY、AgRP和厌食神经肽CART、POMC表达量改变,从而影响MC4R的活性[26]。
3.2 营养因素 3.2.1 蛋白质高蛋白质饮食比低蛋白质饮食更可以提高产热和饱腹感[27]。高蛋白质饮食由于富有支链氨基酸从而减少机体能量摄入,通过中枢神经系统特殊的氨基酸依赖方式调控,但氨基酸调控中枢神经系统回路的机制尚未明确。中枢神经系统雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)复合物1是调控采食量和能量消耗重要的细胞内营养调控靶点,mTORC1可能损伤瘦素信号,影响POMC的表达,改变MC4R活性,提高动物采食量和体重。
脑室内注射L-谷氨酸和L-亮氨酸,可显著提高鸡的采食量,通过定量PCR分别测得注射L-谷氨酸的鸡下丘脑中MC4R mRNA表达量显著提高,而注射L-亮氨酸显著提高下丘脑中NPY和AgRP mRNA的表达量[28]。Khondowe[29]同样用脑室注射法给肉鸡注射不同剂量的氨基酸,结果表明注射L-亮氨酸及L-谷氨酰胺均能显著提高肉鸡采食量,而注射L-谷氨酸和L-丙氨酸均能显著抑制采食量。注射L-亮氨酸能使下丘脑NPY和AgRP的mRNA表达水平显著提高,注射L-谷氨酸能显著增加下丘脑MC4R的mRNA表达水平,同时POMC的mRNA表达量有所增加,但未达到显著水平。注射L-谷氨酰胺能使下丘脑NPY的mRNA表达水平显著提高,MC4R mRNA的表达水平显著下降,注射L-丙氨酸使下丘脑AgRP的mRNA表达水平显著降低而MC4R的mRNA表达量增加。给大鼠补饲亮氨酸和高蛋白质饲粮,会抑制NPY和刺激POMC mRNA在下丘脑的表达[30]。
3.2.2 葡萄糖20世纪50年代,葡萄糖稳恒理论提出,下丘脑的葡萄糖受体,血液中的葡萄糖水平和胞外葡萄糖受到大脑中葡萄糖感受器监测,葡萄糖在体内的利用与采食量的调控有关。葡萄糖受体在下丘脑的VMH和LHA表达,静脉和动脉注射葡萄糖后VMH和LHA中神经元的放电频率发生改变。葡萄糖兴奋性神经元主要在VMH,葡萄糖抑制型神经元主要在LHA,PVN中有兴奋性和抑制性2种神经元,与调节采食量密切相关区域脑干的孤束核和迷走神经背核也广泛分布着葡萄糖受体,能感知细胞外葡萄糖水平的改变,引发机体的变化。王诗男等[31]通过观察α-MSH对下丘脑葡萄糖敏感神经元放电活动的影响发现,在电极管中充灌葡萄糖、α-MSH及SHU9119前后大鼠的葡萄糖敏感神经元放电差异显著,表明下丘脑葡萄糖敏感神经元可能是α-MSH参与中枢摄食调控的作用的靶点之一。脑室注射葡萄糖可以降低AMPK活性,通过调控2-脱氧葡萄糖阻止细胞内葡萄糖利用,提高下丘脑AMPK的活性,影响MC4R活性来改变动物采食量[32]。大鼠脑室内注射400 μg的葡萄糖,测得高葡萄糖浓度可以降低AgRP和NPY mRNA水平,提高POMC的mRNA水平[33]。ATP依赖K离子(KATP)通道是由ATP调控的,ATP是来自葡萄糖代谢,直接控制POMC和AgRP神经元的电兴奋性,改变机体的能量平衡,从而改变采食量[34]。
3.2.3 脂肪酸近几年研究表明,脂肪酸受胰岛素和瘦素2个主要的厌食激素调控,可引起下丘脑炎症和功能障碍,损伤下丘脑神经肽分泌,最终降低采食量,脂肪酸损伤神经肽机制是脂肪酸诱导炎症反应细胞因子激活细胞膜受体。Obici等[35]向大鼠脑室注射长链脂肪酸十八烯酸降低了葡萄糖的产生和大鼠采食量,十八烯酸的厌食效果并不是通过瘦素而是通过降低下丘脑NPY的表达来实现的,脑室注射短链脂肪酸辛酸没有产生与十八烯酸相同的效果,这说明长链脂肪酸可以通过在下丘脑中枢的作用影响NPY mRNA表达改变MC4R活性,直接控制动物采食量。通过脑室注射脂肪酸可以直接调控采食量,大鼠脑室注射十八烯酸(单不饱和脂肪酸)或者二十二碳六烯酸(多不饱和脂肪酸)会降低采食量,是通过降低NPY mRNA和提高POMC神经元兴奋性来改变采食量实现的,脑室内再注射MC4R的抑制剂SHU9119可以完全消除脂肪酸的厌食效果,说明脂肪酸的采食调控是通过抑制MC4R活性来最终降低采食量[36]。
4 小 结MC4R主要在中枢神经系统中广泛表达,是调控采食量的重要下游介质,通过与MC4R激活型配体和抑制型配体结合影响MC4R的活性,起到调节采食量的作用。但是MC4R调控的分子机制尚未完全清楚。因此,深入开展MC4R的基因表达调控方面的研究,对深入探讨动物采食量的调控机理有重要意义。
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