综述 | 湖南农业大学：昼夜节律与肥胖：生物钟控制脂代谢（国人佳作）
编译：Echo，编辑：Emma、江舜尧。
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几乎所有的生物都有着自我调节的生物钟转录-翻译反馈回路，诸多生理生化过程表现出大约以24小时为周期的节律性波动，机体内源性的“时钟装置”被称为生物钟，而周期性的生命活动现象则被称为昼夜节律。生物钟的主要功能是驱动机体生理生化等方面的昼夜节律以确保其与外界的环境同步。由遗传或环境因素引起的昼夜节律紊乱对健康的影响是长期的、持续的。与此相关的是，人们越来越认识到宿主生物钟与脂质代谢具有交互作用，生物钟与脂质代谢的相互作用可能参与了肥胖的发生与发展。多系统或分子的机制，如激素(例如如褪黑素、瘦素、糖皮质激素)、肠道微生物以及能量代谢都会把生物钟和脂质代谢联系起来，由此可见，生物钟和脂质代谢相互作用的失调会增加肥胖的风险，而这反过来又可能进一步加剧生物钟紊乱的程度。摄食时间和膳食营养是影响生物钟和脂质代谢相互作用的两个关键环境授时因子，本文从生物钟角度重点介绍了肥胖发展的潜在机制。总之，脂质代谢生物钟机制的特性，旨在形成一个健康而规律的生活方式，可能为改善肥胖提供一个新的思路和策略。
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内容
1. 生物钟简介及其分子机制
生物钟是生命活动的内在节律，包括日、月、年等不同周期的节律。其中，周期约为24小时的近日节律研究得最为广泛，与人类健康的关系也最为密切，绝大多数脏器都存在生物钟；其中，生物钟中枢位于下丘脑视交叉上核，其至少由20000个神经元组成，它通过眼睛和视神经接受光信号的变化，并将这些信息通过多种途径传递到外周组织（如心脏、肝脏、肾脏、胰腺等），同步外周生物钟。哺乳动物的生物钟主要由一组时钟蛋白来驱动，包括BMAL1、CLOCK、PER（1-3）、CRY（1-2）等。BMAL1和CLOCK形成异源二聚体，结合在per和cry基因启动子区的E-BOX元件上，促进它们的转录，当PER和CRY在细胞质中聚集达到一定浓度时，形成二聚体，入核并抑制BMAL1/CLOCK二聚体的转录活性，从而抑制per和cry自身的转录。另外，核受体ROR和REV-ERB可以结合到bmal1启动子区的ROR结合元件分别促进和抑制bmal1的转录。核受体PPAR可以结合到bmal1启动子区的PPRE结合元件促进bmal1的转录。此外，这些核心时钟基因还调控成百上千其他基因即钟控基因的节律表达，进而影响体内纷繁复杂的生理生化过程。高时间分辨率的相关分析进一步确定了代谢谱中广泛的昼夜节律(约占测量到的代谢物的50%)，这种节律性涉及诸多代谢领域，最明显的是核苷酸、能量、氧化应激和碳水化合物代谢，而代谢产物节律的振幅低于转录水平，但其内在机制尚不清楚。
2. 生物钟与肥胖
生物钟紊乱存在于多种疾病，目前生物钟研究领域是其与肥胖之间的相互作用。肥胖是由白色脂肪组织的异常积累引起的，一般是由于营养过剩、饮食不良、体力活动不足和慢性胰岛素抵抗。研究表明昼夜节律紊乱会广泛影响宿主的脂质代谢，并加速肥胖的发展。clock突变和bmal1敲除小鼠都表现出糖耐量异常、胰岛素分泌减少、对高脂饮食的敏感性增加。此外，糖代谢稳态在外周组织(骨骼肌、β细胞、肝脏)特异性敲除bmal1的小鼠模型中均出现异常。per突变的果蝇脂质代谢的中间媒介发生显著改变(可检测到二酰基甘油和酰基肉碱)和饥饿的敏感性增加。反过来，在肥胖患者中，bmal1、cry1、cry2和per2基因在光照(白天)周期表达显著增加，而在黑暗(夜晚)周期表达下调，提示生物钟基因及其下游的通路都可能受到脂质代谢紊乱的影响。
生物钟与脂质代谢的相互作用是可能环境引起的生物钟紊乱进而加重肥胖。例如，夜间的人工光照会导致生物钟紊乱，并伴有脂质代谢紊乱。经常吃夜宵与身体质量指数(BMIs)升高和肥胖呈正相关。同样，每晚睡眠时间少于6-7小时与低瘦素水平、胰岛素抵抗、葡萄糖耐量和饮食过量呈正相关。因此，目前已知的数据表明，遗传和/或环境对生物钟的干扰会损害生物钟与脂质代谢的相互作用，从而成为肥胖发生发展的高风险因素之一。
3、生物钟与肥胖相互作用的潜在机制
(1)激素
各种激素(如褪黑素、瘦素、糖皮质激素)及其相关受体都参与摄食、脂质代谢和脂肪蓄积的调节。有趣的是，这些激素在正常的光暗周期内均呈现明显的昼夜节律，这或许会成为昼夜节律与肥胖相互作用的潜在机制研究的方向之一。
首先是褪黑素，褪黑激素是一种由松果体分泌的激素。它在自然界中广泛分布，诸多物种均可合成此激素，包括单细胞生物、微生物、植物和动物。在哺乳动物中，褪黑激素的主要来源是松果体，其生物合成和分泌呈节律性波动，在夜间有着较高的分泌，而在白天呈低水平分泌。褪黑素在脂质代谢中的作用已被广泛报道，在高脂饮食喂养的小鼠模型中，外源性褪黑素会重置肠道菌群的组成及其节律，对脂质代谢紊乱起到保护作用。此外，肝脏生物钟基因表达、血脂指标和肠道菌群的节律性振荡均可由短期的高脂饮食所驱动，而外源性褪黑素治疗可改善某些特定肠道菌群的昼夜节律。在哺乳动物中，褪黑素通过两个高亲和力的G蛋白偶联受体发挥作用，称为褪黑素1型受体和2型受体(MT1和MT2)。一系列使用褪黑激素受体的研究已经揭示了褪黑激素调节生理代谢的机制。
其次是瘦素，瘦素主要由白色脂肪组织合成和分泌，在循环系统中呈现出明显的昼夜节律，在人和啮齿类动物非活动期达到峰值。瘦素的昼夜节律主要由BMAL1/CLOCK负反馈环路所驱动，同时也受其他生物钟基因的影响，如per和cry。脂肪细胞中缺乏bmal1的小鼠显示出较高的血浆瘦素浓度，其机制可能与该模型中脂肪组织质量和进食的昼夜节律的变化有关。瘦素的稳态在食物摄入、能量消耗、脂质代谢、胰岛素敏感性和食物预期节律中起着重要作用。此外，瘦素还通过瘦素受体调节神经肽的合成，这些神经肽控制着食物摄入和机体能量稳态。
最后是糖皮质激素，糖皮质激素(类固醇激素)与脂质和葡萄糖代谢有关，并通过下丘脑-垂体-肾上腺轴表现出昼夜波动变化，血液水平在活动期(人类的清晨)前达到峰值。肥胖患者体内糖皮质激素含量普遍较高。此外，长期服用糖皮质激素会导致脂肪的蓄积和脂肪生成以及生物钟基因表达的明显改变。Quagliarini等人还报道，糖皮质激素受体通过调节大部分昼夜振荡的转录本并与染色质结合来调节葡萄糖和甘油三酯(TG)代谢。然而，糖皮质激素介导的棕色脂肪组织功能存在物种特异性，因为糖皮质激素通过上调人体内解偶联蛋白1 (UCP-1)而显著增加了棕色脂肪组织的活性，但在原代小鼠棕色和米色脂肪中显著降低异丙肾上腺素刺激所产生的UCP-1。
肠道菌群被认为是影响哺乳动物消化能力、营养吸收、能量平衡和体脂积累的重要因素。无菌动物和粪便微生物移植为了解肠道菌群在宿主脂质代谢和肥胖发育中的作用提供了新的技术手段。与传统饲养的小鼠相比，无菌小鼠不会有其他因素导致额外体重的增加。早期研究表明，大多数肠道微生物呈现昼夜变化，其周期与人类的中枢生物钟相同，约为24小时。肠道微生物和代谢组的昼夜变化进一步控制了宿主组织的昼夜表观遗传和转录组，从而影响了宿主生理和疾病的昼夜变化。在没有肠道微生物的情况下，喂食低脂或高脂饮食的无菌小鼠与传统喂养的小鼠相比，表现出完全不同的中枢和肝脏生物钟基因表达和代谢途径。肠道微生物群的昼夜节律主要是由宿主的昼夜时钟信号、饮食组成和食物摄入量所驱动。微生物代谢产物可以影响宿主的昼夜节律和脂质代谢，例如硫化氢和短链脂肪酸。硫化氢会抑制丁酸盐的产生，丁酸盐是结肠中的主要能量来源。硫化氢还可以靶向小鼠肝脏中bmal1的表达，从而进一步介导宿主的昼夜节律。醋酸钠通过GPR43机制影响葡萄糖和脂肪酸的摄取，促进白色脂肪褐变。综上所述，肠道菌群是生物钟与脂质代谢相互作用的潜在机制，而肠道菌群和微生物代谢的重置可能为肥胖的干预提供潜在策略。
肥胖与能量储存有关，能量储存是由能量摄入增加和能量消耗减少所决定。在慢性能量失衡的条件下，脂肪组织因多余的能量和脂质储存而膨胀，最终导致肥胖。生物钟通过控制动物和人体内的葡萄糖和脂类的节律进而控制能量稳态。例如，在159种脂质中，有27种(约为17%)在肝脏中表现出明显的昼夜变化，这表明肝脏中的脂质代谢和蓄积是暂时受到生物钟控制的。葡萄糖和脂类的昼夜节律主要由中枢生物钟和肝脏、胰腺、肌肉和白色脂肪组织中的外周时钟所控制。例如，肝脏中bmal1缺失导致低血糖局限于每日摄食周期的禁食期，葡萄糖清除过度，肝脏葡萄糖调节相关基因失去节律性表达。同样，clock突变小鼠比对照组小鼠更肥胖，血液中胆固醇和甘油三酯(TG)也表现出更高的水平。但摄食时间的改变会影响脂质生物钟，夜间限制摄食会导致小鼠TG积累昼夜节律期的改变可以印证这一假设。反过来，葡萄糖处理的大鼠成纤维细胞可下调per1和per2表达，这进一步揭示了能量代谢与生物钟之间的相互作用。在细胞水平上，代谢传感器直接以生物钟的核心部件为靶标，并与代谢状态共同协调生物钟。sirt1(sirtuin1)通过代谢相关过程反映能量水平，通过与CLOCK/BMAL1异二聚体和PER2蛋白直接结合调节昼夜节律功能。sirt1和clock的突变均与抗减肥能力增强、血清胃饥饿素增加和饱和脂肪摄入量增加有关。mTOR是一种主要的细胞内能量状态传感器，可提升CYR1、BMAL1和CLOCK蛋白。
4. 昼夜节律与肥胖相互作用的影响因素
进食时间是外周组织中重要的授时因子之一。不健康的进食的时间(比如人类的晚餐时间很晚)对脂肪的蓄积有潜在的负面影响。此外，与吃高卡路里早餐的人相比，吃高卡路里早餐的人在晚餐时的摄入量，体重获取，脂肪组织，空腹血糖，TG和胰岛素均明显降低。这种现象的潜在机制可能与生物钟和营养的相互作用有关，因为人们在晚上会有更多的食欲和食物摄入，这与肥胖密切相关。小鼠的研究进一步表明，在一天中非活动期喂食会使外周时钟失去同步，并促进肥胖表型的进一步发展，同时伴有瘦素抵抗、增生、体能活动不足、肝脂肪蓄积。在高脂饮食模型中，与对照组小鼠相比，限制性饮食小鼠的生物钟基因的表达相位得到了明显改善，有效降低了肥胖的发生，胆固醇降低了30%，胰岛素敏感性提高了3.7倍。进食时间也会影响整个身体的细胞生物钟，而进食调节的激素胰岛素和胰岛素样生长因子1 (IGF-1)有可能通过诱导PERIOD蛋白来重置与小鼠行为和时钟基因表达相关的生物钟成为潜在的机制，这需要mTOR的激活，磷酸肌醇信号增加以及microRNA的下调。mTOR进一步磷酸化紧密连接蛋白1，降低其与PER1的连接，从而增加PER1的入核，抑制生物钟分子反馈回路，进而降低节律的振荡。除了众所周知的体内平衡功能外，现在认为胰岛素/IGF-1-mTOR-PER1是生物钟控制进食时间的主要信号来源。因此，建议健康的摄食时间方式或限时摄食可以维持宿主正常的生物钟，从而改善脂质代谢，将有助于解释肥胖与生物钟的相互作用。
通过靶向生物钟基因，特别是在外周组织中，营养成分已被确定为生物钟的另一个重要信号。Hsieh等人报道，高脂饮食引起的肥胖会改变肝脏和肾脏中的生物钟基因和钟控基因。
在高脂饮食的作用下，CLOCK/BMAL1二聚体的破坏将会进一步重塑肝脏的生物钟，导致在光照阶段食物消耗增加，从而影响瘦素分泌和胃迷走神经传入纤维。然而，高卡路里的早餐连同晚餐摄入量的减少可以作为控制肥胖和代谢综合征的替代方法。与对照鼠相比，高蛋白低碳水的喂食方式导致小鼠肾脏和肝脏中多个时钟基因的表达发生明显改变。与夜间摄入果糖受限的小鼠相比，只在光照时间摄入果糖小鼠体重才会增加，并伴白色脂肪组织增加。其他食物，如咖啡因和生姜，也会对活动度的昼夜节律产生影响并参与宿主的脂质代谢。
总结
在过去的几十年里，我们在哺乳动物生物钟系统及其与肥胖的关系方面取得了显著的进展。本篇综述总结了昼夜节律系统和肥胖之间相互作用的基础，并讨论了肠道菌群、能量和激素如何调节肥胖和哺乳动物的生物钟。此外，诸多影响因素如进食时间和营养成分等都调节着生物钟与肥胖的相互作用。尽管我们对昼夜节律和脂肪组织的理解取得了进展，但仍有许多重要的研究途径有待探索和深入研究。例如，在表观遗传学、代谢组、转录组和蛋白质组水平上，生物钟和脂质代谢之间的分子和生理联系是什么？肠道微生物菌群如何感知宿主的昼夜节律和外部的授时因子，并将昼夜节律信息传递给脂质代谢？褪黑激素是一种关键的昼夜节律调节激素，由宿主和微生物群产生，但其在生物钟相关的机制与肥胖发展之间的关联有待进一步研究。与褪黑素、肠道菌群、能量作用相关研究的日益增加，生物钟控制肥胖发展的机制将变得更加重要。在未来，时间疗法有望促进一系列有效的方法来指导我们保持健康习惯和控制肥胖，并为肥胖的防治提供全新的思路和策略。
