客观日本

新的神经肽、促食素的生理作用

2012年04月24日 科技交流

概要

本文作者所属的研究团队将促食素界定为孤儿受体的内源性配体。从产生促食素的神经元仅局部分布于摄食中枢下丘脑外侧区,向中枢中投与促食素摄食量增加等现象分析,开始时认为促食素是摄食行动的控制因素之一。之后,通过动物样本的实验以及临床研究表明促食素产生神经元的病变是猝睡症发病的原因,这种物质对于保持清醒起到重要的作用。并且,通过了解促食素产生神经元传入传出系统,与大脑边缘系统,摄食行动控制系统,清醒控制系统的相互关系也逐渐明朗。促食素不仅是睡眠觉醒调节组织的一部分,根据情绪变动及能量平衡,还承担合理控制睡眠・觉醒、回报系统以及摄食行动等综合功能。促食素受体兴奋剂、拮抗剂除了用于治疗睡眠障碍、不眠症,作为治疗摄食障碍、药物依存等疾病的有效药物,前景令人期待。

前言

我们的研究团队在1998年鉴定了新的神经肽、促食素的生物一致性。促食素与摄食行动控制系统、睡眠・觉醒控制系统两者有紧密的联系[1-2]。与回报系统的关系也令人注目,以统合的情绪变动、生物钟以及能量内稳态信息为基础,具有维持良好的睡眠・觉醒状态的功能[2]。

要控制以摄食行动为首的激发性行动,需要保持清醒以及回报系统的参与。由于促食素支持各种行动,被认为具有保持清醒的功能。

促食素与促食素受体

促食素是利用孤儿G蛋白偶联受体(GPCR)的新型生理活性物质的探索,也就是通过所谓的“reverse pharmacology(逆向药理学)”界定的神经肽[1]。促食素发现之后兴起了利用逆向药理学进行生理活性物质探索研究的热潮。

促食素由促食素-A与促食素-B(促食素1,促食素2[3])两种异构肽组成。促食素A分子内有两对二硫键。这两种异构肽由共通的前体物(prepro-orexin)生成。为两个G蛋白偶联受体、促食素1受体(OX1R)以及促食素2受体(OX2R)所接受[1](图1)。一般对于含有促食素受体的神经细胞,促食素对兴奋性起作用。

图1.促食素和促食素受体。由促食素-A和促食素-B的共同前体物prepro-orexin生成,为两个G蛋白偶联受体、促食素1受体(OX1R)以及促食素2受体(OX2R)所接受。促食素1受体(OX1R)与促食素-A有较高的亲和性,以及促食素2受体(OX2R)与促食素-A和促食素-B有同等的亲和性。

产生促食素的神经元仅发现存在于下丘脑中。特别是被看作是“摄食中枢”的外侧区域(lateral hypothalamic area: LHA)以及临近的下丘脑穹窿状区域的周围(perifornical area),还分布于下丘脑后部(posterior hypothalamus:PH)[4-5]。但是促食素免疫阳性纤维存在于除去小脑的中枢神经系统的全部区域,从下丘脑局部分散的数量较少的促食素神经元(老鼠有数千个,人有50000个左右)延伸的轴突,逐渐大量分支,投射向广泛的区域[4](图2)。在下丘脑内部,特别是弓状核、腹内侧核、丘脑背内侧核等,与摄食行动相关联的部位可以看到很多促食素状免疫活性阳性纤维。在下丘脑外部,可看到向脑干的睡眠・觉醒控制相关的单胺能神经的起核、青斑核(locus coeruleus: LC,去甲肾上腺素),中缝背核(dorsal raphe nucleus:DR、血清素)、下丘脑乳头结节核(tuberomamillary nucleus: TMN、释出组胺)、脑干胆碱能神经的起核、被盖背外侧核laterodorsal nucleus:LTD)、脚桥被盖核(pedunculopontine tegmental nucleus: PPT)的密集投射。也投射向大脑皮质的各层之中。

图2 促食素生成神经细胞的投射模式(引用自文献2)。促食素生成神经细胞的细胞体虽只分布于视丘下部,但投射到除小脑之外的中枢神经系统的全部区域。在脑干的单胺能神经、胆碱能神经、视丘的脑室壁核等清醒•睡眠的关联部分有特别强的投射。在这些的区域观察了活动较强的促食素受体(OX1R,OX2R)。

与促食素神经元的投射区域相重合,还分布有OX1R以及OX2R,脑内部的组织分布根据亚种类各不相同[6]。比如说在LC中只发现了OX1R mRNA,于此相对在TMN中只发现OX2R mRNA的存在。另外,在DR、LTD、PPT中则发现了两者的受体。由此可以说明两种促食素受体具有明确的作用分工。

促食素与睡眠障碍猝睡症

130年前Gelineau医生的记载以来,虽然有很多关于猝睡症的研究,但导致猝睡症的原因仍不为人所知。但是目前的研究证明猝睡症是由于缺少促食素所导致的。

猝睡症多发于青春期前后,多是感到强烈的睡意。特别是在日常生活中“应该清醒的时候”无法保持清醒,在不适宜的情况下突然睡着(嗜睡发作)。另外很多情况下伴随由于情绪(特别是高兴、大笑)激动肌肉强度下降发作,而导致肌肉强度能力丧失(猝倒症)。近年来将情绪激动丧失肌肉强度能力发作的猝睡症称作Narcolepsy with cataplexy,不表现为丧失肌肉强度能力的称作Narcolepsy without cataplexy加以区别,虽然有学说认为两者的病态生理存在若干差异,但这种说法并没有最终确定下来。猝睡症的主要症状是困倦,而由于睡眠中的多次中途觉醒又会影响睡眠的质量。还表现为刚睡着时做形象鲜明的梦(入睡前幻觉)、鬼压身(睡眠麻痹)等症状。猝睡症的症状表现为如下特征。由于无法正常地维持觉醒・睡眠的各个状态(觉醒,non-REM睡眠,REM睡眠)导致睡眠・觉醒的零碎化(觉醒状态与睡眠状态之间的转换频繁发生),由觉醒状态直接进入REM睡眠现象(sleep-onset REM现象),很短的入睡潜时。自从明确了猝睡症是由促食素缺乏所引起的之后,促食素对于“睡眠・觉醒状态的稳定化”具有的重要作用也为人所知。

猝倒症、睡眠麻痹被认为与REM睡眠时所表现出的肌肉紧张丧失相关联,入睡时幻觉则与REM睡眠时做梦有关系。后面是REM睡眠相关组织在异常的时间段出现的三个症状。一方面,睡眠发作时,从觉醒状态直接进入non-REM睡眠。另一方面由于猝睡症频繁的中途觉醒或睡眠过程的异常,无法获得熟睡之感。如此猝睡症的症状就是由于无法适当的维持觉醒・睡眠的各个状态(觉醒、non-REM睡眠、REM睡眠)而引起的。

猝睡症多在10几岁病发,青春期达到高峰,发病率为0.05-0.2%(日本0.16-0.18%),基本为零星发作、从含有的特定HLA基因(DRB1*1501とDQB1*0602)比例高于正常人来看,猝睡症可能是一种自体免疫疾病。近年研究表明与自体免疫相关的抗原可能是被称作Trib2的蛋白质[7]。

促食素与猝睡症的关系,首先是从动物样本研究中获得的。斯坦福大学从以前开始在持续遗传性猝睡症的狗身上发现多个系统中OX2受体基因突变现象,从这些动物样本中强烈表现出猝睡症与促食素缺乏的关联[8]。另外,促食素遗传基因缺乏的大鼠,OX2受体的遗传基因缺乏的大鼠,还有使之缺乏促食素产生神经的老鼠都表现出与人的猝睡症非常相似的睡眠・觉醒异常[9-10]。并且作为人的猝睡症患者的死后脑中促食素神经元消失殆尽[11],还可以发现90%以上的患者脊髓液中促食素A浓度的含量明显偏低[12]。美国将脊髓液中促食素A的浓度检查引入猝睡症的诊断标准之中。

如上所述,从猝睡症是由促食素缺乏所引起的事实,也说明促食素对于睡眠・觉醒状态的稳定化具有重要作用。

根据对改变基因的大鼠的分析,OX1R缺乏的大鼠没有在觉醒・睡眠上发现大的异常,但OX2R缺乏的大鼠能发现明显的觉醒零星化现象或觉醒状态一直持续突然进入REM睡眠的情况,出现Sleep-onset REM现象(SOREM),表现出明显的猝睡症的症状。以上研究说明OX2R的机能对于保持觉醒非常重要。但是OX1R、OX2R双敲除小鼠与促食素敲除小鼠表现出完全相同的表现型,比OX2R敲除小鼠症状明显严重。也就是说,OX1R与觉醒・睡眠循环控制也有关联。

通过促食素觉醒状态的维持机构

从促食素或OX2R缺乏的动物身上可以观察到无法保持适当的觉醒,REM潜睡期(开始睡眠到进入REM睡眠的时间)极端缩短等现象。有时REM潜睡期为零。从以上现象可以看出促食素对于觉醒的维持以及REM睡眠的控制发挥极其重要的作用。

那么,促食素如何进行对睡眠・觉醒的控制?如上所述,促食素产生神经向单胺・胆碱能神经系统的细胞核内投射促食素,在这些细胞核中也发现了促食素受体。研究很早就发现这些细胞核与睡眠・觉醒控制的相关性。LC去甲肾上腺素神经,DR血清神经,TMN组胺神经都在觉醒时以数Hz的发射频度活动,在non-REM睡眠时活动减弱,进入REM睡眠时活动基本停止。LDT与PPT中也存在与觉醒相关的神经元。这些神经元又分为在觉醒时以及REM睡眠时活性高的类型与只在REM睡眠时活性高的类型,参与觉醒的维持和REM睡眠控制。通过丘脑,或者直接对大脑皮质产生影响。这些单胺及胆碱能神经元集中于小的细胞核中,其神经轴突大量分支,投射向大脑皮质的广泛区域,与觉醒的维持密切相关。睡眠时,视前区(preoptic area)特别是存在于腹外侧视前区(ventrolateral preoptic area: VLPO)只在睡眠时高频率投射的神经细胞(sleep-active neuron)GABA活动刺激性的抑制性影响,抑制了觉醒控制区域的神经细胞,最终引起睡眠。促食素产生神经元如前所述,投射向单胺及胆碱能神经元的细胞核中,以这些神经元为媒介起到保持觉醒的作用。在LC中只发现了OX1R、TMN,但还发现了DR、LDT/PPT两者的受体,被认为与这些控制相关联。

促食素神经元的控制系统

小鼠或大鼠促食素神经元活动如果用in vivo记录下来表现为觉醒时活动增加,non-REM睡眠、REM睡眠时活动减弱[13-15]的结构。这种控制是如何进行的呢?

近年来,根据促食素产生神经元电生理学以及组织学的解析,了解了产生促食素神经元传导系统的结构[16-17]。血清素、去甲肾上腺素强烈抑制促食素产生神经元,乙酰胆碱使大约3成的促食素产生神经元发生活性[17-18]。另外还受到缩胆囊素、胃饥饿素、加压素、神经降压素、TRH、CRF等神经肽的影响,以及动物全身能量平衡指标因素的控制。例如瘦素的抑制,在细胞外葡萄糖浓度升高的情况下受到抑制[19]。这些因素也可能对促食素神经元的活动产生影响。

另外,根据近年的研究成果界定了传导输入促食素产生神经的上流神经细胞群的生物类别[17,20]。促食素产生神经接收来自扁桃体、终纹床核等大脑边缘系统或视前区(POA)GABA神经、中缝核血清素神经的传导。通过这些传导系统,促食素产生神经在需要觉醒的时候发生活性,控制脑干的单胺神经、胆碱能神经处于适当的活性。

特别是扁桃体、终纹床核是与情绪活动控制息息相关的部位,向脑干及下丘脑传导输出,参与伴随情绪变化运动系统的控制,交感神经的活性化,HPA轴的活性化,在促食素神经中也能看到来自这个区域的投射[17,20]。情绪变动时注意力集中觉醒程度上升,这种现象很可能与大脑边缘系统对促食素神经的传导输入相关。猝睡症患者在普通人处于无法引起睡意的紧张场合,充满兴趣的状态下任然陷入睡眠状态,表明情绪活动刺激促食素神经在保持觉醒上非常重要。另外,猝睡症患者中情绪变动引起猝倒也说明情绪变动会使促食素神经发生活性。也就是说情绪变动时本来促食素产生神经的活性化可以保持肌肉强度张力。对大鼠施加情绪刺激,通过交感神经系统的活性,血压、脉搏跳动次数上升。但是促食素缺乏的大鼠的以上反应非常微弱。并且直接刺激促食素缺乏的大鼠的扁桃体和终纹床核所引起的自主反应也很微弱[21-22]。由此可以看出,对于情绪变动自主神经系统的反应来说促食素的机能不可或缺。可以认为像这样来自大脑边缘的传导输入与自主神经系统的控制和觉醒程度的上升具有关系。

由大脑边缘系统向促食素神经的传导输入系统可能也参与摄食活动的控制。患猝睡症的狗由于识别食物而导致猝倒。这种现象说明,通过识别食物引起食欲时,以回报性情绪变动的发生为媒介促食素系发生活性。

一方面在POA中局部分布着睡眠时发生活性,含有抑制性神经传递物质的神经细胞群。这些神经细胞通过向单胺系神经投射抑制性GABA以及甘丙肽的抑制性,引发睡眠并维持睡眠,促食素神经元也通过sleep-active neuron受到抑制[17,20]。由此,睡眠时间促食素产生神经元的活动维持在较低的水平。

另外,促食素产生神经元,还接受来自血清素神经、去甲肾上腺素神经的抑制传导输入。如前所述促食素神经元因为向这些单胺神经元传导输出兴奋性,形成负反馈环通路,觉醒时通过对促食素神经元的抑制性传导输入,起到将促食素神经元的活性保持在一定程度的作用(图3)。

图3 促食素神经细胞信息输入输出系统的概要(引用自文献2 并加以修改)。大脑边缘系的兴奋信息经过视丘下部丘脑背内侧核 (Dorsomedial hypothalamus;DMH)通过脑内生物钟进入促食素,接受到瘦素、葡萄糖、生长激素释放肽等末梢的能量平衡信息,向脑干和视丘下部的单胺、胆碱能神经输出信息。同时,通过弓状核(Arc)的NPY神经等对摄食行动也进行控制。来自DMH的输入信息对进食规律也有干预。对弓状核的作用一方面与瘦素感受性的控制相关,另一方面促食素神经细胞得到来自大脑边缘系和视前区、脑干、视丘下部等的信息输入从而改变活性,向单胺类等对清醒有影响的区域输出信息。通过这个系统,生物可根据体内外环境维持恰当的清醒状态。

那么,对促食素产生神经元的控制,瘦素与葡萄糖有何种生理意义呢?给动物断食则会出现自发活动量增加与觉醒程度上升的现象,不仅在活动期内,非活动期(龋齿类白天)的活动量也会上升[16]。葡萄糖对促食素产生神经元的控制参与这些机能的发挥。给大鼠断食则表现出觉醒时间延长,睡眠时间缩短,这是为寻找食物而进行的活动,促食素神经缺乏的大鼠没有出现断食带来的觉醒时间延长、活动量增加等现象。也就是说能量平衡倾向于负极时出现的觉醒的增加、活动量的增加需要发挥促食素产生神经元的功能。

结束语

促食素产生神经元在获得大脑边缘系统、视前区、下丘脑、脑干等传导输入的同时感知末梢的代谢状态。然后根据这些信息维持适当的觉醒,控制脑干的单胺能神经元与胆碱能神经元。例如,由于情绪变动引起的觉醒程度的上升很可能是大脑边缘系统的传导输入在起作用。另外,葡萄糖与瘦素的控制在能量平衡处于负极时对于保持觉醒支持摄食活动起到作用。这些机能在病态状态下可能干预摄食活动。这也表明促食素受体拮抗药对于降低摄食量和治疗肥胖有一定的作用[23]。另外在为减肥而限制卡路里摄入的情况下,可能会产生失眠。并且,神经性食欲不振等情况可能会出现过度活动,这时,血糖值与瘦素水平较低可能导致促食素产生神经元的活性化。目前,期待OX1R、OX2R两者均发挥作用的非选择性促食素受体拮抗药能够成为良好的安眠药[24]。促食素受体拮抗药不仅用于治疗失眠,还可能对中枢性摄食异常的治疗发挥作用。另一方面,OX2R活动刺激药在治疗猝睡症的同时,还可能用于治疗由基础代谢的增加或者瘦素敏感性的上升引起的肥胖[25]。

 

 

参考文献

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2.            Sakurai, T., The neural circuit of orexin (hypocretin): maintaining sleep and wakefulness. Nat Rev Neurosci, 2007. 8(3): p. 171-181.

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25.          Funato, H., et al., Enhanced Orexin Signaling Prevents Diet-Induced Obesity and Improves Leptin Sensitivity. Cell Metab, 2009. 9 (1): p. 64-76

 

 

简历

樱井武

1964年5月生。金泽大学医药保健研究医学系脑医科学专业分子神经科学综合生理学领域教授。

1993年3月筑波大学大学院医学研究科生化系专业毕业,获医学博士学位。

1993年4月1日~1993年8月 日本学术振兴会特别研究员

1993年8月16日~1999年11月 筑波大学基础医学系讲师

1995年7月1日~1997年8月 得克萨斯大学HHMI研究员

1997年9月1日~1999年11月 筑波大学基础医学系讲师

1999年12月1日~2004年3月 筑波大学基础医学系副教授

2004年4月~2007年3月 筑波大学大学院人综合科学研究科副教授

2007年4月~2007年10月 筑波大学大学院人综合科学研究科准教授

2007年11月~2008年3月 金泽大学大学院医学系研究科分子神经科学综合生理学教授

2008年4月~现职

1998年10月 第4次国际神经内分泌学会优秀论文奖

2001年2月 筑波奖励奖(青年研究人员部门)

2009年12月 第14次安藤百福奖大奖

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