胡 艷,李慧芳,趙茹茜

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部動(dòng)物生理生化重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210095;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所家禽遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇揚(yáng)州 225003)

通過(guò)比較20世紀(jì)初出生的體重輕的嬰兒和體重正常的嬰兒成年后的發(fā)病率,Barker和Osmond提出了著名的“Barker假說(shuō)”,即“成年疾病的胎兒起源”,自此開(kāi)辟了代謝程序化研究的先河。目前營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病如肥胖、心血管疾病的代謝程序化已成為當(dāng)今世界生命科學(xué)研究的前沿。迄今一系列流行病學(xué)調(diào)查、臨床證據(jù)和動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)胎兒和新生兒的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境與成年后脂肪組織數(shù)量和分布之間存在相關(guān)性,而許多激素,包括糖皮質(zhì)激素、胰島素和leptin等參與介導(dǎo)這種程序化作用。本文就動(dòng)物脂肪沉積的代謝程序化及l(fā)eptin的介導(dǎo)作用進(jìn)行了討論。

1 脂肪沉積的程序化

1.1 現(xiàn)象與假說(shuō)

動(dòng)物體內(nèi)存在一個(gè)復(fù)雜的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng),能將能量貯存和消耗之間的平衡維持在最佳水平。正常情況下,動(dòng)物的體重和體脂含量保持著相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);如果體內(nèi)脂肪的貯存超過(guò)一定的限度,則在生理上表現(xiàn)為肥胖。體質(zhì)指數(shù)(body mass index,BMI)是目前用來(lái)反映人體脂沉積狀況最主要的衡量參數(shù),它定義為體重(kg)對(duì)身高(m)平方的比值(kg/m2)。BMI在25～30之間被視為輕度肥胖,30～35之間為中度肥胖,超過(guò)35則被視為重度肥胖。

從臨床角度來(lái)看,肥胖是一種病理現(xiàn)象,是體重穩(wěn)態(tài)的調(diào)定點(diǎn)發(fā)生改變,屬于脂肪代謝障礙。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境因素是導(dǎo)致動(dòng)物肥胖發(fā)生的原因之一[1]。學(xué)者們認(rèn)為動(dòng)物在生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期或敏感時(shí)期,受到環(huán)境因素干涉,為了適應(yīng)環(huán)境的變化,參與脂肪代謝的組織器官在結(jié)構(gòu)和生理生化功能等方面發(fā)生改變;而這種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)可能導(dǎo)致這些重要組織器官發(fā)生器質(zhì)性的永久性改變,機(jī)體表現(xiàn)出脂肪代謝異常;并且這種異?？梢员恢T多后天的環(huán)境因素放大,從而加速和加劇病情的發(fā)展過(guò)程,最終導(dǎo)致機(jī)體成年肥胖癥[2]。這個(gè)發(fā)生的過(guò)程就被稱作“脂肪沉積的代謝程序化”或“肥胖的代謝程序化”。

人類流行病學(xué)研究結(jié)果顯示,人類兒童期和成年期的體重與肥胖呈正相關(guān)。然而,出生重和成年后體脂指數(shù)之間并不呈正相關(guān),出生重過(guò)高和過(guò)低均易發(fā)生肥胖[3-4]。成年人體重指數(shù)和出生重之間僅有弱的正性相關(guān),相反卻在很大程度上與母親的體重相關(guān),也就是說(shuō)體重大的母親產(chǎn)出體重大的嬰兒,而該嬰兒在成年時(shí)表現(xiàn)較高的BMI。一般認(rèn)為,出生時(shí)較小的嬰兒成年后BMI要比出生時(shí)較大的嬰兒低,而大量證據(jù)表明,這些個(gè)體反而更容易發(fā)生肥胖,表現(xiàn)為青春期和成年期肌肉量的顯著減少和體脂含量的顯著增加[5-6]。Parsons等研究也表明,出生時(shí)較輕較瘦的嬰兒在兒童期生長(zhǎng)速度快,成年期更易發(fā)生肥胖。

既然出生重和肥胖的發(fā)生有關(guān),由于胚胎生長(zhǎng)依賴于懷孕母親營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng),那么母親營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的改變就可能是程序化導(dǎo)致后代兒童期和成年期肥胖的環(huán)境因素之一。

1.2 母體營(yíng)養(yǎng)和肥胖的代謝程序化

機(jī)體在生命早期的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)(包括不同營(yíng)養(yǎng)水平和組成成分)和生活方式(包括攝取不同營(yíng)養(yǎng)的時(shí)間和周期的改變)可以通過(guò)持續(xù)地影響B(tài)MI指數(shù)的調(diào)定點(diǎn),對(duì)肥胖的發(fā)生產(chǎn)生持續(xù)一生的程序化影響。

1.2.1 母源性營(yíng)養(yǎng)不良 出生前母體蛋白[7-8]、能量[9]和維生素[10]等的缺乏,都可能程序化導(dǎo)致成年后肥胖。母體蛋白限制50%的情況下,嚙齒類動(dòng)物后代出生重降低,隨后表現(xiàn)出補(bǔ)償性生長(zhǎng),第7天時(shí)體重就超過(guò)對(duì)照組的后代;而且斷奶后食欲旺盛,在斷奶后如果給以高風(fēng)味食物時(shí),體重的增長(zhǎng)更會(huì)極顯著超過(guò)對(duì)照組的后代。Vickers等發(fā)現(xiàn)大鼠懷孕期間受到能量限制,會(huì)導(dǎo)致后代出現(xiàn)同樣的表現(xiàn)。母鼠在孕期維生素限制50%,對(duì)大鼠后代的出生重沒(méi)有影響,但是斷奶后仔鼠體重降低,隨后發(fā)生補(bǔ)償性生長(zhǎng),100日齡時(shí)體重超過(guò)對(duì)照組。

母體營(yíng)養(yǎng)限制的時(shí)間、周期的不同對(duì)后代體脂代謝程序化的影響不一樣。Greenwood P L等[11]發(fā)現(xiàn),低出生重的羔羊與高出生重的羔羊相比,擁有相對(duì)高的體脂率;在胎盤快速生長(zhǎng)期(即懷孕28 d～80 d),給予母羊營(yíng)養(yǎng)限制,其胎羊的脂肪沉積也同樣增加;而母羊懷孕后期給予營(yíng)養(yǎng)限制,其羔羊體脂指數(shù)不受影響[12],提示營(yíng)養(yǎng)限制的時(shí)間和周期對(duì)子代體脂比例的程序化改變是至關(guān)重要的。

母體營(yíng)養(yǎng)限制強(qiáng)度的不同同樣對(duì)后代體脂代謝程序化產(chǎn)生不一樣的影響。當(dāng)大鼠在懷孕后前2周給予低營(yíng)養(yǎng)而第3周恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)時(shí),雄性后代在飼喂高脂日糧時(shí)食欲和肥胖程度均顯著增加。在整個(gè)懷孕期大鼠母體限制30%營(yíng)養(yǎng)攝入,雖然后代出生后一直表現(xiàn)較低體重,但是100日齡時(shí)腹脂的相對(duì)重量會(huì)增加。低營(yíng)養(yǎng)大鼠的后代出生后由正常飼喂母鼠哺乳,表現(xiàn)早期食物攝入量增加,而且食欲隨著年齡的增長(zhǎng)而持續(xù)增加,并且會(huì)由于出生后給予高熱量的營(yíng)養(yǎng)而表現(xiàn)更強(qiáng)。

1.2.2 母源性營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩 相對(duì)而言,妊娠期和泌乳期母源性營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩對(duì)子代肥胖產(chǎn)生程序性影響的研究為數(shù)不多,并且效應(yīng)也不一致[13]。Guo和Jen報(bào)道,在懷孕期和泌乳期給母鼠飼喂高脂日糧,對(duì)后代小鼠的出生體重沒(méi)有影響,但會(huì)導(dǎo)致斷奶后的體重、體脂重、肝臟重、肝臟脂含量和血液中葡萄糖、TG水平增加。Ferezou-Viala J等[14]發(fā)現(xiàn),懷孕前期和泌乳期給母鼠飼喂高脂日糧,后代小鼠的出生重顯著降低,其雄性后代斷奶后持續(xù)飼喂高脂肪日糧至6月齡,雖然表現(xiàn)出持續(xù)的體重增長(zhǎng),伴隨總體能量攝入的增加,而體脂含量無(wú)顯著變化,提示母體高脂營(yíng)養(yǎng)環(huán)境使得后代對(duì)高脂日糧產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng),而且這種程序化影響會(huì)遺傳到下一代。

1.3 肥胖程序化的可能機(jī)制

肥胖的程序化可能涉及生命早期維持脂肪代謝的一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)通路功能的永久性改變。簡(jiǎn)而言之,肥胖是能量攝取超過(guò)能量消耗造成的能量平衡紊亂,參與的調(diào)節(jié)通路涉及攝食調(diào)控和能量消耗,其中包括相關(guān)組織器官的代謝模式和內(nèi)分泌活性等。

生命早期的營(yíng)養(yǎng)經(jīng)歷,對(duì)于子代調(diào)節(jié)能量平衡的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的發(fā)育存在潛在的影響。母源性激素作為傳遞母源環(huán)境信息的媒介,在子代生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中扮演著十分重要的角色,例如性腺激素、糖皮質(zhì)激素和促生長(zhǎng)類激素等[15]。母體適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中產(chǎn)生的這些激素水平的波動(dòng)就成為一種母仔信號(hào)傳遞的介質(zhì),在子代胚胎發(fā)育過(guò)程中得到放大,影響一些關(guān)鍵調(diào)節(jié)通路的發(fā)育和“調(diào)定點(diǎn)”的設(shè)置,使后代的表型發(fā)生改變,生長(zhǎng)成不同的個(gè)體[16]。已有的研究表明,leptin和胰島素作為調(diào)節(jié)能量平衡的兩個(gè)最為關(guān)鍵的信號(hào)因子,在生命早期能量穩(wěn)態(tài)程序化效應(yīng)中可能發(fā)揮著重要的作用[17-19]。其中,leptin參與介導(dǎo)了母體營(yíng)養(yǎng)對(duì)成年肥胖的早期程序化作用,在人類流行病學(xué)調(diào)查和嚙齒類動(dòng)物早期營(yíng)養(yǎng)處理模型研究中已經(jīng)得到證實(shí)。

Leptin水平是反映動(dòng)物機(jī)體脂肪蓄積量的信號(hào),作為反映能量攝取、脂肪含量及組成狀態(tài)的傳入信號(hào),參與動(dòng)物體重穩(wěn)態(tài)的反饋調(diào)節(jié)。人類流行病學(xué)調(diào)查顯示,機(jī)體成年期肥胖伴隨著leptin的功能紊亂。對(duì)leptin作用的抵抗,將導(dǎo)致高的循環(huán)leptin水平所引發(fā)的機(jī)體食欲減退和能量利用增加等相應(yīng)功能的喪失。研究發(fā)現(xiàn),在懷孕期給予大鼠營(yíng)養(yǎng)限制(30%能量攝入),導(dǎo)致子代成年后相對(duì)肥胖和高的循環(huán)leptin濃度。出生前低營(yíng)養(yǎng)而出生后高熱量營(yíng)養(yǎng)更容易導(dǎo)致成年后高leptin血癥。接受高熱量日糧的后代表現(xiàn)出高leptin血癥的同時(shí),伴隨高胰島素血癥,提示可能在下丘腦和胰腺都存在leptin抵抗[31]。研究發(fā)現(xiàn),肥胖個(gè)體下丘腦leptin與其受體發(fā)生解偶聯(lián),leptin中樞信號(hào)傳導(dǎo)通路發(fā)生紊亂,而這個(gè)通路是食欲抑制的中樞性調(diào)節(jié)所必需的。提示機(jī)體leptin的合成、分泌和功能在生命早期營(yíng)養(yǎng)改變時(shí)可能發(fā)生改變,進(jìn)而在一定外界條件刺激下演變?yōu)槌赡昶趌eptin的功能紊亂,最終導(dǎo)致機(jī)體肥胖。

2 Leptin在肥胖代謝程序化中的作用及機(jī)制

leptin參與介導(dǎo)了母體營(yíng)養(yǎng)對(duì)成年肥胖的早期程序化作用[20]。對(duì)嚙齒類和反芻類動(dòng)物的研究表明,母體營(yíng)養(yǎng)會(huì)導(dǎo)致母體leptin循環(huán)水平發(fā)生改變,而改變了的leptin可能是提供給胎兒關(guān)于現(xiàn)在和潛在的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的關(guān)鍵信號(hào),這個(gè)信號(hào)“指導(dǎo)”胎兒和新生兒完成脂肪組織發(fā)育的早期“脂-腦”反饋環(huán)中的最初機(jī)制的建立,并最終主導(dǎo)成年后能量平衡調(diào)節(jié)相關(guān)神經(jīng)內(nèi)分泌模式的塑型,完成自身的體重-脂肪-能量平衡調(diào)節(jié)[21]。

機(jī)體脂肪細(xì)胞與參與成年后食欲調(diào)節(jié)和能量平衡的神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡(luò)都有各自發(fā)生和發(fā)育的關(guān)鍵窗口期。在這些關(guān)鍵期,來(lái)源于母體-胎盤循環(huán)、乳汁或胎兒脂肪細(xì)胞的leptin,可能通過(guò)位于胎兒下丘腦神經(jīng)元上的leptin受體產(chǎn)生“體脂穩(wěn)態(tài)”的作用,指導(dǎo)胎兒發(fā)育中脂肪細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能性特征形成,進(jìn)而對(duì)食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及能量平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。

對(duì)于成年肥胖代謝程序化機(jī)制的研究主要從以下三個(gè)方面展開(kāi):①早期發(fā)育過(guò)程中l(wèi)eptin的合成和分泌;②leptin影響脂肪細(xì)胞的分化和代謝;③leptin影響中樞食欲調(diào)節(jié)和能量平衡“調(diào)定點(diǎn)”的建立。

2.1 早期發(fā)育過(guò)程中l(wèi)eptin的合成和分泌

2.1.1 人類早期營(yíng)養(yǎng)和后代leptin合成與分泌 生命早期營(yíng)養(yǎng)的干涉可能導(dǎo)致母體和后代的leptin水平發(fā)生改變。人類早期營(yíng)養(yǎng)的改變,會(huì)導(dǎo)致新生兒leptin循環(huán)水平異常。人類的脂肪在出生前已經(jīng)開(kāi)始沉積,在懷孕后期胎兒脂肪組織已經(jīng)合成和分泌leptin;并且,由于人類的胎盤表達(dá)leptin,參與胚胎循環(huán)的leptin就可能來(lái)源于母體、胎盤以及自身脂肪組織的分泌。研究顯示,母體(包括血清和羊水)和胎兒(包括血液和臍帶血)的leptin循環(huán)水平?jīng)]有直接的相關(guān)性,可能是不同來(lái)源的leptin的合成和降解機(jī)制過(guò)于復(fù)雜,使得即時(shí)性的檢測(cè)無(wú)法找到二者相關(guān)規(guī)律;但是母體營(yíng)養(yǎng)受其自身leptin水平的調(diào)控,可能通過(guò)直接或間接的途徑影響到胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育,導(dǎo)致新生兒leptin循環(huán)水平發(fā)生改變。

研究表明,人類嬰兒臍帶血中l(wèi)eptin濃度和出生重或初生肥胖癥之間呈正相關(guān)。在妊娠期間,母體糖尿病導(dǎo)致胎兒高血糖、insulin及高leptin血癥。與正常體重的嬰兒相比,生長(zhǎng)受阻的嬰兒出生時(shí)血液leptin濃度較低;但是,1周歲時(shí)其濃度會(huì)高于正常嬰兒。與高出生重的人相比,低出生重的人成年時(shí)擁有同樣的BMI,但是卻同時(shí)伴隨較高的leptin循環(huán)濃度。

同樣也有證據(jù)表明出生后早期的營(yíng)養(yǎng)狀況可能是未來(lái)脂肪細(xì)胞合成leptin能力的一個(gè)重要決定因素。研究證實(shí),足月出生的接受高營(yíng)養(yǎng)的嬰兒,青春期時(shí)其leptin水平與體脂重量的比例要比接受標(biāo)準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)或母乳的顯著提高。提示早期營(yíng)養(yǎng)狀況導(dǎo)致的脂肪細(xì)胞leptin合成或分泌的程序化可能是聯(lián)系早期營(yíng)養(yǎng)與后期肥胖的一個(gè)機(jī)制。

2.1.2 動(dòng)物母體營(yíng)養(yǎng)不良對(duì)母體與胎兒血漿leptin濃度的影響 妊娠母羊leptin循環(huán)濃度決定于妊娠開(kāi)始時(shí)體脂儲(chǔ)存量、胎兒數(shù)量和妊娠期間營(yíng)養(yǎng)攝入水平之間的交互作用[22]。

不同品系和體重的母羊leptin循環(huán)水平對(duì)營(yíng)養(yǎng)改變的反應(yīng)不一樣。青春期母羊(Suffolk或Dorset Horn×Greyface,體重40 kg～45 kg)接受胚胎移植受孕后,在懷孕期前100 d隨著母體營(yíng)養(yǎng)增加或減少,血漿leptin濃度相應(yīng)波動(dòng),到104 d時(shí)leptin循環(huán)濃度與母體體重和體質(zhì)得分呈正相關(guān)。威爾士山羊(體重35 kg～40 kg)妊娠 28 d～80 d限制40%代謝能(ME),會(huì)導(dǎo)致母體leptin濃度的降低;而美利奴母羊(體重50 kg～60 kg),從懷孕后期第115天限飼 50%會(huì)使血糖濃度下降,而leptin水平?jīng)]有變化。

胎兒數(shù)量也是決定妊娠母羊leptin循環(huán)濃度的一個(gè)因素。Edwards等在美利奴母羊懷孕8 d后給予低營(yíng)養(yǎng)的試驗(yàn)中,也發(fā)現(xiàn)單胎母羊血糖濃度降低,而leptin水平不變。提示懷單胎的高體重的成年母羊,母體leptin水平對(duì)于營(yíng)養(yǎng)水平變化不如血糖濃度那樣敏感。把所有的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?包括懷孕前7 d直到交配后、妊娠8 d～145 d、懷孕前7 d到妊娠145 d等進(jìn)行限飼)結(jié)合起來(lái)分析,發(fā)現(xiàn)懷孕后期懷單胎母體leptin濃度和血糖濃度之間存在顯著的相關(guān)性。有趣的是,懷孕后期限飼的懷雙胎母羊,雖然母體血漿leptin濃度相對(duì)對(duì)照組沒(méi)有降低,但是卻與妊娠前經(jīng)歷的體重降低的量有直接關(guān)系。由于懷雙胎時(shí)母體對(duì)能量有著更大的需求,因而妊娠后期母體leptin水平與妊娠前體重變化相關(guān)也就不足為奇。與懷單胎的母羊相反,懷雙胎的母羊在妊娠后期母體血漿leptin和血糖濃度之間沒(méi)有直接關(guān)系,說(shuō)明母羊懷孕后期母體leptin濃度更大的依賴于妊娠開(kāi)始時(shí)體脂的儲(chǔ)存。

母體營(yíng)養(yǎng)不良對(duì)反芻動(dòng)物子代血漿leptin濃度的影響與動(dòng)物種屬、母親年齡和營(yíng)養(yǎng)限制強(qiáng)度均有關(guān)系。有文獻(xiàn)報(bào)道,圍產(chǎn)期或妊娠期母體低營(yíng)養(yǎng)對(duì)妊娠后期胎兒血漿leptin濃度沒(méi)有影響。妊娠后期母體營(yíng)養(yǎng)攝入減少50%也不會(huì)使得胎兒血漿leptin濃度或腎周脂肪組織中l(wèi)eptin mRNA的表達(dá)豐度降低。提示胎羊leptin的合成與分泌并不受母體適度低營(yíng)養(yǎng)引起的胎兒血糖和胰島素濃度改變的影響。有趣的是,當(dāng)在懷孕早期或晚期這些關(guān)鍵窗口期,給予懷單胎母羊低營(yíng)養(yǎng)時(shí),胎兒血漿leptin濃度沒(méi)有差異;然而從妊娠前到受精1周之后給予基本營(yíng)養(yǎng)的懷雙胎母羊,妊娠期降低營(yíng)養(yǎng)水平,導(dǎo)致胎羊肥胖比率相對(duì)增加。在那些從妊娠前一直到整個(gè)妊娠期給予低營(yíng)養(yǎng)的母羊,胎羊肥胖比率沒(méi)有增加。提示在妊娠早期母體營(yíng)養(yǎng)水平的改變,可能程序化導(dǎo)致雙胎綿羊后代發(fā)生肥胖。

2.1.3 母體營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩對(duì)母體與胎兒血漿leptin濃度的影響 懷孕后期母體營(yíng)養(yǎng)在維持需要基礎(chǔ)上增加50%,會(huì)使母羊血漿中血糖和leptin濃度增加;但是,沒(méi)有出現(xiàn)胎兒總體脂數(shù)或血漿leptin濃度的伴隨增加。然而,發(fā)現(xiàn)來(lái)自母體營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩的胎羊,其血糖和單室脂肪細(xì)胞相對(duì)數(shù)量之間存在顯著相關(guān)性,而且胎兒胰島素濃度和腎周脂肪組織中l(wèi)eptin mRNA相對(duì)豐度之間呈正相關(guān)。對(duì)成年小鼠脂肪細(xì)胞研究表明,胰島素反應(yīng)元件(insulin-responsive element)存在于leptin的基因啟動(dòng)子區(qū)域,并且胰島素可以上調(diào)成年嚙齒類動(dòng)物的脂肪細(xì)胞中l(wèi)eptin基因轉(zhuǎn)錄。懷孕后期適度的母體營(yíng)養(yǎng)增加會(huì)刺激胎鼠腎周脂中l(wèi)eptin的表達(dá),提示母體營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩導(dǎo)致胎兒leptin水平的變化和胎兒的體重的增加是對(duì)應(yīng)的。雖然即時(shí)測(cè)定時(shí)leptin水平與對(duì)照組相比沒(méi)有差異,但是基因表達(dá)水平的差異為成年后脂代謝異常埋下了伏筆。

2.1.4 外源性leptin處理可以模仿和逆轉(zhuǎn)母體營(yíng)養(yǎng)造成的程序化影響 在嚙齒類動(dòng)物,體內(nèi)leptin的合成和分泌來(lái)源于脂肪組織,胎兒脂肪細(xì)胞合成leptin的能力在懷孕后期仍是相對(duì)有限,且胎盤幾乎沒(méi)有合成,因而胚胎期就有一個(gè)明顯的從母體到胎兒的leptin跨胎盤轉(zhuǎn)運(yùn)。在懷孕后期,隨著leptin轉(zhuǎn)運(yùn)水平增加,胎盤leptin短型受體的表達(dá)表現(xiàn)出相應(yīng)上調(diào)。由于胚胎發(fā)育期的 leptin來(lái)源的指向性,噬齒類動(dòng)物模型被廣泛應(yīng)用于研究母體leptin對(duì)后代程序化影響的機(jī)制。

Yura等發(fā)現(xiàn)母體低營(yíng)養(yǎng)會(huì)使小鼠的leptin分泌系統(tǒng)提前成熟,8 d～10 d時(shí)分泌量相當(dāng)于對(duì)照組16 d時(shí)的分泌量,這直接關(guān)系到成年肥胖。為模擬leptin分泌早熟現(xiàn)象,給正常小鼠注射外源性leptin,發(fā)現(xiàn)也能誘導(dǎo)成年肥胖[23]。分別在妊娠第8天、10天和12天給予孕鼠leptin處理,其后代成年時(shí)體脂重和骨骼肌生長(zhǎng)會(huì)減低,而攝食量沒(méi)有表現(xiàn)差異。飼喂低蛋白日糧孕鼠的雄性后代,在6周齡時(shí)飼喂高脂食物后表現(xiàn)出體重和血漿leptin水平顯著升高,而經(jīng)leptin處理孕鼠的后代不出現(xiàn)這一表型。這可能是誘導(dǎo)產(chǎn)生的母體leptin(正常情況下是與體脂增加有關(guān))程序化影響到后代,使得后代出生后更為積極地對(duì)高營(yíng)養(yǎng)食物表現(xiàn)出適應(yīng)性反應(yīng)。這與母體營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩的適應(yīng)性反應(yīng)是相符合的,其程序化影響會(huì)使出生后子代的生長(zhǎng)模式能應(yīng)對(duì)高營(yíng)養(yǎng)日糧,產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng),不至于過(guò)度肥胖。

外源性leptin處理可以模仿和逆轉(zhuǎn)母體營(yíng)養(yǎng)造成的程序化影響,說(shuō)明leptin可能參與介導(dǎo)了母體營(yíng)養(yǎng)造成后代肥胖的程序化影響,而后代leptin合成、分泌或作用的程序化改變可能在早期接受過(guò)高或過(guò)低營(yíng)養(yǎng)引起的后期肥胖的早期起源中發(fā)揮作用。

2.2 Leptin影響脂肪細(xì)胞的分化和代謝

動(dòng)物脂肪過(guò)度沉積都伴隨有相同的病理特點(diǎn),如脂肪組織內(nèi)細(xì)胞過(guò)度蓄積,脂肪細(xì)胞明顯肥大;脂肪組織細(xì)胞對(duì)胰島素的敏感性下降;血液中胰島素、胰高血糖素和leptin水平升高,組織細(xì)胞內(nèi)分泌和代謝功能紊亂。在生命早期,母體的leptin信號(hào)可以導(dǎo)致后代leptin合成與分泌發(fā)生改變,而哺乳動(dòng)物的脂肪組織可以合成和分泌leptin,同時(shí)又受到leptin所帶來(lái)的中樞和外周調(diào)節(jié),提示動(dòng)物機(jī)體脂肪細(xì)胞形態(tài)和代謝的改變是研究導(dǎo)致肥胖的程序化機(jī)制的關(guān)鍵。

以人類為例,由于脂肪組織在胚胎期開(kāi)始形成,而到新生期形成加速,被認(rèn)為是代謝程序化影響的關(guān)鍵時(shí)期。接下來(lái)幼兒期脂肪沉積暫緩,到大約6周歲時(shí)又快速形成,此時(shí)兒童期(5.5歲前)過(guò)早啟動(dòng)生成的脂肪組織數(shù)量,就和成年肥胖的增加密切相關(guān)。足月出生而體重較輕(small gestational age,SGA)的新生兒出生時(shí)體脂量顯著減少,主要表現(xiàn)在脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)沉積減少;與正常出生體重的孩子相比,兒童期時(shí)體脂量增加,而且脂肪組織更多的分布在中樞和內(nèi)臟器官。研究發(fā)現(xiàn),不同個(gè)體成年后發(fā)生肥胖的時(shí)間不一樣,決定成年后肥胖的機(jī)制還不清楚,但已有證據(jù)表明母源性的影響能導(dǎo)致后代出生后脂肪細(xì)胞形態(tài)和代謝發(fā)生程序化改變。脂肪組織異于其他組織,可以無(wú)限制的生長(zhǎng),更為重要的是,生命早期營(yíng)養(yǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的脂肪細(xì)胞數(shù)量的增加很顯然是不可逆轉(zhuǎn)的。

2.2.1 母體營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)度和胚胎脂肪細(xì)胞代謝模式 不同程度母體營(yíng)養(yǎng)改變對(duì)胚胎脂肪細(xì)胞代謝的影響不同。母體營(yíng)養(yǎng)限制的胎兒脂肪細(xì)胞UCP2和PPARαmRNA的表達(dá)上調(diào),這兩種因子涉及脂肪細(xì)胞代謝模式的改變,使細(xì)胞代謝趨向能量節(jié)約型模式[24]。研究證實(shí),在胚胎發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期母體營(yíng)養(yǎng)不良會(huì)程序化影響后代脂肪細(xì)胞代謝和機(jī)體脂肪沉積,導(dǎo)致后期肥胖;特別是當(dāng)子代出生后給予高營(yíng)養(yǎng)膳食時(shí),更易造成成年后肥胖,形成節(jié)約式表型(thrifty phenotype)。相反,Symonds等指出懷孕后期母體營(yíng)養(yǎng)提高,導(dǎo)致后代體脂沉積減少,伴隨脂肪細(xì)胞UCP1的mRNA表達(dá)上調(diào),使細(xì)胞代謝趨向能量消耗。Ferezou等從懷孕前6周到斷奶給成年母鼠飼喂高脂日糧,發(fā)現(xiàn)所生小鼠出生重和對(duì)照組相比降低12%,繼而呈現(xiàn)出增重遲緩和飼料轉(zhuǎn)化率低的表現(xiàn),而且對(duì)斷奶后飼喂高脂日糧所產(chǎn)生的高體重、高leptin血癥和高胰島素血癥的負(fù)面效應(yīng)有保護(hù)作用,認(rèn)為母源性營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩程序化塑造子代能量消耗式表型(energy expenditure phenotype)。

2.2.2 母體營(yíng)養(yǎng)變更時(shí)間和胚胎脂肪細(xì)胞代謝模式 胚胎發(fā)育的不同時(shí)期,脂肪組織受母體營(yíng)養(yǎng)影響的程度不一樣。研究表明,胚胎早期營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的改變能夠改變細(xì)胞在內(nèi)胚層(inner cell mass)和滋養(yǎng)外胚層(trophectoderm)的定位以及隨后胎兒體細(xì)胞和器官的生長(zhǎng)。妊娠第1周末大鼠營(yíng)養(yǎng)限制所引起的母體激素(如胰島素)水平或代謝反應(yīng)(如葡萄糖、游離氨基酸)改變可能導(dǎo)致胚泡發(fā)育受阻,進(jìn)而表現(xiàn)子代出生后生長(zhǎng)速度加快和早期肥胖。Bispham等報(bào)道,母羊在懷孕28 d～140 d限飼,隨后恢復(fù)自由采食的母羊與懷孕28 d～140 d自由采食(即150%ME)的相比,其胎兒中胎源性肥胖的相對(duì)要多些。母羊懷孕28 d～80 d營(yíng)養(yǎng)限制然后給予正常能量需要,其后代與對(duì)照組的相比,肥胖胎兒的比率沒(méi)有增加,但是在140 d時(shí)其脂肪組織中IGF-1R和IGF-2R mRNA表達(dá)增加。說(shuō)明在不同的關(guān)鍵窗口期,給予母體營(yíng)養(yǎng)改變可能導(dǎo)致胎源性肥胖的增加。

雖然在母羊懷孕28 d～80 d給予營(yíng)養(yǎng)限制沒(méi)有導(dǎo)致胎兒脂肪組織中l(wèi)eptin mRNA表達(dá)的改變,但是從懷孕80 d開(kāi)始給母羊飼喂高營(yíng)養(yǎng)食物,其胎兒脂肪組織中 leptin mRNA的豐度降低。提示在出生前已經(jīng)發(fā)生脂肪沉積和leptin表達(dá)而出生后肥胖的動(dòng)物,其母體營(yíng)養(yǎng)和胎源性肥胖、leptin以及其他脂類代謝調(diào)節(jié)因子(如葡萄糖、胰島素等)的程序化效應(yīng)之間存在著交互作用。

2.3 Leptin影響中樞食欲調(diào)節(jié)和能量平衡“調(diào)定點(diǎn)”的建立

眾所周知,下丘腦在攝食調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用。近來(lái)人們發(fā)現(xiàn)下丘腦在動(dòng)物新生期暴露于高能量食物導(dǎo)致代謝程序化中也扮演著重要角色[25-26]。在機(jī)體中樞食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)元發(fā)育和調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)建立的窗口期,leptin可能參與中樞攝食神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立,使得機(jī)體的攝食行為異常,并且影響到體重穩(wěn)態(tài)的維持。

2.3.1 生命早期營(yíng)養(yǎng)和食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)肽 嚙齒類動(dòng)物下丘腦神經(jīng)元出生2周后發(fā)生持續(xù)分化。在大鼠下丘腦中,表達(dá)食欲調(diào)節(jié)肽的神經(jīng)元從懷孕大約14.5 d時(shí)開(kāi)始發(fā)育,出生后前兩周NPY mRNA的表達(dá)快速增加[27],POMC、AgRP和MC4R的mRNA在這一階段也均有表達(dá)。雖然NPY從懷孕后期就存在于下丘腦弓狀核(ARC),但是ARC與下丘腦其他核團(tuán)調(diào)節(jié)食欲作用的突觸聯(lián)系直到出生第2周才開(kāi)始建立。

新生期大鼠過(guò)食會(huì)導(dǎo)致肥胖傾向增加,這些鼠仔食欲過(guò)盛、脂肪沉積和體重增加,進(jìn)而導(dǎo)致食欲亢進(jìn)性肥胖,并且伴隨高 leptin血癥和ARC的中樞l(wèi)eptin抵抗。給予哺乳期大鼠相同日糧,到鼠仔21日齡時(shí)觀察到窩只數(shù)少的鼠仔體重獲得和脂肪沉積增加,伴隨食欲增加(嗜食)、肥胖、高leptin、高甘油三酯、高胰島素血癥和胰島素抵制,雖然NPY神經(jīng)元數(shù)量沒(méi)有增加,但是NPY陽(yáng)性神經(jīng)元占所有神經(jīng)元的比例卻升高;此時(shí)這些動(dòng)物NPY系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)育完全,開(kāi)始表現(xiàn)出對(duì)升高的leptin和胰島素的一種獲得性抵抗,即leptin對(duì)下丘腦食欲刺激神經(jīng)元的抑制作用降低[28]。

Kozak等也證實(shí),母鼠飼喂高脂食物,其后代表現(xiàn)出成年肥胖,是由于下丘腦放大了攝食反應(yīng),向側(cè)腦室分泌過(guò)多的NPY,使它們比對(duì)照組多吃2倍的食物所致。出生前母羊營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩也一樣會(huì)導(dǎo)致出生后早期食欲調(diào)節(jié)的改變,是通過(guò)削弱食欲退減神經(jīng)肽CART的信號(hào)來(lái)發(fā)揮作用。給出生后3 d～13 d的大鼠皮下注射leptin,可以逆轉(zhuǎn)由于懷孕期間母體低營(yíng)養(yǎng)所造成的成年后食欲過(guò)盛和肥胖,雖然在母源性營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩模型中觀察不到,但仍然說(shuō)明leptin在下丘腦程序化中起著主導(dǎo)性作用。

2.3.2 Leptin參與生命早期食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立 胎兒leptin循環(huán)濃度是表示胎兒脂肪中單室細(xì)胞(即成熟脂肪細(xì)胞)數(shù)量的一個(gè)信號(hào),而與胎兒全部脂肪的比例無(wú)關(guān),這與新生期和成年后是一樣的。leptin作為一個(gè)能量供應(yīng)的信號(hào),在出生前就發(fā)揮著“體脂穩(wěn)態(tài)”調(diào)節(jié)作用,該調(diào)節(jié)作用的范圍包括通過(guò)調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參與成年后正常食欲調(diào)節(jié),而其對(duì)于不同攝食相關(guān)神經(jīng)元的作用的強(qiáng)度和調(diào)節(jié)范圍在生命早期就已經(jīng)決定了。

在嚙齒類的泌乳期,leptin能夠促進(jìn)從ARC向PVN的神經(jīng)元建立軸突聯(lián)系,而這些神經(jīng)元軸突屬于下丘腦食欲調(diào)節(jié)系統(tǒng)的“硬布線”[29]。leptin的出現(xiàn)影響著兩個(gè)調(diào)控能量攝取的相反神經(jīng)投射通路的形成,有利于食欲興奮肽NPY和AgRP從ARC向PVN的神經(jīng)元突起生長(zhǎng),相對(duì)抑制來(lái)源于POMC的食欲抑制肽α-MSH神經(jīng)突起的生長(zhǎng)[30]。奇怪的是,遺傳性leptin缺失的ob/ob小鼠,由于新生期下丘腦leptin的缺失,使得NPY和AgRP向PVN的神經(jīng)元突起生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)喪失,下丘腦食欲減退調(diào)節(jié)通路的“硬布線”占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,但是卻呈現(xiàn)一種食欲過(guò)盛表現(xiàn)型。這可能是由于NPY和AgRP神經(jīng)纖維沒(méi)能完成從ARC向PVN的投射,反而由ARC通過(guò)抑制POMC陽(yáng)性纖維發(fā)揮了刺激食欲的作用。

雖然ob/ob小鼠由ARC神經(jīng)元發(fā)出的神經(jīng)投射通路永久性中斷,但在新生期給予leptin處理后,由ARC神經(jīng)元發(fā)出的神經(jīng)投射通路發(fā)育而得以延續(xù)生命,但是,成年后再做處理則無(wú)法補(bǔ)救[31]。leptin有促進(jìn)下丘腦攝食神經(jīng)調(diào)節(jié)通路發(fā)育的功能,建立的神經(jīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)在生命后續(xù)的攝食調(diào)節(jié)和能量利用中會(huì)起到重要作用。新生期是ARC神經(jīng)元與其靶神經(jīng)元建立軸突聯(lián)系的關(guān)鍵時(shí)期,leptin的這一作用表現(xiàn)為對(duì)ARC神經(jīng)元的專一性,而且只在對(duì)leptin濃度相對(duì)較高的新生期(即關(guān)鍵窗口期)發(fā)生效應(yīng)。提示來(lái)源于母體-胎盤循環(huán)、乳汁或新生兒脂肪細(xì)胞的leptin可能對(duì)食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育產(chǎn)生重要影響,并且直接關(guān)系到機(jī)體生命后續(xù)的體重-體脂穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。

近年,在人類和反芻動(dòng)物胚胎期使用leptin處理對(duì)胎兒下丘腦中食欲調(diào)節(jié)肽發(fā)育性的影響還未見(jiàn)報(bào)道,而有關(guān)胎兒腦部在發(fā)育關(guān)鍵期暴露于或高和或低的leptin水平,是否導(dǎo)致下丘腦能量平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)育發(fā)生改變并持續(xù)影響到出生后和成年更有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

流行病學(xué)調(diào)查的證據(jù)充分顯示,或高或低的出生重和出生后早期的快速生長(zhǎng),都可能與成年后肥胖或體脂增加相關(guān)聯(lián)。同樣,有證據(jù)表明母體機(jī)體組成和營(yíng)養(yǎng)水平可能導(dǎo)致后代脂肪沉積的代謝程序化。已有研究指出,嚙齒類早期生活中的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境對(duì)體脂的分布和數(shù)量有著顯著的和長(zhǎng)期的影響。文章陳述了相關(guān)的證據(jù),并討論了生命早期營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)能量平衡調(diào)節(jié)相關(guān)的內(nèi)分泌和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響,尤其強(qiáng)調(diào)了脂源性激素leptin的作用。近年來(lái),特殊營(yíng)養(yǎng)和激素如leptin在出生后肥胖的早期程序化中的作用才逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。來(lái)源于母體的leptin可能對(duì)后代參與食欲和能量調(diào)節(jié)的神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡(luò)的分化、自身leptin合成與分泌產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用以及后代成年肥胖癥的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生重要影響。文章的重點(diǎn)在于,證實(shí)在生命早期確實(shí)有先于成年脂肪發(fā)育的“脂-腦”軸形成過(guò)程中導(dǎo)致動(dòng)物脂肪沉積的程序化發(fā)生的引發(fā)機(jī)制存在,而這些關(guān)鍵的窗口期可能對(duì)機(jī)體體脂增加產(chǎn)生長(zhǎng)期而深遠(yuǎn)的影響。

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