高文康,舒艷蕓,葉進,潘曉莉,華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科 湖北省武漢市 430022

0 引言

自生命誕生以來,生物體便開始不斷進化以適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的環(huán)境改變,尤其是陽光和溫度的日變化[1].而生命體的功能也表現(xiàn)出以24 h為周期的節(jié)律性波動,比如清晨心率血壓升高,夜晚逐漸下降,我們把這些生理活動的改變稱為晝夜節(jié)律,它起源于一種內(nèi)源性計時系統(tǒng)(即生物鐘)[2].機體內(nèi)諸如睡眠-覺醒周期、體溫、血壓、激素和代謝等都受到晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)[3,4].

肝臟作為全身新陳代謝的樞紐,其功能包括調(diào)節(jié)碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝,膽汁合成,造血凝血及解毒等多個方面[5].研究證實,肝臟內(nèi)進行的各色生理活動幾乎都受到生物鐘的控制,而生物節(jié)律的紊亂則會引起肝臟新陳代謝及相應(yīng)功能的紊亂,嚴(yán)重時可發(fā)展為代謝性疾病[6-9].隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏加快,工作休息節(jié)律與生理節(jié)律的去同步化已成常態(tài),相關(guān)代謝疾病的發(fā)病率逐年攀升并呈年輕化趨勢[9],故深入研究生物節(jié)律與肝臟代謝顯得十分必要.本文結(jié)合近幾年的相關(guān)科學(xué)報道,主要介紹了肝臟生物節(jié)律的來源和調(diào)控機制,總結(jié)了生理和病理條件下肝臟生物節(jié)律的變化,重點闡述了他們在調(diào)節(jié)葡萄糖、脂質(zhì)、膽汁酸等代謝過程中所發(fā)揮的作用以及對某些疾病發(fā)生發(fā)展的潛在影響.

1 生物節(jié)律的產(chǎn)生及分子機制

哺乳動物的生活幾乎無時不刻地受到生物節(jié)律的調(diào)控,譬如睡眠覺醒周期[10,11].它使機體適應(yīng)白天和黑夜,讓不同的組織器官在不同的時間段上發(fā)揮著各自的功能,那么機體是如何被賦予時間特性的呢？

早在20世紀(jì)60年代,時間生物學(xué)創(chuàng)始人之一Colin Pittendrigh就曾假設(shè)晝夜節(jié)律系統(tǒng)是由光敏感的“起搏器”時鐘和外周從屬的振蕩器所組成[12],后來的研究也證實這一觀點.哺乳動物視網(wǎng)膜感光器(視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞)將光能轉(zhuǎn)化為電脈沖,并通過視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞將其傳遞至大腦,表達光色素黑素的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的子細(xì)胞對可見光譜具有特定的敏感性,并直接將光信號傳遞到下丘腦區(qū)域,即視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN).之后通過體液和神經(jīng)調(diào)節(jié),SCN將“時間信息”(也稱為“給時器”)傳遞給其他組織器官以及細(xì)胞,從而實現(xiàn)外周組織時間上的同步化[13].因此,從解剖學(xué)上講,哺乳動物產(chǎn)生晝夜節(jié)律的系統(tǒng)是分級的,通常將受光照限制的SCN稱為核心生物鐘,它為機體內(nèi)所有其他外圍時鐘設(shè)定了基線時間.最近幾年,SCN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其功能已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題.已知人類的SCN大約由100000個神經(jīng)元組成,密布在SCN的中心和外周區(qū)域,它們具有不同的聯(lián)系方式,神經(jīng)遞質(zhì)譜和晝夜節(jié)律相位,但是,不同類型的神經(jīng)元在SCN中如何分布,相互之間如何識別以及對晝夜節(jié)律產(chǎn)生中所發(fā)揮的功能作用尚未可知,有待研究[14].

生物鐘是一種細(xì)胞自主的分子機制,在分子水平上也是有層次的運行.細(xì)胞節(jié)律震蕩使大量基因有節(jié)律地表達,導(dǎo)致機體生理和行為的明顯改變[15].研究發(fā)現(xiàn)人體所有細(xì)胞中的晝夜節(jié)律振蕩依賴由生物鐘基因組成的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)[16]的調(diào)控(圖1).其中一條研究較為清楚的反饋環(huán)路涉及時鐘基因(Period,Per)和隱花色素基因(Cryptochrome,Cry),他們由轉(zhuǎn)錄激活因子CLOCK (circadian locomotor output cycles kaput),NPAS2(neuronal Per-Arnt-Sim domain protein 2)和ARNT1 (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator like protein 1,也稱為BMAL1)激活,形成CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1異二聚體,這些復(fù)合物與啟動子區(qū)的E-box元件(E-box elements)結(jié)合,激活Per和Cry基因的轉(zhuǎn)錄,其翻譯得到的Per和Cry蛋白又被導(dǎo)入細(xì)胞核并抑制自身基因的轉(zhuǎn)錄[16-18],隨后新的晝夜節(jié)律周期開始.第二個反饋環(huán)路則使得振蕩機制更加穩(wěn)固,它由核受體亞家族1D(nuclear receptor subfamily 1 group D member,NR1D,亦稱為REV-ERBA)與RAR相關(guān)的孤兒受體(RAR related orphan receptor,ROR)家族組成,它們同樣由核心時鐘激活,并競爭性結(jié)合ROR反應(yīng)元件結(jié)合位點(ROR response element binding sites,RORE),以調(diào)控BMAL1基因的節(jié)律性表達.其中,REV-ERBA的結(jié)合抑制BMAL1轉(zhuǎn)錄,屬于負(fù)調(diào)控因子; 而ROR結(jié)合啟動子區(qū)域可促進BMAL1的轉(zhuǎn)錄[19].此外,最近研究還發(fā)現(xiàn)DECs的表達發(fā)揮了時鐘基因的功能,并且DECs可以通過與BMAL1結(jié)合或與CLOCK-BMAL1競爭結(jié)合E-box位點來抑制自身轉(zhuǎn)錄[20],這形成了第三條自主反饋環(huán)路.總之,這些復(fù)雜的反饋回路產(chǎn)生了大約24 h的周期節(jié)律[21],我們稱之為晝夜節(jié)律.

圖 1 核心時鐘中典型的轉(zhuǎn)錄反饋回路. CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1異二聚體可激活PER,CRY,REV-ERBA,ROR基因的轉(zhuǎn)錄.PER和CRY蛋白反過來抑制CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1所依賴的轉(zhuǎn)錄.REV-ERBA和ROR蛋白可競爭性結(jié)合RORE以調(diào)控BMAl1基因的節(jié)律轉(zhuǎn)錄.PER:周期基因; CRY:隱花色素基因; REV-ERBA:核受體亞家族1D; ROR:RAR相關(guān)的孤兒受體; RORE:ROR反應(yīng)元件結(jié)合位點;CLOCK:時鐘基因; NPAS2:神經(jīng)元PAS結(jié)構(gòu)域蛋白2; BMAL1:芳烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1.

2 生物節(jié)律參與調(diào)控肝臟功能

核心鐘基因可控制器官特異性的轉(zhuǎn)錄因子的節(jié)律性表達,再通過這些特異性轉(zhuǎn)錄因子控制主要代謝調(diào)節(jié)因子及相關(guān)酶的表達[5].肝臟在維持全身代謝機能中發(fā)揮著不可替代的作用,于是生物鐘與肝臟功能的關(guān)系受到廣泛關(guān)注.研究人員通過對小鼠進行一些高通量的生物節(jié)律過程研究,以明確生物鐘是否參與調(diào)節(jié)肝臟生理功能.這些研究涉及了順反組[22-25]、轉(zhuǎn)錄組[26,27]、蛋白質(zhì)組[28-30]和脂質(zhì)組[31,32]等多個方面.其中,順反組分析[22-25]顯示這兩個不同的mRNA譜系來源于晝夜節(jié)律振蕩器,可以定期募集或移除轉(zhuǎn)錄因子和共調(diào)節(jié)因子,通過表觀遺傳修飾改變生物鐘鐘控基因(clock-controlled gene,CCG)的染色質(zhì)狀態(tài),從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄以控制生物體節(jié)律.轉(zhuǎn)錄組分析揭示了肝臟中兩個明顯的轉(zhuǎn)錄峰,它們分別與休息期和活動期相對應(yīng)[33-37],這很可能反應(yīng)機體高度不同的生理需求,比如肝臟介導(dǎo)的能量代謝和解毒活動.DNA修復(fù),核糖體生物發(fā)生,自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等細(xì)胞過程也受到晝夜調(diào)節(jié),一般集中在翻譯后水平[28-30].總而言之,這些研究大體揭示了生物鐘對肝臟功能生理水平上的調(diào)控,而調(diào)節(jié)失控則表現(xiàn)出有助于非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)及其他代謝疾病發(fā)展的勢頭.

3 生物節(jié)律與肝臟葡萄糖代謝

肝臟是哺乳動物調(diào)節(jié)糖代謝的主要器官,并與腦、胰腺、骨骼肌等器官協(xié)同維持體內(nèi)血糖水平穩(wěn)定[5].雖然直接的葡萄糖信號是機體適應(yīng)血糖快速變化的關(guān)鍵,但是生物鐘似乎為此提供了有節(jié)奏的基線調(diào)節(jié).譬如,夜間饑餓后的食物攝取[38].研究表明,生物鐘通過同步各組織相關(guān)的糖代謝活動來維持葡萄糖穩(wěn)態(tài),其中大腦中的中樞生物鐘控制著休息-活動及飲食-禁食的節(jié)律,產(chǎn)生節(jié)律性的營養(yǎng)吸收和信號傳遞,而肝臟外周生物鐘的作用可能是緩沖由這些節(jié)律性行為所引起血糖水平的周期性波動[39].

在機體活動期,葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter,Glut)和胰島素受體的表達水平達到峰值[27,40],以應(yīng)對攝食引起的血糖升高.在葡萄糖進入肝細(xì)胞后,即被磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-Phosphate,G6P),該產(chǎn)物可通過糖酵解或磷酸戊糖旁路被消耗掉,當(dāng)葡萄糖攝入過量時也可以通過糖原復(fù)合物的形式儲存起來,生物鐘可調(diào)控上述所有過程[34,41].進入休息期,體內(nèi)葡萄糖水平下降,通常糖皮質(zhì)激素可以刺激糖異生以產(chǎn)生葡萄糖維持機體所需,而Cry可通過蛋白質(zhì)間的相互作用抑制糖皮質(zhì)激素受體來調(diào)控這一過程[42,43].此外,隱花色素進一步調(diào)控糖異生以及胰高血糖素受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),主要機制如下:胰高血糖素受體激活后通過G蛋白異源三聚體傳遞信號,刺激環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)的產(chǎn)生,cAMP可介導(dǎo)環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)的節(jié)律性磷酸化及轉(zhuǎn)錄活性[44],進而CREB調(diào)節(jié)糖異生的關(guān)鍵酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PCK1)的表達[45].隱花色素因負(fù)調(diào)控G蛋白異源三聚體從而抑制cAMP的積累,間接降低了PCK1的表達(圖2).

另外,葡萄糖代謝還受到核受體REV-ERBA的調(diào)控[46].REV-ERBA是核心生物鐘的組分之一,并且是肝生物鐘及機體代謝的中央調(diào)節(jié)器[47].REV-ERBA通過CLOCK-BMAL1依賴的轉(zhuǎn)錄激活而有節(jié)奏的表達,它與RORα和RORγ競爭結(jié)合時鐘基因啟動子區(qū)域中的RORE和DevDR2元件,以反饋調(diào)控核心鐘基因的表達[48].此外,REV-ERBA在靶基因啟動子區(qū)的結(jié)合位點與肝特異性轉(zhuǎn)錄因子——肝細(xì)胞核因子(hepatocyte nuclear factor,HNF) 4α或HNF6結(jié)合,通過組蛋白去乙酰基酶3 (histone deacetylase 3,HDAC3)及其他共阻遏物調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄基因代謝,例如,長鏈脂肪酸延長酶5 (Elongation of very long chain fatty acids protein 5,ELOVL5)或?；o酶A合成酶短鏈家族成員3 (acyl-CoA synthetase short chain family member 3,ACSS3)[49].由此可見,肝臟生物鐘通過多種機制協(xié)同維持生理狀態(tài)下的葡萄糖水平.

我們知道,機體內(nèi)葡萄糖水平與胰島素密切相關(guān),而胰島素抵抗是2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病等代謝性疾病中關(guān)鍵的病理生理過程,所以不難得到這樣的假設(shè),即生物節(jié)律的紊亂可能是導(dǎo)致胰島素抵抗的重要因素.其中,最早的證據(jù)出現(xiàn)在上個世紀(jì)60年代,人們發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者糖耐量日節(jié)律的改變[50].隨后的研究表明時鐘基因突變小鼠會患代謝綜合征[51],非正常時間段(睡眠階段)攝食會導(dǎo)致小鼠肥胖[52],晝夜節(jié)律失調(diào)導(dǎo)致人糖耐量下降[53]等,這些結(jié)論促生了晝夜節(jié)律假說的提出,尤其對小鼠組織(如肝臟[38,54]、胰腺[55-57]、肌肉[58,59]等)特異性基因敲除模型的研究進一步支持該假說.最近幾年實驗還觀察到夜間光線暴露對葡萄糖代謝的影響.比如夜間昏暗的光線可以擾亂小鼠日常進食和行為活動節(jié)律,導(dǎo)致其肥胖和糖耐量降低,但在大鼠中尚未發(fā)現(xiàn)[60-62]; 2017年一項對大鼠的研究報告發(fā)現(xiàn)環(huán)境光的波長會對葡萄糖耐量產(chǎn)生影響:白光,綠光可以降低糖耐量而非藍(lán)光,紅光[63]; 人類的觀察結(jié)果與嚙齒類動物實驗一致,如明亮的環(huán)境光可直接降低健康個體胰島素敏感性[64]; 健康受試者在夜間保持清醒時,明亮的光線會增加其血漿葡萄糖水平[65]; 另外,睡眠障礙,社交時差及輪班工作等常見的可引起人類節(jié)律紊亂的原因也被證實會增加代謝性疾病的風(fēng)險.如節(jié)律性睡眠障礙患者的睡眠不足可導(dǎo)致其糖耐量降低和高血糖[66]; 輪班工人罹患2型糖尿病的風(fēng)險增加,增加程度與上夜班的次數(shù)相關(guān)[67]; 晝夜節(jié)律失調(diào)降低了非輪班工人和慢性輪班工人的葡萄糖耐量和胰島素敏感性[68-70].綜上可見,無論何種原因?qū)е碌臅r鐘節(jié)律紊亂均在組織水平上促進了胰島素抵抗,也促進了相關(guān)代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展.對于胰島素抵抗的治療,一方面人們試圖通過改善光照,調(diào)節(jié)睡眠時間等恢復(fù)機體正常的節(jié)律,另一方面也期待可以找到提高生物鐘基因表達量的分子來降低血糖水平并減輕飲食誘導(dǎo)的肥胖[71].就目前而言,REV-ERBα激動劑SR9011及REV-ERBβ激動劑SR9009是具有希望的藥物,此外ROR激動劑和CRY穩(wěn)定劑也被證明對治療代謝性疾病有一定作用[72-74],它們在人體I期藥物研究值得期待.

4 生物節(jié)律與肝臟膽汁酸代謝

肝臟是膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸(bile acids,BAs)的主要場所,肝細(xì)胞合成的膽汁酸主要促進腸道營養(yǎng)吸收,此外它還是一種重要的信號分子[75,76],具有旁分泌和內(nèi)分泌功能[77].譬如它是法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR)以及G蛋白偶聯(lián)受體TGR5 (G-protein-coupled receptor TGR5)的生理性配體,能激活一些信號通路(如絲裂原活化蛋白激酶通路[75,76]).通過調(diào)節(jié)這些不同的信號網(wǎng)絡(luò),膽汁酸不但能調(diào)節(jié)自身水平,也能調(diào)控甘油三酯,膽固醇和葡萄糖水平[75,76].

研究發(fā)現(xiàn),膽汁酸的合成,調(diào)節(jié)膽汁酸的關(guān)鍵酶以及核受體均隨晝夜節(jié)律而發(fā)生明顯改變[78-80].其中,膽汁酸合成主要受轉(zhuǎn)錄反饋環(huán)的調(diào)控,該環(huán)路主要組分包括核受體FXR,SHP (small heterodimer partner)[81]以及腸成纖維細(xì)胞生長因子15 (intestinal fibroblast growth factor 15,FGF15,在人類中是FGF19)[82,83],生物鐘均參與調(diào)控上述組分[84],并共同驅(qū)使膽汁酸經(jīng)典合成通路中的限速酶——膽固醇7α羥化酶(cholesterol 7-alpha -hydroxylase,Cyp7a1)的節(jié)律性轉(zhuǎn)錄.但FXR的節(jié)律對調(diào)節(jié)肝臟膽汁酸穩(wěn)態(tài)貢獻度大小仍然存在爭議,譬如在FXR缺失的小鼠和腸道特異性FXR-/-小鼠中,無法檢測到FGF15和有機溶質(zhì)轉(zhuǎn)運體α (organic solute transporter alpha,OSTα)[84,85],但是Cyp7a1表達的晝夜節(jié)律在這兩種模型中并沒有改變.猜測除FXR外,可能存在其他途徑參與膽汁酸穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié).此外,Cyp7a1的表達還受到生物鐘基因的調(diào)控.如肝臟CLOCK調(diào)控的,富含脯氨酸和酸性氨基酸(proline and acidic amino acid rich,PAR)的堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子DBP控制著Cyp7a1的轉(zhuǎn)錄,在時間上限制其表達[80].REV-ERBα也是調(diào)節(jié)膽固醇和膽汁酸代謝的關(guān)鍵因子,在REV-ERBα缺乏的小鼠中,Cyp7a1的節(jié)律表達受到抑制[86,87],其機制可能是通過調(diào)節(jié)E4bp4和Shp基因的轉(zhuǎn)錄,來調(diào)控Cyp7a1的表達[86].最近的研究發(fā)現(xiàn)膽汁酸還是潛在的時間生物學(xué)信號,可以反過來影響生物鐘分子.如2016年Govindarajan等[88]人發(fā)現(xiàn)非結(jié)合膽汁酸顯著改變了回結(jié)腸以及肝臟生物鐘基因的表達水平,其中肝臟的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)器(如DBP)和相關(guān)基因(如Per2,Per3和Cry2)的表達發(fā)生了顯著改變.隨后人們又發(fā)現(xiàn)進食可誘導(dǎo)膽汁酸池組分的變化進而影響生物鐘分子[89].總之,這些機制共同作用使得機體在膽汁酸水平上產(chǎn)生了晝夜節(jié)律[90].

圖 2 細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的晝夜節(jié)律代謝. GLUT是晝夜節(jié)律性表達的,在活動階段可以有效的吸收葡萄糖,在休息階段可釋放葡萄糖.胰島素信號可進一步刺激葡萄糖攝取.胰島素受體的表達和敏感性受生物鐘的調(diào)節(jié).肝細(xì)胞和肌肉中的葡萄糖可有效地儲存為糖原,該反應(yīng)限速酶糖原合成酶2 (glycogen synthase,GYS2)也處于節(jié)律控制之下.PCK1具有節(jié)律性,它受胰高血糖素調(diào)控,而胰高血糖素信號受到CRY蛋白的負(fù)調(diào)控.糖皮質(zhì)激素可刺激糖異生,CRY蛋白可以抑制糖皮質(zhì)激素受體影響上述過程.葡糖糖也可以由其他代謝物合成,這些代謝物在糖異生過程中受REVERBA的節(jié)律性調(diào)節(jié).GLUT:葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白; GYS2:糖原合成酶2; PCK1:磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1; CREB:環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白;cAMP:環(huán)磷酸腺苷; CLOCK:時鐘基因; BMAL1:芳烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1; CRY:隱花色素基因; REV-ERBA:核受體亞家族1D.

晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)膽汁酸穩(wěn)態(tài)對于實現(xiàn)機體生理平衡至關(guān)重要,一旦失調(diào)(如限制進食、睡眠剝奪)就很可能導(dǎo)致膽汁淤積和代謝性疾病的發(fā)生[91].有研究發(fā)現(xiàn),限時喂養(yǎng)(time-restricted feeding,TRF)可以擾亂肝臟Cyp7a1 mRNA的節(jié)律表達,誘導(dǎo)血漿膽汁酸水平和組成的改變,影響脂質(zhì)代謝,并導(dǎo)致代謝紊亂的發(fā)生[89,92].而睡眠中斷會誘導(dǎo)脂質(zhì)蓄積和動員的失調(diào),破壞膽汁酸穩(wěn)態(tài),增加諸如肥胖、胰島素抵抗等代謝障礙的風(fēng)險[93].盡管越來越多的證據(jù)證實膽汁酸水平具有晝夜節(jié)律,但究其運輸節(jié)律及誘導(dǎo)代謝性疾病的分子機理上(尤其是時間病理學(xué))仍然需要更多研究.

5 生物節(jié)律與肝臟脂質(zhì)代謝

肝臟主要通過調(diào)節(jié)脂肪酸從頭合成及氧化、脂蛋白合成、脂質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化來參與脂質(zhì)代謝.由Turek等[51]人開創(chuàng)性研究顯示:生物鐘基因突變的小鼠,血液中膽固醇和甘油三酯含量升高.此后,人們對小鼠模型進行了大量有關(guān)生物鐘的實驗.

針對小鼠CLOCK基因的研究發(fā)現(xiàn)其可以影響肝臟脂質(zhì)的代謝.CLOCK突變(Clockmt/mt)小鼠高表達微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)移蛋白(microsomal-triglycerid transfer protein,MTP),其機制主要是由于CLOCK蛋白能夠上調(diào)小異源二聚體伴侶SHP以負(fù)向調(diào)控MTP的表達,其中SHP通過與MTP啟動子上的HNF4α/肝核受體同源物1 (liver nuclear receptor homolog 1,LRH-1)結(jié)合以抑制MTP的表達[94].此外,在Clockmt/mt小鼠中參與脂質(zhì)吸收的基因其表達并未顯示晝夜節(jié)律,對限制喂養(yǎng)也沒有反應(yīng)[94,95],而表現(xiàn)出與甘油三酯合成和脂解相關(guān)基因節(jié)律性表達的改變[96-98].

針對小鼠體內(nèi)BMAL1的研究發(fā)現(xiàn)其也可調(diào)節(jié)脂肪的合成、分解、儲存及利用.缺乏BMAL1的小鼠表現(xiàn)如下:(1)血漿甘油三酯的日節(jié)律紊亂[99]; (2)幾種關(guān)鍵的成脂因子表達降低[100],如PPARγ、脂肪細(xì)胞脂肪酸結(jié)合蛋白2 (adipocyte fatty acid-binding protein 2,aP2)、CCAAT/增強子結(jié)合蛋白α [CCAAT/enhancer-binding protein α,(C/EBP)α]、SREBP-1a和FAS; (3)脂肪組織未表現(xiàn)出脂解基因相關(guān)的節(jié)律振蕩,如Hsl和Atgl,表明BMAL1參與脂解過程[97]; (4)脂肪儲存和利用方面的損害,如循環(huán)中游離脂肪酸水平增加,誘導(dǎo)肝臟和骨骼肌中異位脂肪的形成.此外,缺乏BMAL1的小鼠呼吸商很高,意味著BMAL1在利用脂肪參與能量代謝上面發(fā)揮了作用[101].

針對小鼠體內(nèi)BMAL1主要抑制因子REV-ERBα的研究發(fā)現(xiàn),缺乏REV-ERBα的小鼠表現(xiàn)出脂質(zhì)代謝和膽汁酸代謝受損[102,103].其中,REV-ERBα的調(diào)節(jié)功能受核受體輔助抑制因子1 (nuclear receptor co-repressor 1,NCoR1)的控制,它通過激活HDAC3的一個亞基來抑制目標(biāo)基因(如BMAL1等)的轉(zhuǎn)錄[104].REV-ERBα和NCoR1募集與HDAC3募集同步,其中HDAC3的募集在明暗時期分別具有高低效率[100]:在暗期,低濃度的REV-ERBα降低了HDAC3與肝臟代謝基因的關(guān)聯(lián),有利于脂質(zhì)的生物合成和儲存.在光期,高水平的REV-ERBα增加了HDAC3與肝臟代謝基因的關(guān)聯(lián),從而減少了脂質(zhì)的生物合成.一旦小鼠肝臟中REV-ERBα或HDAC3的缺失,則會導(dǎo)致高甘油三酯血癥和肝臟脂肪變性[105].

Per和Cry基因也參與調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,如缺乏Per1和/或Per2的小鼠血漿甘油三酯水平降低[32,106].對Per2敲除小鼠的研究表明,Per2可以阻斷PPARγ招募啟動子而對其發(fā)揮抑制作用[106].Cry基因缺乏會增加飲食誘導(dǎo)肥胖的易感性,如高脂飲食的Cry1/2-/-小鼠與野生型小鼠相比更快且更容易出現(xiàn)肥胖,且其白色脂肪組織中與脂質(zhì)攝取和脂肪生成相關(guān)基因的表達上調(diào),如Fas,Acc1,Acsl4,Dgat1,Dgat 2等[107].

以上這些實驗均發(fā)現(xiàn)了脂肪酸、甘油三酯及膽固醇的水平可由生物鐘組分的突變而發(fā)生改變,也證實了生物鐘基因是脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[106,108,109].不難發(fā)現(xiàn),一旦機體晝夜節(jié)律紊亂,必然導(dǎo)致脂質(zhì)代謝失調(diào)從而加速肥胖甚至代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展[9,110-112],這一觀點已在動物身上得到驗證.如CLOCK突變和BMAL1敲除的小鼠都表現(xiàn)出葡萄糖耐量下降,胰島素分泌減少,高脂飲食的敏感度增加,食欲亢進并且超重[55,113]; Per突變的果蠅可檢測到脂質(zhì)代謝中間體的變化(如二酰甘油和?；鈮A)以及饑餓敏感性的增加[111].此外對于人類而言,還有其他證據(jù)暗示上述觀點.如長期夜間光照導(dǎo)致節(jié)律紊亂的患者可伴有脂質(zhì)代謝紊亂[114]; 吃夜宵的頻率與肥胖和體重指數(shù)(body mass indexes,BMI)的升高呈正相關(guān)[115]; 還有因社交時差導(dǎo)致節(jié)律紊亂者,其平均BMI更高,脂肪含量也更高[116].反過來,肥胖患者的BMAL1,Cry1,Cry2和Per2基因在明(晝)相表達顯著增加,暗(夜)相表達顯著下調(diào),提示生物鐘基因及其下游通路的表達也受到脂質(zhì)代謝紊亂的反饋影響[117].目前對于改善生物節(jié)律,減輕脂肪蓄積降低,患病風(fēng)險的策略有如下幾點:首先是限制進食時間,如對生物鐘基因突變小鼠限時喂養(yǎng)(在活動階段10 h可以進食)可以恢復(fù)其新陳代謝節(jié)律,保護其免于肥胖[118].其次是營養(yǎng)調(diào)節(jié),改變膳食比例.如投喂蛋白含量較高,碳水化合物含量較低的食物可以促進小鼠肝腎多個時鐘基因的表達節(jié)律,增加了BMAL1和Cry1的平均表達量[119]; 減少飽和脂肪酸(SFA)的攝入或者增加多不飽和脂肪酸(PUFA)的攝入,比如Omega-3 PUFA,它甚至被建議作為NAFLD的潛在治療劑[120]; 還有最近的DHA[121,122],它可以克服由高脂飲食引起的小鼠脂質(zhì)代謝晝夜節(jié)律紊亂[123].此外,人為補充一些激素可能具有效果,如褪黑素可以改善高脂喂養(yǎng)小鼠腸道菌群的晝夜節(jié)律[124],具有一定抗肥胖功效.不過遺憾的是,上述種種有前景的措施,其潛在機制尚未明確,應(yīng)用人體效果如何仍需進一步研究.

6 生物節(jié)律與肝臟蛋白質(zhì)代謝

飲食攝入的蛋白質(zhì)通常在小腸中被降解為氨基酸,并被吸收運輸?shù)礁闻K[125].氨基酸可用于糖異生,合成蛋白質(zhì),生成活性分子(如甲硫氨酸腺苷酸化所產(chǎn)生的SAM)以及降解釋放出氨參與尿素循環(huán),所以細(xì)胞中的氨基酸很少在保持游離狀態(tài).在進食狀態(tài)下,胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)下游激酶AKT激活mTOR-S6激酶途徑以促進蛋白質(zhì)翻譯,AKT或S6K1還可以使BMAL1磷酸化,并將其招募到翻譯復(fù)合物中,促進復(fù)合物的活性[126,127].由于核糖體生物合成[128]和mRNA特定亞組的優(yōu)先翻譯[129]是受晝夜節(jié)律調(diào)控的,所以蛋白質(zhì)合成也具有普遍節(jié)律,尤其在合成體內(nèi)許多重要分泌蛋白上(如白蛋白,視黃醇結(jié)合蛋白,甲狀腺素運載蛋白等),它們對肝臟功能而言特別重要.

在夜間禁食期間,肌肉和肝細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子KLF15可以介導(dǎo)下游酶的節(jié)律表達,這些酶參與了肌肉中氨基酸的動員,并在肝臟中用于糖異生和尿素循環(huán)中氨的再利用[130].因此,血漿中總氨基酸,支鏈氨基酸和尿素的水平在人體中表現(xiàn)出晝夜節(jié)律,并在夜間達到峰值[130].當(dāng)給予KLF15-/-小鼠富含蛋白質(zhì)飲食時,它們出現(xiàn)了急性代謝紊亂(如低血糖,高氨血癥和尿素生成受損),從而證明了其對氨基酸代謝的重要性[130].此外,最近研究發(fā)現(xiàn)支鏈氨基酸可通過PI3K-AKT途徑負(fù)調(diào)控KLF15表達[131],提示了氨基酸在調(diào)節(jié)代謝方面的潛在機制.

7 結(jié)論

過去二十年,人們對晝夜節(jié)律,能量代謝和激素穩(wěn)態(tài)之間關(guān)系的認(rèn)識逐步增加,進而揭示了核心生物鐘在協(xié)調(diào)周圍器官生物鐘的作用,并且還發(fā)現(xiàn)了既與晝夜節(jié)律相關(guān)又與代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的若干基因.可以肯定,晝夜節(jié)律是人類生理平衡的重要組分,而任何串?dāng)_都可能打破這種微妙的平衡,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的病理改變.即使目前已證實晝夜節(jié)律失調(diào)與某些疾病發(fā)生率攀升有關(guān),卻也很難評估晝夜節(jié)律紊亂在這些疾病發(fā)展中所占的比重.因此,我們需要更多的研究去深入了解生物節(jié)律參與代謝、致病過程的分子途徑,這不僅為治療提供靶點,還為預(yù)防代謝性疾病創(chuàng)造了機遇,也有益于改善公眾健康,合理指導(dǎo)疾病的預(yù)防和健康保健.