徐蔓玲，趙 陽(yáng)，賈熙華，季宇彬

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心，哈爾濱150076;2.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部天然藥物與仿生藥物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

肥胖是一種體內(nèi)脂肪酸(主要是飽和脂肪酸)積累增加的現(xiàn)象，目前在全球各地區(qū)的發(fā)生率有逐漸升高的趨勢(shì).肥胖是人類的一種慢性殺手，由于表現(xiàn)的不僅僅是體重的增加，而且還與眾多的代謝疾病有關(guān)，如可以增加糖尿病，心血管等疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，從而影響人的生活質(zhì)量及壽命.

肥胖本質(zhì)上是一種能量代謝失衡的一種疾病，能量的平衡是食物攝取，營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存共同作用的結(jié)果[1].控制飲食是減肥的一個(gè)重要手段，但我們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)有一部分人群對(duì)多余體重的增加有耐受性，這意味著人體內(nèi)存在著一些編碼基因，這些基因通過(guò)編碼與營(yíng)養(yǎng)攝取，代謝、儲(chǔ)存的系統(tǒng)相關(guān)酶從而來(lái)調(diào)節(jié)能量的攝取代謝平衡.有報(bào)道稱導(dǎo)致人體肥胖的因素40%～70%與人體內(nèi)的某些功能基因異常有關(guān)[2].肥胖的治療除了飲食控制之外，研究者還試圖通過(guò)調(diào)節(jié)一些體內(nèi)功能基因的表達(dá)，從而減少飽和脂肪酸的積累，促進(jìn)其轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到體重減少的目的.

秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans，簡(jiǎn)稱線蟲)是一種重要的模式生物，它為我們研究脂肪代謝機(jī)理及相關(guān)基因作用提供了極大的方便.1963年，Brenner發(fā)現(xiàn)了秀麗隱桿線蟲，并將之引入到生物學(xué)界研究，如今秀麗隱桿線蟲幾乎應(yīng)用到從胚胎發(fā)育學(xué)到老年學(xué)等各個(gè)生物學(xué)研究領(lǐng)域.線蟲的成蟲有約1 mm長(zhǎng)，整個(gè)生長(zhǎng)周期為兩三周.以缺陷型大腸桿菌(OP50)為食，繁殖快，具有經(jīng)濟(jì)，觀察周期短的優(yōu)勢(shì).線蟲具有豐富的遺傳資源和遺傳背景，它是世界上第一個(gè)完成全基因組測(cè)序的生物.人們發(fā)現(xiàn)它體內(nèi)保留著約有65%的與人體疾病相關(guān)的基因[3].隨著功能基因組時(shí)代的到來(lái)，線蟲被視為可以探明人類致病基因或致病相關(guān)因子，尋找可能的藥物靶點(diǎn)的強(qiáng)大工具.人們研究發(fā)現(xiàn)線蟲體內(nèi)有超過(guò)300個(gè)基因顯示當(dāng)它們激活時(shí)可以減少脂肪的積累，有超過(guò)100個(gè)基因當(dāng)它們激活時(shí)可以增加脂肪的的儲(chǔ)存[4].線蟲目前已經(jīng)成為研究脂肪代謝的重要模型生物.

線蟲成為研究脂肪代謝與分子機(jī)制的重要模型是因?yàn)樗推渌Ｊ缴锵啾?，具有許多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[5]:1)線蟲身體通身透明，脂肪顆粒主要存儲(chǔ)于腸道及皮下組織，且標(biāo)記簡(jiǎn)單，利用油紅、蘇丹黑、尼羅紅染色后，用顯微鏡就可以觀察線蟲體內(nèi)脂肪的堆積;2)線蟲中具體脂肪酸成分經(jīng)過(guò)衍生化后，利用氣質(zhì)聯(lián)用(GC－MS)方法進(jìn)行分析考察;3)線蟲中脂肪酸合成與代謝的生化通路，與其他動(dòng)物以及人體相同或高度相似，各關(guān)鍵代謝步驟的酶與其他物種相似度較高;4)線蟲的一些脂肪積累核心調(diào)控通路已經(jīng)研究成熟，便于進(jìn)行后期參照和進(jìn)一步研究[6].

1 線蟲脂肪酸代謝途徑

線蟲體內(nèi)脂肪酸代謝途徑包括脂肪酸的合成與儲(chǔ)存，分解與轉(zhuǎn)運(yùn).它和其他生物及人體基本相似.但研究發(fā)現(xiàn)有區(qū)別的是線蟲體內(nèi)的不飽和脂肪酸主要來(lái)自于以乙酰輔酶A為起點(diǎn)的從頭合成，原因是這部分脂肪酸在大腸桿菌食物中不存在，且大腸桿菌自身也不能合成[7].例如，線蟲體內(nèi)主要脂肪酸棕櫚酸C16∶0的來(lái)源93%來(lái)自于它的細(xì)菌食物—大腸桿菌，另有7%來(lái)自體內(nèi)以乙酰輔酶A為起點(diǎn)的從頭合成[7].僅有的這7%從頭合成部分在不飽和脂肪酸合成中起到了極大的作用.它承擔(dān)著約線蟲中20%的不飽和脂肪酸的合成，另外約有＞99%的單甲基支鏈脂肪酸C15∶iso和C17∶iso的合成也來(lái)自于此[8].不飽和脂肪酸是線蟲生長(zhǎng)必需的，如多不飽和脂肪酸(PUFAs)的減少，會(huì)造成線蟲體內(nèi)脂肪酸成分構(gòu)成失衡，導(dǎo)致生長(zhǎng)緩慢，生殖缺陷等多種表型缺陷[9].單甲基支鏈脂肪酸的缺失，線蟲會(huì)停止生長(zhǎng)和發(fā)育[10].

圖1中，(A)從頭合成多不飽和脂肪酸是指在乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和脂肪合成酶(FAS)的從底物乙酰輔酶A開(kāi)始合成，食物中獲得的脂肪酸如棕櫚酸C16∶0也可以進(jìn)入到該途徑，然后在各種去飽和酶和碳鏈延長(zhǎng)酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙柡椭舅?(B)單甲基支鏈脂肪酸的合成是以支鏈脂肪酸為底物，在脂肪合成酶(FAS)和特殊的延長(zhǎng)酶作用下合成 C15∶iso和C17∶iso.

2 Δ9脂肪酸去飽和酶在脂肪酸代謝調(diào)節(jié)方面的作用

線蟲體內(nèi)單不飽和脂肪酸(MUFAs)是調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成與分解的一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn).Δ9脂肪酸去飽和酶(Stearoyl－coenzyme A desaturase)，是在飽和脂肪酸的9位插入第一個(gè)雙鍵，又被稱為SCD.在哺乳動(dòng)物小鼠體內(nèi)，人們研究發(fā)現(xiàn)SCD基因突變體小鼠相對(duì)于野生型，增加25%的食物消耗，但體內(nèi)積累的脂肪卻明顯少于野生型[11－12]，原因在于SCD缺陷型小鼠可以減少脂肪生成，增加線粒體氧化酶作用，并增加生熱作用.研究表明SCD在能量代謝中具有重要的調(diào)節(jié)作用，是開(kāi)發(fā)肥胖治療藥物一個(gè)很有前景的靶點(diǎn)[13].無(wú)論是小鼠還是線蟲，SCD基因的突變體脂肪含量顯著下降.研究還發(fā)現(xiàn)，SCD突變體線蟲是通過(guò)調(diào)控脂滴的大小和數(shù)目這兩者來(lái)共同影響脂肪含量的[14].線蟲體內(nèi)SCD是由 fat－5、fat－6、fat－7 基因編碼的.fat－5 特異性編碼使 C16∶0 轉(zhuǎn)變?yōu)?C16∶1，fat－6、fat－7 特異性編碼使C18∶0轉(zhuǎn)變?yōu)镃18∶1n9.如果這三個(gè)基因都突變的話，線蟲則不能存活，這表明內(nèi)源性的單不飽和脂肪酸是線蟲存活所必需的.但如果僅是基因表達(dá)受到抑制，單個(gè)或兩個(gè)基因發(fā)生突變的話，線蟲能存活，但脂肪積累會(huì)減少[15].例如，使Fat－7表達(dá)量降低后，脂肪積累會(huì)減少，生命周期變短，但fat－7基因缺失突變體卻沒(méi)有發(fā)生類似的狀況，這可能是由于fat－6、fat－7突變后剩余的Δ9脂肪酸去飽和酶代謝補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果[15].在線蟲體內(nèi)實(shí)際上Δ9脂肪酸去飽和酶受多種因素的影響，如核激素受體NHR－49，sbp－1和轉(zhuǎn)錄共激活子mdt－15 的調(diào)控[15－17].

3 線蟲脂肪調(diào)節(jié)的核心通路

線蟲脂肪調(diào)節(jié)的核心通路研究的有許多，代表的有:胰島素通路和TGF－信號(hào)通路，核激素受體NHRs介導(dǎo)的信號(hào)通路，Sbp－1/mdt－15介導(dǎo)的信號(hào)通路、5－羥色胺介導(dǎo)的信號(hào)通路.

3.1 胰島素通路和TGF－信號(hào)通路

胰島素信號(hào)通路(insulin signaling pathway)是線蟲脂肪代謝調(diào)節(jié)的一個(gè)重要的通路.已有研究發(fā)現(xiàn)胰島素信號(hào)通路調(diào)節(jié)在脂肪代謝作用方面從線蟲到人體是高度保守的[18].線蟲胰島素信號(hào)通路調(diào)節(jié)主要是daf－2途徑，daf－2編碼一種胰島素受體，線蟲體內(nèi)daf－2編碼基因與人體胰島素受體基因1/3同源，是胰島素信號(hào)通路中的一個(gè)關(guān)鍵基因.daf－2突變后的線蟲增加了脂肪的積累和糖元的產(chǎn)生[19].線蟲 age－1與daf－2突變體的表型相似，age－1與人磷脂酰肌醇3－羥基酶同源，是胰島素受體(daf－2編碼的)的下游分子，它的突變體中線蟲的脂肪積累也會(huì)增加[20].daf－18干擾age－1下游蛋白PDK－1，從而使SGK－1/akt－1/－2復(fù)合體磷酸化，起到抑制下游途徑daf－16受體作用.daf－16是胰島素信號(hào)通路的一個(gè)重要的角色，它的靶點(diǎn)是 daf－2.daf－16能編碼 forkhed家族中的轉(zhuǎn)錄因子FOXO.胰島素信號(hào)通路還有另外一條平行調(diào)節(jié)的通路，即daf－7信號(hào)通路.daf－7因與TGF－的同源，也被稱TGF－信號(hào)通路，它的突變體也能增加脂肪的積累和糖元的產(chǎn)生[19].

3.2 核激素受體介導(dǎo)的信號(hào)通路

核激素受體(nuclear homone recpetors，NHR s)是存在細(xì)胞核外面的一些轉(zhuǎn)錄因子，NHR－49和NHR－80是兩種重要的核激素受體，它們可以調(diào)節(jié)fat－5和fat－7的表達(dá).人們研究nhr－80突變體的fat－5和fat－7的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)nhr－80對(duì)于fat－7上調(diào)表達(dá)來(lái)補(bǔ)償fat－6的突變是必須的[16].在nhr－49突變體線蟲中，和野生型相比，fat－5和fat－7的表達(dá)量減少了30倍;脂肪酸的組成發(fā)生了變化，C18∶0與C18∶1n9的比值增加了2倍多，即Δ9脂肪酸去飽和酶的活性降低.這說(shuō)明nhr－49可以促進(jìn)線蟲脂肪酸去飽和酶基因的表達(dá)[21].通過(guò)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，nhr－49除了促進(jìn)線蟲脂肪酸去飽和酶基因的表達(dá)，還可以促進(jìn)線粒體－氧化酶基因的表達(dá).nhr－49基因突變后，可以顯著降低可能與線粒體－氧化密切相關(guān)的ech－1、F09F3.9和acs－2這3種基因的表達(dá)量，導(dǎo)致線蟲脂肪積累明顯增加[16].因此nhr－49可以促進(jìn)ech－1、F09F3.9和acs－2這3種－氧化酶基因的表達(dá)，nhr－49突變體中脂肪積累過(guò)多的原因之一可能是線粒體－氧化功能的降低[6].雖然NHR－49與哺乳動(dòng)物核激素受體中肝細(xì)胞核因子4家族高度相似，但功能中更接近過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator－activated receptors，PPARS).實(shí)際上，研究也證實(shí)NHR－49在調(diào)節(jié)脂肪合成，脂肪酸、糖元的氧化功能是與小鼠的PPAR －是一致的[22].

3.3 sbp－1/mdt－15介導(dǎo)的信號(hào)通路

固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(sterol response element binding protein SREBP)是維持哺乳動(dòng)物體內(nèi)脂肪和膽固醇穩(wěn)態(tài)的一個(gè)重要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子[23].新合成的SREBPs存在于細(xì)胞膜的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，這時(shí)它們沒(méi)有生物活性，但當(dāng)特殊的細(xì)胞脂肪水平下降時(shí)，這類蛋白就會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體中，然后進(jìn)入到細(xì)胞核中發(fā)揮生物活性，激活脂肪合成基因的轉(zhuǎn)錄，線蟲體內(nèi)有其同源基因sbp－1，運(yùn)用與該基因相關(guān)的RNAi或突變體技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該基因具有降低線蟲脂肪儲(chǔ)存功能，提高飽和脂肪酸的組成，生長(zhǎng)受到傷害，減少脂肪合成基因如fat－6，fat－7的表達(dá)[24－25].這些研究表明 SREBP 在線蟲體內(nèi)是脂肪酸合成和脂類平衡的一個(gè)重要調(diào)節(jié)因子.MDT－15是一個(gè)中間體，可以直接和特異性影響SREBP的活性[25].在線蟲體內(nèi)，RNAi干擾技術(shù)減少 mdt－15的表達(dá)，線蟲生長(zhǎng)緩慢，脂肪儲(chǔ)存降低，并減少fat－7的表達(dá)[25].這預(yù)示著Δ9脂肪酸去飽和酶是這些調(diào)節(jié)因子的重要靶點(diǎn).外源性補(bǔ)充油酸(十八烯酸)，可以挽救 mdt－15、sbp－1及fat－6/fat－7突變動(dòng)物的表型，因此，sbp－1在線蟲的脂肪積累及脂肪酸的組成的調(diào)控中發(fā)揮重要功能，mdt－15則作為轉(zhuǎn)錄共激活子作用于該通路的調(diào)控.

3.4 5－羥色胺介導(dǎo)的信號(hào)通路

tph－1基因編碼線蟲中惟一的色氨酸羥化酶，在5－羥色胺的生物合成中發(fā)揮重要作用.在人體中，服用5－羥色胺受體激動(dòng)劑或5－羥色胺再攝取抑制劑會(huì)減少進(jìn)食和減輕體重.小鼠缺少5－羥色胺，會(huì)增加進(jìn)食、增加體重并發(fā)展為糖尿病.在線蟲中，喂食5－羥色胺會(huì)使線蟲咽泵運(yùn)動(dòng)速率加快，脂肪酸積累減少.tph－1突變體線蟲缺少5－羥色胺，脂肪積累增加，減少產(chǎn)卵和吞食、代謝速率減慢但生命延長(zhǎng).這樣tph－缺失導(dǎo)致的代謝失調(diào)可能部分歸因于TGF－和胰島素類似的神經(jīng)內(nèi)分泌的信號(hào)下調(diào)[26].

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，線蟲是研究脂肪代謝一種重要的模式生物，盡管線蟲體內(nèi)仍有許多影響脂肪代謝基因功能未了解清楚，但這并不能影響線蟲自身成為脂肪研究的首選模型.利用線蟲脂肪代謝模型可以深入解析脂肪酸代謝的分子機(jī)制，并可能對(duì)人體肥胖等代謝障礙疾病研究具有重要的指導(dǎo)作用.另外，我們把線蟲脂肪模型引入到天然產(chǎn)物有降脂活性化合物的篩選中，可以拓寬天然產(chǎn)物的活性篩選范圍，還可以提高篩選效率，增加了天然產(chǎn)物在脂肪代謝疾病方面的成藥幾率.

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