瘦素的神經保護與促進記憶作用研究進展

程 瑾，胡順安

瘦素在機體眾多生理生化過程中發揮著重要的調節作用[1]。中樞神經系統存在大量的瘦素及其受體，這是瘦素信號調節大腦生理功能的物質基礎[2]。目前研究表明，瘦素對海馬功能有調節作用[3-4]。瘦素的下游靶點腦源性神經營養因子(BDNF)參與下丘腦攝食調節[5]，而脂質代謝異常與神經退行性疾病尤其阿爾茨海默病(AD)相關[6-7]。臨床研究表明，糖尿病患者罹患AD的風險增加，提示內分泌疾病與神經退行性過程相關[8]。本綜述旨在討論瘦素在神經系統疾病中的作用，主要從神經保護作用和促進記憶兩個方面進行闡述。

1 瘦素在中樞神經系統中的生理作用

1.1 瘦素調節能量平衡及下丘腦神經內分泌功能 瘦素基因編碼16 kDa的多肽瘦素，瘦素與其受體(Ob-R)結合介導細胞內信號途徑并發揮生理功能。以往研究表明，Ob-R缺乏小鼠(ob/ob小鼠)易發展至病態肥胖和糖尿病，血漿瘦素水平與體脂含量高度相關[9]。Ob-R主要位于下丘腦，參與調控能量平衡。Ob-R還存在于腦干5-羥色胺(5-HT)能神經元，瘦素通過抑制腦干神經元5-HT的合成和釋放來調節食欲和能量消耗。除了調節能量平衡及下丘腦神經內分泌功能外，瘦素在大腦還有更廣泛的作用。

1.2 瘦素調節神經元興奮性及突觸可塑性 瘦素可激活海馬神經元K+通道，調節其興奮性。另外，ob/ob小鼠空間學習能力受損。瘦素信號可能影響神經元興奮性及突觸可塑性[10]。

黑質也存在Ob-R mRNA表達。此外，瘦素還能調節中腦邊緣多巴胺系統[2，11]，對多巴胺能神經元的神經遞質產生影響，如增加酪氨酸羥化酶含量和調節多巴胺轉運蛋白活性等[2]。

另外，Ob-R在培養的海馬神經元和膠質細胞共表達[12]。瘦素是海馬功能的關鍵調節劑，瘦素對海馬谷氨酸受體尤其NMDA和AMPA受體功能有影響，兩者是學習記憶和癲癇等神經系統疾病的重要調節因素[13-15]。此外，瘦素還能對抗紅藻氨酸(kainate acid，KA)導致的興奮性神經毒性、調節突觸可塑性和樹突形態[13]。

2 瘦素是神經保護劑

體外模型研究表明，瘦素對多巴胺能細胞及其他類型的細胞和腦區都有神經保護作用[7，16-17]。因此，瘦素對AD和帕金森病(PD)等神經系統疾病治療有潛在的應用價值。

2.1 瘦素在AD中的作用 AD是一種多因素導致的神經退化性疾病，其特點是漸進性神經元丟失、膠質細胞增生和兩種疾病標志物的積聚：老年斑〔β淀粉樣蛋白(Aβ)聚集〕和神經元纖維纏結(tau蛋白磷酸化)[18-19]。游離脂肪酸、膽固醇、脂蛋白和載脂蛋白E(apo E)等均能促進Aβ形成，以上因素干預可能減緩或限制Aβ形成，瘦素有利于Aβ消除。

瘦素可通過以下方式干擾AD的發病過程：(1)抑制淀粉樣過程[18]；(2)降低糖原合酶激酶-3β(GSK3β)活性，從而降低tau蛋白磷酸化水平[20]；(3)改善認知功能[7]。首先，瘦素可降低Aβ形成，Aβ是β-和γ-分泌酶連續裂解淀粉樣前體蛋白(APP)的結果，瘦素可降低神經元β位APP分解酶(BACE)的活性，減少Aβ生成[21]。類似地，瘦素信號可能與apo E基因表達相關，瘦素也可通過apo E依賴性攝取，增強Aβ聚集體的消除。瘦素的以上作用在體外和體內轉基因AD小鼠模型中均已得到證實[21-22]。瘦素顯著改善AD小鼠模型(TgCRND8)AD相關特征，包括減少Aβ、tau蛋白磷酸化水平和改善認知[7]。其次，瘦素參與神經保護作用的機制可能是激活AMPK和SIRT1，兩者均為AD有關的潛在靶標[23]。但低水平瘦素導致AMPK活性不足，反而增加Aβ和tau磷酸化。SIRT1的活化可能通過上調α-分泌酶生成，在AD中發揮有益作用[24]。研究表明，瘦素導致GSK3β的9-絲氨酸磷酸化引起GSK3β失活?？傊?，瘦素通過AMPK和GSK3β途徑調節tau蛋白磷酸化[18-20]。因此，瘦素可同時改善Aβ和tau相關病理途徑，有望用于AD治療。

2.2 瘦素在PD中的作用 原發性PD多發生于中老年人，是一種中樞神經系統變性疾病，與年齡老化、環境因素或家族遺傳因素等有關。黑質多巴胺能神經元變性導致的多巴胺缺乏/乙酰膽堿功能相對亢進，是PD的病理生理學基礎。目前，瘦素對多巴胺能神經元的保護作用研究主要集中在細胞水平，線粒體神經毒素MPP+和神經毒素6-羥基多巴胺(6-OHDA)是最常用的實驗性PD模型。研究顯示，體質量減輕是PD患者的一個共同特征[25]。PD患者血清瘦素水平與體質量間有關聯[26-27]。然而，體脂含量下降可能是PD患者血漿瘦素水平降低更好的指標[28]。

據報道，瘦素對抗MPP+發揮細胞保護作用[29]。瘦素激活PI3K/AKT，促進SH-SY5Y細胞生存[29-30]。另外，瘦素通過增加線粒體解偶聯蛋白2(UCP2)表達，在體內外恢復ATP水平，保證能量供應，說明瘦素能增加線粒體效率[30]，從而介導瘦素的神經保護作用。

在MN9D多巴胺能細胞系，瘦素能逆轉6-OHDA毒性作用導致的細胞損失[31]。瘦素通過MAPK和ERK途徑調節pCREB，增加BDNF水平，對抗體內多巴胺能神經元的6-OHDA毒性，有顯著的神經保護作用。瘦素增加BDNF水平可能是介導神經保護作用的重要機制，瘦素有望作為一種神經保護藥物用于PD實驗模型研究。

2.3 瘦素與癲癇 有研究發現，生酮飲食——難治性癲癇的一種有效治療方法，能顯著提高嚙齒類動物的血清瘦素水平[32]；瘦素是一種內源性抗驚厥劑[33]；ob/ob小鼠比野生型小鼠更易被致癇劑戊四氮(PTZ)點燃，并誘導癲癇發作，此外，更易發生全身性發作和細胞死亡[34]；瘦素還明顯減少其他化學模型如腦室注射4-氨基吡啶、腹腔注射PTZ等引起的小鼠癲癇發作[35]；此外，瘦素還能保護ob/ob小鼠海馬神經元對抗KA興奮性毒性，KA癲癇模型通過激活谷氨酸受體易化癲癇活動[36]。上述研究均表明血漿瘦素水平升高可能會降低神經元興奮性，從而發揮抗驚厥作用。

瘦素發揮抗驚厥作用的機制可能如下：(1)通過調節NMDA受體或激活大電導鈣激活鉀通道(BK)[37]，而BK是決定海馬神經元興奮性的重要因素，可導致癲癇活動中的異常放電[33]。(2)通過與Ob-R結合并激活JAK2/PI3K途徑，抑制AMPAR介導的突觸傳遞，起抗癲癇作用。(3)瘦素在體外對NMDA受體(KA誘導的海馬細胞死亡相關受體)引起的興奮性毒性和氧化應激導致的神經元損傷有保護作用[13]。

2.4 瘦素在腦缺血模型中的神經保護作用 瘦素在嚙齒類動物模型局部大腦缺血中也有神經保護作用。研究證明，瘦素神經保護機制與ERK1/2、AKT、核因子κB(NF-κB)轉錄及STAT3信號通路有關[36-39]，它們均為Ob-R激活的下游信號事件。NF-κB激活誘導Bcl-2家族成員抗凋亡蛋白Bcl-xL基因表達，是典型的神經保護作用分子[39]。因此，瘦素改變Bcl-xL/Bax比值至抗凋亡狀態，進而在局部缺血中發揮抗細胞凋亡作用。同樣，瘦素也可活化ERK1/2，進而磷酸化Bad Ser-112，抑制其凋亡活性，從而起到神經保護作用。另外，p65和p50核轉位后，可與c-Rel形成復合物，與細胞存活有關，這是瘦素的另一作用機制。

3 瘦素在學習記憶中的作用

有研究表明，瘦素在調節海馬突觸可塑性和影響谷氨酸受體，主要是NMDA和AMPA受體轉運中，起著重要的作用[40]。海馬CA1區NMDA受體依賴性長時程增強(LTP)是空間學習記憶的基礎，突觸NMDA受體激活使突觸后[Ca2+]i升高，這對海馬CA1區突觸LTP誘導是至關重要的。瘦素促進海馬神經元鈣離子/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)磷酸化，易化LTP的形成[41]。在新生嚙齒動物，瘦素能夠增加海馬NMDA受體NR1亞單位的表達[37]。隨后，瘦素激活突觸含NR2A的NMDA受體，增加海馬突觸密度。瘦素調節樹突形態的作用在海馬突觸可塑性和神經發育中也具有重要的意義[40-43]。Ob-R在小腦神經元也有表達，瘦素促進其NMDA受體NR2B介導的鈣內流。

瘦素促進成年大鼠海馬切片GluR2缺乏的AMPA受體突觸表達增加，導致興奮性突觸傳遞效能持久性增加。GluR2缺乏的AMPA受體可滲透Ca2+，導致突觸效能所需的細胞內特定信號通路激活。以上作用可以部分解釋瘦素對記憶的有利影響。

4 結語與展望

綜上所述，瘦素對AD、PD、癲癇和局部缺血等神經系統疾病有神經保護作用，并能改善認知功能。瘦素通過與其受體結合，調節CDK5、AMPK、GSK3β、STAT3等信號途徑參與神經保護[7]。此外，瘦素調節谷氨酸受體，提高認知功能[7]。

瘦素神經保護的另一個機制是調節線粒體功能。瘦素通過激活AMPK、過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)共激活因子(PGC)/PPAR途徑，支持線粒體功能。瘦素通過激活和調節線粒體代謝，有助于恢復疾病神經元至精力充沛的狀態，發揮神經營養和保護作用?？傊?，瘦素激動劑相關肽的研發對Ob-R相關神經系統疾病的治療有現實意義。

1 Fernandez AM，Torres-Alemán I.The many faces of insulin-like peptide signalling in the brain[J].Nat Rev Neurosci，2012，13(4)：225-239.

2 Scott MM，Lachey JL，Sternson SM，et al.Leptin targets in the mouse brain[J].J Comp Neurol，2009，514(5)：518-532.

3 Plum L，Schubert M，Brüning JC.The role of insulin receptor signaling in the brain[J].Trends Endocrinol Metab，2005，16(2)：59-65.

4 Signore AP，Zhang F，Weng Z，et al.Leptin neuroprotection in the CNS：mechanisms and therapeutic potentials[J].J Neurochem，2008，106(5)：1977-1990.

5 Rosas-Vargas H，Martínez-Ezquerro JD，Bienvenu T.Brain-derived neurotrophic factor，food intake regulation，and obesity[J].Arch Med Res，2011，42(6)：482-494.

6 Lieb W，Beiser AS，Vasan RS，et al.Association of plasma leptin levels with incident Alzheimer disease and MRI measures of brain aging[J].J Am Med Assoc，2009，302(23)：2565-2572.

7 Tezapsidis N，Johnston JM，Smith MA，et al.Leptin：a novel therapeutic strategy for Alzheimer′s disease[J].J Alzheimers Dis，2009，16(4)：731-740.

8 Arab L，Sadeghi R，Walker DG，et al.Consequences of aberrant insulin regulation in the brain：can treating diabetes be effective for Alzheimer′s disease[J].Curr Neuropharmacol，2011，9(4)：693-705.

9 Doruk H，Naharci MI，Bozoglu E，et al.The relationship between body mass index and incidental mild cognitive impairment，Alzheimer′s disease and vascular dementia in elderly[J].J Nutr Health Aging，2010，14 (10)：834-838.

10 Moult PR，Harvey J.Hormonal regulation of hippocampal dendritic morphology and synaptic plasticity[J].Cell Adh Migr，2008，2(4)：269-275.

11 Elmquist JK，Bj?rbaek C，Ahima RS，et al.Distributions of leptin receptor mRNA isoforms in the rat brain[J].J Comp Neurol，1998，395(4)：535-547.

12 Marwarha G，Dasari B，Ghribi O.Endoplasmic reticulum stress induced CHOP activation mediates the down-regulation of leptin in human neuroblastoma SH-SY5Y cells treated with the oxysterol 27-hydroxycholesterol[J].Cell Signal，2012，24(2)：484-492.

13 Obeid M，Frank J，Medina M，et al.Neuroprotective effects of leptin following kainic acid-induced status epilepticus[J].Epilepsy Behav，2010，19(3)：278-283.

14 Moult PR，Harvey J.NMDA receptor subunit composition determines the polarity of leptin-induced synaptic plasticity[J].Neuropharmacology，2011，61(5/6)：924-936.

15 Morley JE，Banks WA.Lipids and cognition[J].J Alzheimers Dis，2010，20(3)：737-747.

16 Dicou E，Attoub S，Gressens P.Neuroprotective effects of leptin in vivo and in vitro[J].Neuroreport，2001，12(18)：3947-3951.

17 Oury F，Karsenty G.Towards a serotonin-dependent leptin roadmap in the brain[J].Trends Endocrinol Metab，2011，22(9)：382-387.

18 Greco SJ，Sarkar S，Johnston JM，et al.Leptin reduces Alzheimer′s diseaserelated tau phosphorylation in neuronal cells[J].Biochem Biophys Res Commun，2008，376(3)：536-541.

19 Greco SJ，Sarkar S，Johnston JM， et al.Leptin regulates tau phosphorylation and amyloid through AMPK in neuronal cells[J].Biochem Biophys Res Commun，2009，380(1)：98-104.

20 Greco SJ，Sarkar S，Casadesus G，et al.Leptin inhibits glycogen synthase kinase-3b to prevent tau phosphorylation in neuronal cells[J].Neurosci Lett，2009，455(3)：191-194.

21 Marwarha G，Dasari B，Prabhakara JP，et al.β-Amyloid regulates leptin expression and tau phosphorylation through the mTORC1 signaling pathway[J].J Neurochem，2010，115(2)：373-384.

22 Greco SJ，Bryan KJ，Sarkar S，et al.Leptin reduces pathology and improves memory in a transgenic mouse model of Alzheimer′s disease[J].J Alzheimers Dis，2010，19(4)：1155-1167.

23 Greco SJ，Hamzelou A，Johnston JM，et al.Leptin boosts cellular metabolism by activating AMPK and the sirtuins to reduce tau phosphorylation and β-amyloid in neurons[J].Biochem Biophys Res Commun，2011，414 (1)：170-174.

24 Bonda DJ，Lee HG，Camins A，et al.The sirtuin pathway in ageing and Alzheimer disease：mechanistic and therapeutic considerations[J].Lancet Neurol，2011，10(3)：275-279.

25 Fiszer U，Michaowska M，Baranowska B，et al.Leptin and ghrelin concentrations and weight loss in Parkinson′s disease[J].Acta Neurol Scand，2010，121(4)：230-236.

26 Loref?lt B，Toss G，Granérus AK.Weight loss，body fat mass，and leptin in Parkinson′s disease[J].Mov Disord，2009，24(6)：885-890.

27 Aziz NA，Pijl H，Fr?lich M，et al.Leptin，adiponectin，and resistin secretion and diurnal rhythmicity are unaltered in Parkinson′s disease[J].Mov Disord，2011，26(4)：760-761.

28 Novakova L，Haluzik M，Jech R，et al.Hormonal regulators of food intake and weight gain in Parkinson′s disease after subthalamic nucleus stimulation[J].Neuro Endocrinol Lett，2011，32(4)：437-441.

29 Lu J，Park CS，Lee SK，et al.Leptin inhibits 1-methyl-4-phenylpyridinium-induced cell death in SH-SY5Y cells[J].Neurosci Lett，2006，407(3)：240-243.

30 Ho PW，Liu HF，Ho JW，et al.Mitochondrial uncoupling protein-2 (UCP2) mediates leptin protection against MPPC toxicity in neuronal cells[J].Neurotox Res，2010，17(4)：332-343.

31 Weng Z，Signore AP，Gao Y，et al.Leptin protects against 6-hydroxydopamine-induced dopaminergic cell death via mitogen activated protein kinase signaling[J].J Biol Chem，2007，282(47)：34479-34491.

32 Thio LL，Erbayat-Altay E，Rensing N，et al.Leptin contributes to slower weight gain in juvenile rodents on a ketogenic diet[J].Pediatr Res，2006，60(4)：413-417.

33 Shanley LJ，O′Malley D，Irving AJ，et al.Leptin inhibits epileptiform-like activity in rat hippocampal neurones via PI 3-kinase-driven activation of BK channels[J].J Physiol，2002，545(3)：933-944.

34 Erbayat-Altay E，Yamada KA，Wong M，et al.Increased severity of pentylenetetrazol induced seizures in leptin deficient ob/ob mice[J].Neurosci Lett，2008，433(2)：82-86.

35 Xu L，Rensing N，Yang XF，et al.Leptin inhibits 4-aminopyridine- and pentylenetetrazole-induced seizures and AMPAR-mediated synaptic transmission in rodents[J].J Clin Invest，2008，118(1)：272-280.

36 Guo Z，Jiang H，Xu X，et al.Leptin-mediated cell survival signaling in hippocampal neurons mediated by JAK STAT3 and mitochondrial stabilization[J].J Biol Chem，2008，283(3)：1754-1763.

37 Walker CD，Long H，Williams S，et al.Long-lasting effects of elevated neonatal leptin on rat hippocampal function，synaptic proteins and NMDA receptor subunits[J].J Neurosci Res，2007，85(4)：816-828.

38 Zhang F，Chen J.Leptin protects hippocampal CA1 neurons against ischemic injury[J].J Neurochem，2008，107(2)：578-587.

39 Valerio A，Dossena M，Bertolotti P，et al.Leptin is induced in the ischemic cerebral cortex and exerts neuroprotection through NF-kB/c-Rel-dependent transcription[J].Stroke，2009，40(2)：610-617.

40 Moult PR，Cross A，Santos SD，et al.Leptin regulates AMPA receptor trafficking via PTEN inhibition[J].J Neurosci，2010，30(11)：4088-4101.

41 Oomura Y，Hori N，Shiraishi T，et al.Leptin facilitates learning and memory performance and enhances hippocampal CA1 long-term potentiation and CaMK II phosphorylation in rats[J].Peptides，2006，27(11)：2738-2749.

42 O′Malley D，MacDonald N，Mizielinska S，et al.Leptin promotes rapid dynamic changes in hippocampal dendritic morphology[J].Mol Cell Neurosci，2007，35(4)：559-572.

43 Harvey J.Leptin regulation of neuronal excitability and cognitive function[J].Curr Opin Pharmacol，2007，7(6)：643-647.