雌激素神经保护作用机制_线粒体功能的调节_郭家彬

生理科学进展2010年第41卷第3期#165#

综 述

雌激素神经保护作用机制:线粒体功能的调节

郭家彬

1, 2

*

铁 璐 D iana N Krause Sue P Duckles 李学军

1221, v

(1北京大学基础医学院药理学系, 北京100191; 2加州大学尔湾分校医学院药理学系)

摘要 大量研究表明雌激素具有神经保护作用, 但其机制尚不清楚。近年来研究提示, 雌激素的神经保护作用与线粒体有着密切联系。线粒体是细胞内能量和活性氧自由基(ROS) 的主要来源, 对细胞内信号转导、细胞存活与死亡调节等具有十分重要的影响。在生理和病理条件下, 雌激素可多

方面调节线粒体功能, 包括影响ATP 与ROS 的生成、稳定线粒体膜电位、维护细胞内钙稳态, 以及调节线粒体基因和蛋白表达等。本文主要从线粒体角度综述了雌激素神经保护作用及其机制。关键词 雌激素; 线粒体; 神经保护; 活性氧自由基; 雌激素受体中图分类号 R972

M echanis m of E strogen -M ediated N europrotection :R egulati o n of M it ochondrial Function GUO

1, 212211

Jia -B in , T I E Lu , D i a na N Krause , Sue P Duck les , LI Xue -Jun (D epart m ent of P har m acology, School of BasicM edical Sciences , P eking University , B eiji ng 100191, Chi na ; D epart m ent o f P har m acology, Universit y of California, Irvine , CA 92697, U S A )

Abst ract Num erous studies sho w the neuroprotecti v e effects of estr ogen , but the underl y ing m echan is m still re m a i n s unclear . Recent stud ies i n d icate thatm itochondria are criticall y i n vo lved i n estrogen -m ed ia -ted neuropro tecti o n . M itochondria are the m a i n sources o f ce llular ener gy and reactive oxygen spec i e s (ROS), t h ey play an i m po rtant ro le i n signaling transduction and cell u lar life -death dec isions . Estrogen exerts m ultiple effects on m itochondria under physi o l o g ica l and /orpatho l o g ical conditi o ns , these effects m ay inc l u de m odu lating ATP and ROS production , preserv i n g m itochondria m e m brane potentia, l m a i n ta-i n i n g calc i u m ho m eostasis , and regu lating m itochondrial gene and protein expressi o n , etc . I n this paper , w e d iscussed the neuroprotecti v e effects of estrogen , particularly focused on t h e underly i n g m echan is m s re lated to m itochondria . K ey w ords estrogen ; m itochondria ; neuropro tecti o n ; reactive oxygen spec ies ; estrogen receptor 雌激素是存在于雌性和雄性动物或人体内的一类甾体类固醇激素。大量研究表明, 雌激素具有明显的神经保护作用, 人们开始越来越多地关注雌激素神经保护作用的机制。近年来研究发现, 雌激素的神经保护作用与线粒体有着密切联系。线粒体是广泛存在于真核细胞的亚细胞器, 对神经细胞的生长、代谢, 以及信号转导等生命活动具有重要的调节作用。特别是在病理条件下, 线粒体功能很大程度上决定着神经元、星形胶质细胞, 以及脑血管内皮细胞等神经细胞的存活与死亡。在生理和/或病理状态下, 雌激素可多方面影响线粒体的功能, 线粒体有可能在雌激素神经保护效应中发挥关键作用。基于线粒体在神经系统疾病中的作用, 本文主要从线粒体角度综述了雌激素神经保护作用及其机制。

v

2

一、线粒体功能与神经细胞死亡

氧化磷酸化生成ATP 是线粒体的主要生物学功能。尽管脑的重量只有体重的2%, 但它的需氧量却占机体的20%并获得心输出量的15%。因此, 脑对能量的特别需求更加突显线粒体功能在神经细胞中的重要性。线粒体在氧化磷酸化过程中同时也产生大量的副产物活性氧自由基(reacti v e oxygen spec i e s , ROS) 。在线粒体氧化磷酸化的电子转移过程中, 约有0. 4%~4%的氧分子(O2) 可被电子转

*

国家重点基础研究发展计划(973) 项目(2004CB518902) 、美国国立卫生研究院(N I H ) (R 01HL -50775) 、国家建设高水平大学公派研究生项目(20073020) 和国家自然科学基金(30901803) 资助课题通讯作者

#166#生理科学进展2010年第41卷第3期

移初始步骤中的单电子还原而形成超氧阴离子-(O #ox i d e 2), 并可能在细胞内超氧化物歧化酶(super dis m utase , SOD ) 等抗氧化物的作用下进一步转化为过氧化氢(H 2O 2) 、羟自由基(OH) 等其它ROS, 如图1所示。ROS 本身可作为细胞内的一类信号分子, 介导细胞内/外信号转导反应, 参与细胞生长和增殖的调控。细胞含完整的抗氧化防御系统, 包括抗氧化物酶如SOD 、过氧化氢酶(catalase , CAT) 以及谷胱甘肽过氧化物酶(g lutath i o ne perox idase , Gpx ) 等, 同时也包括谷胱甘肽(g l u tathione , GSH ) 、维生素等其它抗氧化物。但过量的ROS 则有可能引起细胞氧化应激导致氧化损伤。线粒体既是细胞内ROS 的主要来源, 也是ROS 攻击的主要靶标。ROS 生成增加可抑制线粒体呼吸链复合物酶活性, 降低线粒体效能而使细胞内ATP 水平降低。ROS 还可攻击线粒体内膜脂质和蛋白, 迫使线粒体通透性转运孔开放, 进而引起线粒体膜电位丧失。线粒体膜电位丧失可引起线粒体肿胀, 细胞色素C 、凋亡诱导因子(apoptosis i n duc i n g facto r , A I F) 等线粒体内容物释放。ROS 长期暴露还可引起线粒体DNA (mitochondrialDNA, m t D NA ) 发生突变, 而越来越多的研究显示m t D NA 突变与衰老相关疾病有着十分密切的联系。此外, 线粒体还是细胞内钙离子(C a ) 的主要/贮库0, 对细胞内Ca 浓度具有重要的调节作用。线粒体受损有可能活化细胞膜上的NMDA 受体, 引起细胞外Ca 内流, 以及线粒体内Ca 释放使胞内Ca 浓度升高, 钙稳态破坏。线粒体的这些改变均有可能是诱导神经细胞凋亡或坏死的重要机制。神经元、脑血管内皮细胞等神经细胞均为高耗能细胞, 其能量来源几乎完全依赖于线粒体的ATP 供应。当线粒体发生功能紊乱时, 直接导致细胞ATP 供应不足, 并有可能迅速引发神经元等细胞损伤甚至死亡。

2+

2+

2+

2+

2+#

二、线粒体与神经系统疾病

阿尔采末病(A lzhei m er s ' d isease , AD ) 、脑卒中等神经系统疾病是一些与年龄高度相关的疾病。尽管目前这些疾病病理生理机制还不清楚, 但越来越多的研究表明线粒体功能障碍、能量代谢异常是这些疾病发生早期的共同特征。线粒体功能紊乱、细胞内ROS 生成增加有可能是AD 、脑卒中等疾病发生与发展的主要诱因之一。

AD 是一种典型的神经退行性疾病, 其病因机制与淀粉样蛋白(a m y l o id B , A B ) 沉积密切相关。研究表明, A B 可在神经元和皮质细胞中蓄积, 并直接作用于A B 乙醛还原酶, 破坏线粒体的呼吸链功能, 从而影响线粒体内ATP 的生成。大量体外试验研究表明, A B 可明显诱导神经元发生凋亡, 而在细胞凋亡早期均可见线粒体功能紊乱, 包括线粒体膜电位改变、ROS 生成增加, 以及钙稳态失调。同样, A B 引起的线粒体功能紊乱在神经胶质细胞以及脑血管内皮细胞中也有很多报道。近年来临床研究发现, AD 患者脑组织中发生m t D NA 损伤明显增加, 包括m t D NA 缺失和点突变。与正常人相比, AD 患者m t D NA 缺失5bp 的机率增加了5倍, 编码线粒体复合物I V 的m t D NA 突变在AD 病人中也时有发[1]

现。m t D NA 损伤机制还不清楚, 研究推测可能与线粒体内ROS 水平增加和A B 攻击有关(Wallace . 2005) 。

在急性脑损伤或脑缺血条件下, 线粒体损伤同样是神经细胞死亡的重要诱因。在脑缺血发生早期, 可见神经元、星形胶质细胞等神经细胞氧化磷酸化效率降低, ATP 生成减少而ROS 生成增加, 线粒体膜电位以及钙稳态发生改变; 随着缺血时间的延长或缺血程度加剧, 线粒体结构和功能进一步受损, 有可能出现线粒体肿胀甚至出现线粒体膜破裂、细胞内ATP 耗竭、ROS 水平明显升高, 以及细胞内钙超载等。线粒体这些改变可迅速破坏神经元、星形胶质细胞和脑血管内皮细胞的结构和功能, 进而引起缺血区神经元等细胞死亡、脑微血管内皮功能紊乱, 血脑屏障破坏等脑损伤。值得注意的是, AD 和脑卒中等神经系统疾病的病理生理机制非常复杂, 目前人们对于线粒体损伤与这些疾病的发生与发展之间的因果关系还不十分清楚。

三、雌激素的神经保护作用及其机制

与同男性相比, 女性在绝经前发生脑卒中的机

图1 线粒体中ATP 和ROS 的生成及ROS 代谢(修改自Duck l es 等. M o l In terv , 2006, 6:26~35)

率远低于男性。而女性绝经后体内雌激素水平仅约为绝经前的1%, 其发生脑卒中等脑血管疾病的机

生理科学进展2010年第41卷第3期#167#

率显著增加。流行病学研究表明雌激素治疗(estro -gen therapy , ET ) 能显著降低或延迟AD 发生, 改善脑的认知功能与行为。越来越多的体内、体外试验提示在氧化应激条件下, 如A B 诱导的神经毒性、谷氨酸兴奋性毒性、线粒体毒素刺激、过氧化氢刺激以及细胞缺糖缺氧培养、动物缺血应激等, 雌激素对脑组织或神经细胞均具有明显的保护作用。目前已有大量关于雌激素神经保护作用的机制研究, 概括而言, 这些作用机制主要包括:(1) 抗氧化应激诱导的神经细胞凋亡, 增强细胞存活力; (2) 增加局部脑血流量, 改善脑血管内皮功能; (3) 抗兴奋性氨基酸毒性; (4) 稳定细胞内C a 水平, 维护细胞内钙稳态; (5) 抑制A B 前体蛋白App 的表达; (6) 调节细胞因子的活性, 抑制炎症反应; (7) 增加神经细胞对葡萄糖的摄取, 调节细胞脂质代谢。此外, 雌激素神经保护作用机制还涉及调节脑内其它激素水平等。

四、雌激素对线粒体功能的调节作用

雌激素的神经保护作用是上述多种机制共同影响的综合结果。近年来越来越多的研究提示雌激素的神经保护作用与线粒体有着密切联系。线粒体有可能是雌激素作用的主要靶标, 在介导雌激素神经保护效应中发挥十分重要的作用。

(一) 雌激素对线粒体ROS 生成的影响 近年来研究结果提示, 雌激素在体内/外实验中均可明显抑制ROS 的生成。Raz m ara 等

[4, 5]2+

[2, 3]

可显著抑制H 2O 2诱导的GS H 耗竭, 提示雌激素可能作为抗氧化物保护细胞的抗氧化防御系统

[2]

。

然而, 在生理学剂量(n M 水平) 下, 雌激素也能降低

神经细胞或脑组织中ROS 的生成。因此, 雌激素对ROS 生成的抑制作用可能还涉及其它机制。Duc k -les 实验室研究表明E 2在10n M 给药剂量下能显著提高脑内皮细胞或脑血管线粒体细胞色素C mRNA 及蛋白的表达

[4~6]

。细胞色素C 表达的增加一方面

可抑制线粒体氧化磷酸化电子传递过程中ROS 的生成, 另一方面细胞色素C 本身也是一种抗氧化剂而降低线粒体内ROS 水平。M nSOD 是存在于线粒体中的自由基清除剂, 体内实验表明E 2可提高脑血管M nSOD 的表达, 提示M nSOD 有可能介导E 2的抗氧化作用。此外, 雌激素对线粒体ROS 的生成的抑制作用也可能与其提高线粒体复合物I V 酶及柠檬酸合酶活性, 增强能量代谢效率有关(Dykens 等. 2003) 。新近研究表明, 在包括一些神经细胞在内的多种高耗能细胞中, 线粒体呼吸链有可能是雌激

[8]

素或雌激素受体发挥作用的重要新靶点。E 2可诱导核呼吸因子-1的表达, 激活线粒体转录因子A 等核编码的线粒体基因表达显著提高, 从而活化线粒体基因组, 提高线粒体效能并促进线粒体新生

[9]

。

研究表明17B -雌

(二) 雌激素对线粒体膜电位的调节作用 线粒体膜电位对于维护细胞内离子稳态, 维持线粒体的ATP 合成等功能均具有十分重要的影响。在某些病理条件下(如脑外伤、脑缺血等), 线粒体内膜可形成仅允许小分子通过的线粒体通透性转运孔(m itochondria l per m eability transition pore , M PTP ) 。M PTP 的形成与开放可使线粒体基质和胞浆内离子得以流动, 从而引起线粒体内膜两侧质子梯度改变, 线粒体膜电位丧失。线粒体膜电位丧失可多方面影响线粒体的功能, 包括引起氧化磷酸化脱耦联、ATP 耗竭, 自由基生成增加等。细胞给予一定浓度的C a 处理可显著诱导线粒体膜电位丧失, 研究表明雌激素可部分甚至完全抑制Ca 诱导的神经细胞线粒体膜电位丧失, 而且雌激素这种保护作用的ED 50值与C a 诱导细胞线粒体膜电位丧失的ED 50值呈高度相关性, 提示雌激素的神经保护作用与稳定线粒体膜电位有着密切关系(Dykens 等. 2003) 。研究表明, 雌激素可明显抑制3-NPA 和H 2O 2诱导的神经细胞线粒体膜电位丧失粒体膜电位下降

[7]

[2]

2+

2+

2+

二醇(E 2) 能显著降低脑内皮细胞和PC12细胞中线

粒体自由基, 提高线粒体效能; 体内实验表明卵巢切除的大鼠给予E 2处理后, 其脑血管线粒体中H 2O 2水平明显下降。S i m pk i n s 实验室研究表明神经细胞给予E 2预处理可明显抑制硝基丙酸(NP A ) 诱导的ROS 生成增加, 降低H 2O 2引起的脂质过氧化等细胞氧化损伤; 然而, E 2对细胞内原有的ROS 水平没有显著影响

[2][6]

。我们最近的研究结果表明, 在脑

血管内皮细胞中, E 2可显著抑制体外模拟缺血应激(细胞氧糖剥夺培养) 诱导的线粒体ROS 生成增加

[7]

。值得注意的是, E 2可有效地预防ROS 的生

成, 但在氧化应激条件下对细胞内已有的自由基却没有很好的清除作用。

雌激素抑制ROS 生成, 抗氧化作用的具体机制目前还不清楚。在药理学给药剂量(L M 水平) 下, 雌激素本身可以通过基于对苯二酚的氧化还原反应而作为一种抗氧化剂。细胞本身都具有完整的抗氧化防御系统以清除细胞内过多的自由基, 其中GSH 是细胞内一种主要的抗氧化物。研究表明, 雌激素

。在脑血管内皮

细胞中, E 2可明显抑制体外模拟缺血应激诱导的线

。ROS 攻击线粒体内膜是促使

#168#生理科学进展2010年第41卷第3期

M PTP 开放的重要原因, 因此推测雌激素对线粒体膜电位的影响可能与其降低线粒体ROS 水平有关, 但具体机制还有待于进一步深入研究。

(三) 雌激素对ATP 生成的影响 在氧化应激条件下, 线粒体酶活性受到抑制进而引起ATP 合成受阻, 最终引起ATP 耗竭。ATP 耗竭在许多衰老相关的神经系统疾病中均可观察到, 特别是包括AD

[10]

在内的神经退行性疾病。B riton 等研究表明, 在原代培养的神经细胞中, E 2可增加ATP 合酶F1a 和F1b 的表达, 增强与氧化磷酸化电子转移相关蛋白的生物学活性及其表达, 改善脑内葡萄糖代谢, 从而增加ATP 的合成。线粒体复合物I V 是调控氧化磷酸化电子转移的限速酶, 其表达下降是AD 发生早期的一个重要标志。体内实验研究表明, E 2可明显增加海马、脑血管, 以及其它脑组织中线粒体复合物

[2, 6]

I V 的表达及其活性。另一方面, 雌激素还可与ATP 水解酶结合而抑制ATP 解离。体外研究表明, E 2能迅速与F0/F1ATP 酶结合并抑制其活性, 从而减少ATP 的水解(Zheng 等. 1999) 。3-NPA 是一种经典的琥珀酸脱氢酶, 它能显著抑制线粒体复合物II 酶活性, 呈时间-剂量依赖性地使细胞ATP 水平降低。神经细胞给予E 2预处理能显著抑制3-NP A 诱导的ATP 水平下降, E 2本身对细胞内ATP 生成没有影响

[2]

胎神经元细胞给予具有兴奋性毒性的高浓度谷氨酸

2+

刺激条件下, 经胞内Ca 动力学分析表明E 2可抑制胞外C a 内流、增加线粒体对Ca 的螯合同时增强线粒体蛋白B c-l 2的表达, 以降低胞浆中Ca 浓度而维持钙稳态平衡。线粒体内C a 螯合增加可激活线粒体内的某些脱氢酶从而增加ATP 的合成(N ilsen 等. 2003) 。类似地, E 2的异构体17A -雌二醇可有效抑制体外模拟缺血应激引起的细胞钙稳态失调(Mo ri n 等. 2002) 。研究表明, E 2可剂量依赖地抑制3-NP A 以及H 2O 2诱导的胞浆Ca 增加, 稳定线粒体内Ca 水平

2+

[2]

2+2+

2+

2+

2+

。值得注意的是, 在A B 1~42诱

导的神经细胞损伤模型中, 细胞必须给予E 2预处理一定的时间(>24小时) 而且在细胞给予A B 1~42刺激期间持续暴露, 这样才能有效抑制A B 1~42诱导的钙稳态失调。如果细胞仅在A B 1~42刺激期间给予E 2处理, E 2不但不能抑制, 相反地加剧细胞钙稳态失调。而且仅低浓度的E 2(10n M ) 才能有效抑制A B 1~42诱导的神经细胞钙稳态失调, 高浓度的E 2没有作用

[14]

。这些现象提示了E 2对钙信号调节的基

因组机制。

五、雌激素受体(estrogen receptor , ER ) 与雌激素的神经保护作用

大量研究表明, 雌激素可通过ER 依赖或ER 非依赖的途径介导其生物学效应。雌激素与ER 结合后, 经过一系列的生物学反应激活核雌激素反应基因, 即通过基因组机制来发挥作用。Bcl 家族蛋白是位于线粒体膜上的一类重要抗细胞凋亡蛋白。雌激素可通过基因组机制上调Bc-l 2、Bc-l XL 以及Bc-l w 等线粒体蛋白的表达, 从而抑制A B 、H 2O 2和缺血应激等诱导的神经细胞或脑组织损伤

[2, 14]

。类似地, 在A B 1~42、H 2O 2以及体外模拟

[2, 7, 11]

缺血应激诱导的神经细胞损伤模型中, E 2预处理也能显著抑制细胞ATP 耗竭

。此外, 体内实验

[12]

表明在E 2处理的大鼠脑组织中, 线粒体琥珀酸脱氢酶的活性, 提示线粒体ATP 合成能力增强。

(四) 雌激素对细胞钙稳态的调节 长期以来研究认为, Ca 作为一种第二信使对神经细胞功能具有重要调节作用, 包括突触可塑性、信号转导、细胞存活、生长与死亡调控等。生理条件下, 线粒体内Ca 浓度远远高于胞浆Ca 浓度; 病理条件下, 线粒体能量代谢破坏, 内膜受损, M PTP 开放, 有可能引起线粒体内Ca 外流而破坏细胞内钙稳态。近年研究表明, 雌激素可直接或间接地影响细胞内2+

Ca 水平。E 2可迅速激活磷脂酰肌醇(PI)-3激酶介导的信号途径, 通过调控L 型钙通道以促进C a

[13]

内流并反过来激活Src /ERK/CREB 级联反应。雌激素诱导的这种钙依赖性信号转导对于增强学习与记忆功能以及神经系统防御功能具有重要意义。

细胞给予低浓度的谷氨酸刺激后, 雌激素可增加Ca 内流以维持细胞内钙稳态, 这一作用可能与雌激素结合NMDA 受体而增强记忆功能有关。胚

2+

2+

2+

2+

2+

2+

。此外,

雌激素也可以不通过细胞核效应而快速启动系列生物学反应, 即通过非基因组机制来发挥作用。如在病理条件下, 雌激素可迅速活化MAPK s 以及PI3K /Akt 介导的信号途径, 从而减轻A B 的神经毒性或缺血性脑损伤。越来越多的研究趋于认同, 在生理剂量下雌激素介导的神经保护作用呈ER 依赖性, 而药理学剂量下发挥的作用多呈ER 非依赖性。

ER A 和ER B 是两种最为常见的ER 。ER A 和ER B 均属于细胞核转录因子, 分别由不同的基因编码, 其蛋白序列及生物学功能均有所不同。ER A 和ER B 主要分布在细胞核, 但近年人们采用免疫组织化学、免疫细胞化学、免疫印迹以及蛋白质组学等研究方法发现, ER A 和ER B 在神经细胞及其它细胞线

生理科学进展2010年第41卷第3期#169#

粒体中也有分布, 并有可能介导重要的生物学作[15]

用。研究表明, ER A 和ER B 可调节多种由细胞核DNA 或线粒体DNA 编码的线粒体蛋白。在缺血应激诱导的脑损伤小鼠模型中, 脑损伤早期可见皮层中ER A mRNA 和蛋白水平明显上调, 而ER B 表达改变仅表现为脑损伤后期出现下调, 雌激素预处理可明显抑制ER A 和ER B 表达改变并减轻脑损伤(Duba l 等. 2006) 。分别应用ER A 敲除小鼠和ER B 敲除小鼠研究表明, ER A 缺失条件下雌激素的神经保护作用完全消失, 但ER B 缺失对雌激素的神经保护作用则几乎没有影响(Duba l 等. 2001) 。应用脑血管内皮细胞研究表明, 敲降ER A 可显著降低E 2介导的线粒体细胞色素C 表达增加, 而敲降ER B 则对E 2介导的线粒体细胞色素C 表达上调没有明显影响

[6]

一步认识神经系统疾病发生与发展机制, 开发预防和/或治疗这些疾病的相关药物仍具有十分重要的科学意义和实际应用价值。这包括研究开发神经保护作用与雌激素相当而副作用小的雌激素类似物, 选择性雌激素受体调节剂等, 从而有可能为临床上AD 以及脑卒中等神经系统疾病的预防与治疗, 提供新的策略和思路。

参

考

文

献

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。此外, ER A 选择性激动剂PPT 可以模拟E 2

作用抑制线粒体ROS 的生成, 而ER B 选择性激动剂DPN 没有类似作用。这些研究提示ER A 可能在

雌激素介导的神经保护作用中可能发挥更为重要的作用。也有许多研究提示, ER B 可作为一种线粒体转录因子而参与雌激素介导的神经保护作用。线粒体中ER B 所调节的基因多为与氧化磷酸化相关的线粒体结构蛋白, Y ang 等

[16]

研究表明, 在海马细胞

系和原代培养的海马神经元细胞中, 敲降ER B 表达可抑制H 2O 2诱导的线粒体膜电位改变和ATP 下降, 并减少线粒体氧自由基的形成, 提示ER B 表达下调有可能增强神经细胞对氧化应激的抵抗能力。在不同细胞或组织中, ER A 和ER B 所发挥的作用也可能有所不同。

六、结语与展望

线粒体功能紊乱是神经细胞坏死或凋亡的重要诱因, 在神经系统疾病的发生与发展过程中具有举足轻重的作用。雌激素是一种多效应激素, 在生殖系统、心血管系统以及神经系统均可能发挥重要的调节作用。在神经系统中, 雌激素可有效降低AD 和中风等疾病的发生, 减轻疾病对神经系统的损伤, 提高患者生活质量。线粒体有可能是雌激素神经保护作用的重要靶标, 与雌激素神经保护作用有着密切联系。雌激素可改善葡萄糖代谢, 保护线粒体ATP 合成功能并抑制ROS 生成, 维持线粒体膜电位以及细胞内钙稳态, 从而抑制或减轻氧化应激诱导的神经细胞凋亡或坏死, 有效保护神经细胞和组织。尽管目前临床上对于雌激素的应用还存在较大争议, 但研究探讨雌激素神经保护作用的靶点(包括线粒体以及线粒体外的亚细胞器、分子等) 对于进

#170#生理科学进展2010年第41卷第3期

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2+

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Lepti n 可抑制肝基础代谢水平

Lepti n 是一种由脂肪细胞分泌的激素, 调节摄食行为和能量代谢。Leptin 缺陷的ob /ob小鼠易发生肥胖, 且这种肥胖可被外源性给予的leptin 逆转。以往研究显示, lepti n 可通过减少能量摄入和增大能量消耗两方面改善ob /ob小鼠的肥胖状态。Lepti n 对能量摄入的抑制主要通过减少摄食行为完成, 但leptin 增大体内能量消耗的具体机制至今未明。有研究证明, leptin 可增加基础体温从而增大能量消耗, 但这只能解释leptin 在能量代谢调节中的部分作用。许多研究都提示肝脏在这一过程中发挥重要作用。鉴于此, Jeffrey Friedm an 等对于ob /ob小鼠肝脏的能量代谢状态进行了研究。

研究人员对ob /ob小鼠原代肝细胞进行lepti n 刺激, 他们惊异地发现, 小鼠肝细胞在接受l e pti n 处理后, 基础代谢率非但没有如预想中增加, 反而出现下降; 且电镜观察结果显示在leptin 刺激后, ob /ob小鼠肝细胞线粒体体积密度(m itochondria lvo l u m e density) 也明显下降, 仅为生理盐水对照组的63%(0. 154/0.245) 。为了分析这一改变发生的机制, 研究人员采用模块动力学分析技术(m odu l a r k i n e tic analysis), 对肝细胞线粒体氧化代谢过程中磷酸化、底物氧化和质子迁移三个系统分别进行独立研究。结果显示, ob /ob小鼠底物氧化相对于正常小鼠显著增加, 且这种效应可被外源给予的lepti n 部分逆转, 而磷酸化和质子迁移系统并没有发生明显变化。这一结果表明lepti n 主要通过抑制底物氧化过程而抑制肝线粒体的代谢功能。为了进一步探讨蛋白质水平的相应变化, 接下来研究人员利用蛋白质组学技术对肝线粒体蛋白进行了分析。结果显示线粒体底物氧化系统相关蛋白细胞色素氧化酶V Ia 亚基、I V 亚基及NADH 脱氢酶亚基5的表达随血浆lep ti n 水平发生显著变化。相对于正常小鼠, ob /ob小鼠的细胞色素氧化酶V Ia 亚基表达增加1. 23倍, 线粒体NADH 脱氢酶亚基5增加1. 53倍; 而当给予ob /ob小鼠注射leptin 后, 细胞色素氧化酶V Ia 亚基、I V 亚基和NADH 脱氢酶亚基5分别下降至给药前的81%、83%、77%。另外, 研究人员还发现ELOVL5在给予lep ti n 时表达也显著降低。ELOVL5位于内质网, 可延伸长链脂肪酸, 这一结果与leptin 降低肝脏内脂质堆积, 增加脂质外运的作用相一致。

上述研究结果表明, leptin 可以通过降低线粒体体积密度, 抑制三种线粒体底物氧化系统相关蛋白的表达, 实现其对ob /ob小鼠肝脏代谢水平的抑制作用。这些结果提示, leptin 可能通过降低肝脏自身代谢与脂质堆积而使脂质转运至其他组织进行代谢。研究人员认为, 心肌和骨骼肌可能是两个氧化肝脏外运脂质的主要组织, 在lepti n 介导的机体能量消耗增大中发挥重要作用。但这一假设还需进一步实验验证。以上研究结果有助于阐明肝脏在leptin 介导的机体代谢变化中所发挥的作用, 为进一步揭示lepti n 增大体内能量消耗的具体机制提供了新的思路。

(P roc N atlA cad Sc iU S A, 2009, 106:13100~13105)

(吕 盈)