糖尿病的发病机制及研究进展 [ＪＡＫ／ＳＴＡＴｓ通路与肥胖发病机制的研究进展]

　　周增丁1综述，李小林2 巫国辉2审校 　　 　　[摘要]瘦素(leptin)是一种由肥胖基因(obese gene，ob基因)编码、由白色脂肪组织合成和分泌的蛋白质，与肥胖的发病密切相关。leptin主要通过Janus激酶/信号转导及转录激活子通路(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription pathway，JAK/STATs通路)参与体脂代谢、机体摄食，能够有效抑制肥胖的产生。然而近来研究发现在肥胖个体中普遍存在着leptin抵抗、血液中高leptin表达；leptin并不能发挥体脂调控作用。其失活机制还不是十分清楚，研究表明JAK/STATs通路异常与机体内leptin失活存在密切关系。本文就肥胖与JAK/STATs通路的关系进行综述。
　　[关键词]leptin；leptin抵抗；肥胖；JAK/STATs通路
　　[中图分类号]Q813.1[文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2009）02-0271-04
　　
　　Progress on JAK/STATs pathway and pathogenesis of obesity
　　ZHOU Zeng-ding1,LI Xiao-lin2,WU Guo-hui2
　　(1. Medical college of nanchang university,Nanchang 330006,Jiangxi,China;2.Department of Plastic and maxillofacial Surgery, Jiangxi Provincial People"s Hospital, Nanchang 330006, Jiangxi, China)
　　
　　Abstract：Leptin is a protein encoded by obese gene(ob gene),mainly synthesised and secreted by white adipose tissue,and it is closely related to the incidence of obesity.Primarily using the Janus kinase /signal transducer and activator of transcription pathway(JAK/STATs pathway)to involve in fat metabolismfood intake and can effectively suppress the emergence of obesity. However, recent study found that obese individuals are in the prevalence of leptin resistance and high blood leptin expression;leptin does not play a role in regulating body fat.The mechanism is not very clear, some studies showed that it was a close relationship between JAK/STATs pathway abnormal and leptininactivation.This article on obesity caused by leptin resistence and JAK/STATs pathway relations were reviewed.
　　Key words: leptin;leptin resistence;obesity;JAK/STATs pathway
　　
　　进入新世纪以来，肥胖年轻化趋势越来越明显，研究已经证实肥胖会提高心脑血管疾病、糖尿病等的发病率和死亡率[1]。了解肥胖的发病机理以及如何有效的控制肥胖的产生成为当前刻不容缓需要解决的问题。leptin的发现开创了肥胖认识和控制的新纪元；十几年来，人们对leptin以及leptin抵抗、JAK/STATs通道的认识不断深入，为肥胖研究及临床防治指明了崭新方向。
　　
　　1leptin
　　1.1 leptin结构、分泌及表达调控：leptin是由ob基因编码的一种分子量为16KD的分泌型蛋白质,由167个氨基酸残基组成。其主要由白色脂肪组织合成和分泌。leptin分泌具有节律变化，在午夜和凌晨最高，中午至下午最低，但肥胖者昼间leptin变化较弱而且搏动衰弱。在分泌入血过程中，去除了其中由21个氨基酸组成的N末端肽，形成了成熟的leptin，具有强亲水性,以单体形式存在于血浆中[2]。
　　1.2 体内影响leptin的分泌和表达的因素复杂，主要包括体脂含量（主要是皮下脂肪含量），能量摄入的改变（禁食或过饱食），睡眠，体温，性别，自身的昼夜节律性；其他激素如胰岛素、生长激素、糖皮质激素、睾酮和甲状腺激素等和leptin具有相互促进分泌[3]。Wellhoener等[4]的研究结果表明，机体的葡萄糖代谢状况是决定leptin表达和分泌的主要因素。
　　1.3 leptin的能量代谢生物学作用：leptin作为一种激素,具有广泛的生物学作用：抑制摄食,促进能量消耗,调节代谢,影响激素分泌、生殖、免疫和创伤后血管增生等[5],其中leptin对于机体能量代谢的调控作用在肥胖研究中倍受关注。Llona等[6]报道，动物体内leptin增多，可诱导下丘脑弓状核中前阿黑皮素表达，促黑皮素类递质分泌增加，通过下丘脑含促黑皮素受体的神经元，减少进食，使脂肪组织减少，继而leptin水平降低，这样构成一个反馈调节环。Jequier E[7]证实leptin可以直接作用下丘脑神经元细胞，刺激厌食蛋白如a-MSH(alpha-melanocyte-stimulating hormone)和CART(cocaine and amphetamine-regulated transcript)产生，限制增食蛋白如NPY(neuropeptide Y)和AGRP(agouti-related peptide)的产生;也可以作用外周促进脂肪酸氧化以及胰岛素分泌，增强胰岛素活性，能够有效的减少脂肪生成和蓄积，促进能量消耗；而外周作用主要是和leptin受体结合后实现。
　　
　　2leptin受体
　　leptin通过与定位在中枢和外周多种组织的多种形式的leptin受体(lep-R)结合发挥生物学效应。lep-R是一种跨膜受体, 属于Ⅰ类细胞因子受体家族,JAK-STAT是其主要的信号传导途径[8]。由于lep-R和mRNA剪接的多样性,体内至少有5种不同拼接形式(a、b、c、d、e及其他) 。据细胞内位点的不同lep-R可分为长型(lep-Rl)和短型(lep-Rs) 2 种。其中只有lep-Rb属于长受体, 为功能受体,具有信号转导功能,其它的均为短受体,短受体中的lep-Ra在脉络丛表达量最高,可能与leptin由血入脑的转运有关。其他形式的短受体在各组织器官中有不同水平表达,可能与leptin自血循环清除有关,也可能介导leptin的外周作用。受体分布广泛,主要分布在中枢神经系统尤其是下丘脑,许多外周组织如肝、肾、甲状腺、肾上腺和脂肪组织等均有lep-R基因的表达[9]。研究发现直接将leptin注入Sprague-Dawley(SD)大鼠的大脑能够明显减少食物摄入和体脂量[10]。而在大鼠外周组织注入leptin也能减少体重和体脂，并且这种效应不需明显减少食物摄入即可实现[11]。通过外周给予leptin所引起的效应，可能一部分是由于leptin穿过血脑屏障，然后作用于中枢leptin受体来控制食物摄入和能量代谢；但部分可能依赖于外周组织leptin受体的激活。通过对脂肪细胞代谢的研究发现：leptin在体内、体外均能刺激脂肪组织的脂解作用，并能刺激脂肪酸氧化和抑制由胰岛素介导的脂肪形成。体外实验表明leptin可能直接活化脂肪组织的leptin受体；在体内，leptin可能直接的或通过释放另一因子或激活交感神经系统间接的刺激脂解作用。leptin除了通过增加脂肪分解、脂肪酸氧化及减少胰岛素介导的脂肪形成来减小成熟脂肪细胞的大小，还可以通过减少前脂肪细胞向脂肪细胞分化进而控制个体肥胖产生。
　　
　　3肥胖与leptin
　　目前认为,leptin主要是通过3条途径调节机体脂肪的代谢,减轻体重：①抑制食欲,减少能量摄取；②增加能量消耗；③抑制脂肪合成,促进脂肪分解。前两条途径主要是通过leptin与其下丘脑的受体结合发挥其中枢作用而实现的。随着lep-R被发现广泛分布在外周脂肪组织,使人们推测leptin可能有外周直接生理作用, 后一途径就可能与它的外周作用有关。在病理情况下,由leptin水平降低或机体leptin抵抗所产生的leptin相对不足,则使机体表现为食欲旺盛、过度摄食而导致肥胖。
　　
　　4肥胖与leptin抵抗
　　leptin功能紊乱与肥胖关系密切，而人类的leptin功能紊乱主要表现为机体对leptin产生抵抗。leptin抵抗是指机体组织对leptin的调节作用不敏感或无反应[12-13]。Correia ML等[13]报道人类肥胖者以高leptin血症和leptin抵抗为其特征，增加肥胖者机体对leptin的敏感性是控制和治疗肥胖的关键所在。深入了解leptin抵抗的本质对肥胖的防治有重要意义,目前可从以下几个方面来考虑：①leptin由血液向中枢的转运系统障碍或者是血脑屏障对leptin的通透代偿性降低,使脑脊液中leptin水平明显低于血液；②lep-R基因多态性,lep-R或受体后缺陷的存在,使leptin无法对靶组织发挥作用或者血循环中存在leptin抗体或拮抗物或某种结合物,拮抗或减弱了leptin的生物活性；③leptin分泌昼夜节律及脉冲频率的变化，一般认为有节律波动的血leptin水平有利于其通过血脑屏障并保持受体的敏感性,而紊乱的leptin分泌节律及缓慢的脉冲频率则易引起leptin抵抗；④衰老相关的leptin抵抗。伴随衰老,leptin的下游分子STAT3的活性逐渐减弱,造成leptin敏感性逐渐降低[14]；⑤下丘脑中lep-R信号传导途径JAK/STATs通路缺陷。Ahima Rs等[3]发现由leptin诱导的细胞因子抑制信号子(SOCS-3)可阻断lep-R JAK/STAT信号传导通路。当肥胖机体体内leptin水平升高到一定程度，就会诱导SOCS-3阻断lep-R信号传导通路导致leptin抵抗进而致使机体肥胖产生；肥胖又可加重瘦素抵抗，形成恶性循环[15]。
　　5肥胖与JAK/STATs通路
　　5.1 JAK/STATs通路：JAK/STATs信号转导通路具有广泛的生理和生物学作用，包括生长、发育、肿瘤生成和机体免疫等，近年来在不少研究leptin对肥胖影响过程中，发现活化JAK/STATs信号通路是其关键环节[16]；从而认识到JAK/STATs通路是leptin作用于脂肪细胞和组织重要的一环，为我们研究减肥找到了又一重要突破口。
　　5.1.1 JAK/STATs的活化、转位及分类：细胞因子受体是介导细胞因子生物学功能的第一效应体。细胞因子属于一种分泌蛋白，它与受体结合后引起受体交联寡聚化，从而使结构性结合在受体上的JAK相互靠近形成同二聚体或异二聚体，二聚体的JAK彼此籍磷酸化而相互活化。活化的JAK可使受体酪氨酸残基磷酸化，JAK和受体上磷酸化酪氨酸残基成为STAT的锚定点。受体激活后，STAT通过Scr同源区2（Scr homology-2，SH2）锚着在锚定点上继而被磷酸化。磷酸化的STAT随后形成同二聚体或异二聚体并从受体和JAK上脱落，二聚体的STAT暴露出核定位信号并迅速转位到核内。作为转录因子的STAT在核内与DNA序列结合而调控基因的转录活性。
　　JAK激酶分为四类：JAK1、JAK2、JAK3和Tyk2。JAK家族最明显的特征是在 C端有2个功能区和5个同源区，共7个高度保守的结构域(JAKhomology domains ,JH)。研究已证实[17],在细胞因子与受体结合后,JAK与受体相互作用,使后者磷酸化,参与信号传递。哺乳动物STAT是一种能与DNA结合的蛋白家族，由STAT1、 STAT2 、STAT3 、STAT4 、STAT5a、STAT5b和STAT6七种蛋白组成[18]。STAT分子大约有750～850个氨基酸，分子量84～113KD。它含有以下几个功能域：①SH2功能域，它介导STAT与活化受体的酪氨酸残基相结合；②C末端，为转录激活功能域，其中磷酸化丝氨酸决定STAT的核转位，N末端参与DNA结合；③DNA结合区；④酪氨酸磷酸化位点，位于所有STAT 701位氨基酸上。
　　5.1.2 JAK-STATs的调控：研究证实，JAK-STAT通路参与了多种细胞生物学反应过程，其中包括leptin对脂肪细胞及组织的生物效应，在肥胖研究中了解并掌握JAK-STAT通路的调控机制非常必要。目前人们已认识到，JAK-STAT的调节过程有多种机制共同参与，包括JAK-STAT的自身负反馈物质如细胞因子信号转导抑制因子(SOCS)、CIS（cytokine-inducible SH2 containing protein）和蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosinephosphatase,PTP）的去磷酸化作用等。肥胖研究主要关注SOCS-3对JAK/STATs通路的调节作用。到目前为止，人们发现SOCS家族成员共八个：CIS、SOCS-1～7。它们具有长短和序列各自不同的N-末端、基本一致的中心SH2结构域和保守的C-末端或“SOCS”盒。SOCS盒是一个由40个氨基酸组成的、在所有SOCS家族中高度保守一致的共有序列。关于SOCS盒的确切功能还未完全明了，一般认为它可能影响SOCS蛋白的稳定性。SOCS-3最初被作为IL-6所诱发的信号通路抑制剂克隆出来的。SOCS-3虽然与JAK2有较低的亲和力，但不具有抑制JAK1和JAK2的功能。SOCS-3似乎多是通过与活化的细胞因子受体结合来发挥对信号通路的抑制作用。尽管SOCS-3也可与受体结合，但似乎同STAT5不具有竞争性。对SOCS-3来说，与受体和JAK的双重作用才能发挥它对信号的抑制功能。SOCS-3对leptin信号发挥重要的调控效应，在肥胖SD大鼠脂肪组织中SOCS-3 mRNA表达均显著升高，其改变可能与leptin的刺激作用有关。Banks 等[19]证实SOCS-3 mRNA的表达有赖于lep-Rl 胞内段的磷酸化Try1138 所介导的STAT3的活化,说明leptin诱导SOCS-3 的表达需要通过JAK/STAT通路的参与。Ribiere C等[20]发现SOCS-3可以由leptin诱导产生,该过程需要JAK/STAT 通路的参与,而诱导产生的SOCS-3转而对JAK/STAT通路发挥抑制作用,说明SOCS-3是leptin受体后JAK/STAT信号转导通路的负反馈性调节因子，SOCS-3 通过与JAK2 结合而抑制了JAK2的酪氨酸激酶活性,从而抑制了leptin受体后的JAK/STAT信号转导通路。
　　5.2 肥胖和JAK/STATs通路：leptin作为一种分泌型蛋白质，其作用通过lep-R介导；lep-R 主要通过激活JAK/STAT通路调节靶基因的表达而发挥生理作用[21]。其作用的一般过程是：leptin与其受体的结合引起受体的二聚化,使与受体结合的JAK相互靠近并发生交互磷酸化而使JAK活化,活化的JAK使受体胞质内段的特定酪氨酸残基磷酸化, 为STAT提供锚着位点。STAT与受体胞内段结合后在JAK催化下发生酪氨酸磷酸化而被活化,活化的STAT与受体分离并发生同或异二聚化，STAT二聚体转位至细胞核内,与靶基因启动子中的STAT 反应元件结合,从而启动靶基因的转录。研究发现肥胖与JAK/STATs通路异常存在着一定的联系。现在研究证实leptin的结构与细胞因子相似，与其受体结合后，主要通过激活JAK/STATs通路发挥作用。当JAK/STATs通路活性下降、失活或者调节异常都会导致leptin不能够有效地发挥其生理作用，形成leptin抵抗；反馈引起机体代偿性分泌更高浓度leptin入血参与激活JAK/STATs通路。JAK/STATs通路异常引起的leptin抵抗进一步抑制leptin发挥作用，最后就形成了高leptin血症、leptin抵抗与机体肥胖并存局面。
　　
　　6展望
　　本文通过对leptin抵抗相关性肥胖与JAK/STATs通路关系的回顾，发现JAK/STATs通路与肥胖具有密切关联。JAK/STATs通路不仅本身介导肥胖的产生，而且许多通路调控因子也参与其中。目前对于两者之间关联有所了解，然而还有更加错综复杂的反馈调节机制有待阐明和研究确定。进一步研究和理解JAK/STATs通路及其调控机制在肥胖发病中的作用和意义，将为我们更加有效控制肥胖拓宽新领域。
　　
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　　[收稿日期]2008-09-15[修回日期]2009-1-8
　　编辑/张惠娟