时钟基因、肠道转运和血脂稳态

摘要

介绍

地球绕太阳和自转轴的自转具有显著的周期性，导致昼夜交替，是影响每种生物的主要环境因素。后生动物对这些日常变化的适应表现为生理和行为活动的变化，每隔大约24小时重复一次。哺乳动物保留了可能在数十亿年前在光合蓝藻中进化而来的昼夜节律（见词汇表），这突显了它们在生命的繁殖、生存和进化中的根本重要性。由于生命对外部能源的依赖，食物是影响日常生理和行为活动的另一个因素。在这里，我们简要描述了时钟基因，并讨论了它们在光和食物引起的昼夜节律变化中的作用。我们的主要关注点是肠道功能的节律性变化、肠道在食物摄入调节中的作用以及肠道蛋白质对食物可利用性变化的反应。此外，我们讨论了血脂的每日变化，并强调了需要探索的问题，以了解不同蛋白质在细胞适应周期性环境线索中的作用。

光、时钟基因和昼夜节律

视网膜中的神经元识别光的每日变化，并通过视网膜神经节细胞亚群将此信息传输到大脑下丘脑前部的两个视交叉上核（SCN）(图1). 这些细胞核由许多细胞（约20000个神经元）组成，这些细胞各自能够激发内源性、自主的昼夜节律，并构成可引光振荡器（LEO）(图1a). 低地球轨道将携带的光信息转换为神经元和体液输出信号，并影响各种生物节律（例如运动活动、体温和激素分泌），因此，它是人体的主起搏器[1–9]. 导致生理和行为变化的光信号传输始于SCN中某些转录因子（即时钟基因）的表达。时钟基因显示内源性节律，但需要外部线索来引导。携带时钟基因的最主要因素是光线。

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图1

光线和食物夹带。(一)轻微夹带。光线由视网膜感应，该信息通过视网膜-丘脑下束传输到大脑的视交叉上核（SCN）。这些信息引起构成时钟基因的各种转录因子表达的变化。SCN的昼夜节律调节在很大程度上依赖于两种转录因子，Clock和Bmal1。Clock和Bmal1异二聚体激活三个Per和两个Cry基因，这些基因异二聚体负调控Clock/Bmal1活性。其他外周组织也表达时钟基因，它们的昼夜行为受到来自SCN的信号的影响。(b条)食物夹带。在给定的时间，有规律的周期性地提供食物，也是一个强烈的暗示，可以激发不同的生理和行为活动。肠道很可能在食物夹带中起着至关重要的作用。肠道可能会发出信号，将食物的可用性（FEO）引至下丘脑背内侧。反过来，背内侧下丘脑可能会向其他组织发送信号，以引导与食物预期、消化和吸收相关的各种行为和生理功能。

昼夜节律调节机制的核心是两个基本的螺旋-环-螺旋周期-Arnt-单心转录因子Clock和Bmal1[1–9] (图2). 它们形成异二聚体并与E-box序列结合以增强Period的转录(每)、Cryptochrome(哭泣),Rev-erb公司α和维甲酸相关孤儿受体α(Ror（罗尔）α） 基因；因此，时钟和Bmal1构成了一个主要的正反馈回路。Per和Cry转录因子形成异二聚体，移向细胞核并抑制时钟基因的表达，从而构成负反馈环。Per蛋白被酪蛋白激酶磷酸化，并被蛋白酶体降解[10]. 这种降解降低了它们的浓度，并有助于启动另一个积极的昼夜节律循环。此外，组蛋白乙酰化和去乙酰化也在控制时钟基因表达中发挥作用[11–13]. RORα，可能与PPARγ辅活化因子-1α（PGC1α）一起[14]，形成次级正回路并激活Bmal1型，而Rev-erbα抑制Bmal1型表达式并表示次级负反馈回路[1–9]. 这些分子反馈事件的复杂时间安排导致了不同表型的节律表达的特征模式。

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图2

时钟基因和昼夜调节。时钟、Bmal1、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2、Rev-erbα和Rorα构成核心时钟基因。Clock/Bmal1异二聚体与不同基因中的启动子序列相互作用，以增加其转录，并代表一个主要的前馈环。Per和Cry蛋白异二聚体反对其作为阻遏物的作用，并构成一个主要的负反馈回路。激活物Rorα可能与共激活物（Pgc-1α）和阻遏物Rev-erbα一起调节Bmal1的表达，分别构成次级正反馈环和负反馈环。不同的颜色用于表示单个转录因子。

SCN对节律行为的阐述也涉及“时钟控制基因”(图3); 这些重要的中间转录因子传递昼夜节律信号并控制各种代谢途径和生理功能。例如，D位点结合蛋白（Dbp）影响药物和胆汁酸代谢。精氨酸加压素传递昼夜反应，以调节药物代谢和血压的每日变化。Rev-erbα和Rorα兼作时钟基因和时钟控制基因[15,16]，将昼夜节律信号传递给参与重要生理调节和代谢途径的其他基因。识别新的时钟控制基因和参与代谢功能昼夜行为传递的机制将引发有关代谢和昼夜节律之间调节回路的新信息。

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图3

钟控基因和代谢功能的调节。Clock/Bmal1异二聚体与E-盒结合以增加基因的表达，而不依赖于时钟基因的经典反馈环。这些基因被称为“时钟控制基因”。这些时钟控制基因的诱导有助于通过调节不同的代谢基因来传播昼夜信号，从而产生各种生理和行为输出。例如，Pparα上调脂肪酸氧化相关基因，Rev-erbα抑制胆汁酸代谢相关基因。类似地，白蛋白D位点结合蛋白（Dpb）和精氨酸加压素（Avp）已被证明分别调节参与药物代谢和血压控制的基因。这些时钟控制的基因调节不止一种生理活动；因此，这些钟控基因之间的相互作用可能在调节细胞和生物化学功能方面很重要。该图旨在介绍概念，并不全面。

时钟基因的表达可能受到其他非热刺激的影响，例如温度、食物和药物。因此，时钟基因代表了一组基本的基因，其表达可以被调节以表现出24小时间隔的重复模式。然而，时钟基因在不同组织中的普遍表达表明，昼夜节律表达并不是SCN的一种特殊特性；相反，所有细胞都能进行昼夜节律表达。事实上，培养细胞在受到外部刺激时表现出昼夜基因表达；然而，他们需要重复的线索来维持节奏。因此，时钟基因就像“仆人”，随时准备在命令时执行重复的、有节奏的功能。

食物夹带振荡器

食物也是各种行为和生理活动的同步器[17–21] (图1b). 作为夜间活动的动物，啮齿动物在夜间进食，进食伴随着昼夜规律的运动活动增加[22,23] (方框1). 白天喂食啮齿动物会逆转这些活动的阶段，并解除SCN调节的肝、肺和心脏等外周器官的昼夜节律[24–26]. SCN受损的啮齿动物对光无反应，但被限制进食所吸引[27]. 这些发现表明，食物夹带振荡器（FEO）不同于LEO。事实上，有证据表明，LEO和FEO在解剖学上是不同的，分别存在于SCN和背内侧下丘脑（DMH）中[28,29]. 确定DMH在食物夹带中的重要性的消融研究一直存在争议，也没有定论[29,30]. 然而，一些生化和分子研究表明，DMH可能参与食物夹带调节。例如，在随意在12小时的光-暗循环条件下，DMH中c-fos的表达与SCN的表达同步，c-fos是衡量神经元活动的一种指标[29]. 在食物夹带过程中，DMH中的c-fos表达与SCN分离，在进餐时表现出最大活性。类似地，摄入食物的小鼠在进餐时DMH中Per1和Per2的强烈表达[28,31,32]. 烧蚀每2个和Bmal1型，但不是时钟，消除食物夹带[28,33]以及食物夹带能力的丧失Bmal1型^−/−小鼠可以通过表达Bmal1型在DMH中而不是在SCN中。因此，DMH和几个时钟基因可能在食物夹带中起作用。

然而，尚不清楚DMH是如何被食物夹带的。这种夹带可能涉及肠-脑沟通。我们推测FEO携带的信号来自肠道(图1b). 与食物接触后，肠粘膜可以激发体液或迷走神经信号。关于肠道的管腔信号以及消化系统和中枢神经系统之间关于食物供应的体液通讯，我们知之甚少。此外，FEO吸引周围组织的机制尚未阐明。尽管人们认为糖皮质激素起了一定作用[34]现在认为，由SCN驱动的糖皮质激素节律对抗食物夹带反应[5]. 相反，有人假设循环中的大量营养素和随后信号通路的激活可能与食物夹带过程中的外周时钟重置有关[2]. 这一假设对肠道和大量营养素的吸收极为重要，因为它是食物引起外周生物钟的信号，因此需要进一步研究，以阐明肠道在行为活动、生理过程和分子事件的饮食调节中的作用。

肠道功能的昼夜调节

肠道的主要功能是消化和吸收食物中的营养物质。大量营养素、碳水化合物、脂类和蛋白质在肠腔中水解，产物由涉及各种转运蛋白的肠细胞回收。已经确定了几种与摄取膳食脂肪水解产物有关的转运蛋白[35]. 然而，人们对它们的昼夜调节知之甚少。碳水化合物在肠腔中分解为单糖和双糖，并被两种主要的顶端转运蛋白Na吸收⁺-依赖性葡萄糖转运蛋白1（Sglt1），转运葡萄糖和半乳糖，以及促进果糖转运蛋白谷氨酸5。肠上皮细胞表达一种基底侧谷氨酸2，将所有单糖从胞浆运输到血液中。Sglt1表现出与饮食调节无关的昼夜节律表达[36–38]. 与Sglt1一样，Glut5也表现出昼夜表达，并受到转录调控。协调Sglt1和Glut5的日变化表明，碳水化合物代谢受到调节，以最大限度地提高进餐时的吸收。

蛋白质在肠腔中水解为小肽和游离氨基酸。H（H）⁺-肽协同转运蛋白1（Pept1）表达于肠上皮细胞顶端，是参与小肽转运的主要蛋白质[39]. Pept1在大鼠小肠上皮细胞中昼夜表达，最大mRNA和蛋白质表达发生在黑暗中，与Sglt1的表达一致[37]. 此外，禁食和喂食时间表对Pept1表达有显著影响[36,40]. 最近的研究表明佩普1可能受时钟控制基因的控制，折旧摊销前利润[41]. 除了肽转运蛋白外，在肠上皮细胞中还发现了几种氨基酸转运蛋白[42,43]. 然而，人们对它们的昼夜调节知之甚少。氨基酸转运体的某些（如果不是全部）可能表现出昼夜节律性。

一般来说，这些转运蛋白在用餐时表达很高，并且在食物夹带的条件下，它们的表达模式会发生显著改变。因此，食物似乎在调节肠道转运蛋白方面具有显著作用。事实上，大多数转运蛋白并不依赖迷走神经[38]. 关于体液因子对肠细胞转运蛋白表达的影响，已有一些推测。与食物通过肠道有关的月经信号也可能很重要。塔瓦科利扎德等。[44]提出了两条不同的调节肠上皮细胞转运蛋白表达和功能的途径。一种途径涉及肠腔信号（可能是食物摄入量）以引起昼夜变化，而第二种途径是一种每日预测机制，在肠道暴露于肠腔内容物之前，为营养物质的预期增加做好准备。因此，肠道转运蛋白的夹带可能有几种机制。

除了营养吸收外，胃肠道的几个功能也表现出昼夜活动[45]. 例如，食管上皮细胞的DNA合成高峰发生在黑暗周期的末尾，直肠的DNA合成峰值发生得晚得多[46]. 此外，肠上皮细胞经常自我更新，并表现出昼夜变化。肠细胞增殖的节律性是转移性结肠癌定时化疗和放疗的基础[45]. 夜间基础胃酸输出量高，早上低，这表明昼夜分泌。迷走神经切断术取消了这种节律，显示出一种受阴道控制的昼夜节律。胃和结肠运动表现出生物节律，其紊乱会导致便秘和肠易激综合征。有趣的是，胃肠道症状（腹胀和疼痛、排便习惯改变、便秘和腹泻）常见于经常突然轮班的人、轮班工人和跨洲旅行者[47]. 这些例子表明，一些肠道功能受到节律性调节，它们的破坏会导致健康障碍。因此，了解食物消化和吸收的日变化机制可能有助于诊断和预防这些疾病。

啮齿动物结肠和胃上皮细胞表达具有昼夜行为的时钟基因[48,49]. 这些组织中时钟基因的昼夜节律表达与肝脏中的表达同步，但相对于SCN昼夜节制时钟而言是延迟的，不受全黑暗的影响。迷走神经切断术对胃中时钟基因的昼夜表达没有影响，排除了需要神经信号来控制的可能性。然而，当动物受到食物限制时，胃中时钟基因的表达会显著改变，尽管对SCN中这些基因的表达没有影响[24]. 这些研究表明，结肠和胃以昼夜节律方式表达典型时钟基因，并且容易受到食物的调节，与SCN无关。需要进一步研究以确定小肠中时钟基因的表达和调节以及食物对其的调节。

血脂稳态与昼夜节律

人类和啮齿动物的产热和睡眠-觉醒周期、血浆游离脂肪酸和甘油三酯水平也表现出昼夜节律性[50]. 游离脂肪酸在血浆中与白蛋白结合。相比之下，其他脂质（如甘油三酯、磷脂和胆固醇）则通过特殊的蛋白质-脂复合体（称为脂蛋白）运输。脂蛋白通常根据其漂浮特性进行分类。然而，根据是否存在载脂蛋白B（apoB），它们也可以分为两类。甘油三酯作为载脂蛋白B的一部分在血浆中转运(方框2). 这些脂蛋白主要在肠和肝中合成，需要apoB（一种结构蛋白）和微粒体甘油三酯转移蛋白（MTP），一种存在于内质网内腔中的伴侣蛋白[51,52]. 肠脂蛋白通过外源途径运输膳食和胆汁脂质(方框2,图Ia). 肝脂蛋白可重新活化由乳糜微粒残余物传递的脂质，以及通过内源性途径在肝脏中合成的脂质(方框2,图Ib). 我们最近报道，血浆甘油三酯和胆固醇的日变化主要是由载脂蛋白B脂蛋白的变化引起的[53]. 此外，大鼠和小鼠的肠道和肝脏MTP基因表达呈现节律性表达[53]. 将小鼠置于完全明亮或黑暗的环境中五天，MTP和血脂的变化会消失，这表明受受光SCN的调节。有趣的是，当小鼠被食物夹带时，MTP和血脂的昼夜变化都会发生改变，这意味着FEO参与了其中。因此，光线和食物夹带机制都可以调节血脂；然而，参与这种调控的关键分子尚未确定。另一个有待解决的关键问题是，FEO是独立作用还是与LEO协同作用，以引起血脂和组织中MTP基因表达的昼夜变化。FEO可能协同时钟基因来调节MTP表达和血脂。

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图一

内源性和外源性途径确保脂肪作为能源的充分利用。(一)外源途径。肠道对饮食和胆汁脂类的吸收及其在血浆中的分解代谢。(b条)内源性途径。肝脏动员输送的和新合成的脂肪。

食物夹带增加了进餐时的血浆甘油三酯。例如，尽管食物中脂肪含量低，但吃食物的啮齿动物在进餐时血浆甘油三酯增加[53]. 人类的甘油三酯在饭后也达到峰值，表明饮食反应[50]. 这些研究表明，血浆甘油三酯激增可能是由于消化和脂肪吸收增加所致。然而，埃斯科瓦尔等。[54]结果表明，禁食96小时的大鼠的血浆甘油三酯和游离脂肪酸（而非葡萄糖）表现出持续的昼夜节律。然而，禁食期间甘油三酸酯的增加低于喂食状态下的增加[54]. 同样，福川等。[55]显示禁食大鼠的血浆甘油三酯昼夜节律，表明可携带振荡器控制血浆甘油三酯的变化。有证据表明，时钟基因可能在血脂的昼夜调节中起作用。时钟突变型C57Bl/6J小鼠肥胖，表现出代谢综合征的特征：高胆固醇血症、高甘油三酯血症、高血糖和低胰岛素血症[56]. 然而，ICR小鼠中时钟突变蛋白的表达已被证明会破坏脂肪吸收，并且这些小鼠对饮食诱导的肥胖具有抵抗力[57]. 那么，Clock是如何调节血脂的，以及为什么Clock突变小鼠会根据其遗传背景发生代谢综合征或对肥胖产生抵抗力，还有待于确定。对调节血脂每日变化的分子和生物机制的了解可能为常见代谢紊乱的病理生物学提供新的见解。

除了血脂和脂蛋白外，组织中脂质的生物合成也显示出日变化。几个在体外和体内研究表明，胆固醇合成在肝脏和肠道中表现出昼夜节律[58–63]. 事实上，参与脂质代谢的几种蛋白质（如肝细胞色素P450胆固醇7α-羟化酶、HMG-CoA还原酶、脂解酶、载脂蛋白AIV和Pparα）在人类和啮齿动物中都显示出日变化。大多数这些酶的表达在Clock突变小鼠中没有显示出日变化，这表明Clock对它们在肝脏中的日表达很重要[64,65]. 除了依赖光的调节外，许多研究还揭示了喂养作为几种代谢酶调节剂的重要性[61,66,67]. 一项仓鼠研究表明，喂食方式影响胆固醇生物合成的昼夜节律性以及肠和肝中HMG-CoA还原酶的活性[66]. 据报道，食物摄入与HMG-CoA还原酶活性的周期性上升之间也存在类似的联系[61]. 虽然人们普遍认为食物摄入是导致肠道和肝脏胆固醇合成在昼夜循环中显著增加的原因[67]，在这一点上似乎没有一个普遍的共识，而其他理论则指向荷尔蒙调节[68]. 因此，组织胆固醇水平变化的具体机制尚待确定。正如胆固醇一样，有证据表明甘油三酯生物合成相关基因的昼夜节律表达。例如，甾醇调节八元结合蛋白-1c、乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶和脂肪酸结合蛋白4在正常小鼠的肝脏和脂肪组织中表现出昼夜变化[69,70]. 控制胆固醇和甘油三酯生物合成相关基因昼夜表达的机制尚未解释。

如前所述，脂类的合成和运输呈现日变化。最近的研究表明，脂质可能影响外周组织中时钟和时钟控制基因的昼夜表达。例如，高脂肪饮食的C57BL/6J小鼠的肝脏和脂肪组织中典型时钟和时钟控制基因的昼夜节律减弱[70]. 此外，与非肥胖对照小鼠相比，糖尿病小鼠肝脏时钟基因的昼夜表达减弱[71]. 相反，ICR小鼠的高脂肪或胆固醇和胆酸饮食不会影响肝脏时钟基因的昼夜表达[65,72]. 这些研究表明，脂肪对小鼠的影响可能是菌株特异性的。需要更多的实验来解释脂肪积累对时钟基因表达和其他昼夜节律活动的影响。

未来展望

现代繁忙生活方式导致的睡眠习惯改变会影响昼夜节律，并可能导致肥胖[73]. 此外，容易获得高热量的“快餐”、饮食内容的改变和缺乏活动也可能导致代谢综合征[74]. 事实上，高脂肪饮食扰乱了时钟基因和其他生理节奏的昼夜调节[70]尽管高脂肪如何改变昼夜节律仍有待确定。高脂肪可能会干扰信号通路，而这些信号通路对精细阐述生物节律很重要。另外，脂肪的积累可能会影响次级代谢产物和关键分子，这些分子可能是阐明昼夜节律的中介。相反，限制食物供应或限制热量摄入被认为可以延长寿命并降低癌症风险；然而，这种影响的机制仍然没有明确的定义[75]. 禁食是许多人自我锻炼减肥的主要方法。这些自我合成的食物限制如何影响新陈代谢过程？他们喜欢还是避免高脂血症和代谢综合征？试图了解食物夹带调节的分子和生物机制可能会揭示与禁食和盛宴相关的常见代谢紊乱的病理生物学新知识。

本综述的主要目的之一是激发活力，以确定肠道在饮食调节昼夜节律中的作用。在这方面有几个基本问题需要解决。肠道细胞如何与大脑进行沟通，以引发可夹带食物的反应？大脑如何为进餐时间准备生物体？哪些分子对肠道和其他外周组织的食物夹带至关重要？了解这些分子和生物机制，以及时钟基因在食物夹带中的作用，可能有助于了解胃肠道、代谢和行为异常的病因。

显然，需要几种不同的方法来回答这些问题。尽管有证据表明迷走神经交流可能对食物夹带没有必要，但仍有必要检查进食动物迷走神经中断后DMH和大脑其他区域的生化和分子变化。需要进行实验来精确激活大脑的不同区域，并确定在解释食物预期和消费反应中重要的位点。将食物夹带动物暴露于不同的激动剂和拮抗剂可能更容易识别对食物夹带重要的受体和神经元。同样，神经元特异性消融可能提供关于候选基因在食物夹带中的作用的宝贵信息。将脑细胞培养物暴露于肠细胞分泌的各种肽和激素可能会突出体液因子的作用。在食物夹带过程中，DMH与肠道和其他外周组织的体液交流是另一个需要进一步实验的领域。在这方面，新发现的分子（例如C16:1n7-plamiolete[76]，油酰基乙醇酰胺[77]，N-酰基膦酰乙醇胺[78]和adropin[79])已被证明在饱腹感和其他生理功能中起作用的药物可能是DMH夹带的有趣候选药物。

另一个需要立即关注的领域是肠道时钟基因的表达。这些基因在空肠-结肠轴上的表达是否存在差异？更重要的是，为什么时钟基因在肠道中表达？一个简单的解释是，它们需要控制几个基因的局部昼夜节律表达。时钟基因除了参与昼夜节律调节之外，还有其他作用吗？时钟基因在调节执行正常生理功能的基因中是否重要？例如，时钟基因可能在碳水化合物、蛋白质和脂质吸收相关基因的表达中发挥作用？

同样重要的是，要确定对调节各种肠道功能很重要的时钟控制基因，并解释时钟基因如何在进行日间活动时将昼夜节律信号传递给肠道转运蛋白。很可能各种时钟控制的基因，独立或组合地，控制参与蛋白质、碳水化合物和脂类吸收的蛋白质。因此，需要通过实验来了解时钟基因之间以及调节肠道功能的其他功能基因之间的分子相互作用、通信和协调。

胃肠道紊乱是轮班工人最常见的健康问题之一。一些理论被认为可以解释轮班工人的常见疾病，包括胃肠动力、酸碱失衡、应激反应激活和免疫抑制。然而，很少有人从分子水平解释轮班工人胃肠道并发症的高发。在分子水平上，胃肠功能可能比其他组织更依赖时钟基因。应严格评估肠道功能（如消化和营养吸收）对时钟基因的依赖性。预计未来的研究将提供关于饮食、肠道和FEO在调节生理和行为活动中的作用的新知识，并提供关于食物传递和携带生化和细胞事件的分子机制的新认识。

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