有关褪黑素某些功能的研究进展

有关褪黑素某些功能和作用机制的研究院 （系） 化学化工学院 专业班级 精细化学品生产技术 学生姓名 蓝海飞 学号 20095315 日期_ _2011年6月8日星期三 _ _摘要：褪黑素(Melatonin ,MT)是松果体分泌的一种吲哚类神经内分泌激素,具有广泛的生理作用。它可以提高机体的免疫力,还可以调节生理节律、内分泌系统和生殖系统等,从而被开发为产品大量应用于人类的保健和医疗。本文着重介绍了近年来褪黑素的研究情况,包括其在抗氧化和清除自由基、抗肿瘤、增强免疫功能等生理作用方面的机制,也对褪黑素的开发前景进行了探讨。关键词：褪黑素；生理作用；机制一、 前言1. MT的历史1917年，McCord和Allan发现牛松果体提取物能使蟾蜍皮肤颜色变浅,首次揭示了褪黑素的生理学活性,标志着褪黑素研究的开始。1959年Lerner分离纯化并确定了该物质的结构,将其命名为Melatonin(褪黑素)。它的分子式为C13N2H16O2,分子量为232.27,熔点为116118,化学名称为N-乙酰基-5-甲氧基色胺。2. MT的合成与分泌【1，2】MT主要是由哺乳动物和人类的松果体分泌的一种吲哚类激素,近年来，人们通过各种技术研究发现除松果体外,在肠道、视网膜、下丘脑、泪腺也存在MT，血小板、内耳、泪腺、外周血单核细胞既含有又可以合成MT。MT的前体是色氨酸,其合成过程大致是色氨酸5-羟色氨酸5-羟色胺(5-HT)N-乙酰基-5-羟色胺MT。MT的生物合成受光周期的制约,同时也受许多外部因素尤其是交感神经的影响。交感神经末梢可以通过释放去甲肾上腺素(NE)作用于松果体的-肾上腺素受体,激活腺苷酸环化酶使cAMP合成增加,进一步激活sNAT酶催化上述第步过程,然后再在羟吲哚氧位甲基转换酶(HIOMT)的作用下转变为MT。sNAT是MT合成过程中的关键酶,在视网膜中也发现有极少量该酶的存在,MT合成的调控主要是通过该酶来完成。MT在夜间分泌水平较高，原因是进入黑暗后,随着交感神经末梢释放入松果体内NE的增加,MT合成的关键酶sNAT和HIOMT的活性增加,MT合成增多,而sNAT本身的活性也呈现昼夜节律变化,受到光周期的影响。有研究发现，随着年龄的老化，MT在人和动物体内的合成分泌都相应减少【3，4】，但有研究者发现把年轻小鼠的松果体嫁接到老龄大鼠的相应位置可以延长其寿命。MT的分解代谢主要在肝脏和脑进行,其中肝脏是MT降解的主要场所,而MT的代谢产物主要由尿中排出。3. MT受体褪黑素受体属于G蛋白偶联受体超家族的一员,有7个跨膜段,分布相当广泛,不仅存在于神经系统,也广泛存在于免疫系统、生殖系统、内分泌系统等,而且也存在昼夜节律。实验表明,褪黑素受体节律也是自主的,受控于昼夜节律起步点而不受控于褪黑素的节律。二、 MT的作用及发生机制1. MT及其代谢产物的抗氧化作用【5，6，7】自由基理论认为，体内各种各样的氧化反应会产生大量的自由基，这些自由基会导致许多大分子物质包括DNA的损坏或凋亡，从而引发许多疾病，甚至癌症的发生。最近大量研究表明MT及代谢产物6-羟褪黑素和N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺具有直接、间接的抗氧化性能与自由基清除功能,从而抑制细胞死亡或凋亡的发生,保护细胞内的脂质、蛋白质、核酸等。1.1 MT直接清除自由基功能 MT作为一种强抗氧化剂主要清除羟自由基(OH)。在离体细胞中MT可直接清除过氧化氢(H2O2)、ONOO-、NO,并清除多聚不饱和脂肪酸氧化过程中产生的过氧化自由基LOO-。MT具有高度的脂溶性,广泛分布于细胞膜中,并可以插入细胞膜中脂肪酸的极性头部之间，这种作用被认为是MT保护细胞膜抵抗氧化攻击的另一方式。MT不仅存在膜受体,而且还存在核受体,因此可以与细胞核接近而清除DNA附近的活性氧簇,还能激活DNA修复机制,使DNA免遭各种活性氧簇引起的损伤【8，9】。1.2 MT间接抗氧化功能MT在机体内通过5种途径间接的发挥抗氧化功能。激活谷胱甘肽过氧化物酶,该酶能催化谷胱甘肽氧化成二硫化物,将H2O2分解为H2O,清除OH,从而降低自由基对DNA的氧化损伤。通过钙调节蛋白抑制NO合酶,减少NO的生成而达到保护细胞膜脂质的作用。通过增强酶类抗氧化剂如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶等的活性。抑制NO合成的关键酶一氧化氮合酶的活性,从而抑制NO的生成。与维生素E、维生素C、谷胱甘肽和去铁敏协同作用抑制自由基的形成【10】。分子水平的研究亦表明【11】,MT可改变抗氧化酶的基因表达,提高大鼠脑皮质中Mn-超氧化物歧化酶,Cu-超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的mRNA的表达。1.3 6-羟褪黑素清除自由基功能6-羟褪黑素是MT在肝脏的代谢产物,同样具有自由基清除功能【12】,甚至比MT更强抑制脂质过氧化反应,大概是MT的30倍。实验证实, 6-羟褪黑素能降低顺铂诱导肾组织氧化应激损伤产生的GSSG,也能降低氰化物诱导的氧化应激损伤,可能与结合Fe3+并转化为Fe2+,并抑制Fe2+诱导的脂质过氧化反应有关【13】。1.3 N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺清除自由基功能MT吲哚环5位上的甲氧基和侧链上的N-乙酰基是MT清除活性氧簇的必需基团。MT主要通过提供电子来清除活性氧簇,失去电子后MT本身变成了毒性很低的吲哚阳离子,后者进一步清除活性氧簇,转变成N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺,通过N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺途径,能清除十几种活性氮物【14】。此外,在高自由基环境下,如细胞暴露于过氧化氢、谷氨酸或淀粉样蛋白2535能降低DNA和脂质损伤和降低神经元凋亡【15】。这系列的反应能解释MT抗氧化增强反应能高效率的减少自由基损伤【16】。N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺比MT具有更强的抗氧化作用,二者协同作用,进一步增强了MT对活性氧簇的清除能力。同时N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺能抑制脂多糖介导产生肿瘤坏死因子及白细胞介素8,同时也能减轻5-氨基酮戊酸引起DNA损伤【17】。2. MT的抗肿瘤作用【7，18】MT是重要的生理性肿瘤抑制剂,有效地抑制多种癌细胞的生长,包括乳腺癌、黑素瘤、前列腺癌、肝癌等。白血病、淋巴瘤等肿瘤患儿的尸检发现其松果体有组织学上的变化【19】，表明MT可能与肿瘤有关。2.1 MT对乳腺癌的作用大量的体内和体外实验表明MT对乳腺癌的发生和肿瘤的生长具有一定的抑制作用。雌激素阳性细胞（MCF-7）是用来研究的最多的细胞株模型，大量体外实验证明MT对MCF-7具有明显的抑制作用,MT可能通过对雌激素受体（ER）的影响而发挥抗肿瘤作用【20，21】。有研究考察了MT对不同乳腺癌细胞株的抗雌激素和抗增殖作用, 并研究了其与ER和MT受体（MTR1）的关系,结果发现MT可以抑制ER阳性乳腺癌细胞的增殖反应,且人类乳腺癌细胞株MCF-7上的MTR1过量表达可以提高MT的肿瘤生长抑制作用【22，23】。有最新文献【24】从遗传角度探讨了MT与乳腺癌的关系，研究指出：（1）MT能影响核受体（GR和RAR）的转录活动，从而参与调控乳腺癌细胞的生长；（2）MT能影响合成和活化雌激素的酶的基因表达，如干扰基因CYP19的甲基化等修饰；（3）MT能通过天然的或诱导产生的一些物质抑制导致癌变的关键酶的活性；（4）MT通过抑制D1的表达调节细胞的周期；（5）MT通过光暗的变化扰动生理节律，从而干扰抑癌基因PER2。总之,MT具有抗乳腺癌作用,其机制复杂多样,还有待于进一步研究阐明。2.2 MT对前列腺癌的作用前列腺中存在着高亲和力的MT受体，所以MT能直接作用于前列腺细胞,抑制良性或恶性前列腺肿瘤细胞的生长。激活MT1受体和减少性激素诱导Ca2+内流是MT直接抑制雄激素依赖性人前列腺癌细胞增生的两个重要机制。Shiu等【25】在1例晚期激素不敏感前列腺癌患者的肿瘤组织发现高亲和力的MT1的表达,MT使这种激素不敏感肿瘤疾病稳定了6 wk,这例报道证实了MT的抑瘤作用可能通过膜受体MTR1引起的信号转导通路产生抗增殖作用。最新的研究表明【26】,药理浓度的MT不仅可以抑制雄激素敏感的前列腺癌细胞(LNCaP),还可以抑制雄激素不敏感的前列腺癌细胞(PC3)的增殖反应,还可以使细胞周期停滞,促进细胞的分化,这种作用的机制并不是通过影响PKA途径。2.3 MT与皮肤癌变动物实验发现MT在由苯并(BP)吡诱发的皮肤癌变的两个阶段都有一定的作用【27】，同时发现经过MT治疗后的患癌动物体内的脂质过氧化水平较低，且MT还具有防止BP及其代谢产物侵袭DNA作用。2.4 MT对临床肿瘤的作用一些临床试验表明单独使用药理浓度的MT可以对30%的晚期无法治疗的转移性实体瘤患者有控制肿瘤进展的作用, Mills等【28】在2004年开展的一项含643个样本的系统性随机对照研究证实,MT作为惟一的治疗药物或作为辅助手段治疗肿瘤,能降低66%的死亡危险,而且无严重不良反应,这为把MT应用于癌症治疗提供了有利的依据,但目前仍需大量的临床随机双盲对照实验来证实MT的癌症治疗的有效性及安全性。2.5 MT主要抗肿瘤机制MT抗肿瘤机制复杂而广泛,目前主要包括调节雌激素作用信号转导通路,影响细胞周期,调节生长因子,干扰钙调素和微管蛋白功能,增加细胞间缝隙连接,对细胞代谢的影响以及抗氧化作用和免疫调节作用等。（1）抗雌激素作用雌激素通过激活腺苷酸环化酶（AC），使ER阳性细胞内cAMP的浓度提高,MT可以通过与其膜受体的结合，抑制AC活性,降低cAMP水平从而对抗雌激素的作用效应。MT还可以影响雌激素调节蛋白、生长因子和原癌基因表达的影响,可抑制黄体酮受体基因和原癌基因c-fos的表达,MT能反式作用于ER,使ER失去对雌激素的敏感性,从而阻断雌激素的促分裂活性。总之,MT对雌激素反应通路的影响可能是其抗瘤作用的重要机制。（2）对钙调蛋白CaM )的作用【29】MT是一种内源性的CaM拮抗剂,研究表明,MT可作为CaM拮抗剂,与关键靶酶(如磷酸二酯酶)和结构蛋白(如微管蛋白)直接相互作用,也可通过特殊的蛋白激酶间接影响Ca2+信号转导系统。MT可以选择性地激活神经母细胞瘤细胞内Ca2+依赖的PKC活性,生理浓度的MT能与CaM相结合,阻断钙调素-微管蛋白复合物的形成,导致微管蛋白体积净增加;药理浓度的MT直接与微管蛋白结合、改变其次级结构、并进一步引起微管破裂。（3）对细胞代谢的影响【30】亚油酸(LA)是重要的肿瘤生长促进剂。MT可以通过肝细胞瘤细胞上的膜受体,抑制对脂肪酸包括LA以及其致分裂原代谢物13-HODE的摄取和转化,而13-HODE能通过EGF受体和酪氨酸自身磷酸化增加EGF对致分裂原的反应性,激活下游的细胞分子信号转导通路如MAPK、MEK和ERK1/2。（4）影响端粒酶活性【31】MT抑制MCF-7癌细胞株端粒末端转移酶的活性, MT减少裸鼠中MCF-7异种移植物的增长,降低端粒末端转移酶的活性。（5）抑制内皮素(ET-1)的合成【32】MT对ET-1的合成有明显的抑制作用。MT具有抑制合成ET-1的酶(即ET-1转化酶)的作用。此外，MT的抗氧化及免疫调节作用也跟抑制肿瘤有很大关系。MT的抗肿瘤作用是一个广阔的研究领域,而且新的作用机制仍在不断发现之中。肿瘤的发生、生长、转移、恶化与内源性MT水平和昼夜节律特点密切相关,这在肿瘤的诊断和治疗中具有十分重要的参考价值。通过对MT抗肿瘤机制的深入研究,以及探索和开发新的MT的结构类似物,必定能将MT或MT类似物开发出新的抗肿瘤药或肿瘤辅助药应用于临床。3MT与免疫【7，33，34】MT的免疫活性已经经过多种动物模型得到证实。早在1986年，Maestroni 已经在鼠类实验上证明MT对免疫功能有一定影响。下面介绍下其MT对免疫功能的影响。（1）MT对非特异性免疫的影响MT通过粒单细胞谱存在的MT受体,刺激粒-单核细胞的生成,促进血细胞、NK细胞的生成。最近研究结果显示,MT对中性粒细胞数目与功能均有调节作用【35】。MT能够逆转由酒精导致的大鼠中性粒细胞减少和吞噬功能减低,说明中性粒细胞的吞噬功能依赖于夜间MT分泌高峰,其机制可能是通过作用于中性粒细胞的膜受体和(或)核受体发挥免疫调节作用。既然MT在体内外都可以影响非特异免疫的各组分,说明其可作为抗肿瘤、抗病毒的有效措施。（2）特异性免疫增强作用MT能够增强机体的特异性免疫功能,尤其对受损的免疫功能作用更为突出。Akbulut【36】和Tian【37】分别以不同的途径给予老年鼠MLT,结果显示其血清IgM、IgG较正常对照组明显升高,退化的胸腺得到逆转,免疫器官胸腺与脾脏的重加,T、B淋巴细胞、NK细胞的数量及活性增加。此外MT还能够改善由于其他原因导致的受损免疫功能。被弓形虫感染或由金属铝或镉导致的免疫受损的大鼠,外源性给予MT后,也得到上述类似的结果,提示MT可以调节老年及免疫受损的动物特异性免疫功能。以往认为MT的免疫调节作用与内啡肽系统有关。最近研究资料表明其免疫增强功能与免疫器官存在MT受体有关,MT能够增强野生型和MT1功能基因缺失的大鼠脾细胞的增殖和(KLH) IgG的浓度,而MT2受体的拮抗剂(2-苯基N-乙酰色胺)能够减弱MLT的这种作用【38】。但人类粒细胞与淋巴细胞上不存在MT2受体,提示MLT的免疫调节作用在人与动物应分别研究。有学者认为MT增强免疫受损者免疫功能是通过提高CD4+、CD8+T细胞的百分含量,改变CD4+/CD8+T细胞的比值,调整Th/Ts比例,从而提高免疫功能。而大多数学者认为MT可能通过调节细胞因子的产生、免疫细胞与细胞因子相互作用,从而调节免疫功能。（3）MT与中性粒细胞及单核细胞MT及其氧化代谢产物AFMK(N1-乙酰基-N2-甲酰基-5-甲氧犬鸟胺)与中性粒细胞、单核细胞之间有着紧密的联系。单核细胞能够促进MLT氧化成为AFMK, LPS诱导的中性粒细胞和单核细胞产生TNF-、IL-8,而MLT与AFMK能够抑制LPS的这种作用,且AFMK的这种作用较MT强。TNF-、IL-8为炎性反应严重程度的指标,说明MLT可以抑制急慢性炎性反应。中性粒细胞和单核细胞对AFMK敏感,说明MLT的新陈代谢可能参与MLT与免疫细胞之间的化学联系。（4）MT与巨噬细胞MT可以调节众多免疫细胞的功能,但研究表明LT没有刺激活性巨噬细胞释放细胞因子的作用。LPS能够刺激肺泡巨噬细胞释放IL-6、TNF-、IL-1、活性氧中间产物(H2O2、O2-)增加,MT预处理后,这些细胞因子的释放并未增加。为了研究MT是否可能通过其它间接途径来影响巨噬细胞的功能, Shafer在脾细胞还未与机体分离之前用MLT干预,结果发现MLT对LPS激活的巨噬细胞释放IL-1、TNF-仍然没有影响。体内研究,通过持续饮水给予小鼠MLT,结果表明MLT对LPS激活的腹膜巨噬细胞没有激发作用【39】。推测MLT并不是巨噬细胞重要的调节因子。（5）MT与免疫细胞及细胞因子大多数学者认为MT通过作用于免疫活性细胞,释放细胞因子从而来调节免疫功能。研究发现淋巴细胞本身无论是否在激活状态下均可合成分泌MT。MT可以通过淋巴细胞的膜受体和核受体产生IL-2;并且能调节IL-2受体的表达在体外,MT作用于淋巴细胞,促进其增殖并分泌IL-1、IL-2、IL-6、IL-12、IFN-增多,其机制可能是通过调节细胞因子mRNA的表达。MT通过IL-12、IL-2、IFN-的分泌来影响TH1细胞的功能。MT与TH2的关系可能不是很密切,因为MT并不能影响TH2细胞分泌最多的细胞因子IL-4的释放,促进IL-6的释放亦与TH2细胞无。MT通过作用于淋巴细胞核受体(RZR/ROR)激活CD4+(但不能激活CD8+细胞),使其表达CD69的比例增加,并促进其分泌IL-2、IL-6。说明MT可以通过CD4+细胞的核受体进行转录调控,从而影响人类免疫系统的功能。这也解释了为什么MT能够通过改变CD4+/CD8+T细胞的比值调节免疫功能。（6）MT免疫功能在治疗肿瘤方面的应用人体正常血清褪黑素的水平表现为昼低夜高的特性,而肿瘤患者褪黑素的节律性发生了改变,表现为夜间水平的下降,国外报道进展期胃肠道肿瘤患者血清褪黑素高峰出现的时间推后,达到高峰的时间为晨850。给予含有褪黑素前体成分的复合氨基酸后,肿瘤患者免疫指标有所改善,包括CD4+T细胞、CD8+T细胞、NK、IgM、IgG、CD4+/CD8+比值升高。提示褪黑素与肿瘤患者的免疫功能存在一定的关系。三、 结语MT及其代谢产物的生理作用十分广泛,尤其是它的免疫增强、抗衰老、抗肿瘤作用已受到人类医学界的广泛重视。其对许多疾病都具有不同程度的防治作用,因为它所具备的脂溶性和水溶性两种性质,易透过各种生理屏障到达体内任何部位而发挥独特的药理用。适当地补充MT对于改善睡眠及脑缺血、阿尔茨海默（AD）,对肿瘤等疾病会有很大的预防作用。但MT不是万能的,由于MT是一种内源性神经分泌产物,与体内不同生理系统、递质、激素等都有相互制约的复杂关系,因此研究还应继续深入,从分子水平进一步揭示MT的作用机制。