腎上腺糖皮質(zhì)激素與生物鐘

點擊次數(shù)：17597 發(fā)布時間：2013/10/15 10:41:31

     晝夜節(jié)律是自然界*普遍的一種自然現(xiàn)象，它的存在使生物體的生理、生化、行為等生命現(xiàn)象表現(xiàn)為以大致24h為周期的振蕩。晝夜節(jié)律發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)是分子計時器，即晝夜節(jié)律生物鐘（circadian clock）。它由一組特異的核心元件組成，包括Clock、Bmal1、Pers、Crys、Tim等基因及其相關(guān)蛋白產(chǎn)物[1]。在高等的多細胞生物中，生物鐘可以分為母鐘（中樞鐘）和子鐘（外周生物鐘），哺乳類動物的母鐘已被定位于下丘腦前部的視交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN），由此發(fā)出的信息控制機體的行為和生理節(jié)律，包括運動、睡眠、體溫和許多內(nèi)分泌等全身的節(jié)律活動。子鐘位于外周組織（如肝臟、心臟等）細胞內(nèi)，調(diào)控效應(yīng)器的節(jié)律。外源光信號的強弱變化通過視網(wǎng)膜-SCN-松果體之間各種信號的相互聯(lián)系，形成一個統(tǒng)一協(xié)調(diào)的晝夜節(jié)律整體振蕩系統(tǒng)。正常情況下，母鐘可以通過各種神經(jīng)信號和體液信號控制子鐘，使兩者的時相與外界環(huán)境保持一致，即母鐘與子鐘是偶聯(lián)的。子鐘也可能與母鐘解偶聯(lián)，例如在肝臟和胃中，食物的攝入就可以調(diào)節(jié)它們中的振蕩子的節(jié)律[2]。在自然狀態(tài)下，生物鐘接受外界光-暗、食物和溫度等環(huán)境信號，調(diào)整自身的時相，與外界環(huán)境保持同步[3,4]。但是，生物體內(nèi)不同的生物鐘受到不同環(huán)境信號的影響亦有差別，研究人員發(fā)現(xiàn)哺乳動物位于SCN的母鐘受光-暗信號的影響比較強烈，而對食物信號的影響不敏感；相反，位于其它部位（如心臟、肝臟等）的子鐘卻更容易受到食物信號的影響。當(dāng)環(huán)境信號發(fā)生改變時（如光-暗信號和食物信號發(fā)生不同步的變化），生物體內(nèi)部時間與外部時間信號之間就會產(chǎn)生時差，即生物鐘的“錯點”，同時生物體內(nèi)部各生物鐘之間也會產(chǎn)生時差（如母鐘和子鐘之間的錯點）。這種時差將造成生物體內(nèi)一系列生理紊亂、功能失調(diào)等不良生理反應(yīng)。

1 生物節(jié)律的產(chǎn)生機制

    生物體的晝夜節(jié)律是內(nèi)在固有的，具有內(nèi)源性的特征。當(dāng)外界環(huán)境的節(jié)律信號消失時，機體自身的晝夜節(jié)律仍然存在，即機體表現(xiàn)出內(nèi)在的固有的節(jié)律特征，稱為自由運行節(jié)律（free running rhythm），簡稱自由節(jié)律。一般來說，自由節(jié)律的周期不正好為24小時，而為24小時左右，如小鼠為23.8小時，人為24小時多一點。生物節(jié)律系統(tǒng)能夠接受外界環(huán)境的信號，通過時相重置效應(yīng)，調(diào)整內(nèi)源性的生物節(jié)律，使之適應(yīng)外界環(huán)境的變化。
    盡管不同種屬生物的節(jié)律系統(tǒng)的組成有很大的不同，但生物節(jié)律的產(chǎn)生機制卻極其類似，均由一系列稱為節(jié)律基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控所產(chǎn)生的分子振蕩引起。生物節(jié)律的自律振蕩由多個負反饋環(huán)組成，在晝夜振蕩反饋回路中，正性成分（positive element）啟動生物鐘基因，使之進行表達，包括CLOCK/BMAL1等蛋白因子；負性成分（negative element）阻斷正性成分的作用，使表達減弱或停止[5]，包括CRY、PER等蛋白因子。其中有兩個環(huán)路是*主要的: （1）轉(zhuǎn)錄因子CLOCK和BMAL1通過bHLH-PAS結(jié)構(gòu)域形成異二聚體，結(jié)合到節(jié)律基因Per1-3和Cry1-2上游啟動子的E盒，從而激活基因轉(zhuǎn)錄，其表達產(chǎn)物PER和CRY系列蛋白從胞漿轉(zhuǎn)移至核內(nèi)，PER和CRY蛋白可作為負性元件，與CLOCK和/或BMAL1直接作用，抑制CLOCK-BMAL1的活性，從而抑制Per1-3和Cry1-2的轉(zhuǎn)錄。（2）CLOCK和BMAL1異二聚體在激活Per和Cry系列基因轉(zhuǎn)錄的同時，也激活孤兒核受體Rev-Erbα基因轉(zhuǎn)錄，其表達蛋白REV-ERBα可與Bmal1啟動子結(jié)合，阻遏Bmal1的轉(zhuǎn)錄。由于基因轉(zhuǎn)錄和蛋白入核需一定時間，使生物節(jié)律分子振蕩的周期正好維持在24小時左右。這種分子振蕩不但使許多節(jié)律基因如Per1-3和Cry1-2等的表達呈現(xiàn)生物節(jié)律，而且使CLOCK和BMAL1異二聚體的轉(zhuǎn)錄活性也具有生物節(jié)律的特征。目前研究認為，也正是CLOCK-BMAL1異二聚體通過調(diào)節(jié)和控制下游的鐘控基因（Clock controlled genes, CCGs），使其呈現(xiàn)節(jié)律性表達，從而使生物節(jié)律的節(jié)律信號得以輸出。

2 糖皮質(zhì)激素及其生理作用

    腎上腺皮質(zhì)激素（adrenocortica hormones）是腎上腺皮質(zhì)所分泌的激素的總稱，屬甾體類化合物，包括糖皮質(zhì)激素和鹽皮質(zhì)激素等。糖皮質(zhì)激素（glucocorticoids，GC）由束狀帶合成和分泌，有（hydrocortisone）和可的松（cortisone）等，其分泌和生成受促腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH）調(diào)節(jié)。正常情況下，每人每天分泌糖皮質(zhì)激素的量約在10-30毫克之間，分泌進入血液中的糖皮質(zhì)激素可以和糖皮質(zhì)激素結(jié)合球蛋白（CBG）以及白蛋白相結(jié)合，但以與CBG結(jié)合為主。因此血液中含有結(jié)合型和游離型兩種糖皮質(zhì)激素，相互轉(zhuǎn)化發(fā)揮著緩沖調(diào)節(jié)作用，但只有當(dāng)結(jié)合型糖皮質(zhì)激素轉(zhuǎn)化成游離型糖皮質(zhì)激素時，才能進入細胞發(fā)揮其生理效應(yīng)。人體糖皮質(zhì)激素分泌有明顯的晝夜規(guī)律，并具有自主性，早晨8時左右，糖皮質(zhì)激素分泌達到高峰，此時血液中糖皮質(zhì)激素濃度；夜間12時左右，血液中的糖皮質(zhì)激素濃度降至點。在機體遭受突然打擊（刺激）的應(yīng)激情況下，糖皮質(zhì)激素分泌量可達基礎(chǔ)值的10倍（約300毫克）以上。
    糖皮質(zhì)激素作用廣泛而復(fù)雜，對維持機體的正常生長發(fā)育及內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定等幾乎所有的生理過程都具有重要的調(diào)節(jié)作用。正常生理情況下所分泌的糖皮質(zhì)激素主要影響物質(zhì)代謝過程，具有調(diào)節(jié)糖、脂肪和蛋白質(zhì)的生物合成和代謝的作用，超生理劑量的糖皮質(zhì)激素則還有抗炎、抗免疫等藥理作用。糖皮質(zhì)激素廣泛的生物學(xué)效應(yīng)主要是由糖皮質(zhì)激素受體（glucocorticoid receptor, GR）介導(dǎo)的，它在大多數(shù)外周組織中都有表達，而在SCN中沒有表達[6,7]。糖皮質(zhì)激素有胞內(nèi)受體（intracellular glucocorticoid receptor, iGR）和膜受體（membrane glucocorticoid receptor, mGR）兩種存在形式，目前普遍認為糖皮質(zhì)激素通過iGR介導(dǎo)的基因組機制（genomic mechanisms）發(fā)揮作用，iGR是一種配體依賴性的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，與配體結(jié)合后，活化的iGR以同源二聚體的形式與靶基因上游調(diào)控區(qū)中的糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件（glucocorticoid response elements, GREs）結(jié)合，通過調(diào)節(jié)靶基因的表達導(dǎo)致生物學(xué)效應(yīng)[8]。此外，iGR還具有自身調(diào)控機制。當(dāng)iGR與糖皮質(zhì)激素結(jié)合后，iGRmRNA和蛋白質(zhì)水平均會呈不同程度的下調(diào)；并且iGR-糖皮質(zhì)激素復(fù)合物與靶基因結(jié)合后，還會導(dǎo)致效應(yīng)細胞的核染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使靶基因GREs數(shù)目減少，從而下調(diào)iGR的DNA連接活性。此外，糖皮質(zhì)激素還存在著mGR介導(dǎo)的非基因組機制（non-genomic
    mechanisms），業(yè)已證實，糖皮質(zhì)激素介導(dǎo)的快速效應(yīng)（如膜通道的開放等）與mGR密切相關(guān)[9]，可能是通過選擇性mGR介導(dǎo)所產(chǎn)生的生理和藥理作用，在行為效應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)、對下丘腦-垂體的促腎上腺皮質(zhì)激素分泌產(chǎn)生負反饋及抗過敏中起作用[ 10,11]。

3 糖皮質(zhì)激素與生物鐘的相互影響

3.1糖皮質(zhì)激素對生物鐘的影響

    糖皮質(zhì)激素對生物鐘有著重要影響。研究表明，SCN必須周期性的調(diào)整外周生物鐘，以防止肝臟、心臟、胰臟等外周組織中生物鐘基因表達量的減少，但是SCN對外周組織中生物鐘的調(diào)控機制目前還不清楚。機體內(nèi)引起生物鐘基因表達量發(fā)生變化的信號有很多，如糖皮質(zhì)激素受體[12]、維甲酸受體（Retinoic acid receptor）和維甲類受體（Retinoid X receptor）、鈣離子以及使激酶A、激酶C或激酶MAP活化的化學(xué)物質(zhì)[13-16]，而且其中一些信號還可以引起外周生物鐘基因表達時相的移動[13]。在對人的生物鐘研究中發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素能有效抑制SCN母鐘的生物鐘信號輸出途徑中的鐘控基因AVP的表達，從而影響母鐘的生物鐘信號的輸出[17]。不僅如此，糖皮質(zhì)激素還能有效影響外周組織中生物鐘基因以及鐘控基因的表達[12,18]。Balsalobre研究證明，地塞米松作為糖皮質(zhì)激素受體的興奮劑，在不同時間注射可引起小鼠外周生物鐘時相的前移或延后。而肝臟生物鐘基因表達的時相在糖皮質(zhì)激素受體缺陷型與野生型小鼠中是完全一樣的[12]，這說明糖皮質(zhì)激素受體并不是肝臟生物鐘基因表達與SCN同步所必需的，SCN和腎上腺之間可能還存在著除了受體之外其它通路和信號調(diào)控分子。由此可知，糖皮質(zhì)激素是參與內(nèi)部生物鐘網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的有效信號。
    在小鼠實驗中，將喂食時間由晚間改到白天，肝臟等外周組織中生物鐘時相隨之完全顛倒，但與主鐘完全解耦聯(lián)需要幾天的時間[19]。研究發(fā)現(xiàn)，改變喂食時間后，外周生物鐘時相的緩慢重置不是由生物鐘本身的慣性引起的，而是通過與時相快速重置有關(guān)的信號（如糖皮質(zhì)激素信號等）調(diào)控來實現(xiàn)的。在沒有糖皮質(zhì)激素或其受體的情況下，喂食時間的改變可以使外周生物鐘的時相在較短時間內(nèi)重置，例如在改成白天喂食的第二天，正常小鼠肝臟中的基因表達時相只移動了4個小時，而摘除了腎上腺的小鼠中基因表達的時相已經(jīng)基本恢復(fù)過來 [20]。綜上所述，糖皮質(zhì)激素的作用是有效促進外周生物鐘與母鐘的偶聯(lián)，而當(dāng)外界信號干擾外周生物鐘時它有效的減緩?fù)庵苌镧姇r相的重置速度。
    糖皮質(zhì)激素分泌是周期性的，它是由SCN通過下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA）和其它路徑[21]控制的。據(jù)報導(dǎo)，正常光周期下小鼠和大鼠糖皮質(zhì)激素分泌量在暗明轉(zhuǎn)變時，在明暗轉(zhuǎn)變時[22]，因而只有一個峰。然而，改變喂食時間后，糖皮質(zhì)激素的分泌有兩個峰，個峰是受喂食時間影響的，即在白天喂食開始時（暗明轉(zhuǎn)變時）出現(xiàn)；第二個峰與正常的分泌情況類似，也是在明暗轉(zhuǎn)變時達到峰值[20]，它可能主要是由SCN控制的，因為其在外周生物鐘時相幾乎完全顛倒的情況下分泌時相也幾乎沒有改變。以上實驗現(xiàn)象表明，外界食物信號的改變可能是通過影響糖皮質(zhì)激素的分泌方式來調(diào)控外周生物鐘的，即改變的食物信號引起了個峰的出現(xiàn)；而生物體內(nèi)部的母鐘SCN同時也在控制著各個子鐘的時間，使糖皮質(zhì)激素仍然保留了第二個正常峰，并使各個子鐘的時間與母鐘繼續(xù)保持一致而不受外界干擾。由此可見，糖皮質(zhì)激素分泌的這種調(diào)控方式正是SCN實現(xiàn)對外周生物鐘控制的一種有效途徑。

3.2生物鐘對糖皮質(zhì)激素的影響

    生物鐘系統(tǒng)功能的完整性對糖皮質(zhì)激素的節(jié)律性分泌也有著重要影響。Per和Cry基因是生物鐘基因中的核心基因，在負反饋環(huán)路輸出的PER和CRY對維持生物鐘功能是必需的。當(dāng)Per和Cry或Cry基因被敲除，小鼠會立刻在行為上表現(xiàn)無節(jié)律變化[23-27]。基因缺陷型的Per1Brd小鼠在連續(xù)黑暗的情況下自發(fā)節(jié)律縮短，而在連續(xù)光照的情況下自發(fā)節(jié)律延長，相反，Per2Brd小鼠在連續(xù)幾天的黑暗后自發(fā)節(jié)律消失，在連續(xù)光照下還有較短的自發(fā)節(jié)律。此外，Per1Brd和Per2Brd小鼠在光照刺激后時相移動方面的能力明顯下降[28-31]。由此可見，Per和Cry基因?qū)ι镧娪兄@著的影響，它是生物鐘系統(tǒng)發(fā)揮作用必不可少的。
    研究表明，與野生型小鼠相比，Per1Brd和Per2Brd小鼠中與HPA興奮性有關(guān)的生理參數(shù)表現(xiàn)出顯著的不同。通過對糖皮質(zhì)激素含量的測定發(fā)現(xiàn)，Per1Brd小鼠中HPA的興奮性已經(jīng)明顯改變，在野生型和Per2Brd小鼠中，糖皮質(zhì)激素的分泌在一天中仍然保持原有的波動規(guī)律，即在黑暗之前達到峰值而在光照之前達到谷值，這種節(jié)律已經(jīng)通過對血液或排泄物[32-34]的檢測在很多研究中都有報導(dǎo)。而與此大不相同的是在Per1Brd小鼠中這種節(jié)律消失，無論在白天還是黑夜糖皮質(zhì)激素的分泌都保持較高的水平。這種現(xiàn)象非常奇怪，因為Per1Brd小鼠在光照-黑暗交替條件下并沒有反常的行為方式，而且排泄物的量與野生型和Per2Brd也無很大差別[35]。但是進一步研究表明這種節(jié)律消失的現(xiàn)象在Per2Brd/Cry1-/-小鼠中也存在，而其糖皮質(zhì)激素分泌卻持續(xù)保持在較低水平[36]。因此，糖皮質(zhì)激素的分泌節(jié)律在一定程度上與生物鐘的完整功能有關(guān)。

4 光照對腎上腺基因表達及糖皮質(zhì)激素分泌的影響

    光照是母鐘*重要的授時因子，哺乳動物中，視網(wǎng)膜細胞接受光信號，并將之轉(zhuǎn)化成神經(jīng)信號傳遞到SCN，從而使生物鐘與環(huán)境保持同步。在腎上腺中，夜間光照暴露60-120分鐘后作為生物鐘核心基因的Per1基因表達達到值，而其它內(nèi)臟器官如肝臟和腎臟等器官中，Per1基因表達都沒有顯著的變化[37]。由此可見，在外周組織中光刺激可特異性的引起腎上腺Per1基因表達。光照還可引起腎上腺中其它很多基因表達變化。研究人員通過對持續(xù)黑暗環(huán)境中的小鼠進行強光刺激，一個小時后用DNA芯片技術(shù)檢測腎上腺中的基因表達情況，發(fā)現(xiàn)有156個基因表達上調(diào)，39個基因表達下調(diào)，表達量至少發(fā)生1.4倍的變化，而且大量基因（包括很多生物鐘基因）表達主要發(fā)生在皮質(zhì)層[37]。光照的影響還表現(xiàn)在腎上腺交感神經(jīng)的興奮上，在夜間進行白光刺激后腎上腺交感神經(jīng)興奮增強，在60-120分鐘后達到峰值，并且隨光照強度的不同而不同；而在白天進行同樣的光照刺激幾乎沒有效果。
    同時，光照刺激也可以改變糖皮質(zhì)激素短期內(nèi)的分泌量，而且這種分泌量的增加不是由于促腎上腺皮質(zhì)激素分泌量增加引起的。腎上腺處于激素調(diào)控和神經(jīng)調(diào)控的交接點，接受來自下丘腦－垂體－腎上腺軸的促腎上腺皮質(zhì)激素的刺激和內(nèi)臟器官神經(jīng)的交感神經(jīng)節(jié)前調(diào)控，節(jié)律性的分泌糖皮質(zhì)激素。在小鼠實驗中，通過對光照刺激后血液中糖皮質(zhì)激素和促腎上腺皮質(zhì)激素含量的檢測發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素在光照刺激后*初的30分鐘內(nèi)幾乎沒有改變，但是60-120分鐘時顯著上升，在180分鐘后恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。這種激素水平的升高不是由于糖皮質(zhì)激素周期分泌影響的，因為研究人員發(fā)現(xiàn)在光照刺激后60分鐘血液中糖皮質(zhì)激素的含量是正常情況下的4倍左右，而促腎上腺皮質(zhì)激素水平在整個過程中幾乎沒有變化[37]。另外通過對動物進行強制游泳后發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素和促腎上腺皮質(zhì)激素的分泌量都迅速上升，此時，糖皮質(zhì)激素分泌突然增加是由促腎上腺皮質(zhì)激素引起的。因而兩種情況下，糖皮質(zhì)激素的水平的上升是受不同機制調(diào)控的，光照引起的糖皮質(zhì)激素分泌量增加可能是受生物鐘系統(tǒng)調(diào)控的。
    研究表明，腎上腺交感神經(jīng)的興奮增強與糖皮質(zhì)激素的分泌增加在時間上的一致性說明腎上腺對光照的反應(yīng)可能是經(jīng)過SCN-交感神經(jīng)系統(tǒng)的[37,38]。根據(jù)以上實驗結(jié)果，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是光照刺激使SCN中的生物鐘基因表達時相發(fā)生移動，造成母鐘與子鐘的“錯點”。然后，SCN可能首先通過交感神經(jīng)信號使腎上腺皮質(zhì)內(nèi)的生物鐘基因表達發(fā)生變化，即SCN首先與腎上腺生物鐘耦聯(lián)。這就造成了光照刺激后短時間內(nèi)Per基因在腎上腺中的表達量升高，而在其它外周組織中沒有顯著變化。腎上腺生物鐘的基因表達引起了糖皮質(zhì)激素短期內(nèi)的分泌發(fā)生變化，這種糖皮質(zhì)激素信號的改變隨后作用于其它外周組織，使它們與SCN保持時相同步。

5 光照、食物、糖皮質(zhì)激素和生物鐘之間的相互關(guān)系

    在正常情況下，外源光信號通過視網(wǎng)膜傳遞到SCN，調(diào)節(jié)SCN的時相，然后SCN通過神經(jīng)和體液信號傳遞到外周組織，使之保持同步偶聯(lián)；而當(dāng)食物信號發(fā)生異常改變時，可引起外周生物鐘和SCN母鐘的解偶聯(lián)。腎上腺糖皮質(zhì)激素作為體內(nèi)母鐘調(diào)控子鐘的有效信號，在正常情況下它促進了母鐘與子鐘的偶聯(lián)；在食物信號發(fā)生異常的變化時，它能有效減緩?fù)庵苌镧娕c母鐘解偶聯(lián)的速度。然而，其具體調(diào)控機制以及各種神經(jīng)和體液信號在此過程中的作用尚不明了，有待進一步的研究闡明。

6 結(jié)束語與展望

    隨著科學(xué)科技的進步，對生物鐘的研究也越來越深入，但是由于其分子機制相當(dāng)復(fù)雜，完全解明其調(diào)控機制還有待于更進一步的研究，而且生物鐘對全身各系統(tǒng)的功能都會產(chǎn)生影響，但是其影響方式及途徑亦不十分清楚。腎上腺是機體中非常重要的腺體，它產(chǎn)生的各種激素對維持機體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，促進機體生長發(fā)育等方面都起著重要作用，其分泌的糖皮質(zhì)激素不僅在生物合成和代謝過程中起著重要作用，而且還有抗炎、抗免疫、抗休克等藥理作用。糖皮質(zhì)激素在參與體內(nèi)生物鐘調(diào)控方面的作用是近年來研究的*新熱點，本文概述了糖皮質(zhì)激素在調(diào)控外周生物鐘的基因表達、作用途徑及其自身的分泌調(diào)控方式等方面的研究進展，這不僅有助于進一步闡明體內(nèi)生物鐘網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機制，而且為將來在生物鐘紊亂治療方面的研究提供了新的方向。