要更好地开展肥胖症研究及相关防治，有必要先了解肥胖机制，并利用好疾病小鼠模型，这对于肥胖及其并发症的预防和治疗有着积极的意义。
关于肥胖的机制
很多肥胖症患者具有一定的家族史，因为家庭成员拥有相似的基因，也往往有着相同的饮食和活动习惯。饱腹感、压力与焦虑、脂肪合成与分解以及体内能量代谢等过程调控的异常，都可能导致肥胖的发生。其中瘦素信号通路以及介导瘦素功能的神经和细胞通路的分子信号的异常，是最常见的肥胖症遗传因素[2]。
图1. 瘦素-瘦素受体信号及介导瘦素功能的神经和细胞通路 [2]
经典的ob/ob小鼠与db/db小鼠
瘦素（Leptin, LEP）由白色脂肪组织细胞产生，通过与瘦素受体（Leptin receptor, LEPR）结合并激活该受体向下游传递信号，在脂肪组织和下丘脑之间的负反馈机制和体重的调节中发挥着至关重要的作用。在人类和小鼠中，LEP和LEPR突变都会导致肥胖的发生。
ob/ob小鼠（Obesity mouse）携带自发纯合Lep基因突变，导致其过量进食，造成非常严重的肥胖表型 [3]。而db/db小鼠（Diabetes mouse）则携带纯合的Lepr突变，小鼠在一个月时开始贪食并发胖，同时胰高血糖素也升高，继而导致Ⅱ型糖尿病的发生 [4]。
赛业生物通过对Lep和Lepr基因进行敲除或引入突变，分别构建了ob/ob小鼠（产品编号：C001368）和db/db小鼠（产品编号：C001291）并进行了验证。结果显示，这些小鼠与经典的模型表型相同，均存在严重的肥胖以及高血糖表型，可以用于肥胖症和Ⅱ型糖尿病的研究。
图2. 雄性和雌性ob/ob小鼠均表现为严重的肥胖表型
LEP/LEPR下游通路缺陷模型
1. Pomc-KO小鼠
下丘脑弓状核中促阿片-黑素细胞皮质素原（POMC）阳性神经元是瘦素的直接靶点，而POMC是多种生物活性肽的前体，包括α-黑色素细胞刺激素（αMSH）。在大脑中，αMSH是一种强效的厌食神经肽，它通过激活下丘脑室旁核和其他部位的黑色素皮质素（MC）3和4受体（MCR3/MCR4），减少进食并增加能量消耗。POMC基因敲除及POMC衍生肽缺乏的小鼠会暴饮暴食并出现明显的肥胖症，在高脂饮食的情况下，其肥胖症会更加严重，杂合的POMC-KO小鼠同样存在较轻的肥胖表型 [5]。
图3. Pomc-KO小鼠表现为严重且可由高脂饮食加剧的肥胖表型 [5]
2. Mc4r-KO小鼠
AGRP饥饿神经元和αMSH通过黑皮质素受体（MCR）影响能量平衡，黑皮质素受体亚型4（MCR4）是其参与控制食物摄入量调控的主要受体，在饱腹感和能量稳态中发挥着关键作用，其突变也是人类肥胖症常见的遗传原因之一。通过定向敲除使Mc4r失活，可以使小鼠产生食欲亢进和病态肥胖，并出现高胰岛素血症、高血糖和高瘦素血症等血糖表型。与许多其他肥胖模型不同的是，Mc4r-KO小鼠的循环皮质酮水平并不升高，其对瘦素、AgRP或αMSH均无反应 [6]。
图4.Mc4r-KO小鼠和对照组同窝小鼠相比呈现明显的体重增加 [6]
3. Mc3r-KO小鼠
黑皮质素受体亚型3（MC3R）同样是一种参与调节能量平衡的蛋白质，MC3R与MC4R一起作为瘦素-黑色素皮质素信号级联中黑色素皮质素肽的关键受体。在某些群体中，MC3R的变异与肥胖有关，一些罕见的变异可能对个体体重增加易感性有更大的影响。Mc3r-KO小鼠表现表现出瘦肉量减少、脂肪量增加、DIO加速，以及对白天限制进食的行为和代谢适应性减弱的轻度肥胖症和新陈代谢综合征表型，同时也存在高瘦素血症、相对轻微的高胰岛素血症和运动行为相对减少的症状 [7-9]。
图5. Mc3r-KO小鼠表现轻微肥胖和脂肪含量的增加 [7]
4. Mc3r/Mc4r-DKO小鼠
MC3R和MC4R是存在一定协同作用的神经黑皮质素受体，可以调节能量平衡。因此，Mc3r/Mc4r双基因敲除的小鼠（Mc3r/Mc4r-DKO）的肥胖程度明显高于Mc3r-KO小鼠和Mc4r-KO小鼠 [10]。在大鼠中也可以观测到类似的现象，Mc3r/Mc4r双重敲除表现出比Mc3r或Mc4r单基因敲除更严重的葡萄糖不耐受和高血糖 [11]。
图6. Mc3r/Mc4r双重敲除导致比Mc3r或Mc4r单基因敲除更严重的肥胖表型 [11]
β-肾上腺素能受体（βAR）家族通路缺陷模型
在上世纪以ob/ob小鼠为主要的肥胖症模型时，就有研究发现该小鼠β-肾上腺素能受体（βAR）信号存在缺陷，表现为脂肪分解缺乏和非颤抖性产热受损，但已发现的β1AR和β2AR两种亚型活性并无较大变化。后续的研究让人们逐渐发现在脂肪组织中高表达的β3AR亚型，并对这三种亚型作了更精准的分类和定义 [2]。在ob/o小鼠中，β3AR表达完全缺失，β1AR同样大幅下降，提示βAR家族在抑制脂肪发育和肥胖发展的潜在作用 [3]。
图7. ob/ob小鼠体内β3AR表达完全缺失 [3]
至此，研究揭示了三种βAR的不同作用，即负责调节心率和心肌收缩的β1AR，与平滑肌松弛、胰岛素和胰高血糖素分泌和脂肪分解有关的β2AR，以及负责啮齿动物中白色脂肪脂肪分解和棕色脂肪产热作用的β3AR [4]。
图8. 三种βAR的不同表达部位和作用 [4]
β1AR、β2AR和β3AR都通过不同的途径不同程度的抑制肥胖进展，作为脂肪中含量最多的亚型，β3AR促进脂肪组织分解、骨骼肌产热、增加肌肉葡萄糖摄取量并减少肝脏葡萄糖输出量，具有抗肥胖和抗糖尿病作用。相反，敲除β3AR（Adrb3基因编码）的小鼠体内脂肪积累和食物摄入量均增加，高脂喂养会加剧肥胖表型，表现为体脂总量增加、蛋白质含量减少和无脂干重减少等，表明β3AR的缺失导致肥胖症发生 [5-6]。
图9. 与野生型小鼠（○）相比，β3AR缺失小鼠（●） 表现为体重和食物摄入量增加 [5]
β1AR和β2AR主要负责心率和心肌收缩以及平滑肌松弛、胰岛素和胰高血糖素分泌和脂肪分解的调控，对于肥胖进展的调控不是很明显。但β1AR和β2AR同样是饮食诱导产热的必要条件，在机体抵御饮食诱导肥胖的过程中发挥着关键作用。同时缺乏三种亚型的小鼠表现为更严重的肥胖，包括棕色脂肪组织形态异常、耗氧量减少、适应性产热受损、体重增加、棕色脂肪细胞大小增加和脂肪总量增加 [7]。
图10. β1AR/β3AR/β2AR敲除小鼠（β-less）存在严重肥胖表型 [7]
5-羟色胺/5-羟色胺2C受体通路缺陷模型
5-羟色胺（5-HT）在人体内发挥着复杂且多方面的作用，其主要功能是稳定情绪，同时也在消化系统和睡眠周期中发挥作用。5-HT2C受体是5-HT受体亚型之一，与5-HT共同在食物摄入和体重控制方面发挥作用 [8]。贝勒医学院等机构的研究显示，5-HT2C受体基因（HTR2C）的突变在肥胖和适应不良行为中起着重要作用。一些严重肥胖患者携带罕见的HTR2C基因功能缺失型（LOF）突变，转入人类HTR2C基因LOF突变的小鼠也发展为食欲过盛和肥胖 [9]。
图11. 携带HTR2C功能缺失突变的小鼠出现贪食性肥胖 [9]
此外，敲除小鼠体内Htr2c基因的表达，同样可以导致进食过多、多动和肥胖，以及对厌食性5-HT药物反应减弱等表型，在POMC神经元中重新表达Htr2c基因可减轻这些症状 [10]。
图12. HTR2C-KO小鼠（2C null）体重和脂肪比例增加 [10]
SHP2/ERK信号缺陷模型
瘦素对能量平衡的效应是通过激活瘦素受体的长形式（LR）实现的，刺激LR会导致STAT3磷酸化、Src同源-2酪氨酸磷酸酶（SHP2）和胰岛素受体底物2（IRS2）激活。SHP2由Ptpn11基因编码，通过调节RAS/ERK等信号通路来调节细胞的生长、分化和凋亡。中枢神经的SHP2信号介导瘦素的抗肥胖作用，Zhang等人的研究表明，前脑神经元条件性Shp2敲除小鼠（CaMKIIα-Cre;Shp2flox/flox）表现为肥胖，并具有代谢综合征的多个特征，表明SHP2信号在调节能量平衡和代谢中发挥的重要作用 [11]。而在POMC神经元中敲除Ptpn11同样会导致小鼠（Ptpn1loxP/loxP;POMC-Cre）出现体重和脂肪含量的增加 [12]。
图13. 前脑神经元中Shp2条件性的敲除将导致小鼠严重肥胖 [11]
此外，通过将泛神经元Cre小鼠 (CRE3) 与Shp2flox/flox小鼠杂交，产生大脑神经元特异性Shp2缺失的小鼠出现更严重的肥胖和糖尿病，并伴有高血糖、高胰岛素血症、高瘦素血症、胰岛素和瘦素抵抗、血管炎和糖尿病肾病等多种并发症 [13]，为阐明人类肥胖和糖尿病以及并发症发生的分子机制提供重要参考。
图14. 泛神经元条件性Shp2敲除小鼠呈现严重肥胖表型 [13]
JAK2-STAT3/STAT5信号缺陷模型
瘦素与LepRb结合激活JAK2，从而导致LepRb在Tyr1138和Tyr1077位点的磷酸化。磷酸化的Tyr1138和Tyr1077与Src同源2（SH2）结构域结合，激活STAT3和STAT5。激活后的STAT3/STAT5转到细胞核并作为转录因子调节靶基因的表达而起到调节的作用。神经元中STAT3 Tyr1138位点破坏会导致小鼠摄食过多和肥胖，与db/db小鼠的表型相似 [14]。同样的，STAT5 Tyr1077位点的破坏或大脑条件性Stat5敲除的小鼠都会出现多食和肥胖的表型 [15]。
图15. 大脑特异性Stat5敲除导致小鼠体重上升 [15]
肥胖症研究模型推荐
小鼠基因编辑模型在肥胖和其它代谢疾病机制研究和药物研发评价中起着重要作用，赛业生物拥有数千种自主研发的基因编辑小鼠品系，可提供包括LEP、LEPR、POMC和MC4R等在内的多种基因敲除或条件性敲除小鼠模型。同时也可根据您的科研需求进行专业化的定制服务，加速您的课题研究。
|
模型名称 |
产品编号 |
基因 |
|
B6-ob/ob |
C001368 |
LEP |
|
B6-db/db |
C001291 |
LEPR |
|
Pomc-KO |
S-KO-03735 |
POMC |
|
Mc3r-KO |
S-KO-03150 |
MC3R |
|
Mc4r-KO |
S-KO-03151 |
MC4R |
参考文献
[1] Jiang, Junkun., Zhou, Donglei., Zhou, Donglei., Zhang, Anke., and Yu, Wenjing.. "Thermogenic adipocyte-derived zinc promotes sympathetic innervation in male mice." Nature metabolism.
[2] Liu J, Yang X, Yu S, Zheng R. The Leptin Signaling. Adv Exp Med Biol. 2018;1090:123-144.
[3] Zhang Y, Proenca R, Maffei M, Barone M, Leopold L, Friedman JM. Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue. Nature. 1994 Dec 1;372(6505):425-32.
[4] Coleman DL. Obese and diabetes: two mutant genes causing diabetes-obesity syndromes in mice. Diabetologia. 1978 Mar;14(3):141-8.
[5] Yaswen L, Diehl N, Brennan MB, Hochgeschwender U. Obesity in the mouse model of pro-opiomelanocortin deficiency responds to peripheral melanocortin. Nat Med. 1999 Sep;5(9):1066-70.
[6] Huszar D, Lynch CA, Fairchild-Huntress V, Dunmore JH, Fang Q, Berkemeier LR, Gu W, Kesterson RA, Boston BA, Cone RD, Smith FJ, Campfield LA, Burn P, Lee F. Targeted disruption of the melanocortin-4 receptor results in obesity in mice. Cell. 1997 Jan 10;88(1):131-41.
[7] Butler AA, Kesterson RA, Khong K, Cullen MJ, Pelleymounter MA, Dekoning J, Baetscher M, Cone RD. A unique metabolic syndrome causes obesity in the melanocortin-3 receptor-deficient mouse. Endocrinology. 2000 Sep;141(9):3518-21.
[8] Sutton GM, Begriche K, Kumar KG, Gimble JM, Perez-Tilve D, Nogueiras R, McMillan RP, Hulver MW, Tschöp MH, Butler AA. Central nervous system melanocortin-3 receptors are required for synchronizing metabolism during entrainment to restricted feeding during the light cycle. FASEB J. 2010 Mar;24(3):862-72.
[9] Feng Y, Cao L, Metzger JM, Strack AM, Camacho RE, Mellin TN, Nunes CN, Min W, Fisher J, Gopal-Truter S, MacIntyre DE, Chen HY, Van der Ploeg LH. Inactivation of the mouse melanocortin-3 receptor results in increased fat mass and reduced lean body mass. Nat Genet. 2000 Sep;26(1):97-102.
[10] Chen AS, Marsh DJ, Trumbauer ME, Frazier EG, Guan XM, Yu H, Rosenblum CI, Vongs A, Feng Y, Cao L, Metzger JM, Strack AM, Camacho RE, Mellin TN, Nunes CN, Min W, Fisher J, Gopal-Truter S, MacIntyre DE, Chen HY, Van der Ploeg LH. Inactivation of the mouse melanocortin-3 receptor results in increased fat mass and reduced lean body mass. Nat Genet. 2000 Sep;26(1):97-102.
[11] You P, Hu H, Chen Y, Zhao Y, Yang Y, Wang T, Xing R, Shao Y, Zhang W, Li D, Chen H, Liu M. Effects of Melanocortin 3 and 4 Receptor Deficiency on Energy Homeostasis in Rats. Sci Rep. 2016 Oct 7;6:34938.
