文章来源：《国际内分泌代谢杂志》2024年3月第44卷第2期
摘要
肥胖定义为危害机体健康的过度脂肪堆积，能量失衡是其根本原因。作为一种慢性非传染性流行病，肥胖已经成为全球面临的重点健康问题之一。黑皮质素受体4是中枢黑皮质素系统的重要组成部分，在维持能量稳态及体重调节方面发挥重要作用，是抗肥胖药物研发的热门靶点之一。近年来的研究极大地丰富了黑皮质素受体4信号传导途径，现就黑皮质素受体4在能量平衡和体重调节中的研究进展作一综述，旨在进一步阐述肥胖相关病理机制，为抗肥胖药物的开发提供理论依据。
【关键词】黑皮质素受体4；能量稳态；肥胖
前言
近年来，超重和肥胖的患病率迅速攀升，肥胖已成为全球公共卫生的重要问题之一。2023版《世界肥胖地图》预测，肥胖的患病率将从2020年的14%升至2035年的24%，人数将达到近20亿，为全球经济带来巨大负担［1］。肥胖是慢性能量失衡的结果，受遗传、环境、心理和社会等多因素的影响，发病机制尚未得到全面阐述，了解肥胖易感基因及相关分子机制有助于揭示其病理机制。对于肥胖症的治疗，临床实践指南建议采用多模式治疗方法，即在生活方式干预的基础上酌情添加抗肥胖药物或实施减重手术，以达到长期减重的效果［2］。黑皮质素受体4（Melanocortin-4 receptor，MC4R）被称为“肥胖基因”，是现今肥胖治疗的热门靶点。
01 MC4R概述
人MC4R基因位于第18号染色体长臂（18q22）上，该基因仅有一个外显子，负责编码MC4R蛋白。MC4R蛋白是一种G蛋白耦联受体（G-protein-coupled receptor，GPCR），具有7个疏水性跨膜结构域，由多个细胞内环和细胞外环连接，其中跨膜结构域3末端的DRYxxI基序和细胞内环2已被证实对MC4R功能具有关键作用［3］。GPCR可以识别小分子、离子、光子、肽和蛋白质在内的多种细胞外刺激物，并将其传递到细胞内进而改变细胞功能，还通过蛋白质间的相互作用和活化事件的级联实现信号传导，改变与细胞功能相关的细胞内生化介质水平，发挥调节生理功能的作用［4］。MC4R又称为中枢黑皮质素受体，是中枢黑皮质素系统的重要组成部分，受内源性激动剂α促黑激素（α-melanocyte stimulating hormone，α-MSH）和拮抗剂刺鼠相关肽的影响，参与中枢能量稳态的调节（图1）。
02 MC4R参与能量稳态和体重调节的信号传导途径
2.1 感应外周激素信号
几种外周激素参与中枢神经系统的能量稳态调节，且与MC4R有关。脂肪细胞分泌的瘦素可穿过血脑屏障，在进食状态下与下丘脑弓状核中前阿黑皮素原（pro-opiomelanocortin，POMC）神经元表达的瘦素受体结合，激活多种途径释放α-MSH，增加MC4R神经元活性，产生饱腹感信号以减少食物摄入［5］；禁食状态下因循环瘦素以及三碘甲状腺原氨酸诱导的刺鼠相关肽释放增加，抑制MC4R神经元活性而产生饥饿信号，增加食物摄入［5-6］。甲状腺激素作为下丘脑调节和整合代谢稳态的关键内分泌因子，调节MC4R的表达［6］。最近的一项动物研究发现，雌激素也能参与下丘脑腹外侧腹内侧核神经元中的MC4R信号传导，影响雌性小鼠的自发性身体活动［7］。这与雌二醇的激增将雌激素受体α直接募集到MC4R基因，进而增加神经元中MC4R信号传导有关。
2.2 Gαs蛋白信号传导
在GPCR的G蛋白依赖性信号通路中，受体需要与异源三聚体G蛋白结合后进行信号传导。G蛋白在GPCR与效应蛋白之间起过渡作用，参与激活不同的信号通路。而MC4R作为GPCR，主要与Gαs蛋白耦联，进而激活腺苷酸环化酶，导致细胞内环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平升高，cAMP充当第二信使，参与调节能量消耗、摄食和运动活动［8］（图2）。研究显示，MC4R表达细胞中纯合子Gαs缺乏（MC4RGsKO）的小鼠表现为显著肥胖，并伴有摄食增加和能量消耗减少；而杂合子中，仅MC4R表达细胞中母体等位基因Gs缺失的小鼠存在轻度肥胖和能量消耗减少［9］。且MC4R激动剂melanotan-Ⅱ刺激能量消耗和抑制食物摄入的能力在MC4RGsKO小鼠中受损。另外，在大型肥胖儿童基因筛查中发现，22例携带编码Gαs蛋白的GNAS基因突变中，几乎所有的GNAS突变都损害了MC4R信号转导［10］。以上人类及动物研究提示，Gαs信号传导在MC4R相关能量消耗、摄食及体重调节中具有重要作用。
2.3 β阻遏蛋白传导途径
β阻遏蛋白（β-arrestin）包括β- arrestin 1和β- arrestin 2两种亚型，参与调控GPCR的下游信号通路，其除了能够阻断GPCR受体与G蛋白结合外，还介导受体内吞及一系列非G蛋白依赖的信号通路。Lotta等 ［11］在近50万人的英国生物样本库中共发现了61个MC4R非同义变异体，其量化的功能特性可分为Gαs介导cAMP生成和β-arrestin募集两种类型。其中6%的变异携带功能获得性等位基因，并显示出信号偏倚而优先增加β-arrestin募集，其临床特征表现为体重指数偏低和肥胖、2型糖尿病和冠状动脉疾病的患病风险显著降低。这可能是由于功能获得性突变诱导受体构象发生变化，影响受体与配体结合，使相互作用增强而防止内化，导致MC4R在质膜上的保留时间延长。此外，β-arrestin与MC4R相互作用能够驱动其内吞，并靶向早期内体，随后循环到质膜或分选到溶酶体进行降解。功能获得性突变加快MC4R受体蛋白从早期内体到质膜的循环，使MC4R在质膜上的可用数量增加，进而增强了其信号传导是另一可能原因（图2）。以往在肥胖队列中发现的不减少cAMP产生的MC4R突变常被认为是非致病性突变，又称为野生型突变。Brouwers等［12］使用肥胖人群中野生型MC4R变异体进行体外细胞实验，发现大多数质膜定位减少的野生型突变细胞（WT MC4R）表现出激动剂促进的内化减少；当配体刺激时，WT MC4R的激动剂依赖性内化在缺乏β-arrestin 1和β- arrestin 2的细胞中受损。进一步研究发现，敲低β-arrestin 2的表达破坏了MC4R的激动剂依赖性内吞作用，而敲低β-arrestin 1的表达则对内吞作用没有影响；细胞表面表达MC4R无影响的肥胖突变体损害了MC4R与β-arrestin 1、β-arrestin 2之间的相互作用，表达降低的突变体表现出β-arrestin 1和β-arrestin 2募集减少。以上结果表明，β-arrestin 2在MC4R激动剂依赖性内吞作用中具有重要作用，将β-arrestin 2募集到MC4R是控制其内化和信号传导的关键机制，并且可能受到肥胖致病突变和肥胖保护突变的影响。
2.4 钙离子辅助途径
近期研究发现Ca2+在MC4R信号传导中具有一定作用。MC4R突变虽然是重度肥胖的主要单基因原因，但体外分析显示，许多突变体没有任何明显的信号传导缺陷，通过测试几种突变体在转染细胞中诱导Ca2+信号的能力，证明了MC4R可以与Ca2+信号耦合［13］。并且，最近的一项研究显示，Ca2+在没有配体的情况下也可以与MC4R结合，MC4R激动剂需要Ca2+才能发挥完全效力，而拮抗剂的活性因Ca2+受到抑制［14］。提示，Ca2+主要作为MC4R受体活化所需的辅助因子，参与介导厌食信号传导（图2）。
2.5 脑-MC4R-迷走神经轴
MC4R除了通过以上途径调节摄食、运动活动等介导能量摄入和消耗来影响体重外，还能够直接介导脂肪组织扩张。Holland等［15］发现，脑-MC4R-迷走神经轴通过促进脂肪组织中脂肪生成相关基因的表达，优先增加性腺中的脂肪细胞增殖来调节脂肪量，与热量摄入无关。然而关于其介导脂肪扩张的外周信号尚不明确。
2.6 MC4R作用于胃肠道，影响肽酪氨酸酪氨酸、胰高血糖素样肽-1分泌
近年来，MC4R在能量稳态中的作用的研究多集中于中枢MC4R，然而中枢MC4R尚不能完全解释MC4R受体激动剂的减重机制，提示外周MC4R在调节能量稳态中也发挥一定作用。研究发现，MC4R在人肠黏膜的肠内分泌L细胞中表达，肠道感应葡萄糖后，以自分泌或旁分泌的方式释放α-MSH，进而激活肠道L细胞表达的MC4R，促进厌食激素胰高血糖素样肽-1和肽酪氨酸酪氨酸的分泌，进而调节能量稳态［16］。
03 纤毛在MC4R神经元中的作用
MC4R能够表达于下丘脑神经元的纤毛，发挥控制代谢表型的作用。初级纤毛是从细胞表面挤出的非运动毛状结构，纤毛膜能够表达包括GPCR在内的许多信号受体，具有感测外部环境信号和转导细胞内信号的作用。已有研究表明，纤毛是下丘脑室旁核（paraventricular nucleus，PVN）神经元中的MC4R表达的主要位点，在MC4R神经元的黑皮质素信号通路中发挥着极其重要的作用［17］。与MC4R缺失一样，PVN MC4R表达细胞中特异性去除初级纤毛的小鼠表现为肥胖，抑制MC4R表达神经元的纤毛中腺苷酸环化酶的活性也会引起小鼠摄食过度和肥胖［18］。提示，MC4R通过PVN神经元纤毛发出信号来控制食物摄入和体重调节。另外，黑皮质素受体辅助蛋白2可通过增强下丘脑PVN中的MC4R神经元信号传导，在调节食物摄入和能量消耗中发挥作用，这可能与其将MC4R靶向神经元初级纤毛的作用有关［19］。
04 MC4R相关的抗肥胖药物的开发
因为饮食和运动的减重疗效有限且难以坚持，抗肥胖药物或为肥胖患者带来希望。近年来，一些MC4R激动剂已作为抗肥胖药物进行临床试验，多存在因受体亚型选择性差而引起血压升高、色素沉着等不良反应，因此确定安全、有效的高选择性MC4R激动剂是十分必要的［4］。其中Setmelanotide已在2020年于美国首次获批用于POMC和瘦素受体缺乏引起的6岁及以上肥胖患者的长期体重管理，并获得了欧洲药品管理局的优先药物认定，用于治疗肥胖和MC4R受体通路缺乏性疾病引起的饥饿状态［20］。另对动物毒液的探索也扩大了对MC4R配体的认识。研究发现，芋螺毒素中衍生出的线性肽HT1-0，是Gαs蛋白和β-arrestin通路的竞争性拮抗剂，对MC4R具有高亲和力，此发现为更好的理解MC4R受体的功能、开发治疗能量平衡紊乱的药物提供了新的见解［21］。
细胞研究发现，药理学伴侣（pharmacological chaperone，PC）可以拯救许多与肥胖相关的细胞内保留的MC4R突变体，保留其内在功能。这些PC通常具有口服生物利用度，可以穿过血脑屏障，在已经确定的几种PC中Ipsen 5i和Ipsen 17是最有效的［22］。人源化 MC4R 转基因小鼠体内研究也证明了PC可以挽救MC4R突变等位基因的功能［23］。需进一步探索筛选和测试安全有效的PC候选药物的方法。
此外，胰高血糖素样肽-1受体激动剂的减重机制也与其中枢性抑制食欲的作用有关。研究发现，胰高血糖素样肽-1受体激动剂利拉鲁肽3.0 mg对16例具有致病性MC4R突变的肥胖患者和8例无MC4R突变的肥胖患者的减重效果相似，均诱导了2%的体重下降［24］。表明利拉鲁肽可独立于MC4R途径改善肥胖，用于MC4R相关肥胖的治疗。另有研究发现，与饮食诱导的肥胖小鼠相比，全身给予雷公藤红素可显著降低MC4R缺失引起肥胖小鼠的食物摄入量和体重［25］。提示，雷公藤红素具有非MC4R依赖性的减肥作用，或可用于MC4R缺乏引起的肥胖。
05 结语
MC4R参与调节能量稳态和体重的机制十分复杂,现有研究仍集中于其在中枢神经系统中的作 用,未来还应关注外周MC4R对全身能量平衡的贡 献,以全面揭示MC4R的完整作用机制。对药物安 全性及疗效的评估、临床前数据转化为人体研究的 局限性都阻碍着新药的开发,未来期待靶向不同部 位、作用于不同机制的MC4R通路相关抗肥胖药物的问世。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献 略
本期公众号责编：高倩
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