酒精对哺乳动物生物钟的影响---生命科学

第25卷第9期2013年9月生命科学ChineseBulletinofLifeSciencesVol.25,No.9Sep.,2013文章编号：1004-0374(2013)09-0902-06酒精对哺乳动物生物钟的影响徐　亮1，吴　涛1，陶燕来1，李永军1，季晨阳1，江倩茹1，乐佳清1，钮亭亭2，傅正伟1*(1浙江工业大学生物与环境工程学院生理调控实验室，杭州310014；2上海体育学院，上海200438)摘　要：生理节律是一种以内源性生物钟为基础的生理现象，它能使生物体感知并适应外界环境信号的变化。然而，生理节律一旦失调就可能诱发多种代谢相关疾病。研究表明，酒精能够干扰以生物钟为基础的神经、体液的信号转导，降低免疫系统的功能，诱发多种健康问题。综述了酒精与生物钟基因之间的相互作用，以及通过生物钟系统进一步干预行为活动、神经-内分泌系统和免疫系统相关的生理功能。关键词：生理节律；哺乳动物；酒精；生物钟基因中图分类号：TQ223.12；Q811.213文献标志码：AEffectsofalcoholintakeonthemammaliancircadianclockXULiang1,WUTao1,TAOYan-Lai1,LIYong-Jun1,JIChen-Yang1,JIANGQian-Ru1,LEJia-Qing1,NIUTing-Ting2,FUZheng-Wei1*(1CollegeofBiologicalandEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China;2ShanghaiUniversityofSport,Shanghai200438,China)Abstract:Circadianrhythmexistsinmostorganisms,whichismainlygeneratedbyaninternalbiologicalclock.Thisbiologicalclockissynchronizedtotheenvironmentaldailyperiodicitiesbyexternaltimecues.However,thedisruptionofnormalcircadianrhythmicityisusuallyassociatedwithvariousdiseasessuchasmetabolicdisorders.Recentevidenceshaveshownthatchronicalcoholintakedisruptsavarietyofneurochemicalandneuroendocrinefunctions,andimpairstheimmunesystembydisturbingthecircadianrhythms.Theseeffectsofalcoholwillfinallycontributetoanegativehealthconsequence.Thisreviewsummarizedthebidirectionalinteractionsbetweenalcoholandclockgenes,andthecircadian-modulatedbehavioral,neuroendocrine,andimmunefunctions.Keywords:circadianrhythm;mammals;alcohol;clockgene收稿日期：2013-02-28；修回日期：2013-04-24基金项目：国家自然科学基金青年科学基金(312008-90)；浙江省新苗人才计划项目(2012R403008)*通信作者：E-mail:[e-mail]；Tel：[phone]　哺乳动物内源性生物钟系统生物节律广泛存在于生物界，是大多数生物的基本特征。生物节律的定义是生物系统的重复过程，它是机体不断进化的结果，在机体适应外界环境的变化、维持内环境稳定等方面起着重要的作用。按照周期的长短，生物节律可以分为亚日节律(infradianrhythm)、近日节律(circadianrhythm)和超日节律(ultradianrhythm)。其中，近日节律最为普遍和重要，是当前研究最多、物质基础相对研究得最清楚的生物节律。近日节律是机体固有的，也就是具有内源性特征，在没有外界环境信号作用的情况下，以近24h周期自由运转(freerunning)[1]。近日节律的内源性分子机制被形象地称为“生物钟”，它能使生物体感知并适应环境中的光、温度和食物等周期信号，从而使生物体与外界环境保持周期同步。哺乳动物的生物钟系统主要包括以下两类：位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmaticnucleu,SCN)的主钟(masterclock)和存在于许多外周组织和器官中的外周钟(peripheralclocks)[1]。生物钟模型主要是由生物钟基因、钟控基因及其调控系统构成，其中哺乳动物生物钟基因包括徐　亮，等：酒精对哺乳动物生物钟的影响第9期903Clock、Bmal1、Per(s)、Cry(s)、Rev-erbα等[1-2]。这些生物钟基因及其产物组成一个完整的转录/翻译负反馈环路。其中主要的正向调控因子为CLOCK和BMAL1。两者通过bHLH-PAS结构域形成异二聚体CLOCK:BMAL1，该二聚体与Per(s)和Cry(s)基因启动区的E-box(CAGTG)结合，以启动这些基因的转录。而这些基因表达产物经过积累且被磷酸化后形成复合物进入细胞核，抑制Clock和Bmal1的表达，从而反馈调节Per(s)和Cry(s)的转录。另一条反馈通路则是由视黄酸相关受体基因Rev-erbα和Rorα所组成。CLOCK:BMAL1异二聚体同时可以激活Rev-erbα、Rorα。REV-ERBα和RORα竞争Bmal1启动子区的视黄酸相关核受体反应元件(ROREs)，抑制或者促进Bmal1的转录[3]。此外，BMAL1:CLOCK二聚体通过与E-Box序列结合也能促进生物钟控制基因(clockcontrolledgenes,CCGs)的转录，使其呈节律性表达，而CCGs的周期性节律表达使得各种生理和行为活动表现出24h昼夜振荡的生理节律[3]。生物钟系统的负反馈环在控制机体各种生理和行为活动的同时也受到一些代谢相关的基因调控，如酪蛋白激酶(CKIε)能够磷酸化PER2蛋白质来调控生物钟环路，另外，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)也能够通过调节CRY1的磷酸化和其降解来调控哺乳动物生物钟系统[4-6]。生物钟基因负反馈调节通路如图1所示。2　酒精和哺乳动物生物钟基因的相互作用研究发现，酒精能够显著影响哺乳动物内源性生理振荡器，进而导致一系列健康问题。例如酒精能够引起体温、血压、代谢、激素分泌和脑电图等的改变，从而引起失眠、内分泌紊乱，严重的甚至诱发癌症[7-12]。为此，在酒精与健康的相关研究中，生物钟的功能开始逐渐引起人们的重视。细胞中生物钟基因调控形成反馈环路主要分为以下3个方面：(1)细胞核中Clock和Bmal1基因的产物形成异源二聚体与Per(s)、Cry(s)等基因启动子区的E-box结合，以启动这些基因的转录；(2)上述基因的转录产物在细胞质积累并且被AMPK和CKIε磷酸化后能够再次进入细胞核作为负性成分抑制CLOCK-BMAL1二聚体的活性；(3)CLOCK-BMAL1也可激活视黄酸相关受体基因Rev-erbα和Rorα等，REV-ERBα能够与Bmal1启动子区的视黄酸受体元件(RORE)结合抑制Bmal1的转录，而RORα能够与REV-ERBα竞争该受体元件，从而促进Bmal1的转录。图1生物钟分子基础模型生命科学第25卷904近几年，研究人员正在致力于研究酒精诱发这些由生理节律混乱引起的疾病的机制，他们推测酒精可能主要通过调节机体内在的生物钟基因来影响生物节律。研究人员通过设计不同的实验方案已经证明酒精暴露能够显著地改变生物钟基因的表达,如Chen等[13]对SD(sprague-dawleyrats)幼鼠进行慢性酒精刺激发现下丘脑内Per1和Per2基因表达相位混乱，同样地对成年大鼠和小鼠进行酒精暴露也会扰乱下丘脑和室旁核中的Per1和Per2基因表达节律[14-15]。此外，研究还发现酒精暴露可以使成年大鼠SCN中Cry1基因的表达量降低，同时能够使小脑和肝脏中Per2基因表达时相提前[16]。Huang等[17]对男性酗酒者血液白细胞生物钟基因表达的研究发现，Per(s)、Cry(s)和Bmal1基因的表达量下降，而Ando等[18]对健康男性进行急性酒精刺激后发现血液白细胞的Bmal1基因表达量上升。此外，生物钟基因表达的改变也能够影响哺乳动物对酒精的摄取。2005年，德国科学家Spanagel等[19]利用Per2基因突变的大鼠作为研究对象，对其进行慢性酒精刺激，结果发现Per2突变大鼠SCN中星形胶质细胞突触间隙的谷氨酸盐水平上升，最终导致饮酒量增加甚至造成酒精依赖；Spanagel等[19]和Yuferov等[20]同时运用单核苷酸多态性技术(SNPs)改变男性酗酒者Per2基因外显子序列，结果发现患者的饮酒量增加。由此可见饮酒和生物体内源性生物钟基因之间能够相互作用，酒精在影响生物节律的同时，生物钟基因也在调控酒精的摄入量。为什么机体生物钟系统对酒精毒性这么敏感，目前比较被认可的解释：酒精能够通过调节特定的靶位基因调节整个生物钟系统。总结发现，在众多的生物钟基因中，Per2基因最有可能是乙醇的靶标。因为长期的酒精暴露不仅能够改变成年大鼠下丘脑内和外周组织中Per基因的表达模式，并且在幼鼠研究中也发现类似的结果[13-14,16]。另外，对Per2基因突变的小鼠进行慢性酒精刺激发现小鼠的饮酒量增加，更容易形成酒精依赖，类似的结果在人类实验中也有发现[19]；但是Per1基因突变的小鼠却没有类似的现象[21]。不仅如此，Per2基因突变也能够抑制β-内啡肽对酒精的反应[22]，β-内啡肽是SCN主钟信号传递的重要介质，所以Per2基因调控内源性生物钟系统控制β-内啡肽对酒精的反应。这样，Per2基因可能是酒精作用于内源性生物钟系统的靶位基因；但是也有专家认为酒精可能从改变细胞基础代谢和阻碍大脑一些区域的信息传递这两个方面对生物钟系统产生作用：一方面，酒精在肝脏中代谢产生的高NADH可能促进CLOCK:BMAL1异二聚体与E-box的结合，导致生物钟基因表达节律变化；另一方面，神经递质γ氨基丁酸(GΑΒΑ)和NMDA-谷氨酸受体在光照和黑暗主导的昼夜相位变化的调节中有重要作用，而这些信号因子也是酒精的重要靶位点[23−24]。3　酒精对哺乳动物行为活动节律的影响哺乳动物行为活动节律主要是由SCN主钟调控的[1]，而酒精能够影响哺乳动物行为活动的节律。2005年，Rosenwasser等[25]研究发现，长期饮酒会导致大鼠行为活动节律失常，且这种失常的行为在戒酒之后并不能及时恢复正常。同时还发现强制暴露于10%和20%(v/v)的酒精溶液的大鼠会出现行为节律自由运行周期延长或者缩短的情况，禁酒之后10%暴露的动物行为活动恢复到正常水平，而20%刺激的实验动物反而出现恶化，这也说明不同浓度的酒精对行为活动影响程度不同。酗酒和禁酒都能够引起行为活动自由运行(freerunning)周期的改变，这种现象与20世纪90年代研究人员使用叙利亚仓鼠(Syrianhamster)和幼鼠进行实验所得到的结果一致[26-27]。类似的结果在其他研究中也有发现，如Seggio等[28]在对C57BL/6J小鼠的研究中发现，当对小鼠进行慢性酒精刺激时小鼠行为活动自由运行的周期明显缩短；2011年，Trujillo等[29]使用对酒精敏感度不同的大鼠(高度酒精偏爱high-alcoholpreferring,HAP和低度酒精偏爱low-alcoho