楊 捷，劉子龍，高玉雯，鐵婭滕，趙星成

(空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系航空航天醫(yī)學(xué)訓(xùn)練教研室，陜西 西安710032)

1 似晝夜節(jié)律概述

機體內(nèi)部呈現(xiàn)出一種內(nèi)源的、可調(diào)適的、以近似24 h為一周期波動的生命過程稱為似晝夜節(jié)律。似晝夜節(jié)律為“自激內(nèi)源性節(jié)律”，即在去除外界時間信息后，這種節(jié)律依然存在，并且可隨外界時間信息的變化而調(diào)節(jié)適應(yīng)。調(diào)節(jié)機體似晝夜節(jié)律的無形“時鐘”稱為生物鐘，機體的似晝夜節(jié)律由位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)的中樞生物鐘和全身各組織器官的外周生物鐘共同調(diào)控。人類SCN中約有100 000多個神經(jīng)元，通過分泌因子與自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機體似晝夜節(jié)律。光是調(diào)節(jié)機體似晝夜節(jié)律行為的主要信號，照射光的強度、波長和光譜可通過調(diào)控生物鐘的同步過程影響似晝夜節(jié)律[1]。外周生物鐘存在于SCN之外幾乎所有的器官組織中，其節(jié)律變化受到SCN的直接調(diào)控與外界環(huán)境行為因素的間接調(diào)節(jié)，例如光照、睡眠、飲食和運動等都能對其產(chǎn)生影響。一般而言，中樞與外周生物鐘通過功能同步共同維持生物代謝的似晝夜節(jié)律。但由于非光因素對外周生物鐘的間接影響，兩種生物鐘可能出現(xiàn)代謝相位上的錯位。這種錯位是人體似晝夜節(jié)律適應(yīng)外界環(huán)境變化的機制，但在過程上對機體代謝造成了一定的破壞。研究表明，似晝夜節(jié)律失調(diào)會增加代謝疾病發(fā)生的風險。

似晝夜節(jié)律系統(tǒng)的分子機制已經(jīng)被廣泛研究，主要為時鐘基因自動調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，涉及到CLOCK、ARNTL1(又稱BMAL)、PERIOD家族(包括PER1、PER2和PER3)以及CRYPTOCHROME家族(包括CRY1和CRY2)基因等多種時鐘基因。主要反饋環(huán)路為轉(zhuǎn)錄激活因子BMAL1與CLOCK在白天結(jié)合成異二聚體并與順式作用元件E-box序列結(jié)合，啟動節(jié)律基因的翻譯。而形成的成熟PER/CRY蛋白異二聚體于晚上入核，與CLOCK/BMAL1結(jié)合并抑制自身的轉(zhuǎn)錄。該反饋調(diào)節(jié)環(huán)路以近似24 h為周期，有節(jié)律地調(diào)節(jié)PER和CRY基因的表達。另一條反饋環(huán)路中，CLOCK/BMAL1異二聚體激活核受體基因REV-ERBa/b的轉(zhuǎn)錄，其蛋白產(chǎn)物通過與BMAL1基因啟動子中的ROREs結(jié)合直接抑制BAML1轉(zhuǎn)錄。ROR基因(RORa、RORb和RORg)的蛋白產(chǎn)物與反應(yīng)元件結(jié)合激活BMAL1和NPAS2基因的轉(zhuǎn)錄，與REV-ERBb蛋白競爭并作用拮抗。REV-ERBa蛋白也可能通過與REV-ERB反應(yīng)元件結(jié)合而充當CLOCK的轉(zhuǎn)錄抑制因子。最近有研究發(fā)現(xiàn)，具有時鐘基因功能的DECs蛋白可通過直接與BMAL1蛋白結(jié)合或與CLOCK-BMAL1復(fù)合物競爭E-box位點從而抑制自身轉(zhuǎn)錄，這構(gòu)成了第三條反饋環(huán)路[2]。可明確的是，分子水平上仍然存在許多其他未知的機制和途徑可以調(diào)節(jié)似晝夜節(jié)律，但上述的反饋環(huán)路構(gòu)成了24 h晝夜節(jié)律核心環(huán)節(jié)。

2 似晝夜節(jié)律與糖代謝

2.1 糖代謝的似晝夜節(jié)律性

健康成人血糖變化的晝夜節(jié)律性已在過往研究中得到證實。早在20世紀60年代進行的口服葡萄糖耐量試驗中，發(fā)現(xiàn)實驗對象口服等劑量葡萄糖后，血糖升高水平晚上顯著大于早上，這表明機體葡萄糖耐量在早上較高，下午和夜晚有所降低[3]。此后進行的葡萄糖輸注試驗、相同膳食水平試驗也得出了近似的實驗結(jié)論。這證實了健康人的葡萄糖耐量切實存在晝夜模式。此外，機體胰島素敏感性與β細胞反應(yīng)的晝夜變化也與血糖的似晝夜節(jié)律有關(guān)。已知的是，胰島素分泌的內(nèi)在節(jié)律性已在多項研究中得到證實。有研究發(fā)現(xiàn)，相對于早晨，夜晚胰島素敏感性降低了34%[4]。SAAD等[5]利用三重示蹤技術(shù)，研究了20名健康志愿者在相同攝食和運動條件下的葡萄糖攝取、胰島素利用和β細胞反應(yīng)性的晝夜變化，結(jié)果顯示與其他時刻相比，早餐后的血糖波動和胰島素利用率更低，β細胞對葡萄糖的反應(yīng)性更高。除胰島素之外，胰高血糖素的分泌也具有晝夜節(jié)律性。RUITER等[6]的一項研究結(jié)果表明了胰高血糖素的日變化會受到晝夜節(jié)律和進食的影響。IMENSHAHIDI等[7]也研究了作為晝夜節(jié)律重要同步器的褪黑素對胰高血糖素分泌的影響。

2.2 似晝夜節(jié)律紊亂與糖代謝

現(xiàn)代社會生活節(jié)奏加快，諸如倒班等生活方式易引起人體晝夜節(jié)律紊亂，這成為引發(fā)2型糖尿病、心血管疾病和代謝綜合征等嚴重疾病的重要因素。流行病學(xué)調(diào)查顯示，似晝夜節(jié)律紊亂會增加2型糖尿病患病風險，其原因可能是節(jié)律紊亂引起的機體葡萄糖耐量受損。一項健康研究報告表明，2型糖尿病患病風險與倒班工作持續(xù)時間呈正相關(guān)[8]。與沒有倒班工作人群相比，倒班工作人群患2型糖尿病的風險增加40%以上。此外，社交時差(工作日與休息日睡眠-覺醒時間的差異)也是引起晝夜節(jié)律紊亂繼而誘發(fā)2型糖尿病的重要因素[9]。

有研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者的胰島素敏感性呈現(xiàn)出與血糖變化相反的晝夜節(jié)律：胰島素敏感性晚上(19∶00)最高，夜間逐漸下降，早上(08∶00)最低[4]。這被認為是引起糖尿病患者出現(xiàn)“黎明現(xiàn)象”(夜間或白天大部分時間血糖平穩(wěn)，黎明時分尤其是早餐后呈現(xiàn)高血糖)的原因。此外有研究表明，2型糖尿病患者SCN神經(jīng)元數(shù)量會發(fā)生改變，表現(xiàn)在與健康個體相比，糖尿病患者的精氨酸加壓素神經(jīng)元、血管活性腸肽神經(jīng)元和膠質(zhì)纖維酸性蛋白陽性的星形膠質(zhì)細胞的數(shù)量顯著減少[10]，這些神經(jīng)元數(shù)量的減少可能影響到中樞時鐘的節(jié)律性。上述各項研究結(jié)果共同表明，糖尿病的發(fā)生與機體糖代謝內(nèi)在節(jié)律紊亂存在切實聯(lián)系。

時鐘基因通過直接或間接影響機體幾乎所有內(nèi)分泌因子的釋放以此調(diào)節(jié)機體代謝。大量研究表明，時鐘基因表達的改變與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。胰腺特異性敲除Bmal1會抑制胰島素分泌并導(dǎo)致葡萄糖耐受不良。Bmal1的缺失會引起線粒體解偶聯(lián)蛋白2上調(diào)并促進線粒體解偶聯(lián)，影響由葡萄糖誘導(dǎo)的線粒體電位產(chǎn)生與ATP合成過程，引起胰島素分泌降低[11]。Bmal1還可促進葡萄糖的攝取和利用來調(diào)節(jié)肌肉和脂肪組織中的胰島素敏感性。ZHANG等[12]發(fā)現(xiàn)肝臟糖異生也受到生物鐘的內(nèi)源性調(diào)節(jié)。Cry1和Cry2基因的表達會阻斷環(huán)磷腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白的磷酸化并抑制胰高血糖素介導(dǎo)的cAMP增加，降低空腹糖異生相關(guān)基因的表達。相對應(yīng)的是，Cry基因的敲除解除了其對肝糖異生的抑制作用[13]。另有研究報道，小鼠Per2基因的敲除使血液胰島素水平升高。與野生型小鼠相比，基因敲除小鼠胰島素清除率降低，這不利于糖異生的發(fā)生。近年來，對Clock基因突變小鼠的研究表明Clock缺失會引起葡萄糖耐量降低與胰島素分泌受損，與糖尿病和肥胖的發(fā)生有著密切聯(lián)系[14]。Clock基因?qū)ρ亲兓挠绊懣赡芘c褪黑素有關(guān)(可通過褪黑素調(diào)節(jié)血糖變化)。褪黑素與其相關(guān)受體亞型結(jié)合可直接抑制葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌從而影響血糖水平。褪黑素的分泌具有典型的似晝夜節(jié)律性：①SCN通過抑制去甲腎上腺素作用直接調(diào)節(jié)褪黑素的分泌；②CLOCK-BMAL1復(fù)合物對芳烷基胺N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(褪黑素合成限速酶)有激活作用[15]?？傊?，上述實驗結(jié)果表明了時鐘基因通過內(nèi)分泌因子對葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，也進一步地從基因?qū)用娼忉屃藭円构?jié)律紊亂與糖尿病發(fā)生發(fā)展的聯(lián)系。

2.3 似晝夜節(jié)律在糖代謝相關(guān)疾病中的應(yīng)用

依據(jù)時鐘基因?qū)μ谴x的影響通路，臨床上可利用相關(guān)藥物探究糖尿病患者可能的治療靶點。白藜蘆醇是一種兼具代謝和晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)效應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)，其與Bmal1基因存在相關(guān)作用機制以調(diào)節(jié)生物代謝。BMAL1和CLOCK蛋白可通過SIRT1提高胰島素抵抗小鼠中肌肉的胰島素敏感性，這可能與白藜蘆醇補充劑激活SIRT1并提高胰島素敏感性的作用存在關(guān)聯(lián)[16]。在糖尿病及多種并發(fā)癥模型的研究中，褪黑素對糖尿病及并發(fā)癥的治療都具有積極意義[17]。市面上大部分藥物分子靶點的表達都是有節(jié)律性的，另外，從藥物消耗到發(fā)揮作用的各種過程同樣也具有節(jié)律性。因此，可考慮到藥物的定時給藥對藥物療效的提高與副作用的減少有一定幫助。例如，在一個持續(xù)28 d的藥物治療糖尿病小鼠對照實驗中，與空白對照組和日間用藥的實驗組相比，夜間服用格列美脲的小鼠降糖效果更為出色[18]。

3 似晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝

3.1 脂質(zhì)代謝的似晝夜節(jié)律性

在有關(guān)人類受試者的“恒定常規(guī)”實驗(受試者保持清醒并定時進食)中，發(fā)現(xiàn)包括脂肪酸、類固醇激素在內(nèi)的多種代謝物表現(xiàn)出晝夜節(jié)律[19]。有關(guān)小鼠肝臟的脂質(zhì)組學(xué)研究顯示，接近50%的已鑒定的脂質(zhì)表現(xiàn)出似晝夜節(jié)律性，其中在肝細胞核和線粒體中，呈現(xiàn)出晝夜振蕩模式的脂質(zhì)代謝物比例更高[20]。在肝臟中，時鐘基因通過多樣化的途徑控制脂質(zhì)代謝。核受體REV-ERBα通過與輔阻遏物結(jié)合激活HDAC3，參與調(diào)控甘油與三酰甘油(triacylglycerol，TAG)的代謝。REV-ERBα還可直接控制有關(guān)脂肪酸和磷脂酰膽堿生物合成的部分基因的晝夜節(jié)律表達，例如膽堿激酶α[21]。此外，維持脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的CCRN4L基因發(fā)現(xiàn)在mRNA水平上表示出高振幅節(jié)律[22]。有研究發(fā)現(xiàn)，與BMAL1∶CLOCK相互作用的NAD+依賴性去乙?；窼irt6被認為可以控制SREBP在脂肪酸合成、β氧化和TAG儲存等過程中的晝夜節(jié)律募集，從而調(diào)控肝臟脂肪酸的代謝循環(huán)[23]。

從全身血液中的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)來看，最近進行的血清或血漿脂質(zhì)測量提供了有關(guān)驅(qū)動身體生理學(xué)的脂質(zhì)變化譜的重要信息。MINAMI等[24]首次在小鼠血漿中提供了脂質(zhì)代謝晝夜調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)，報告稱約15%～20%的代謝物發(fā)生晝夜振蕩。更有進一步的代謝組學(xué)研究揭示了人體血漿內(nèi)甘油磷脂和鞘脂顯著的晝夜變化[25]。

從腸道對脂質(zhì)的攝取吸收方面來看，參與脂質(zhì)吸收和脂蛋白生物合成的各種蛋白質(zhì)存在晝夜節(jié)律性表達。研究顯示Clock的降低激活了微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)運蛋白(microsomal triglyceride transfer protein，MTTP)的高表達，其作用機制是CLOCK與E-box位點結(jié)合增加小異源二聚體伴侶(small heterodimer partner，SHP)的表達，而SHP與肝細胞核因子4α和肝核受體同源物-1結(jié)合抑制了MTTP的表達[26]。

3.2 似晝夜節(jié)律紊亂與脂代謝

脂質(zhì)成分代謝受到生物鐘的調(diào)節(jié)，生物鐘節(jié)律發(fā)生紊亂會對機體脂質(zhì)代謝造成影響并增加肥胖、動脈粥樣硬化或其他代謝綜合征的發(fā)病風險。在人類中，上述觀點有證據(jù)支持：夜班工人常出現(xiàn)血脂異常(例如高TAG和低高密度脂蛋白膽固醇)[27]，夜晚進食頻率與體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)成正相關(guān)，因社交時差而引起的節(jié)律紊亂者，其平均BMI更高[28]。

與晝夜節(jié)律對糖代謝的調(diào)控類似，生物鐘相關(guān)基因的缺失對機體脂質(zhì)代謝具有顯著影響。Rev-evbα和Rev-erbβ的雙敲除使得小鼠晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，誘發(fā)高三酰甘油血癥和肝臟脂肪變性[29]。Sirt6特異性敲除動物表現(xiàn)出脂質(zhì)代謝晝夜節(jié)律性的喪失，并被證明該基因的敲除可誘導(dǎo)脂肪肝的發(fā)生[30]。白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)石蠟切片的組織學(xué)分析顯示Clock突變小鼠中WAT脂質(zhì)積累增加和脂肪細胞肥大，表明Clock突變促進脂質(zhì)積累或抑制WAT中的脂質(zhì)動員[31]。其進一步的研究發(fā)現(xiàn)，CLOCK-BMAL1復(fù)合物可直接控制小鼠WAT中Atgl和Hsl這兩類脂肪分解酶基因的表達，從而調(diào)控該組織的脂肪分解率[31]。此外，有研究表明Per2通過靶向作用S112殘基位點抑制PPARγ的轉(zhuǎn)錄活性從而控制脂肪代謝，其脂質(zhì)組學(xué)分析表明，Per2基因是WAT中正常脂質(zhì)代謝所必需的[32]。事實上，缺乏Per2會引起小鼠TAG水平降低并導(dǎo)致成纖維細胞中的脂肪組織特異性分化增強[32]。小鼠棕色脂肪組織是哺乳動物產(chǎn)熱的關(guān)鍵部位，其在脂肪酸攝取中顯示出明顯的晝夜節(jié)律。脂肪組織活動的晝夜節(jié)律性影響了脂質(zhì)在循環(huán)中的清除速率，從而使血漿脂質(zhì)濃度具有了每日節(jié)律[33]。夜曲素在腸道中存在著晝夜節(jié)律性表達，對該組織的脂質(zhì)吸收和分泌至關(guān)重要。Nocturnin-/-小鼠傾向于吸收較少的TAG和膽固醇，并在腸段中保留更多的脂質(zhì)[34]。

3.3 似晝夜節(jié)律在脂代謝相關(guān)疾病中的應(yīng)用

對于當下肥胖等代謝綜合征的治療與預(yù)防，生物節(jié)律是一個重要的實施角度。目前，限時飲食(time-restricted eating，TRE)作為一種新的飲食策略受到了越來越多的關(guān)注。有研究表明，TRE可以用于恢復(fù)受到干擾的代謝節(jié)律，改善肥胖、胰島素抵抗等癥狀，可作為預(yù)防和治療代謝紊亂的新措施[35]。營養(yǎng)調(diào)節(jié)也被認為是解決肝臟代謝綜合征如非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)的有效手段，增加多不飽和脂肪酸攝入量或減少飽和脂肪酸攝入量是預(yù)防NAFLD的重要舉措。最近DHA被發(fā)現(xiàn)能克服高脂飲食引起的脂質(zhì)代謝晝夜紊亂[36]。

了解晝夜節(jié)律在脂質(zhì)代謝控制中發(fā)揮的作用，對未來探究脂質(zhì)代謝紊亂及其引發(fā)的代謝疾病的靶向治療具有明確意義。他汀類藥物是一種HMG-CoA還原酶抑制劑，臨床上廣泛用于治療2型糖尿病與動脈粥樣硬化。HMG-CoA還原酶因其晝夜節(jié)律而在夜間表現(xiàn)較高活性，肝臟夜間合成膽固醇的能力更強，夜晚服用他汀類藥物降血脂作用更為顯著，因此常推薦于睡前服用。然而，KIM等[37]在2013年一項135人參加的隨機雙盲三期實驗的報告中建議，早上給藥更可取。在最近研究中，HUAN等[38]通過9周的小鼠晝夜給藥對照試驗，認為辛伐他汀依然是夜間給藥效果更好。值得一提的是，他們還提出了辛伐他汀以晝夜節(jié)律方式調(diào)節(jié)藥物轉(zhuǎn)運基因的表達的新觀點，這可能提示晝夜節(jié)律與藥代動力學(xué)存在聯(lián)系[38]。到目前為止，收集到的臨床前和臨床研究總體上表明了與晝夜節(jié)律相關(guān)的時間療法的有益效果。但是，僅憑藥物靶點的周期時間并不足以確定用藥最佳時間，因為藥物的藥理作用還取決于吸收、分布、代謝和排泄，所有這些都可能受到外周和中樞生物鐘的調(diào)節(jié)[39]，需要在多群體中進行更大規(guī)模的實驗以進行確切的探究。

4 結(jié)束語

本文綜述了似晝夜節(jié)律及其與糖脂代謝的關(guān)系。許多證據(jù)表明了機體的血糖和脂質(zhì)代謝存在晝夜節(jié)律性。生物鐘在不同的器官中通過對脂質(zhì)合成、運輸和分配的影響調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝。葡萄糖代謝節(jié)律由多種相關(guān)性狀的晝夜變化驅(qū)動，包括胰島素敏感性、β細胞反應(yīng)性、胰島素分泌與清除和葡萄糖利用率等。有關(guān)Bmal1、Clock相關(guān)時鐘基因敲除小鼠的研究證實了時鐘基因在代謝調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可替代的作用。似晝夜節(jié)律的紊亂和內(nèi)外生物鐘的不同步對機體葡萄糖耐量和脂肪酸代謝都有損害，增加了糖尿病、肥胖、心血管疾病等代謝綜合征的發(fā)病率。而TRE作為一種新型的預(yù)防和治療糖脂代謝紊亂的方式，在預(yù)防肥胖，恢復(fù)受干擾的似晝夜節(jié)律方面受到越來越多的關(guān)注。似晝夜節(jié)律對代謝的重要影響提示我們深入研究似晝夜節(jié)律環(huán)路相關(guān)下游因子及關(guān)鍵酶，為防治糖尿病等代謝綜合征、開發(fā)新藥物奠定基礎(chǔ)。未來，以似晝夜節(jié)律相關(guān)基因作為靶點的治療方式可能會成為一種新的趨勢。