SPX功能肽类物质的结构及生物学功能综述,运动生物化学论文

　　摘要：　Spexin(SPX)是一种多向性功能肽类物质，它包括信号肽序列、成熟肽片段及两侧的切割位点，广泛表达于多种器官和组织中。SPX在机体能量代谢、食欲、排便、痛觉、水盐平衡等生理功能中发挥重要作用。SPX还可作为循环系统中的内分泌信号和中枢神经系统中的神经递质发挥生物学作用，其潜在的临床应用价值亟待进一步探索。本文就SPX的结构及生物学功能进行综述。

　　关键词：　Spexin; 能量代谢; 胃肠道运动; 水盐平衡;

　　随着分子神经生物学和生物信息学方法的迅速发展，多种新型肽类激素近年来已逐渐被鉴定(Palasz等．2018)。这些肽类激素可以改变细胞的基因表达和生物化学过程。2007年发现的一种新型生物活性肽类激素-Spexin(SPX)，也称为神经肽Q(neuropetide Q,NPQ)，是由位于人类基因组12号染色体中的C12orf39基因编码的高度保守的肽类激素(Wan等．2009)，是早期基于隐马尔可夫模型的生物信息学方法首次筛选出来的一种多肽[1]。

　　SPX mRNA和蛋白广泛表达于神经系统及外周组织中[2,3,4,5,6]，提示SPX可能是一种具有多向性功能的神经内分泌信号。在人类皮肤、肺、胃、小肠、结肠、肝脏、胰岛、甲状腺、肾上腺、内脏脂肪和肾脏等组织和器官中均检测到SPX转录和蛋白的表达。大鼠中，SPX高水平表达于大脑、下丘脑、食道、肝脏、肾脏、甲状腺、卵巢、皮肤表皮和皮脂腺、胃底腺、小肠上皮。在金鱼视顶盖、下丘脑、脑干、肝脏和睾丸等中枢神经系统和外周器官中均发现SPX mRNA表达。迄今为止，已有研究证实SPX在机体能量代谢、食欲、排便、痛觉、水盐平衡等生理功能中发挥重要作用[7]。本文就SPX的结构及生物学功能进行综述。

SPX功能肽类物质的结构及生物学功能综述

　　一、SPX的结构及其受体

　　(一)SPX的结构

　　SPX首先在小鼠中被发现，随后研究证实SPX的蛋白质结构从鱼类到哺乳动物生物进化过程中保持高度保守性，是一种多功能肽类物质[1,2,8,9]。SPX的结构包括信号肽序列、含有14个氨基酸的成熟肽片段及成熟肽两侧二元切割位点(RR/KR和GRR)[1,9]。目前已知在哺乳动物中，除熊猫、狗和猫外，不同物种的SPX成熟肽氨基酸序列均为NWTPQAMLYLKGAQ[7]，这一序列在不同的脊椎动物生物进化过程中高度保守[1,2,9]，并且普遍认为这一区域最可能有生物活性[3]。鱼类中均存在一致的序列NWTPQAMLYLKGTQ，称为“鱼SPX”。核磁共振波谱法揭示了鱼类SPX的溶液结构，由N端的Asn[1]至Pro[4]形成的无规卷曲与C端的Gln[5]至Gln[14]形成的α-螺旋组成，大部分鱼SPX分子表面有疏水性Lys[11]唯一带电荷残基，目前认为这是发挥关键作用的受体结合部位[7]。哺乳动物SPX在晶体状态下的三维结构和功能区域尚不清楚，由于哺乳动物和鱼的SPX成熟肽序列相似，研究认为两者的三维结构应具有高度可比性[10]。

　　基于局部序列排比检索工具信息分析，Kim等[11]在鱼类、鸟类等多种脊柱动物体内发现SPX的第二种形式，即SPX2，此前发现的SPX更名为SPX1。但在哺乳动物体内尚未发现SPX2。SPX2由一个单独的基因编码，其编码外显子结构与SPX1非常相似，包含有成熟肽及其两侧切割位点(R和GRR/GKR)。SPX2成熟肽片段同样包含有14个氨基酸，与SPX1相比，第1、3、6、7、13、14位氨基酸中根据物种不同可多达四位替换。在生物进化过程中，SPX的信号肽、连接区和C末端发生序列变异，但其成熟肽片段保持高度保守，提示SPX可能参与生存所必需的重要功能。此外，SPX切割位点GRR/GKR是肽酰甘氨酸α-酰胺化单加氧酶的靶位点(Merkler等．1994)。目前认为SPX的C末端经过α-酰胺化修饰，影响肽段的稳定性和受体结合活力。

　　(二)SPX的受体

　　Kim等[11]研究证实，SPX、甘丙肽(galanin,Gal)和亲吻素(kisspeptide,Kiss)之间具有一定的序列相似性，SPX被认为是Gal/Kiss肽家族的一员。基因结构分析表明，与Kiss相比，SPX与Gal的关系更为密切。其中，SPX1的Trp[2]、Thr[3]、Tyr[9]、Leu[10]、Gly[12]与Gal对应位置相同，而Trp[2]、Thr[3]和Tyr[9]是Gal与其受体结合和激活的关键决定因素(Carpenter等．1999)。目前已经克隆出三种Gal受体(Galanin receptor,GalR)，即GalR1、GalR2和GalR3。其中，在鱼类和两栖动物等低等脊椎动物中识别出GalR2a和GalR2b两种GalR2的存在形式。但在鱼类基因组模型中未识别出GalR3相应序列。研究认为，在低等脊椎动物中，GalR2b可能是GalR3的功能对等体。SPX是GalR2/3的天然配体。配体-受体结合实验发现，SPX可激活人、非洲爪蟾蜍和斑马鱼的GalR2和GalR3，但不影响GalR1[11]。研究证实，人GalR2可以结合SPX和Gal，其中与Gal的亲和力更高;而人GalR3、非洲爪蟾蜍GalR 3和斑马鱼GalR 2 b对SPX的选择性更高。

　　SPX1是GalR2/3的特异性配体的发现可能进一步促进对于SPX生物学功能的了解。而目前对于SPX2功能的研究甚少，下文将就SPX1的功能研究进展进行简要阐述。

　　二、SPX的功能

　　(一)SPX与内分泌系统

　　SPX在多种组织水平上广泛表达，特别是在内分泌系统及上皮细胞中表达量较多，在细胞能量代谢和增殖、分化中起着重要的调节作用[4,12]。全基因组微阵列分析肥胖减肥手术患者及正常体重者的大网膜脂肪和皮下脂肪层发现，与对照组相比，肥胖患者中与脂肪分解、β-氧化和脂肪酸代谢相关的关键基因表达减少，其中编码SPX的C12orf39下调最明显;肥胖患者脂肪组织SPX mRNA表达相比正常人群下降了14.9倍[13]。研究发现，成年和青少年肥胖症患者血清SPX水平均明显降低[13,14,15,16]，且SPX水平与瘦素水平呈负相关[13,16]。Kumar等[17]对比重度肥胖青少年胃旁路手术后6个月与基线SPX水平，术后血清SPX水平增加36%。以上结果提示SPX与肥胖密切相关。在饮食诱导肥胖小鼠模型中，SPX腹腔注射可以降低肥胖小鼠体重，研究认为这与抑制小鼠脂肪细胞的脂肪酸摄取和增加脂质氧化相关[12,13]。另一项研究也发现，SPX通过GalR2和GalR3介导脂肪细胞代谢的调节作用，在人脂肪细胞和3T3L-1细胞中，SPX使激素敏感脂肪酶磷酸化进而促进脂肪分解，同时抑制葡萄糖摄取及脂肪合成作用[18]。SPX可能是一种具有能量代谢平衡调节功能的脂肪因子，在肥胖及脂肪肝治疗等方面具有潜在的临床应用价值。

　　人胰腺中发现了SPX mRNA及蛋白表达，且SPX与胰岛素共存于胰岛细胞的分泌囊泡中，这意味着SPX可以与胰岛素同时分泌释放[1]。研究发现，与正常组相比，代谢综合征组患者血浆SPX水平明显降低[19]。在2型糖尿病(T2DM)患者中，血清SPX水平较正常人降低约44%;SPX水平与葡萄糖、糖化血红蛋白(HbAlc)、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇水平呈负相关[4]。同时，研究发现，女性及儿童的循环SPX与肥胖、胰岛素抵抗指数、胰岛素和胰高血糖素水平呈负相关[16,20]。此外，在肥胖合并T2DM小鼠中，SPX治疗能够抑制葡萄糖摄取，改善胰岛素抵抗和葡萄糖耐量，降低HbAlc水平，减轻体重[12]。这提示SPX可能参与糖脂代谢与胰岛素抵抗等病理生理过程，为T2DM治疗提供新的治疗靶点。然而，Hodges等[21]发现，肥胖、T2DM和葡萄糖摄入对青少年循环SPX浓度无明显影响。最新研究也观察到，妊娠期糖尿病孕妇孕后6个月的血糖水平变化与SPX水平呈正相关[22]。SPX作为哺乳动物代谢调节因子或生物标志物的作用及机制仍需进一步研究。

　　肾上腺作为主要的内分泌器官之一，其SPX mRNA及蛋白表达水平较高。SPX体外孵育可以诱导大鼠肾上腺皮质细胞分泌醛固酮及皮质醇，同时抑制肾上腺皮质细胞增殖。在体实验证实，地塞米松皮下注射或肾上腺摘除术后可上调SPX表达，应用促肾上腺皮质激素则降低SPX表达。这表明SPX水平与甾体类固醇激素生成密切相关，且SPX参与调节肾上腺损伤后再生[23]。

　　金鱼模型研究发现，SPX可以抑制垂体分泌促黄体生成素(luteinizing hormone,LH);另一方面，在繁殖季节，雌性金鱼体内SPX表达下降但LH含量增加，下丘脑SPX mRNA的表达受性激素影响;切除卵巢后下丘脑内SPX mRNA水平上调，而雌激素替代治疗可以阻断这种作用[8]，这说明SPX可以通过调节下丘脑-垂体-性腺轴在繁殖中发挥作用。

　　(二)SPX与消化系统

　　人类及啮齿类动物的胃肠中均发现SPX在转录及蛋白水平的表达。研究发现，功能性便秘患者血清SPX水平明显下降;饥饿小鼠的小肠和结肠内SPX mRNA显着下调，表明SPX可能参与调节肠道运动。SPX可引起小鼠小肠、结肠平滑肌收缩，且具有剂量依赖性;该研究还证实SPX通过激活GalR2受体、活化L型电压门控钙通道，致使钙离子内流进而引起胃肠道平滑肌收缩，且SPX刺激肠运动独立于神经动作电位[10]。SPX可以调节胃肠道蠕动，这有望为便秘或腹泻等与胃肠道动力障碍相关疾病的治疗提供新思路。

　　Lin等[24]研究发现SPX参与调节胆汁酸的合成。代谢组学分析显示，SPX腹腔注射大鼠血清多种胆汁酸代谢物发生明显变化。给予小鼠长期SPX腹腔注射后发现，与对照组相比，SPX腹腔注射组小鼠肝脏、胆囊和血清总胆汁酸水平降低，胆囊重量减轻，同时，肝脏胆固醇代谢酶基因(CYP7A1)表达水平显着降低，拮抗GalR2和GalR3可以阻断上述改变。此外，研究发现，人血清SPX水平与总胆固醇、总胆汁酸、牛磺鹅脱氧胆酸和甘氨鹅脱氧胆酸水平呈负相关。这表明SPX可能调控参与胆汁酸合成的基因，通过GalR2和GalR3抑制胆汁酸的合成。

　　(三)SPX与中枢神经系统

　　在啮齿类动物中枢神经系统中，SPX表达于大脑皮层、脑干和三叉神经等部位，已知这些区域与疼痛反应应答密切相关[3]。辐射热甩尾疼痛及福尔马林炎症痛小鼠模型证实脑室注射SPX可以延长缩尾反应潜伏期及减少舔/咬脚掌时间，触发镇痛效果[25,26]。SPX作为痛觉的中枢调节因子，对疼痛敏感性有调节作用，同时，SPX也存在于类固醇合成的区域，如性腺和肾上腺皮质。在大鼠福尔马林炎症痛模型中，与低浓度SPX治疗组相比，高浓度SPX治疗组增强疼痛敏感性[27];而在卵巢切除大鼠模型中，黄体酮和高浓度SPX联合给药可通过中枢协同作用显着增强疼痛敏感性[28]。Lv等[26]在小鼠福尔马林炎症痛模型中发现，侧脑室注射SPX明显增加脑GalR3 mRNA表达，而拮抗GalR3能够显着抑制SPX的镇痛效果，这表明，GalR3可能参与SPX的镇痛作用;该研究还证实，中枢SPX通过刺激Fos基因的表达激活强啡肽/κ-阿片受体系统从而产生镇痛作用。SPX在中枢神经系统镇痛中的关键作用说明其可以作为研究抑制炎性痛的新靶向。此外，已知GalR2参与调节抑郁、焦虑和情绪障碍，给予小鼠中枢注射基于SPX序列的特异性GalR2激动剂可以产生抗焦虑的作用[6]。同时，长期注射神经精神药物依地普仑的大鼠不同脑区SPX表达差异提示了SPX在抗焦虑、抗抑郁治疗方面的潜在能力(Palasz等．2016)。

　　SPX还可以抑制食欲[2]。食物摄入刺激金鱼端脑、下丘脑和视顶盖的SPX表达增多;同时，脑内注射SPX不仅可以抑制基础摄入和食欲肽诱导的摄食行为，还可以导致“食欲减退因子”如CCK、CART、POMC、MCH和CRH mRNA水平升高，而且“食欲刺激因子”如NPY、AgRP和apelin mRNA水平减少[2]。研究发现，相比基因野生型斑马鱼，SPX-/-突变组斑马鱼摄食后下丘脑AgRP表达也明显上调，食物摄入量增加(Zheng等．2017)。上述实验表明摄食可以诱导SPX表达，通过中枢作用触发饱足反应，SPX可以作为一种饱腹因子为糖尿病、肥胖及进食障碍等疾病的治疗提供新思路。

　　(四)SPX与心血管、肾脏系统

　　结合前述，目前已发现，SPX与年龄、肥胖、糖尿病和血脂异常等多种心血管危险因素相关。一项研究观察到，“低SPX和高瘦素”组青少年中超敏C反应蛋白浓度较高，提示SPX与心血管危险因素密切相关(Kumar等．2018)。而关于SPX在心血管、肾脏功能方面的影响尚无直接证据。研究证实，清醒大鼠中枢及外周注射SPX可影响水盐平衡和动脉压[25]。通过侧脑室注射SPX可显着升高血压并降低心率，还可以增加尿钠排泄并降低尿流率。此外，在大鼠和人外周化学感受器颈动脉体中也发现SPX mRNA及蛋白表达。研究证实，新生大鼠高氧暴露下颈动脉体SPX表达增加，但颈动脉体体积明显减小，SPX可能参与外周化学感受调节作用[29]。上述研究意味着SPX作为心肾功能中枢调节因子的潜在功能，但其生理相关机制需进一步研究。

　　三、结语

　　基于哺乳动物和鱼类模型中的最新研究，证实了SPX的多向性功能，这与它广泛组织分布的特点相一致。SPX作为循环系统中的内分泌信号和中枢神经系统中的神经递质发挥其生物学作用[7]。同时，SPX在能量代谢平衡调节、肥胖及脂肪肝治疗、心肾功能调节、抑制炎性痛、抗焦虑、抗抑郁治疗等方面具有的潜在临床应用价值亟待进一步探索。

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