減重研究取得突破性進展中國科學家發現新的抑制食慾的荷爾蒙
科學家首次揭示了下視丘在睡眠中分泌的一種激素如何直接影響食慾調節和新陳代謝,一種全新的減肥治療候選藥物已擺上桌面。 這為開發一種新型藥物打開了大門,這種藥物可以像GLP-1激動劑一樣解決肥胖問題。
中南大學湘雅醫院內分泌科的研究人員在《Cell Research》期刊上發表了題為“Raptin, a sleep-induced hypothalamic hormone, suppresses appetite and obesity” 的論文。研究發現了一種睡眠誘導的下視丘激素Raptin,它在抑制食慾和預防肥胖方面發揮關鍵作用,為深入理解睡眠與肥胖之間的關係提供了新視角,也為肥胖的治療開闢了潛在的新途徑。


一、研究背景
在現代社會,睡眠不足已成為一種普遍現象,並且是引發代謝疾病的主要原因之一。過往研究表明,睡眠不足會增加能量攝入,儘管對能量消耗的影響存在爭議,但近期臨床研究顯示,睡眠剝奪人群的能量攝入增加,而能量消耗卻沒有差異,因此睡眠不足導致肥胖的具體機制亟待深入探究。
睡眠作為一種受晝夜節律調節的行為,與身體節律和荷爾蒙平衡密切相關。晝夜節律的紊亂會幹擾食慾激素的水平,下丘腦作為激素分泌的關鍵腦區,在睡眠- 覺醒週期被打亂時會受到影響。其中,下視丘的室旁核(PVN)負責合成和釋放激素,視交叉上核(SCN)作為晝夜節律中心,能夠調節PVN 中激素的每日釋放,對能量平衡起著至關重要的作用。因此,尋找受晝夜節律影響的新下視丘激素,可望為肥胖的治療提供關鍵線索。
二、研究材料與方法
(一)實驗動物
研究使用了多種小鼠品系,包括C57BL/6J 小鼠、Grm3lox/lox 小鼠、Cas9 – EGFP [KI/+] 小鼠、Pomc – Cre 小鼠、AgRP – Cre 小鼠、Avp – Cre 小鼠、Sim1 – Cre 小鼠和Rcn2 – floxed 小鼠等。所有小鼠均飼養於中南大學實驗室動物研究中心的特定病原體無污染設施中,維持在標準環境條件下,並自由取得食物和水。實驗動物的使用和照顧遵循相關動物倫理委員會的批准。
(二)細胞培養
實驗使用了下丘腦GT1 – 7 神經元、HEK293T 細胞和原代下丘腦神經元。這些細胞在含有特定成分的培養基中培養,培養條件為37°C、5% CO?的濕潤環境。在實驗中,對細胞進行不同處理,以研究相關蛋白質和訊號路徑的變化。
(三)實驗模型構建
透過睡眠片段化(SF)幹預來建構SF 小鼠模型,模擬長期睡眠幹擾狀態;透過高脂飲食(HFD)餵食誘導小鼠肥胖,用於研究肥胖與睡眠、Raptin 之間的關係。同時,利用基因編輯技術建構特定基因敲除或過度表現的小鼠模型,如PVN 特異性Rcn2 或Grm3 敲除小鼠、Rcn2 過度表現小鼠等,以探討這些基因在相關生理過程中的作用。
(四)檢測方法
運用質譜分析(MS)鑑定蛋白質、篩選Raptin 的受體以及分析磷酸化蛋白質組;透過蛋白質免疫印跡(Western blot)分析蛋白質表現量;利用單細胞RNA 定序(scRNA – seq)分析細胞類型和基因表現;以免疫螢光染色和組織化學方法觀察蛋白質在組織和細胞中的定位與表達;運用ELISA 檢測血漿中Raptin 和其他生化指標的濃度。此外,還使用了病毒載體介導的基因傳遞技術、立體定位注射技術、體內光纖光度法、化學遺傳學和光遺傳學技術等,以實現對神經元活動的操控和相關生理過程的研究。
三、研究技術路線
- Raptin 的發現:研究人員利用SF 小鼠模型,透過MS 分析下視丘差異表現的蛋白質,篩選出RCN2 進行深入研究。透過一系列實驗,包括蛋白質免疫印跡、免疫螢光染色、質粒轉染和MS 分析等,確定RCN2 可切割成一種新的蛋白質激素Raptin,並且發現Raptin 在睡眠期間分泌達到高峰。
- Raptin 釋放的調控機制:運用病毒介導的基因標記、神經示踪技術(逆行追蹤和順行追蹤)、化學遺傳學和光遺傳學技術,研究SCN 神經元對PVN 中RCN2 陽性神經元活動的調控作用,以及這種調控對Raptin 釋放的影響,從而揭示Raptin 釋放的神經迴路機制。
- Raptin 的功能研究:建構Rcn2 過度表現和敲除小鼠模型,給予重組Raptin 蛋白處理,檢測小鼠的體重、食物攝取量、代謝指標(如葡萄糖耐受性、胰島素敏感性)、脂肪累積等,研究下視丘來源的Raptin 對食慾和肥胖的影響。透過建構Grm3 敲除小鼠模型,結合結合實驗、電生理實驗、磷酸化蛋白質體學分析等,探討Raptin 與受體GRM3 的結合及對神經元活動、粒線體運動、能量供應與食慾控制的作用機制。
- 臨床相關性研究:對262 名參與者進行橫斷面研究,分析睡眠品質、Raptin 釋放與肥胖之間的關係;對肥胖和失眠患者進行前瞻性隊列研究,觀察睡眠限制療法(SRT)對Raptin 水平、體重和能量攝取的影響。對2000 名肥胖患者進行Sanger 定序,篩選RCN2 基因變異,研究其與肥胖和夜食症候群(NES)的關聯。
四、研究結果
(一)Raptin 是小鼠和人類睡眠誘導的下視丘激素
研究人员利用 SF 小鼠模型,发现 2 个月的 SF 干预会加速小鼠体重增加和食物摄入,但能量消耗无显著差异。通过 MS 分析下丘脑差异表达的蛋白质,筛选出 RCN2 进行后续研究。scRNA – seq 数据整合和免疫荧光染色显示,Rcn2 主要在神经元中表达,且在 PVN 中高度表达,在睡眠阶段(ZT0 和 ZT6)表达更高。将携带 Flag – Rcn2 质粒的载体转染到下丘脑 GT1 – 7 神经元后,在细胞培养基中发现了一种从 RCN2 切割产生的较短片段,经鉴定命名为 Raptin。小鼠和人类血浆 Raptin 水平的检测结果表明,其分泌高峰均出现在睡眠期间。此外,研究还确定了可能负责切割 RCN2 的酶为激肽释放酶相关肽酶(如 KLK1、KLK4),且 Raptin 分泌的昼夜变化可能源于前体表达的变化。
(二)Raptin 釋放的晝夜節律受SCN AVP 神經元控制
透過立體定位注射重組腺相關病毒(AAV)標記PVN 中的RCN2 陽性神經元,運用逆行追蹤和順行追蹤技術,發現SCN 中血管加壓素(AVP)神經元與PVN – RCN2 神經元之間存在廣泛的神經連接。化學遺傳學和光遺傳學實驗表明,SCN AVP 神經元能夠控制PVN RCN2 神經元的活動,進而調節Raptin 的釋放。具體來說,抑制SCN AVP 神經元會減少Raptin 釋放並增加食物攝入,而激活SCN 神經元則會增加Raptin 釋放並降低食物攝入量。在PVN 特異性Rcn2 缺失小鼠中,活化SCN 神經元無法增加血漿Raptin 水平,進一步證實了PVN RCN2 神經元在這個調節路徑中的重要性。
(三)下視丘來源的Raptin 抑制食物攝取並預防肥胖
在 SF 小鼠中,PVN 神经元中 RCN2 表达减少,血浆 Raptin 水平显著降低,且 Raptin 分泌的节律性在 SF 条件下被破坏,但在持续黑暗中仍存在,表明其分泌受 SCN 神经元内源性 AVP 昼夜活动调节。PVN 中过表达 Rcn2 可提高 Raptin 水平,减轻 SF 小鼠的体重增加和食物摄入,改善葡萄糖耐量、胰岛素敏感性和脂肪积累。给予重组 Raptin 蛋白处理,无论是脑室内(ICV)输注还是腹腔注射,均能抑制食欲和胃排空。在 HFD 诱导的肥胖小鼠中,ICV 输注 Raptin 可导致体重减轻和食欲抑制。此外,研究发现 Raptin 对食欲的抑制作用并非通过直接影响弓状核(ARC)中的 POMC 神经元和 AgRP 神经元实现。PVN 特异性 Rcn2 缺失小鼠体重增加,食物摄入增多,能量消耗减少,而 ICV 输注 Raptin 可有效改善这些表型。
(四)Raptin 與PVN 和胃神經元中的GRM3 結合以抑制食物攝入
透過MS 分析,研究人員鑑定出GRM3 為Raptin 的新受體,飽和結合實驗和免疫沉澱實驗證實了兩者的結合。分子動力學聚類分析確定了GRM3 與RCN2 結合的關鍵殘基為Asn495。 GRM3 在小鼠下視丘和胃中高度表達,結合實驗顯示Raptin 標靶PVN 和胃肌層中的GRM3。 PVN 和胃特異性Grm3 敲除小鼠表現出體重增加、食物攝取增加和胃排空加速的表型。在雙組織特異性Grm3 缺失小鼠中,Raptin 的減重、抑制食慾和改善代謝的作用被阻斷,顯示PVN 來源的Raptin 透過與PVN 和胃神經元中的GRM3 結合,抑制食慾和胃排空,最終降低體重。
(五)Raptin – GRM3 訊號維持神經元活化和厭食作用的能量供應
建構攜帶Grm3 啟動子和EGFP 報告基因的AAV 標記PVN 中的GRM3 陽性神經元,透過膜片鉗電生理分析發現,Raptin 能活化Grm3flox/flox 小鼠腦片中的PVNGRM3 神經元,但對Sim1Cre;Grm3flox /flox 小鼠無此作用。 c – Fos 染色顯示,Raptin 可活化胃中的NOS1 + 神經元,而Grm3 缺失則消除了此作用。全局定量磷酸化蛋白質組學分析表明,Raptin 處理影響下丘腦神經元的轉運、分解代謝和細胞運動相關蛋白的磷酸化。進一步研究發現,Raptin 透過PI3K – AKT 訊號通路促進粒線體運動,增加粒線體ATP 水平,從而維持神經元活化和厭食作用的能量供應。此外,敲除Khc(驅動粒線體運動的關鍵蛋白)會削弱Raptin 對神經元活化和食慾抑制的作用。
(六)Raptin 失調與人類睡眠不足誘發的肥胖有關
對262 名參與者的橫斷面研究表明,肥胖個體睡眠品質較差,血漿Raptin 水平較低。在肥胖族群中,睡眠效率與BMI 呈負相關,Raptin 水準與睡眠品質指標(除總睡眠時間外)和BMI 相關。肥胖和失眠患者的前瞻性隊列研究顯示,3 個月的SRT 治療可改善睡眠效率,降低體重和能量攝入,同時增加血漿Raptin 水平,且Raptin 水平的變化與睡眠效率改善指標呈正相關,與體重和能量攝取的減少呈負相關。
(七)RCN2 無義突變導致夜食綜合症
對2000 名肥胖患者進行Sanger 定序,發現一個RCN2 雜合無義變異(c.469C>T),該變異與肥胖在特定家庭中共分離。攜帶此變異的肥胖患者均患有NES,且其血漿Raptin 水平在夜間睡眠階段較低,夜間食物攝取量增加。在細胞實驗中,過度表現此變異的RCN2 無法分泌Raptin 片段,也無法與GRM3 結合活化下游AKT 訊號通路,顯示此變異導致Raptin 功能喪失。
五、研究結論
本研究發現了一種睡眠誘導的下視丘激素Raptin,它是由RCN2 切割產生,其釋放受SCN AVP 神經元調控,在睡眠期間達到分泌高峰。 Raptin 透過與PVN 和胃神經元中的GRM3 結合,抑制食慾和胃排空,進而減少體重增加,預防肥胖。 Raptin – GRM3 訊號透過PI3K – AKT 路徑維持神經元活化和厭食作用的能量供應。在人類中,睡眠不足與肥胖有關,且肥胖患者的睡眠改善可促進Raptin 釋放,抑制食物攝取。此外,RCN2 的無義突變與NES 和肥胖相關,該突變導致Raptin 功能喪失。
六、研究討論
本研究具有多方面的重要意義。在基礎研究領域,Raptin 的發現為理解下視丘激素在能量平衡調節中的作用提供了新的視角,揭示了睡眠與肥胖之間的潛在分子機制。 Raptin 作為一種受晝夜節律調節的激素,其分泌高峰與睡眠階段一致,這為解釋睡眠不足導致食慾增加和肥胖的現象提供了新的理論基礎。在臨床應用方面,GRM3 作為Raptin 的受體,為肥胖治療藥物的研發提供了新的潛在標靶。此外,研究揭示的睡眠品質與Raptin 水平、肥胖之間的關係,並強調了改善睡眠品質在預防和治療肥胖中的重要性。對於攜帶RCN2 無義突變的肥胖患者,進一步探討突變影響肥胖的具體機制,可望為個人化治療提供新的思路。
然而,该研究也存在一些局限性。虽然研究表明 Raptin – GRM3 信号在 PVN 和胃中对食欲有显著影响,但 Raptin 是否通过骨骼肌或脂肪组织调节食欲和体重仍有待探索。此外,Raptin – GRM3 复合物是否通过偶联特定的 G 蛋白来控制 AKT 通路和抑制食欲,以及突变的 Raptin 是否以显性负性方式影响野生型 Raptin 水平,还需要进一步研究。未来的研究可以围绕这些问题展开,以更全面地了解 Raptin 在能量平衡调节中的作用机制,为肥胖的防治提供更坚实的理论基础和更有效的策略。
這項研究發表在《細胞研究》雜誌。