肥胖研究的新发现——增食因子
作者：何天培
单位：何天培(军事医学科学院卫生学环境医学研究所，天津 300050)
关键词：增食因子；肥胖；增食因子受体
生理科学进展000110 摘要 下丘脑是调节饮食及能量平衡的中枢。最近，在下丘脑发现了可促进食欲且来源于同一前体的两种新神经肽：增食因子A和B(orexin A and B)，它们可激活两种密切相关且与G蛋白偶联的细胞表面受体(OX1R,OX2R)。含orexin的神经细胞在下丘脑腹外侧呈对称的不连贯分布。给大鼠侧脑室灌注orexin，可显著提高其进食量；禁食大鼠orexin前体mRNA的水平显著升高，提示orexin在饮食反馈调节中具有重要作用。增食因子与其它影响进食的神经肽之间存在错综复杂的关系。
学科分类号 R151.1
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肥胖已成为现代社会中最常见的营养障碍性疾病，并在发达国家呈逐年上升的趋势。由于肥胖增加了心脑血管疾病、糖尿病、高血压、高脂血症及癌症的发病率，因此已成为重要的公共健康问题。然而，对肥胖机制及药物治疗的研究长期徘徊。1994年瘦素(leptin)的发现使人们对肥胖的认识取得了突破性进展[1]，而1998年增食因子(orexin)的发现[2]使人们对肥胖机制有了一些新的认识，为治疗肥胖提供了新的途径，并因此成为肥胖研究中的新热点。
一、增食因子(orexin)的发现
早在1940年实验就表明，下丘脑腹内侧(VMH)损伤可使动物出现过量进食的现象,提示VMH存在一个进食中枢[2]。此后，VMH成为研究进食机制的主要区域，并于近年来发现了leptin及有增食作用的神经肽Y(NPY)。1998年，Yanagisawa领导他的研究小组在美国德克萨斯大学达拉斯西南医学中心与宾西法泥亚州及英国贝克曼实验室的研究人员合作，在探索能控制进食新药的实验中于大鼠下丘脑腹外侧发现了两种与食欲有关，与leptin作用相反的神经肽──增食因子A和B(orexin A and B)[3]。这是继1994年leptin后的又一重大发现。与根据肥胖动物模型基因突变有意识地寻找肥胖基因的情况不同，orexin完全是一种现代分子筛选技术实验过程中的意外收获。因为所有的已知短肽(小肽激素和神经肽)都是通过作用于G蛋白偶联的细胞表面受体(GPCRs)而发挥作用的，所以Yanagisawa研究小组分析了许多编码孤儿G蛋白受体的cDNA序列，并用高分辨的HPLC来筛选作用于孤儿G蛋白受体的神经肽，在下丘脑腹外侧及邻近区域发现了两种新的神经肽，并命名为orexins(希腊语orexis意为食欲)[4]。虽在此前已发现了与饥饿及进食有关的NPY，但其广泛分布及在大脑中的多种功能使人们很难据此开发一种仅阻断食欲而无副作用的药物。而orexin不同于NPY，其分布仅限于下丘脑的进食中枢，尤其是下丘脑腹部两侧(LH)，且功能单一。因此，orexins及其受体引起了人们更大的兴趣，为人类开发既能控制食欲又无副作用的新药提供了良好的前景。
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二、增食因子及其受体的结构特点
从大鼠脑中分离出的orexin A为3562Da含有33个氨基酸的神经肽，N端是焦谷氨酰的残基，C端酰氨化，4个半胱氨酸残基形成两套链内的双硫键。从牛脑中分离的orexin A序列与大鼠的一致。orexin B为2937Da含有28个氨基酸的小肽，其中，46%(13/28)的氨基酸与orexin A一致。Orexin A和B的氨基酸序列(附图)不同于其它已知的神经肽。已克隆的orexin前体cDNA及orexin基因序列分析预示：小鼠和人orexin A的氨基酸序列与大鼠和牛的一致；而人orexin B序列中有两个氨基酸不同于啮齿类动物。人和小鼠orexin前体的氨基酸序列有83%相同，小鼠和大鼠有95%相同；由于氨基酸序列的差异主要存在于orexin前体的C端，其编码另一活性肽的可能性不大。用辐射杂交细胞板(radiation hybrid)作图法得知，orexin前体基因位于染色体17q21位点，提示，该基因可能与“17染色体相关连性痴呆”的一组神经退行性疾病如脱抑制-痴呆-帕金森综合症-肌萎缩复合体(DDPAC)及苍白球-桥脑-黑质退化(PPND)有关[3]。上述疾病可能由等位基因突变引起。最近，DDPAC和PPND被定位于染色体17q21-22位点[4]。N端焦谷氨酰的环化(orexin A)及C端酰氨化是翻译后修饰的结果，此现象也见于其它神经肽。
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附图 增食因子A、B的氨基酸序列
Orexin有两种受体：OX1R、OX2R。Orexin A和B均可激活OX1R，但与OX1R的亲和力前者大于后者，与OX2R的亲和力两者都很强。因此，OX2R是orexin A和B的非选择性受体，而OX1R对orexin A有选择性。OX1R的氨基酸序列结构与NPY的Y2受体、促甲状腺素释放激素受体等有较多的相同处。OX1R与OX2R氨基酸序列结构的一致性达64%，明显高于其它GPCRs。人与大鼠的一致性：OX1R达94%，OX2R达95%。提示orexin的受体基因在种系发育中是高度保守的。其基因定位：OX1R-1p33; OX2R-6cen(p11-q11)[2]。
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三、增食因子及其受体的组织分布
用Northern Blot法分析成年大鼠组织发现，0.7kb的orexin前体mRNA除在睾丸有少量的表达外，几乎仅在脑中表达，而OX1R、OX2R的mRNA仅见于脑组织中，这进一步证实了orexin仅在中枢神经系统中发挥作用的推断。用Northern Blot法分析人脑的不同区域(不包括下丘脑)的结果表明，orexin前体mRNA仅见于丘脑下核，而在人的心脏、胎盘、肺脏、肝脏、骨骼肌、肾脏、胰脏未检测到orexin前体mRNA[2]。用原位杂交及免疫组化法对orexin在中枢神经系统表达进行定位，结果表明，orexin神经元在成年大鼠下丘脑及下丘脑腹部两侧呈对称的不连贯分布[3]。在下丘脑，阳性神经元可见于侧部和后部区域及穹隆周围的核中。在下丘脑的腹侧也有阳性神经元的分布。阳性神经元的形状各异，从瘦小的纺锤形到大的多极状。但在一些与进食有关的部位如室旁核、腹内侧核及弓状核中均未见阳性神经元。
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四、 增食因子与进食行为的关系
下丘脑侧部损伤可抑制进食，使体重下降的结果表明，该区域是调节进食和能量平衡的关键部位。刺激下丘脑富含orexin的神经元所出现的反应预示着orexin可能参与了进食的调节[3]。为验证这一假设，给雄性大鼠侧脑室快速灌注orexin，结果发现orexin A对进食的促进作用在1小时内呈剂量依赖反应,3nmol orexin A可使进食增加6倍，30 nmol orexin A可使进食增加10倍，效应可持续4小时。给雄性大鼠侧脑室灌注3 nmol或30 nmol的orexin B可分别使进食量增加5倍和12倍。但orexin B的增食效应仅能持续2小时，短于orexin A，可能是因为orexin B是一线性多肽，有一个自由的氨基端，而orexin A有翻译修正，形成了双硫键。Orexin A与B增食效应持续时间的不同，可能意味着二者在中枢神经系统有不同的功能[4，5]。但无论是orexin A或B，其增食效应都低于NPY，给大鼠灌注3 nmol的人NPY，2小时和4小时后可分别使进食量增加24倍和12倍[6]。orexin A与B相近的增食效应预示着非选择性受体OX2R与orexin在体内的生理作用有较密切的关系。成年雄性大鼠禁食48小时后，用Northern Blot法分析丘脑及下丘脑orexin前体及NPY mRNA的含量，结果orexin前体mRNA比正常进食的对照组增加2.4倍，NPY mRNA的水平也上调，但增幅小于前者[7]。
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五、增食因子与其它影响进食神经肽的关系
近年来，在下丘脑发现了一系列与能量平衡及肥胖有关的神经肽。如下丘脑产生的NPY作用于Y5受体后可增加食欲，缺乏leptin的肥胖小鼠同时缺乏NPY时，其肥胖程度下降。刺蛋白(agouti protein)与南美一种黄色小鼠的肥胖有关，它与促黑激素皮质素(MC)竞争受体(MC4-R)使该鼠呈现黄色肥胖表型[8]。最近，又发现了一种可与MC4-R结合的刺蛋白类似物，在ob/ob和db/db小鼠下丘脑有较高水平的表达[1]。缺乏蛙皮素受体-3的小鼠亦发生肥胖[1]。上述发现进一步证实了下丘脑是能量平衡中枢的观点。目前认为,VMH为饱感中枢，而下丘脑腹外侧(LH)为进食中枢[9]。近年来，已在VMH区域发现了富含NPY、MC、高血糖素类似肽-1、乳素(galanin)、瘦素、MC4-R的神经元，而在LH区域仅发现了orexin及黑素浓缩素(MCH)(Qu D等.Nature,1996,380∶243～247)。最近的研究表明MCH也可通过中枢刺激食欲，肥胖小鼠及野生型小鼠禁食后MCH mRNA水平升高。进一步揭示orexin与上述有增食作用的神经肽(MCH、刺蛋白、NPY、乳素、阿片肽)及减食作用的神经肽(leptin、MC、促皮质激素释放因子、高血糖素类似肽-1、缩胆囊素)在中枢神经系统调节能量平衡中的相互关系，对阐明肥胖的发生机制有重要意义。血糖降低可刺激进食,而富含orexin的神经元均对血糖水平较敏感。至于orexin对整体能量消耗、与代谢密切相关激素(如胰岛素)的分泌及体重的调节作用尚待研究[2]。
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Orexin及其受体的发现使我们对机体能量平衡的机制有了更深入的认识。然而，要全面了解orexin的生理作用尚需进行大量的药理及分子遗传学实验。但orexin的临床前景决不是仅仅增加恶质病、神经性厌食等消瘦病人的食欲而已，它的受体拮抗剂将可能为治疗肥胖、糖尿病等能量代谢失衡性疾病提供有效手段。
参考文献
1，Zhang Y,Proenca R,Maffei M,et al.Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue.Nature,1994，372∶425～431.
2，Baringa M.New appetite-boosting peptides found.Science,1998，279∶1234.
3，Sakurai T,Amamiya A,Ishii M,et al.Orexins and orexin receptors:a family of hypothalamic neuropeptides and G protein-coupled receptors that regulating feeding behavior.Cell,1998，92∶573～585.
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4，Wijker M,Wszolek ZK,Wolter ECH,et al.Localization of the gene for rapidly progressive autosomal dominant parkinsonism and dementia with pallidoponto-nigral degeneration to chromosome 17q21.Hum Mol Genet,1996,5∶151～154.
5，Flier TS,Marotos-Flier YJ.Obesity and the hypothalamus: Novel peptides for new pathways.Cell,1998，92∶437～440.
6，Gerald C,Walker MW,Criscione L,et al.A receptor subtype involved in neuropeptide Y induced food intake.Nature,1996，382∶168～171.
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7，Erickson JC,Clegg KE,Palmiter RD.Sensitivity to leptin and susceptibility to seisures of mice lacking neuropeptide Y.Nature,1996a,381∶415～481.
8，Huszer D,Lynch CA,Fairchild-Huntress V,et al.Targeted distribution of the melanocortin-4 receptor in obesity in mice.Cell,1997，83∶131～141.
9，Ollmann MM,Willson BD,Yang YK，et al.Atagonism of central melanorcortin receptors in vitro and in vivo by Agouti-related protein.Science,1997，278∶135～138., http://www.100md.com
单位：何天培(军事医学科学院卫生学环境医学研究所，天津 300050)
关键词：增食因子；肥胖；增食因子受体
生理科学进展000110 摘要 下丘脑是调节饮食及能量平衡的中枢。最近，在下丘脑发现了可促进食欲且来源于同一前体的两种新神经肽：增食因子A和B(orexin A and B)，它们可激活两种密切相关且与G蛋白偶联的细胞表面受体(OX1R,OX2R)。含orexin的神经细胞在下丘脑腹外侧呈对称的不连贯分布。给大鼠侧脑室灌注orexin，可显著提高其进食量；禁食大鼠orexin前体mRNA的水平显著升高，提示orexin在饮食反馈调节中具有重要作用。增食因子与其它影响进食的神经肽之间存在错综复杂的关系。
学科分类号 R151.1
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肥胖已成为现代社会中最常见的营养障碍性疾病，并在发达国家呈逐年上升的趋势。由于肥胖增加了心脑血管疾病、糖尿病、高血压、高脂血症及癌症的发病率，因此已成为重要的公共健康问题。然而，对肥胖机制及药物治疗的研究长期徘徊。1994年瘦素(leptin)的发现使人们对肥胖的认识取得了突破性进展[1]，而1998年增食因子(orexin)的发现[2]使人们对肥胖机制有了一些新的认识，为治疗肥胖提供了新的途径，并因此成为肥胖研究中的新热点。
一、增食因子(orexin)的发现
早在1940年实验就表明，下丘脑腹内侧(VMH)损伤可使动物出现过量进食的现象,提示VMH存在一个进食中枢[2]。此后，VMH成为研究进食机制的主要区域，并于近年来发现了leptin及有增食作用的神经肽Y(NPY)。1998年，Yanagisawa领导他的研究小组在美国德克萨斯大学达拉斯西南医学中心与宾西法泥亚州及英国贝克曼实验室的研究人员合作，在探索能控制进食新药的实验中于大鼠下丘脑腹外侧发现了两种与食欲有关，与leptin作用相反的神经肽──增食因子A和B(orexin A and B)[3]。这是继1994年leptin后的又一重大发现。与根据肥胖动物模型基因突变有意识地寻找肥胖基因的情况不同，orexin完全是一种现代分子筛选技术实验过程中的意外收获。因为所有的已知短肽(小肽激素和神经肽)都是通过作用于G蛋白偶联的细胞表面受体(GPCRs)而发挥作用的，所以Yanagisawa研究小组分析了许多编码孤儿G蛋白受体的cDNA序列，并用高分辨的HPLC来筛选作用于孤儿G蛋白受体的神经肽，在下丘脑腹外侧及邻近区域发现了两种新的神经肽，并命名为orexins(希腊语orexis意为食欲)[4]。虽在此前已发现了与饥饿及进食有关的NPY，但其广泛分布及在大脑中的多种功能使人们很难据此开发一种仅阻断食欲而无副作用的药物。而orexin不同于NPY，其分布仅限于下丘脑的进食中枢，尤其是下丘脑腹部两侧(LH)，且功能单一。因此，orexins及其受体引起了人们更大的兴趣，为人类开发既能控制食欲又无副作用的新药提供了良好的前景。
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二、增食因子及其受体的结构特点
从大鼠脑中分离出的orexin A为3562Da含有33个氨基酸的神经肽，N端是焦谷氨酰的残基，C端酰氨化，4个半胱氨酸残基形成两套链内的双硫键。从牛脑中分离的orexin A序列与大鼠的一致。orexin B为2937Da含有28个氨基酸的小肽，其中，46%(13/28)的氨基酸与orexin A一致。Orexin A和B的氨基酸序列(附图)不同于其它已知的神经肽。已克隆的orexin前体cDNA及orexin基因序列分析预示：小鼠和人orexin A的氨基酸序列与大鼠和牛的一致；而人orexin B序列中有两个氨基酸不同于啮齿类动物。人和小鼠orexin前体的氨基酸序列有83%相同，小鼠和大鼠有95%相同；由于氨基酸序列的差异主要存在于orexin前体的C端，其编码另一活性肽的可能性不大。用辐射杂交细胞板(radiation hybrid)作图法得知，orexin前体基因位于染色体17q21位点，提示，该基因可能与“17染色体相关连性痴呆”的一组神经退行性疾病如脱抑制-痴呆-帕金森综合症-肌萎缩复合体(DDPAC)及苍白球-桥脑-黑质退化(PPND)有关[3]。上述疾病可能由等位基因突变引起。最近，DDPAC和PPND被定位于染色体17q21-22位点[4]。N端焦谷氨酰的环化(orexin A)及C端酰氨化是翻译后修饰的结果，此现象也见于其它神经肽。
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附图 增食因子A、B的氨基酸序列
Orexin有两种受体：OX1R、OX2R。Orexin A和B均可激活OX1R，但与OX1R的亲和力前者大于后者，与OX2R的亲和力两者都很强。因此，OX2R是orexin A和B的非选择性受体，而OX1R对orexin A有选择性。OX1R的氨基酸序列结构与NPY的Y2受体、促甲状腺素释放激素受体等有较多的相同处。OX1R与OX2R氨基酸序列结构的一致性达64%，明显高于其它GPCRs。人与大鼠的一致性：OX1R达94%，OX2R达95%。提示orexin的受体基因在种系发育中是高度保守的。其基因定位：OX1R-1p33; OX2R-6cen(p11-q11)[2]。
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三、增食因子及其受体的组织分布
用Northern Blot法分析成年大鼠组织发现，0.7kb的orexin前体mRNA除在睾丸有少量的表达外，几乎仅在脑中表达，而OX1R、OX2R的mRNA仅见于脑组织中，这进一步证实了orexin仅在中枢神经系统中发挥作用的推断。用Northern Blot法分析人脑的不同区域(不包括下丘脑)的结果表明，orexin前体mRNA仅见于丘脑下核，而在人的心脏、胎盘、肺脏、肝脏、骨骼肌、肾脏、胰脏未检测到orexin前体mRNA[2]。用原位杂交及免疫组化法对orexin在中枢神经系统表达进行定位，结果表明，orexin神经元在成年大鼠下丘脑及下丘脑腹部两侧呈对称的不连贯分布[3]。在下丘脑，阳性神经元可见于侧部和后部区域及穹隆周围的核中。在下丘脑的腹侧也有阳性神经元的分布。阳性神经元的形状各异，从瘦小的纺锤形到大的多极状。但在一些与进食有关的部位如室旁核、腹内侧核及弓状核中均未见阳性神经元。
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四、 增食因子与进食行为的关系
下丘脑侧部损伤可抑制进食，使体重下降的结果表明，该区域是调节进食和能量平衡的关键部位。刺激下丘脑富含orexin的神经元所出现的反应预示着orexin可能参与了进食的调节[3]。为验证这一假设，给雄性大鼠侧脑室快速灌注orexin，结果发现orexin A对进食的促进作用在1小时内呈剂量依赖反应,3nmol orexin A可使进食增加6倍，30 nmol orexin A可使进食增加10倍，效应可持续4小时。给雄性大鼠侧脑室灌注3 nmol或30 nmol的orexin B可分别使进食量增加5倍和12倍。但orexin B的增食效应仅能持续2小时，短于orexin A，可能是因为orexin B是一线性多肽，有一个自由的氨基端，而orexin A有翻译修正，形成了双硫键。Orexin A与B增食效应持续时间的不同，可能意味着二者在中枢神经系统有不同的功能[4，5]。但无论是orexin A或B，其增食效应都低于NPY，给大鼠灌注3 nmol的人NPY，2小时和4小时后可分别使进食量增加24倍和12倍[6]。orexin A与B相近的增食效应预示着非选择性受体OX2R与orexin在体内的生理作用有较密切的关系。成年雄性大鼠禁食48小时后，用Northern Blot法分析丘脑及下丘脑orexin前体及NPY mRNA的含量，结果orexin前体mRNA比正常进食的对照组增加2.4倍，NPY mRNA的水平也上调，但增幅小于前者[7]。
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五、增食因子与其它影响进食神经肽的关系
近年来，在下丘脑发现了一系列与能量平衡及肥胖有关的神经肽。如下丘脑产生的NPY作用于Y5受体后可增加食欲，缺乏leptin的肥胖小鼠同时缺乏NPY时，其肥胖程度下降。刺蛋白(agouti protein)与南美一种黄色小鼠的肥胖有关，它与促黑激素皮质素(MC)竞争受体(MC4-R)使该鼠呈现黄色肥胖表型[8]。最近，又发现了一种可与MC4-R结合的刺蛋白类似物，在ob/ob和db/db小鼠下丘脑有较高水平的表达[1]。缺乏蛙皮素受体-3的小鼠亦发生肥胖[1]。上述发现进一步证实了下丘脑是能量平衡中枢的观点。目前认为,VMH为饱感中枢，而下丘脑腹外侧(LH)为进食中枢[9]。近年来，已在VMH区域发现了富含NPY、MC、高血糖素类似肽-1、乳素(galanin)、瘦素、MC4-R的神经元，而在LH区域仅发现了orexin及黑素浓缩素(MCH)(Qu D等.Nature,1996,380∶243～247)。最近的研究表明MCH也可通过中枢刺激食欲，肥胖小鼠及野生型小鼠禁食后MCH mRNA水平升高。进一步揭示orexin与上述有增食作用的神经肽(MCH、刺蛋白、NPY、乳素、阿片肽)及减食作用的神经肽(leptin、MC、促皮质激素释放因子、高血糖素类似肽-1、缩胆囊素)在中枢神经系统调节能量平衡中的相互关系，对阐明肥胖的发生机制有重要意义。血糖降低可刺激进食,而富含orexin的神经元均对血糖水平较敏感。至于orexin对整体能量消耗、与代谢密切相关激素(如胰岛素)的分泌及体重的调节作用尚待研究[2]。
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Orexin及其受体的发现使我们对机体能量平衡的机制有了更深入的认识。然而，要全面了解orexin的生理作用尚需进行大量的药理及分子遗传学实验。但orexin的临床前景决不是仅仅增加恶质病、神经性厌食等消瘦病人的食欲而已，它的受体拮抗剂将可能为治疗肥胖、糖尿病等能量代谢失衡性疾病提供有效手段。
参考文献
1，Zhang Y,Proenca R,Maffei M,et al.Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue.Nature,1994，372∶425～431.
2，Baringa M.New appetite-boosting peptides found.Science,1998，279∶1234.
3，Sakurai T,Amamiya A,Ishii M,et al.Orexins and orexin receptors:a family of hypothalamic neuropeptides and G protein-coupled receptors that regulating feeding behavior.Cell,1998，92∶573～585.
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5，Flier TS,Marotos-Flier YJ.Obesity and the hypothalamus: Novel peptides for new pathways.Cell,1998，92∶437～440.
6，Gerald C,Walker MW,Criscione L,et al.A receptor subtype involved in neuropeptide Y induced food intake.Nature,1996，382∶168～171.
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8，Huszer D,Lynch CA,Fairchild-Huntress V,et al.Targeted distribution of the melanocortin-4 receptor in obesity in mice.Cell,1997，83∶131～141.
9，Ollmann MM,Willson BD,Yang YK，et al.Atagonism of central melanorcortin receptors in vitro and in vivo by Agouti-related protein.Science,1997，278∶135～138., http://www.100md.com