J Pineal Res：昼夜节律与脂质代谢

Journal of Pineal Research期刊刊登文章Circadian Rhythms and Obesity： Timekeeping Governs Lipid Metabolism ，该文章作者为湖南农业大学尹杰博士，其总结了国内外关于生物钟与脂肪代谢相关研究进展，重点介绍了宿主节律系统与脂肪代谢的互作关系，并从激素（褪黑素、瘦素以及糖皮质激素）、肠道微生物和能量代谢角度探讨了节律系统与脂肪代谢的互作机制以及影响因素。

几乎所有活着的有机体都进化出了自我调节的转录-翻译环路，产生周期约为24小时的振荡。这些内源性的计时机制被称为生物钟。这些生物钟的主要功能是揭示生物体生理的昼夜节律，以确保主要的生理功能与外界环境同步。由遗传或环境因素引起的昼夜节律紊乱会对新陈代谢健康产生长期影响。与此相关的是，宿主昼夜节律性和脂质代谢的交叉调节日益被认识到，并且生物钟-脂代谢的相互作用可能参与肥胖的发生发展。多种系统和分子机制，如激素(即褪黑激素、瘦素和糖皮质激素)、肠道微生物群和能量代谢，将生物钟和脂类代谢联系在一起，可以预见，生物钟-脂类代谢相互作用的放松会增加肥胖的风险，进而加剧生物钟-脂类代谢的紊乱。摄食时间和膳食营养素是影响体脂代谢昼夜节律的两个关键环境因子，本文就其在肥胖发生中的影响机制作一综述。总而言之，表征脂质代谢中的时钟机制，旨在产生健康的昼夜生活方式，可能会改善肥胖护理。

生物钟的节律是由内源性的计时系统驱动的

这些生物钟控制着生物体生理的许多方面，它们受到外界刺激的影响，如光、食物和温度。这些时间线索被称为时间提示器或时间给予者。昼夜节律/时钟的主要功能是预测外部环境的每日变化，从而维持动态平衡，并确保对波动的环境做出适应性的生理反应。例如，基因表达、转录因子、信号通路、荷尔蒙分泌、能量新陈代谢、生长和行为都由昼夜节律系统节律性地协调。可以预见，生物钟的遗传或环境破坏的特点是疾病发病率高或病理状态恶化。在过去的几年里，越来越多的实验证据表明，生物钟与脂质代谢或肥胖之间存在很强的相互作用，但生物钟调节脂质代谢的机制尚未完全阐明。在这篇综述中，研究人员将首先描述肥胖与生物钟之间的关系，然后研究人员将重点介绍生物钟调节脂质代谢的潜在机制。在这篇综述中，研究人员将首先描述肥胖症与生物钟之间的关系，然后重点介绍生物钟调节脂质代谢的潜在机制。

昼夜节律时钟

哺乳动物昼夜节律系统的主要组成部分是中央起搏器，由至少20，000个神经元组成，位于下丘脑的视交叉上核(SCN)，SCN向外周钟(即心、肝、胃、脂肪组织和胰腺)延伸。SCN从环境接收外部信息，并在整合这些感官信号后，通过各种激素将这些信息传递到大脑的其余部分和外围器官和组织大多数外周器官和组织都可以表达昼夜振荡，外周组织中时钟基因/蛋白的表达可以作为外周时钟的监控器。因此，SCN-外周时钟系统确保了哺乳动物的有序新陈代谢、生理和行为。然而，由于进化适应，生活在弱节奏环境(如极地和高纬度地区)的生物体在一年中的某些时间可能比那些不太极端的环境(如低纬度环境)的生物体表现出更弱的昼夜节律。

在分子水平上，昼夜节律性是由转录-翻译产生的反馈圈

首先，昼夜运动输出周期kaput基因(Clock)和脑和肌肉Arnt样蛋白-1(Bmal1)异二聚体的形成促进了Period(PER，包括PER1、PER2和PER3)和隐色素(Cry，包括PER1、PER2和PER3)和隐色素(Cry，包括PER1、PER2和PER3)A的表达。Cry1和Cry2通过在它们的调控区域结合增强子E-box(5‘-CACGTG-3’)。

反过来，积累的pers和cry转位到细胞核中，并抑制转录活性clock和bmal1蛋白，而随后的per/cry的降解则允许时钟和BMAL1启动新的转录激活周期。此外，周期性Clock的氧化通过稳定CLOCK1-BMAL1异二聚化和E-box结合来增加昼夜节律基因表达的幅度。次要的跨转录-翻译反馈环是视黄酸相关的孤儿核受体(RORS，RoRα/β/γ)和反向红细胞增生症病毒(REV-ERB，REV-ERB，REV-ERBα/β)蛋白，它们可以通过激活或抑制元件(RORE)/Clock/Bmal1转录，直接调节昼夜节律。白蛋白位点D结合蛋白A和Hnf4α(肝细胞核因子4α)也被证明影响生物钟。此外，据报道，酪蛋白激酶1/2(CK1/2)可以通过PER2的磷酸化在转录后修饰昼夜节律振荡。例如，CK1δ/ε是PER2磷酸化的启动激酶，而由CK1δ/ε干扰GABA能神经元引起的不和谐小鼠模型表现出很长的(27.4h)行为周期。因此，目前的观点是，昼夜节律是由一个非常复杂的系统控制的，该系统以一种良好的组织方式协调基因表达和生理代谢中的内源性昼夜节律。对小鼠12个器官的昼夜节律转录组的分析表明，超过40%的蛋白质编码基因和1000个非编码RNA 以器官特有的方式振荡，其中许多有节奏的转录本在黎明和黄昏前的转录“高峰时间”达到顶峰。同时，强劲的转录振荡通常与启动子、基因体或增强子中有节奏的组蛋白修饰有关，尽管启动子DNA甲基化水平相对稳定。高时间分辨率图谱进一步确定了代谢谱中广泛的昼夜节律(占测量代谢物的50%)，这种节律跨越了许多代谢领域，最显着的是核苷酸、能量、氧化和碳水化合物的代谢，而代谢物节律的幅度A低于转录。

生物钟与肥胖

生物钟的功能已经在各种病理中被确定，目前受到极大关注的生物钟的一个领域是与肥胖的相互作用。肥胖是由白色脂肪组织的异常堆积引起的，通常被解释为营养过量、饮食不良、体力活动不足和慢性胰岛素抵抗。然而，各种研究表明，昼夜节律的破坏，无论是遗传的还是环境的变异(即，夜间光线暴露、睡眠障碍、社交时差和深夜零食)，广泛影响宿主的脂质代谢，加速肥胖的发展。

例如，时钟突变和Bmal1基因敲除(KO)小鼠都表现出葡萄糖不耐受，胰岛素分泌减少，对高脂饮食的敏感度增加，都是高血压性A型，并变得超重。此外，在外周组织特异性(骨骼肌、β细胞和肝脏)Bmal1KO模型中，葡萄糖代谢和全身葡萄糖动态平衡也受到损害。周期突变的果蝇表现出脂质代谢(可检测到的二酰基甘油和酰肉碱)的中间变化，并增加了对饥饿的敏感性。反过来，肥胖患者的Bmal1、Cry1、Cry2和PER2基因的表达在白光(白天)时显着增加，而在暗(夜间)时显着下调，表明生物钟基因及其下游通路的表达也受到脂质代谢紊乱的影响。另一个生物钟-脂质代谢相互作用的证据是环境引起的昼夜节律紊乱会发展或加速肥胖。例如，夜间人工光照会导致昼夜节律紊乱，并伴有脂质代谢紊乱。

经常吃夜宵与体重增加呈正相关

每晚睡眠少于6-7小时与较低的瘦素水平、胰岛素抵抗、葡萄糖耐量和暴饮暴食呈正相关。根据问卷，社交时差显示节律紊乱者有更高的平均BMI和更多的脂肪量。因此，到目前为止收集的数据表明，生物钟的遗传环境破坏损害了生物钟-脂质代谢的相互作用，从而导致更高的肥胖风险。

昼夜节律-肥胖相互作用的潜在机制。

C类激素(即褪黑激素、瘦素和糖皮质激素)及其相关受体参与调节摄食、脂肪代谢和脂肪积累。有趣的是，这些激素中的许多(如褪黑激素、瘦素和糖皮质激素)在明/暗周期或食物可获得性中表现出节律性，这可能是昼夜节律和肥胖之间相互作用的潜在机制。这里，研究人员关注褪黑激素、瘦素和糖皮质激素，以及生物钟-脂质代谢的相互作用如何影响肥胖的发展(图2)。褪黑激素褪黑激素是一种松果体激素，称为黑暗荷尔蒙。它在自然界中分布广泛，由大多数生物合成，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，其生物合成和水平遵循每日/昼夜规律，夜间水平较高，白天时水平较低或检测不到。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，外源性褪黑素通过重新编程肠道微生物区系组成和节律，对脂质代谢紊乱起到保护作用。此外，肝脏中生物钟基因的表达、血脂指数和肠道微生物区系的每日振荡似乎是由短期喂食高脂饮食驱动的，而外源褪黑素治疗改善了某些特定肠道微生物区系的日节律性。此外，补充褪黑激素可诱导Zucker糖尿病肥胖大鼠和对照瘦大鼠的腹股沟白色脂肪组织转化为棕色脂肪，这进一步证实了褪黑激素在脂质代谢中的作用。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，即褪黑素受体1型和2型(MT1和MT2)，一系列利用褪黑素受体KO小鼠的研究揭示了褪黑素调节生理代谢的机制。例如，小鼠移除MT1通过调节PI3K转录和活性而导致全身性胰岛素抵抗。反过来，昼夜时间也通过MT受体影响褪黑素介导的反应。事实上，缺乏MT1的小鼠表现出积累更多脂肪和体重增加的趋势，并以弓状核特定的方式诱导瘦素抵抗。同样，MTNR1B(MT2编码基因)变异患者即使在食用低脂饮食时也有更大的身体肥胖、脂肪分布和2型糖尿病风险。结合在一起，褪黑激素信号参与宿主的脂质代谢，并可能作为发挥作用。

瘦素A主要由白色脂肪组织合成和分泌，在循环系统中呈现每日节律，在日间动物(如人类)的睡眠阶段达到高峰，而在夜间动物的夜间阶段达到高峰。瘦素D的昼夜节律主要由Bmal1/Clock环引起，也受其他时钟基因的影响，如Pers和Crys 。脂肪细胞特异性缺失Bmal1的小鼠表现出较高的血浆瘦素浓度，其机制可能与该模型中较大的脂肪组织质量和食物摄取昼夜节律的改变有关。瘦素的稳态在食物摄取、能量消耗、脂质代谢、胰岛素增敏和食物预期节律中起着重要作用。然而，瘦素抵抗，人类肥胖的一个标志，与昼夜节律紊乱导致的肥胖和代谢综合征有关。此外，瘦素通过瘦素受体调节神经肽的合成，这些神经肽通过瘦素受体控制食物摄入量和能量稳态。遗传db/db小鼠缺乏瘦素受体的长亚型，表现出昼夜节律变化，已被认为是2型糖尿病合并胰岛素抵抗、严重暴饮暴食和肥胖的模型。值得注意的是，瘦素是连接c大脑和脂肪组织的体液信号，迷走神经传入神经元中瘦素信号的缺失伴随着雌性小鼠雌激素信号的中断，可能通过改变对摄食行为的控制而导致A型肥胖。下一步，进一步鉴定了刺鼠相关肽神经元，以介导瘦素调节能量平衡和葡萄糖同分异位的主要作用。

糖皮质激素(类固醇激素)与脂质和葡萄糖新陈代谢有关，通过下丘脑-垂体-肾上腺轴呈现日变化，血液水平在活动期(人类为清晨)之前达到峰值。肥胖症患者通常会观察到高浓度的糖皮质激素。此外，长期使用糖皮质激素会导致脂肪堆积，并导致造脂基因和时钟相关基因表达的失调，糖皮质激素受体通过调节大多数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)的代谢。然而，糖皮质激素介导的棕色脂肪组织的功能存在物种特异性差异，因为糖皮质激素通过上调人类的解偶联蛋白1(UCP-1)而显着增加棕色脂肪组织的活性，但在原代小鼠棕色和米色脂肪细胞中显着降低异丙肾上腺素刺激的呼吸和UCP-1。

肠道微生物群

肠道微生物已被确定为显着影响哺乳动物的消化能力、营养吸收、能量平衡和体脂积累的环境因素。无菌动物和粪便微生物移植提供了对肠道微生物区系在宿主脂质代谢和肥胖发展中的作用的直接见解。与传统饲养的小鼠相比，无菌小鼠未能增加体重并保持苗条。用从常规饲养的小鼠采集的远端肠道微生物区系定殖成年无菌小鼠，尽管在10-14天内减少了食物摄入量，但体内脂肪含量增加了60%。更令人信服的是，与“瘦肉型微生物群”相比，“肥胖微生物区系”的无菌小鼠的总脂肪显着增加。目前，拟杆菌属(Bacteroides)和类杆菌属(Firmicut)已被确定为影响的两个主要肠道细菌门。高脂饲料饲喂显着提高Firmicus与类杆菌的比例。

大量研究表明，大多数肠道微生物区系表现出日振荡，其周期与人的中枢昼夜节律时钟相同，约为24小时91秒。肠道微生物区系和代谢组的昼夜振荡进一步控制宿主组织的昼夜表观遗传和转录格局，从而影响宿主生理和疾病的昼夜波动。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饲养的小鼠相比，表现出完全不同的中心和肝脏生物钟基因表达和代谢途径。肠道微型生物群的昼夜节律主要由寄主生物钟信号、食物组成和食物摄入量驱动。例如，宿主分子时钟成分(PER1/2KO)的消融或时差的诱导导致微生物区系的异常日波动(促进葡萄糖耐受和肥胖)，甚至通过将粪便微生物区系移植到无菌小鼠中证明的摄食节律性受损来促进葡萄糖耐受和肥胖。同时发现29个属(占前50名的58%)与肝脏Clock基因显着相关，且与Clock、Cry1、PER2mRNA呈显着正相关，与Cry2、PER1基因表达呈负相关，其中53个属与Clock、Cry1、PER2mRNA呈正相关，与Clock、Cry1、PER1基因表达呈负相关。此外，富含脂肪和糖的饮食加剧了肠道微生物区系的昼夜紊乱，微生物多样性急剧下降，Firmicuts/Bacteroidetes比值为95，并进一步影响宿主脂质代谢和肥胖症的发生。类似地，大多数微生物区系表现出每日变化，一些肠道微生物区系的日网络受到高脂肪饮食的影响，并至少部分地被外源褪黑激素逆转。潜在的机制可能与昼夜节律转录因子NFIL3有关，NFIL3可被肠道微生物区系激活，并调节肠上皮细胞的脂质吸收和输出。此外，微生物区系还影响循环信号、肠神经元和迷走神经传入，将饥饿和饱腹感信号集中到大脑，从而参与食物摄入量和摄食节律的昼夜调节，以调节脂肪代谢。

宿主昼夜节律和脂质代谢可受微生物代谢物的影响

例如硫化氢和短链脂肪酸(SCFA，包括丁酸盐、丙酸和A醋酸酯)。例如，硫化氢抑制了丁酸的产生，丁酸是结肠中的主要能量来源，线粒体细胞色素c氧化酶参与了细胞存活所需能量的减少。硫化氢还可以靶向小鼠肝脏中Bmal1的表达，这进一步介导了宿主的昼夜节律。单链脂肪酸(由细菌发酵可溶性膳食纤维产生)作为生物体的能量来源，直接调节生物钟基因的表达(即PER2和Bmal1)。微生物区系来源的单链脂肪酸表现出无节律性，口服单链脂肪酸对小鼠外周组织的宿主节律有明显的影响。醋酸钠处理通过GPR43(细菌产生的乙酸的受体)信号转导的机制影响葡萄糖和脂肪酸的摄取，从而促进白色脂肪褐变，降低肥胖率。综上所述，肠道微生物区系是生物钟-脂质代谢相互作用的潜在机制，重新编程肠道微生物区系和微生物代谢可用于肥胖护理。

能量调节肥胖与能量储存有关，这是由增加能量摄入和减少能量消耗决定的。

在长期能量失衡的状态下，脂肪组织会因储存过多的能量和脂质(脂肪酸和甘油三酯)而膨胀，最终导致肥胖。昼夜节律通过控制动物和人类的血糖和脂肪节律来控制能量的动态平衡。例如，在这159种脂质中，有27种(～17%)被鉴定为在肝脏内振荡，并在主观光相期间主要在时间上被选通，达到它们的顶峰水平，这表明肝脏中的脂质代谢和积累受到时间上的控制。糖和脂的昼夜节律主要由SCN中的下丘脑时钟和肝脏、胰腺、肌肉和白色脂肪组织中的外周时钟控制。例如，肝脏中Bmal1的缺失导致低血糖局限于每日喂养周期的禁食阶段，葡萄糖清除被夸大，肝脏葡萄糖调节基因的表达失去节律性。同样，时钟突变的小鼠比对照小鼠更肥胖，血液中的胆固醇和甘油三酯水平也更高。然而，进食时间会扰乱脂质的昼夜节律，这在夜间限制进食的小鼠28的TG A积累的昼夜时相的改变中表现得尤为突出。反过来，葡萄糖处理的大鼠成纤维细胞下调PER1和PER2的表达，这进一步揭示了能量代谢和生物钟之间的相互作用。

在细胞水平上代谢传感器直接针对生物钟的核心组件并协调生物计时与代谢状态

SIRT1(Sirtuin1)是一种依赖于c-NAD+的组蛋白去乙酰化酶，它通过与Clock/BMAL1异二聚体和PER2蛋白结合来反映代谢相关过程的能量水平，并记录昼夜节律功能。S1RT1和Clock的变异都与对体重减轻的抵抗力增强、血清Ghrelin增加和饱和脂肪摄入量增加有关。MTOR(雷帕霉素的哺乳动物/机械靶)是细胞内主要的能量状态感受器，可上调CYR1、BMAL1和时钟蛋白。异三聚体蛋白激酶AMP激酶(AMPK)是另一种细胞能量状态传感器，它与CRY1核蛋白丰度和AMPK磷酸化的刺激呈负相关，并破坏时钟成分CRY1106的稳定性。此外，AMPK缺乏以同型和组织特异性的方式诱导行为、能量代谢和基因表达的昼夜节律变化。此外，过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARγα)和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)也是据报道与生物钟和能量代谢相协调。

昼夜节律与肥胖的影响因素相互作用

早上吃得像个国王，中午吃得像个王子，晚餐吃得像个农夫，这被认为是促进健康生活的一种方式，暗示了日常作息在机体内稳态方面的重要作用。的确，喂食(喂食时间和营养成分，调节外围时钟)是与肥胖有关的关键环境授时因子

在外周组织中，摄取时间是最重要的外源性因子之一。不健康的进食时间的方式(就像人类的晚宴)对脂肪积累有潜在的影响。吃高卡路里早餐的受试者晚餐摄入量减少，体重增加，脂肪组织、空腹血糖、甘油三酯和胰岛素与食用高卡路里晚餐的受试者进行比较。这种现象的潜在机制可能与时钟-营养相互作用有关，因为人们在晚上有更多的食欲和食物摄入，这与肥胖有关。对小鼠的研究进一步强调，在一天中的不寻常时间(非活动期)进食会使外周生物钟失去同步，并促进肥胖表型的发展，并伴随着瘦素抵抗、增生、体力活动不足、肝脏脂肪积累和肥胖。据报道，在12小时黑暗阶段喂养的小鼠相比，在12小时光照阶段喂食高脂肪食物的小鼠体重增加了2.5倍，而正常的喂食时间方式可以防止体重增加，并将新陈代谢和节律性干扰恢复到控制范围。值得注意的是，与不进食的受试者相比，限时喂养(在活动期获得食物10小时)恢复了代谢节律，并保护时钟突变的小鼠免受肥胖。在高脂饮食模型中，与不喂食的小鼠相比，时间受限的小鼠表现出生物钟(时钟基因的表达阶段)的改善，体重增加减少了18%，胆固醇降低了30%，胰岛素敏感度提高了3.7倍。摄食时间也影响整个身体的细胞时钟，摄食调节的激素胰岛素和胰岛素样生长因子1(IGF-1)通过诱导周期蛋白重置与小鼠行为和时钟基因表达相关的生物钟来参与潜在的机制，这需要一致的mTOR激活，增加磷酸肌醇信号，以及microRNA下调。MTOR进一步磷酸化t紧密连接蛋白1并减少其与PER1的连接，从而增加PER1的核穿梭以抑制昼夜振荡。除了已知的稳态功能外，研究人员认为胰岛素/IGF-1-mTOR-PER1是生物钟的主要摄食时间信号。总之，建议采用健康的进食时间方式或限时进食，以维持正常的宿主生物钟，从而改善脂质代谢，这进一步有助于解释肥胖与生物钟的关系。

高脂饮食诱导的肥胖改变了肝脏和肾脏的生物钟基因和生物钟控制基因。时钟的损害：Bmal1染色质招募进一步重塑了高脂饮食挑战动物的肝锁，导致在光相期间额外的食物消耗，从而影响瘦素的分泌和胃迷走神经传入。然而，减少晚餐摄入量的高卡路里早餐是有益的，可以用来替代重度肥胖和代谢综合征。与对照组相比，高蛋白和低碳水化合物的饲料促进了小鼠肾脏和肝脏多个时钟基因的表达节律，增加了Bmal1和Cry1的平均表达量。仅在光照期间限制摄入果糖的小鼠比夜间限制摄入果糖的小鼠体重增加更多，白色脂肪组织增加更多。此外，其他食物，如咖啡因和生姜，也对活动的昼夜节律和调节宿主脂质代谢产生深远影响。Angptl8可能有助于解释营养与生物钟相关的潜在机制，因为它最近被确定为响应食物的时钟的关键调节因子，基于质膜受体PirB的信号中继，激酶和转录因子的磷酸化，从而瞬时激活中央时钟基因PER1。

在过去的几十年里，研究人员对哺乳动物生物钟系统及其与肥胖的关系的了解取得了显着进展。本文综述了了解昼夜节律系统与肥胖相互作用的基础，并讨论了肠道微生物群、能量和激素如何调节哺乳动物的肥胖症和昼夜节律系统。此外，调节昼夜节律-肥胖交互作用的影响因素(即喂养时间和营养成分)。此外，长期的相互作用进一步加剧了昼夜节律系统和代谢状态，这可能会引发其他代谢性疾病，如2型糖尿病、心血管疾病和癌症。尽管过去几年在理解昼夜节律和脂肪组织方面取得了进展，但仍有许多重要的研究途径有待探索。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？肠道微生物群是生物钟-脂质代谢相互作用的线索，微生物组如何感知宿主的昼夜节律和外部的Zeitgeber因子，并将昼夜节律信息传递给脂质代谢？此外，益生菌、益生菌或饮食控制被广泛用于维持健康的肠道微生物区系组成，饮食、肠道微生物区系、生物钟和脂类代谢之间的相互作用将是未来研究的重要领域。褪黑素是一种重要的昼夜节律激素，由宿主和微生物区系共同产生，其生物钟和肥胖发生的机制有待进一步研究。与夜间活动的啮齿动物相比，人的昼夜节律表现出相反的相位，导致了显着不同的时间关系。然而，人体研究是复杂的，最近已经回顾了来自人体研究的昼夜时间线索。随着对褪黑激素、肠道微生物区系和能量作用的日益重视，控制肥胖发展的昼夜节律机制将变得更加突出。未来，“昼夜节律保健”将推广一系列有效的方法，引导研究人员保持健康的习惯，控制肥胖。

原始出处：

Yuying Li, Jie Ma, Kang Yao, et al.Circadian rhythms and obesity: Timekeeping governs lipid metabolism.J Pineal Res. 2020 Jul 13;e12682. doi: 10.1111/jpi.12682.