王丹丹，李艷敏，蔣瑞瑞，康相濤，劉小軍

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)牧醫(yī)工程學(xué)院，河南省家禽種質(zhì)資源創(chuàng)新工程研究中心，河南省家禽育種國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002)

鳥類Leptin及其受體的研究進(jìn)展

王丹丹，李艷敏，蔣瑞瑞，康相濤，劉小軍*

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)牧醫(yī)工程學(xué)院，河南省家禽種質(zhì)資源創(chuàng)新工程研究中心，河南省家禽育種國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002)

自1998年首次報(bào)道從雞的肝組織中克隆獲得“雞Leptin基因”以來(lái)，雞Leptin基因序列的正確性以及Leptin在家禽中的存在性就一直備受爭(zhēng)議。雖然家禽Leptin受體的存在被廣泛證實(shí)，但對(duì)其功能的研究也由于內(nèi)源性Leptin的缺乏而受到限制。隨著后基因組學(xué)研究時(shí)代的到來(lái)，使得在更大范圍、更深層次上探尋鳥類Leptin基因的存在與否成為可能。2014年，3個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室先后報(bào)道了部分野生鳥類Leptin基因的克隆和功能驗(yàn)證，將鳥類Leptin及其受體的研究又推向了新的高潮。本文綜述了鳥類Leptin及其受體基因的結(jié)構(gòu)特征、起源進(jìn)化、組織分布及“生理功能”的最新研究進(jìn)展。

鳥類；Leptin；基因克??；起源進(jìn)化；生理功能

Leptin也稱瘦素，是主要由脊椎動(dòng)物(非鳥類)白色脂肪組織分泌的小肽類激素，通過(guò)與其受體(LEPR)結(jié)合發(fā)揮其調(diào)控動(dòng)物采食、能量代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、免疫活性和繁殖等生物學(xué)過(guò)程。自Leptin和LEPR基因分別于1994年和1995年首次成功克隆以來(lái)[1-2]，有關(guān)Leptin與LEPR的生理功能已進(jìn)行了廣泛深入的研究，但這些研究大多集中在哺乳動(dòng)物，尤其是人和鼠上。雖然雞的Leptin及其受體(cLEPR)基因的cDNA序列在小鼠和人Leptin和LEPR基因克隆后也相繼被報(bào)道，但Leptin在家禽中是否存在一直備受爭(zhēng)議，對(duì)其受體cLEPR的功能研究也由于禽內(nèi)源性Leptin的缺乏而受到限制。隨著后基因組學(xué)研究時(shí)代的到來(lái)，使得在更大范圍(不同種屬的鳥類)、更深層次(轉(zhuǎn)錄組、蛋白組)上探尋鳥類Leptin基因的存在與否成為可能。2014年，3個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室相繼報(bào)道了部分野生鳥類的Leptin基因的克隆和功能驗(yàn)證，將鳥類Leptin及LEPR的研究又推向了新的高潮。本文就鳥類Leptin及LEPR基因的結(jié)構(gòu)特征、起源進(jìn)化、組織分布及“生理功能”的最新研究進(jìn)展做一概述。

1 鳥類Leptin/LEPR基因的分子克隆及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1994年，鼠Leptin基因的首次成功克隆[1]，敲開了探索生物體Leptin基因生物學(xué)功能的大門。Leptin在哺乳動(dòng)物能量平衡、采食、繁殖、造血、免疫等生物學(xué)過(guò)程中表現(xiàn)出的重要調(diào)控作用，激發(fā)了人們對(duì)Leptin在其他物種中生理功能研究的熱情，在隨后的幾年里，Leptin基因的克隆在很多非哺乳類脊椎動(dòng)物中被相繼報(bào)道。

1.1 鳥類Leptin基因的分子克隆及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1998年和1999年，兩個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室先后報(bào)道了禽類中雞Leptin基因的cDNA序列[3-4]。這些報(bào)道的“雞的Leptin基因”在核苷酸和氨基酸序列上與鼠和人的相似性非常高，其CDS區(qū)序列與鼠和人Leptin基因的CDS區(qū)序列一致性分別達(dá)94.6%和83%，氨基酸序列的一致性分別達(dá)97%和83%。用現(xiàn)有的物種進(jìn)化的理論推導(dǎo)，這種與哺乳動(dòng)物高度一致的基因序列在雞基因組中出現(xiàn)的可能性小于百萬(wàn)分之一[5]。同時(shí)，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)已報(bào)道的“雞Leptin基因”核苷酸序列設(shè)計(jì)試驗(yàn)不能重復(fù)獲得相同的結(jié)果，因此對(duì)其存在的真實(shí)性產(chǎn)生了質(zhì)疑[6-11]。雖然，后來(lái)也不斷有關(guān)于雞或鴨Leptin基因克隆的報(bào)道[12-13]，也有通過(guò)試驗(yàn)證明已報(bào)道的“雞Leptin基因”在家雞中的確存在且序列正確的研究[14]，但并沒(méi)有打消人們對(duì)已報(bào)道的禽類Leptin基因真實(shí)性的疑問(wèn)。

長(zhǎng)期的爭(zhēng)議限制了禽類Leptin基因研究的步伐。最近，3個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用已報(bào)道脊椎動(dòng)物的Leptin基因作為參考序列(如：非洲爪蟾Leptin基因的cDNA)在鳥類的基因組、轉(zhuǎn)錄組、Sequence-Read-Archive(SRA)等數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行同源序列查找和分析，在野生鳥類(斑胸草雀GenBank Accession No.：JN120790、虎皮鸚鵡GenBank Accession No.：KJ196275和原鴿GenBank Accession No.：HG797022)基因組或肝、腦部等組織中克隆獲得了Leptin基因，經(jīng)基因結(jié)構(gòu)分析，生物學(xué)功能驗(yàn)證，被鑒定為是真正的Leptin基因[15-17]，這使存在近16年?duì)幾h的有關(guān)鳥類Leptin基因的研究又一次推向高潮。

目前克隆得到鳥類Leptin基因的核苷酸序列與先前報(bào)道的“雞Leptin基因”的核苷酸序列有很大的不同。先前報(bào)道的“雞Leptin基因”的核苷酸序列中GC含量為53.7%，而真正的鳥類Leptin基因GC含量極高，超過(guò)70%(原鴿76%、斑胸草雀80%)[15-17]，二者氨基酸序列的一致性也僅為28%～29%。進(jìn)一步的分析表明，真正的鳥類Leptin基因包含4個(gè)外顯子，其中僅外顯子3和4編碼蛋白質(zhì)(圖1)。其中，斑胸草雀的Leptin基因編碼的蛋白質(zhì)前體由172個(gè)氨基酸殘基組成，原鴿的Leptin基因的蛋白質(zhì)前體由181個(gè)氨基酸殘基組成，虎皮鸚鵡的Leptin基因預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)前體由173個(gè)氨基酸殘基組成。氨基酸序列分析表明，已獲得鳥類Leptin與人Leptin的一致性為26%～30%，與爬行類的一致性為48%～54%。而且這些最近注釋的鳥類Leptin之間的序列一致性也僅有50%～68%[18]。通過(guò)對(duì)公開數(shù)據(jù)庫(kù)(NCBI：ESTs，NR，WGS，SRA；Ensembl，DNA/RNA-seq Data)中脊椎動(dòng)物L(fēng)eptin或Leptin-like基因氨基酸序列的查找，并進(jìn)行必要的序列組裝，進(jìn)一步得到了9個(gè)鳥類物種的Leptin或Leptin-like的全部或部分氨基酸序列(表1)。從氨基酸序列比對(duì)分析可以看出，Leptin在物種間的保守性并不高，但變異主要發(fā)生在Loop區(qū)，且它們都包含一對(duì)與二硫鍵形成至關(guān)重要的半胱氨酸殘基和公認(rèn)的4個(gè)α螺旋束典型結(jié)構(gòu)(圖2)；這種鳥類Leptin氨基酸序列的差異并沒(méi)有引起其構(gòu)象的改變。然而，鳥類不同種間Leptin生理功能的差異以及鳥類與其他脊椎動(dòng)物相比Leptin生理功能的改變都需要在獲得鳥類Leptin基因結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究。

為了確定鳥類的Leptin是否與其他脊椎動(dòng)物的Leptin直系同源，G.Huang等[17]通過(guò)在草雀、虎皮鸚鵡、人、鼠、熱帶爪蟾和斑馬魚的基因組中尋找位于Leptin基因兩側(cè)的基因來(lái)進(jìn)行共線性分析(Synteny analysis)。分析發(fā)現(xiàn)草雀和虎皮鸚鵡的Leptin基因位于共線性區(qū)域(該區(qū)域在所有受檢測(cè)的脊椎動(dòng)物中保守)，表明鳥類的Leptin基因與其他脊椎動(dòng)物的Leptin基因是直系同源的基因。運(yùn)用上述公開數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行各物種基因查找發(fā)現(xiàn)在人、鼠、游隼和獵隼的Leptin基因上游共同存在SND1、LRRC4和MiR129基因，下游共同存在RBM28、PRRT4、IMPDH1、ATP6V1P和FLNC基因[16]；然而在斑胸草雀和虎皮鸚鵡Leptin基因臨近區(qū)域僅找到了MiR129基因，其核苷酸序列在脊椎動(dòng)物上相當(dāng)保守，一致性達(dá)到85%以上，這或可做為一個(gè)標(biāo)記基因來(lái)檢測(cè)鳥類Leptin基因的存在與否，但還需進(jìn)一步證實(shí)。在水禽中，鴨的基因組中雖存在MiR129基因但還不能確定其Leptin基因的存在[17-18]，在陸禽中，雞、火雞中還沒(méi)有找到任何對(duì)應(yīng)序列。鳥類Leptin基因共線性分析結(jié)果表明，鳥類Leptin基因及其臨近區(qū)域GC含量過(guò)高導(dǎo)致測(cè)序艱難，數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)該區(qū)段基因注釋；或者有些鳥類的Leptin基因連同其臨近區(qū)域基因一同丟失。

灰色區(qū)域?yàn)榫幋aLeptin氨基酸的區(qū)域The regions coding for Leptin amino acids are grayed圖1 斑胸草雀、原鴿和人類Leptin基因的外顯子組成[12，14]Fig.1 Exons of Leptin gene in zebra finches，dove and human[12，14]

A、B、C、D.α-螺旋 A，B，C，D.α-helix圖2 斑胸草雀Leptin蛋白(a和b)和鼠Leptin蛋白(c和d)的三級(jí)結(jié)構(gòu)[14]Fig.2 Tertiary structure of zebra finch Leptin(a and b) and mouse Leptin(c and d)[14]

表1 鳥類Leptin氨基酸序列GenBank號(hào)及序列完整性[15]

Table 1 The GenBank number and sequence integrity of Leptin amino acid sequence in avian[15]

物種名稱SpeciesnameGenBank登錄號(hào)GenBankaccessionNo．序列完整性Sequenceintegrity斑胸草雀TaeniopygiaguttataAFK25168Yes西藏地問(wèn)PseudopodoceshumilisHG425120Yes虎皮鸚鵡MelopsittacusundulatesAHZ86931Yes獵隼FalcocherrugHG425122Yes金鷹AquilachrysaetosCanadensisJDSB01143511，SRR1016445．84242652，SRR1016445．37770192，JDSB01163119，SRR1017148．40189562Yes原鴿ColumbaliviaHG797022Yes絨啄木鳥PicoidespubescensJJRU01076739Yes美洲鶉ColinusvirginianusAWGU01372785No日本鵪鶉CoturnixjaponicaERR125582．247893．2，DRR002300．424669919．1，DRR002301．19253882．1，DRR002301．124106485．1，DRR002301．44847625．1No

1.2 鳥類LEPR基因的分子克隆及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與鳥類的Leptin基因不同，鳥類的LEPR基因在鼠LEPR基因[2]被克隆之后也很快被克隆并得到驗(yàn)證。到目前家禽中雞、火雞、鴨和鵝，以及野生鳥類草雀、原鴿等的LEPR基因相繼被克隆[15-17，19-23]。這些已獲得的鳥類LEPR基因的核苷酸序列和氨基酸的序列一致性達(dá)70%以上，與哺乳動(dòng)物L(fēng)EPR的序列一致性約50%，預(yù)測(cè)獲得的蛋白質(zhì)氨基酸序列中擁有脊椎動(dòng)物L(fēng)EPR具有的所有基序、結(jié)構(gòu)域和重要的基本殘基[15-17，19-23]。共線性分析表明所有脊椎動(dòng)物(包括鳥類)的LEPR基因直系同源，所有受檢脊椎動(dòng)物的LEPR基因的臨近區(qū)域都包含基因AK4、DNAJC6和PDE4b[17]。

LEPR是一種跨膜受體，屬于I類細(xì)胞因子受體家族，由細(xì)胞外區(qū)、跨膜區(qū)及胞內(nèi)區(qū)3部分組成。胞外區(qū)包含多個(gè)CK 結(jié)構(gòu)域和F3 結(jié)構(gòu)域，一個(gè)C2 結(jié)構(gòu)域和一對(duì)WSXWS 基序。其中兩個(gè)WSXWS 基序間的區(qū)域是公認(rèn)的配體結(jié)合域，但研究表明僅CK and F3 結(jié)構(gòu)域是Leptin結(jié)合所必需的[24-25]。胞內(nèi)域包含與JAK-STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)緊密相關(guān)的box 1、box 2和box 3 3個(gè)基序以及JAK激活所必需的3個(gè)保守的酪氨酸殘基，其結(jié)構(gòu)模式如圖3所示。

圖3 脊椎動(dòng)物L(fēng)EPR結(jié)構(gòu)模式圖Fig.3 The structure model of LEPR in vertebrate

LEPR在脊椎動(dòng)物體內(nèi)表現(xiàn)為多種剪接變體，包含完整型受體(LEPR-b)、短型受體(LEPR-a，c，d，f)和可溶型受體(LEPRe)，但僅LEPR-b包含有激活JAK-STAT信號(hào)通路所必需的box1～3 基序[26]。短型受體的生物學(xué)功能尚不確定，但可能參與體內(nèi)某些生理過(guò)程，如LEPR-a可以與LEPR-b形成異源聚合物參與Leptin的信號(hào)傳導(dǎo)[27]?？扇苄褪荏w缺乏跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)，以前的研究表明其具有抑制Leptin的生物學(xué)活性的作用[28-29]；然而最近的研究表明，過(guò)表達(dá)LEPRe的轉(zhuǎn)基因鼠，能量輸出增加，體重降低[30]。在鳥類中，到目前僅報(bào)道在雞中存在3種類型的LEPR剪接變體，即一種完整型受體，一種短型受體和一種可溶型受體[31-32]，而且雞可溶型受體與對(duì)應(yīng)的哺乳動(dòng)物的可溶型受體不同，它缺乏公認(rèn)的Leptin結(jié)合域。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)GenBank中鳥類LEPR序列分析發(fā)現(xiàn)，鴨LEPR也至少存在有兩種剪接變體，一種為完整型，另一種為短型(GenBank Accession No.：EU807933.1)[21]。最近，對(duì)鵪鶉LEPR的研究發(fā)現(xiàn)，鵪鶉LEPR存在有至少4種類型的剪接變體，一種為完整型受體，另外3種均為可溶型受體(GenBank Accession No.：KJ639904，KJ639905，KM066117)(圖4)。可見(jiàn)鳥類LEPR的可變剪接模式與哺乳動(dòng)物有很大不同。目前，鳥類LEPR短型和可溶型受體的研究還僅停留在組織表達(dá)層面，尚無(wú)深層次的有關(guān)生物學(xué)功能的研究報(bào)道。

2 鳥類Leptin/LEPR的起源進(jìn)化

物種間的進(jìn)化分析是追本溯源的過(guò)程。根據(jù)脊椎動(dòng)物的Leptin基因(19個(gè)物種)和LEPR基因(16個(gè)物種)的氨基酸序列，運(yùn)用MEGA6.06軟件和Neighbor-joining 算法構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖5)?？梢?jiàn)，按照LEPR的氨基酸序列進(jìn)行分析，所有鳥類來(lái)源于同一分支，親緣關(guān)系較近，且家禽間的進(jìn)化關(guān)系近于家禽與野生鳥類的進(jìn)化關(guān)系(圖5B)；如果按照目前已獲得或預(yù)測(cè)的鳥類Leptin的氨基酸序列進(jìn)行分析，所有鳥類也來(lái)源于同一分支，親緣關(guān)系較近；而如果按照早先報(bào)道的雞、鴨和火雞的Leptin的氨基酸序列進(jìn)行分析，雞、鴨和火雞與人、鼠劃為同一分支(圖5A)，這顯然不符合脊椎動(dòng)物在物種間的進(jìn)化關(guān)系。從而也表明，已公布的雞、鴨和火雞的Leptin基因序列在各自基因組中的存在是不可能的。

圖4 雞、鴨和鵪鶉中已獲得的不同亞型的LEPRFig.4 The obtained different isforms of LEPR in chicken，duck and quail

如前所述，最近獲得的鳥類Leptin之間的氨基酸序列一致性并不高，僅為50%～68%。鳥類Leptin間的這種差異或許可以從鳥類進(jìn)化上得到一定的解釋。最近由多個(gè)國(guó)家研究者組成的鳥類基因組及演化生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已完成了對(duì)48種鳥類(覆蓋了鳥類幾乎所有的目)全基因測(cè)序(http：//avian.genomics.cn/)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育[33]和比較基因組學(xué)分析[34]進(jìn)而構(gòu)建了更為可信的鳥類演化樹。從整個(gè)基因組進(jìn)化上來(lái)看，原鴿、斑胸草雀和虎皮鸚鵡被分別劃分到Passerea(斑胸草雀和虎皮鸚鵡)和Columbea(原鴿)的兩大分支中獨(dú)立演化；斑胸草雀和虎皮鸚鵡雖均屬于雀總目和鳴禽，但它們的分支點(diǎn)不同，虎皮鸚鵡的演化分支點(diǎn)要比斑胸草雀的演化分支點(diǎn)早150萬(wàn)年左右；而另一大分支中的原鴿，其演化分支點(diǎn)更早，比斑胸草雀的演化分支點(diǎn)早250萬(wàn)年左右。可見(jiàn)，與其他哺乳或非哺乳動(dòng)物相比，雖然原鴿、斑胸草雀和虎皮鸚鵡間的親緣關(guān)系較近，但實(shí)際上它們間已經(jīng)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的獨(dú)立進(jìn)化過(guò)程，這與Leptin氨基酸序列的進(jìn)化相一致(圖5A)。鳥類整個(gè)基因組的進(jìn)化在一定程度反映了鳥類的生物多樣性，表現(xiàn)在地理分布、食性、生殖等許多方面的差異，以適應(yīng)生存環(huán)境的挑戰(zhàn)。

一直以來(lái)就有很多基因組學(xué)、分子進(jìn)化等的證據(jù)支持在進(jìn)化過(guò)程中Leptin基因在家禽雞中丟失的觀點(diǎn)[9]。最近，N.Dakovic等通過(guò)對(duì)脊椎動(dòng)物的進(jìn)化和共線性分析發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中包括Leptin基因在內(nèi)的一些脂肪因子基因在雞和其他家禽的基因組中可能丟失，但卻存在于野生鳥類的基因組中，這些丟失基因的功能可通過(guò)其旁系同源基因進(jìn)行功能性彌補(bǔ)[35]。然而鵪鶉和綠頭鴨Leptin-like部分氨基酸序列的存在讓人們不得不考慮如果Leptin基因在鳥類馴化過(guò)程中丟失，那么如何來(lái)尋找丟失的臨界物種，這對(duì)于家禽Leptin的研究也是至關(guān)重要的，雖然目前已完成了48個(gè)鳥類物種全基因組的測(cè)序，但仍不包括鵪鶉等馴化的家禽，而且該基因在已有測(cè)序鳥類中的信息挖掘還很欠缺。

3 鳥類Leptin/LEPR獨(dú)特的組織表達(dá)模式

最近克隆得到的鳥類的Leptin雖與哺乳動(dòng)物的Leptin直系同源，卻有其獨(dú)特的表達(dá)模式。對(duì)雀形目斑胸草雀和鴿形目原鴿的Leptin/LEPR表達(dá)模式的研究發(fā)現(xiàn)，斑胸草雀的Leptin基因mRNA幾乎在垂體和腦部的不同區(qū)域?qū)Ｒ恍员磉_(dá)，在脂肪和肝等外周組織沒(méi)有檢測(cè)到其存在[17]；在原鴿中，肝、睪丸和卵巢組織的Leptin表達(dá)量較高，腹脂、垂體、下丘腦和心肌的Leptin處于較低的表達(dá)水平，而大腦、腺胃、胰腺和十二指腸中未檢測(cè)到Leptin的存在[15]。目前，鳥類Leptin基因表達(dá)模式的研究有限，雖不能完全反應(yīng)鳥類Leptin基因整體的表達(dá)規(guī)律，但人們可以看出其與哺乳動(dòng)物L(fēng)eptin基因表達(dá)模式間的鮮明差異。在哺乳動(dòng)物中，脂肪組織是Leptin最主要的來(lái)源，然而在鳥類中腦垂體或肝是Leptin基因顯著表達(dá)的組織，在脂肪組織中或是檢測(cè)不到Leptin的存在，或是Leptin基因表達(dá)水平很低。在鳥類中，不同物種間Leptin基因的表達(dá)也存在差異，不同鳥類Leptin基因在表達(dá)模式上的這種差異或許正反應(yīng)了它們?cè)陂L(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中適應(yīng)環(huán)境變化的特點(diǎn)，比如斑胸草雀原產(chǎn)于澳大利亞?wèn)|部等熱帶森林，而原鴿主要集中在我國(guó)西北和內(nèi)蒙地區(qū)，這種地理分布的不同，導(dǎo)致了它們?cè)谑承?、繁殖特性等方面的差異，而Leptin基因?qū)@些生物學(xué)過(guò)程可能都起重要的調(diào)節(jié)作用。另外，從鳥類Leptin基因結(jié)構(gòu)上可以看出，與哺乳動(dòng)物的Leptin基因3個(gè)外顯子結(jié)構(gòu)相比，鳥類Leptin基因多出一個(gè)非編碼的外顯子結(jié)構(gòu)(圖1)，這使得其可能存在一個(gè)可變的啟動(dòng)子或適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制來(lái)調(diào)控其組織表達(dá)[15，17]。先前研究表明，一些進(jìn)化程度低的魚類中存在‘A lineage’Leptin的多個(gè)拷貝來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的生物學(xué)功能[36-37]。然而到爬行類后，由于Leptin基因及臨近區(qū)域發(fā)生基因組重組，使得Leptin基因的拷貝數(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[38]，這種變化可能形成一個(gè)更適合特定物種的調(diào)控機(jī)制來(lái)適應(yīng)其所處的內(nèi)外環(huán)境。可見(jiàn)，脊椎動(dòng)物L(fēng)eptin基因組織表達(dá)上的不同在某種程度上恰恰反映出其多功能性和進(jìn)化保守性[39-42]；但不同物種Leptin基因的具體調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

圖5 脊椎動(dòng)物L(fēng)eptin(A)和LepR(B)的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.5 The phylogenetic tree of Leptin(A) and LepR(B) in vertebrate

相對(duì)于鳥類Leptin基因的研究，鳥類尤其是家禽LEPR基因的研究更為成熟，其總體的表達(dá)模式基本相同，在垂體和腦部表達(dá)量較高，而在肝、脂肪和小腸等外周組織表達(dá)量較低[15，17，19-20，22-23，31]，這說(shuō)明LEPR基因在鳥類中差異并不大，反映出其與Leptin進(jìn)化的不平行性。而鳥類不同剪接變體LEPR的組織表達(dá)研究鮮有報(bào)道，僅X.Liu等對(duì)雞的LEPR短型受體做了RT-PCR分析，初步表明其組織選擇性表達(dá)特點(diǎn)[31]。

鳥類Leptin/LEPR基因的這種表達(dá)模式給這一領(lǐng)域的研究者帶來(lái)一些新的思考。N.Eikelis等研究表明，人體全身Leptin釋放進(jìn)血漿Leptin池時(shí)，腦部Leptin的貢獻(xiàn)率很大(>40%全身Leptin的釋放)[43]。還有一些研究表明Leptin或LEPR缺乏的鼠表現(xiàn)為腦部發(fā)育不正常，包括腦重的降低、髓鞘形成障礙、中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育延遲等[44-47]。所有的這些研究，在某種程度上支持腦是脊椎動(dòng)物L(fēng)eptin的另外一個(gè)來(lái)源[43，48]。Leptin基因在魚、蛙、鳥和哺乳類中的表達(dá)以及LEPR基因在所有脊椎動(dòng)物腦部的表達(dá)[20，31，49]，表明Leptin在調(diào)控正常腦部發(fā)育和功能方面可能扮演至關(guān)重要的角色，并且這種調(diào)控角色在脊椎動(dòng)物中很可能是保守的[50]。而鳥類Leptin/LEPR在垂體中的顯著表達(dá)或許表明其對(duì)生長(zhǎng)、繁殖、能量平衡的調(diào)控更加直接。

4 鳥類“Leptin/LEPR的生理功能”

鳥類Leptin基因序列的正確性從其報(bào)道之日起就倍受爭(zhēng)議，但在真正的鳥類Leptin基因被克隆之前，有的研究人員對(duì)所謂的“雞Leptin基因”進(jìn)行了體外表達(dá)，制備了相應(yīng)的抗體[8]，并利用這些體外表達(dá)的“雞Leptin”或鼠源、人源Leptin對(duì)鳥類“Leptin/LEPR的生理功能”進(jìn)行了研究。這些研究雖然只能說(shuō)明鳥類LEPR具有生物學(xué)功能，并不能反映鳥類真正內(nèi)源性Leptin的生理功能[9]，但對(duì)今后開展真正鳥類Leptin/LEPR的生理功能的研究從某種程度上也具有一定的借鑒意義。

4.1 采食與能量調(diào)控

Leptin通過(guò)與LEPR結(jié)合啟動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而行使其多種生物學(xué)功能[51]。在哺乳動(dòng)物中，Leptin是通過(guò)位于下丘腦多個(gè)核團(tuán)GLP-1神經(jīng)元上的LEPR-b來(lái)實(shí)現(xiàn)減少攝食和增加能量輸出的[52]。一般認(rèn)為L(zhǎng)eptin調(diào)控動(dòng)物體內(nèi)能量代謝的途徑包括調(diào)控神經(jīng)中樞，使能量轉(zhuǎn)變成熱能釋放；抑制NPY mRNA的表達(dá)及分泌，進(jìn)而抑制食欲和減少食物的攝取[53]；增加脂肪酸分解酶的合成，抑制脂肪的沉積；直接作用于體內(nèi)的脂肪細(xì)胞抑制脂肪的沉積，增加脂肪的分解[54]。在家禽中，至今還沒(méi)有獲得內(nèi)源性的Leptin。雖然有人對(duì)所謂的“雞Leptin基因”進(jìn)行了體外表達(dá)，獲得了重組的“雞Leptin”蛋白，但由于“雞Leptin基因”與小鼠的Leptin基因的序列一致性高達(dá)94%以上，這些重組的“雞Leptin”蛋白實(shí)際上可以認(rèn)為是小鼠的Leptin。通過(guò)外源注射的方式對(duì)這些重組的Leptin 蛋白在雞中生理功能的研究表明，無(wú)論通過(guò)腦室注射還是腹腔注射都對(duì)蛋雞或肉雞的采食量和體重有一定的降低作用，并且腦室注射還具有一定的劑量依賴效應(yīng)[55-56]。此外，肌注外源Leptin也能夠有效調(diào)控野生鳥類的采食量[57-58]。雞LEPR基因多態(tài)性與采食效率的相關(guān)研究表明，LEPR可能在調(diào)控肉雞采食和飼料轉(zhuǎn)化效率等方面具有一定作用[59]。另外，用抗雞LEPR胞外域抗體免疫激活LEPR信號(hào)通路，可導(dǎo)致雞腹脂沉積減少，卻增加了采食量，這可能是由于抗雞LEPR胞外域抗體不能通過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦發(fā)揮與Lepin同樣的功能所致[60]。然而，A.Gertler等把鼠的Leptin拮抗劑注射到白來(lái)航母雞體內(nèi)進(jìn)行研究時(shí)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其體重和食欲的顯著增加[61]?？梢?jiàn)不同的試驗(yàn)得到的結(jié)論并不一致。由于Leptin/LEPR在野生鳥類垂體中均有較高水平的表達(dá)，這或許表明其調(diào)控?cái)z食的機(jī)制與傳統(tǒng)認(rèn)為的哺乳動(dòng)物的調(diào)控機(jī)制不同，還有待進(jìn)一步深入研究。

4.2 生長(zhǎng)發(fā)育

Leptin/LEPR在脊椎動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育方面扮演重要的角色，正如文獻(xiàn)[44-47]提到的Leptin或LEPR缺乏會(huì)導(dǎo)致鼠腦部發(fā)育不正常。此外，有研究表明，Leptin能夠調(diào)控脊椎動(dòng)物一些垂體激素如生長(zhǎng)激素(GH)的分泌[62-66]。動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)表明，Leptin對(duì)GH釋放的影響是多變的，其取決于不同生理階段Leptin的敏感性；而GH劑量的高低又會(huì)影響信號(hào)通路中SOCS-3基因的表達(dá)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響[67-68]。在家禽中，用生長(zhǎng)和發(fā)育都較快的日本鵪鶉作為模型的研究表明，經(jīng)外源Leptin處理過(guò)的鵪鶉出殼時(shí)間早于對(duì)照組，且出殼后有更高的體重，這種體重上的優(yōu)勢(shì)一直持續(xù)到性成熟；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)處理組出殼后血液生化指標(biāo)(T3、T4、總脂和甘油三酯)發(fā)生顯著改變，這表明Leptin在鵪鶉神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)中可能作為一個(gè)低能狀態(tài)的信號(hào)可以提高生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用[69]。然而，與在鵪鶉中的研究不同，胚胎期經(jīng)Leptin處理過(guò)的雞與對(duì)照組相比出殼后體重降低，肝重升高[70]。雞LEPR基因多態(tài)性與生長(zhǎng)的相關(guān)研究表明，LEPR可能對(duì)肉雞的生長(zhǎng)速度具有一定的影響[59]。用抗雞LEPR胞外域抗體免疫激活LEPR信號(hào)通路，可導(dǎo)致雞增重減少[60]。從以上研究來(lái)看，外源注射重組的Leptin或用抗雞LEPR胞外域抗體進(jìn)行免疫，并不能真實(shí)反映鳥類本身Leptin/LEPR的生理調(diào)控作用，但鳥類Leptin/LEPR垂體組織高表達(dá)或許反應(yīng)了其與生長(zhǎng)發(fā)育間可能存在緊密的聯(lián)系。

4.3 繁殖調(diào)控

LEPR在鳥類生殖軸上的廣泛表達(dá)提示人們Leptin可能是一個(gè)聯(lián)系營(yíng)養(yǎng)代謝與生殖內(nèi)分泌之間的紐帶。研究表明，注射外源重組Leptin能促進(jìn)母雞的性成熟[71]，減弱由于禁食對(duì)卵巢功能造成的負(fù)面效應(yīng)如卵黃囊衰退、卵泡細(xì)胞的凋亡和產(chǎn)蛋終止[71-73]；也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著雞卵泡的分化，卵巢顆粒細(xì)胞中LEPR mRNA表達(dá)水平會(huì)下降，而限制進(jìn)食會(huì)在一定程度上恢復(fù)卵泡的分化進(jìn)而表明Leptin/LEPR可能參與卵泡分化的調(diào)控[74]；另外，長(zhǎng)光照雖然能夠誘導(dǎo)家禽性成熟提前，但這些性成熟提前的母雞，其血清Leptin、下丘腦LEPR基因的表達(dá)及下丘腦-垂體-性腺軸上基因的表達(dá)均沒(méi)有增加[75]，這與注射外源重組Leptin與母雞性成熟之間關(guān)系的研究大不相同。最近，通過(guò)設(shè)計(jì)具有Leptin生物學(xué)活性的免疫抗體模擬物對(duì)LEPR在繁殖調(diào)控中的生物學(xué)功能的研究表明，用針對(duì)雞LEPR胞外域設(shè)計(jì)的具有Leptin生物學(xué)活性的免疫抗體模擬物對(duì)母雞進(jìn)行免疫，上調(diào)了卵泡上凋亡基因的表達(dá)，進(jìn)而反向調(diào)控促進(jìn)卵泡發(fā)育和激素分泌的基因的表達(dá)，導(dǎo)致卵泡閉鎖和產(chǎn)蛋終止，而且孕酮的分泌抑制也降低了母雞的采食[76]，這一研究方法雖不能真實(shí)反應(yīng)雞內(nèi)源性Leptin/LEPR相互作用和信號(hào)傳導(dǎo)的過(guò)程，但至少?gòu)囊粋€(gè)側(cè)面表明了雞體內(nèi)Leptin/LEPR對(duì)雞繁殖性能的調(diào)控機(jī)制。

雖然Leptin/LEPR在鳥類中生理功能的研究取得了一定進(jìn)展，但Leptin在鳥類體內(nèi)發(fā)揮功能的真正信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制只有在得到鳥類LEPR的天然配體基礎(chǔ)上才能更清晰更深入地進(jìn)行研究。最近，野生鳥類Leptin基因的成功克隆將鳥類Leptin/LEPR生理功能的研究推向新的研究階段。野生鳥類Leptin在信號(hào)通路中的活性檢測(cè)[15，17]為今后鳥類尤其是家禽Leptin/LEPR更進(jìn)一步的生理功能研究奠定了基礎(chǔ)。

5 小 結(jié)

自1998年從雞的肝臟中克隆得到“雞Leptin基因”以來(lái)，Leptin在家禽中是否真實(shí)存在備受爭(zhēng)議。雖然鳥類Leptin/LEPR的研究從未停止，但多年來(lái)并未獲得可靠的突破性進(jìn)展。最近野生鳥類Leptin基因的成功克隆，部分回答了鳥類中是否存在Leptin基因這一長(zhǎng)久困擾鳥類Leptin/LEPR研究的問(wèn)題，克服了鳥類Leptin/LEPR研究的瓶頸，掀起新一輪鳥類Leptin/LEPR功能研究的熱潮。然而從現(xiàn)有的知識(shí)積累可以看出，鳥類Leptin與其他脊椎動(dòng)物的Leptin相比，無(wú)論是分子結(jié)構(gòu)還是表達(dá)模式都相去甚遠(yuǎn)，反映出Leptin基因的多功能性，因此其生理功能還需要進(jìn)一步驗(yàn)證[77]。此外，迄今為止尚未獲得家禽如雞、鴨、鵝和火雞等的Leptin基因序列，家禽中Leptin存在與否的爭(zhēng)論依然存在，而鳥類基因組及演化生物學(xué)項(xiàng)目對(duì)48種鳥類全基因組測(cè)序的完成，必將推動(dòng)鳥類Leptin基因的研究進(jìn)程。目前，人們已成功從唯一發(fā)現(xiàn)可能存在Leptin基因的鵪鶉(雞形目)中克隆獲得Leptin-like部分序列，并進(jìn)行了相關(guān)的功能研究，但仍需要從分子進(jìn)化、生物信息學(xué)、分子生物學(xué)等不同角度對(duì)其生理功能進(jìn)行進(jìn)一步的深入探討。

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(編輯 郭云雁)

Research Advances on Avian Leptin and Its Receptor

WANG Dan-dan，LI Yan-min，JIANG Rui-rui，KANG Xiang-tao，LIU Xiao-jun*

(InternationalJointResearchLaboratoryforPoultryBreedingofHenan，HenanInnovativeEngineeringResearchCenterofPoultryGermplasmResource，CollegeofAnimalScienceandVeterinaryMedicine，HenanAgriculturalUniversity，Zhengzhou450002，China)

The authenticity of the so-called “chickenLeptingene” was questioned since it was first reported in 1998.Actually it is not sure whether theLeptingene exists in poultry genome until now.Although Leptin receptor gene had been widely confirmed in poultry，its physiological functions were still ambiguous due to the lack of endogenous Leptin.With the coming of the post genome age，it’s possible to look into theLeptingene matter of avian species in wide scale and great depth.In 2014，3 laboratories independently reported the cloning and functional verification ofLeptingene in some wild birds.The findings greatly stimulated research interests in avian Leptin and Leptin receptor.We reviewed the latest advances in structure characteristics，origin and evolution，tissue distribution and “physiological functions” ofLeptinandLeptinreceptor gene in avian.

avian；Leptin；gene cloning；origin and evolution；physiological function

10.11843/j.issn.0366-6964.2015.11.001

2015-01-09

河南省國(guó)際合作項(xiàng)目(144300510044)；河南省重大科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(112101110800)；國(guó)家蛋雞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系遺傳育種崗位專項(xiàng)資金(CARS-41-K04)

王丹丹(1989-)，女，河南柘城人，碩士生，主要從事家禽分子遺傳育種研究，E-mail：wdd13938406174@163.com

*通信作者：劉小軍，教授，主要從事動(dòng)物遺傳育種研究，E-mail：xjliu2008@hotmail.com

S83

A

0366-6964(2015)11-1905-11