摘要：脑源性神经营养因子（BDNF）是神经营养因子（NTF）家族的一员。BDNF主要在中枢神经系统内表达，主要分布在海马、杏仁核和皮质，在外周系统心脏、脂肪和骨骼肌也有表达。酪氨酸激酶受体B （ tyrosine kinase receptor B，Trk B）是BDNF的特异性高亲和力受体，BDNF可通过与Trk B结合，激发各种信号传导通路而发挥其特殊的生物学功能。脑源性神经营养因子（BDNF）及其受体酪氨酸激酶受体B （Trk B）基因突变或功能缺失均会导致机体能量代谢失衡。BDNF可通过调节神经元的生存、生长并维持其功能在学习和记忆中发挥着重要的作用，BDNF可通过中枢和/或外周的机制调节机体的能量代谢。BDNF是运动预防和治疗人体代谢紊乱的重要因子。运动可以改变中枢神经系统、外周组织细胞内，以及血液 BDNF 水平。
关键词： 健康促进；脑源性神经营养因子；酪氨酸激酶受体B；能量代谢；代谢平衡
中图分类号： G 804.2文章编号：1009-783X（2012）04-0371-05文献标志码： A
脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor， BDNF）是神经营养因子（neurotrophic factors，NTF）家族的一员。BDNF mRNA及蛋白主要在中枢神经系统内表达，主要分布在海马、杏仁核和皮质，也存在于纹状体、基底前脑、下丘脑、脑干和小脑，近来发现卵巢、心、肺、血小板和骨骼肌也有表达。酪氨酸激酶受体B（ tyrosine kinase receptor B，Trk B）是BDNF的特异性高亲和力受体，BDNF可通过与Trk B结合，激发各种信号传导通路而发挥其特殊的生物学功能。BDNF既可通过调节神经元的生存、生长并维持其功能在学习和记忆中发挥着重要的作用，也可通过中枢和/或外周的机制调节机体的能量代谢平衡。
1BDNF及其受体Trk B基因与能量代谢
人体和动物研究表明，BDNF Val66Met是BDNF最常见的基因单核苷酸多态性，BDNF Val66Met多态性系BDNF基因编码66氨基酸外显子区碱基G→A突变导致缬氨酸（Val）→蛋氨酸（Met），BDNF基因的多态性改变了细胞内pro-BDNF的转运和包装，继而使BDNF的分泌减少。BDNF Val66Met不但会对心理产生负面影响[1]，还会导致机体能量代谢失衡，引起肥胖或2型糖尿病[2]。Thorleifsson等[3]在2万5 344名冰岛人、2 998名荷兰人、1 890名欧裔美国人、1 160名非裔美国人和3 024名斯堪的纳维亚人中研究了30万5 846个基因单核苷酸多态性，BDNF Val66Met被确定在肥胖发生过程中发挥了重要作用。这一调查结果与其他研究结果一致，认为BDNF（Val66Met）基因多态性在饮食失调和能量代谢调节中起着重要作用[4]。BDNF +/-杂合子小鼠，表现为慢性贪食和能量代谢失衡，随着年龄的增长，逐渐发展为与年龄相关的肥胖，若脑室内注射BDNF可迅速扭转其肥胖状态[5]。BDNF转基因对肥胖和糖尿病大鼠模型都有治疗作用，BDNF转基因会使动物体重显著下降，并可减轻与肥胖相关的胰岛素抵抗[6]。为了使BDNF的表达量和体重下降幅度一致，Cao等[6]运用重组逆转滤过性病毒作为载体携带2个基因表达框（cassettes），一个是激活BDNF的表达，一个是通过特殊目标microRNA作用于BDNF，抑制BDNF的表达。当体重下降时，microRNA活性增强，BDNF表达受到抑制。这种方法是模仿人体的内源性生理反馈机制来扭转肥胖，使体重下降并保持在理想状态。另有研究表明，小鼠BDNF基因转录起始位点上游的857 kb处通过基因修饰可降低BDNF的基因表达，这种人为突变小鼠（Timo/Timo）表现为肥胖、糖耐量受损、高血糖、高胰岛素血症等症状[7]。
Trk B突变或功能缺失也会导致人和鼠类的能量代谢紊乱，导致贪食和病态肥胖[8]。Yeo等发现[9] Trk B编码基因突变（Y722C）会减弱Trk B受体的信号能力，导致人的重度肥胖。这也充分证明了BDNF调节机体能量代谢是通过与高亲和力受体Trk B受体结合发挥作用的。
Nakagawa等[10]认为BDNF对糖脂代谢的调节作用可能是 BDNF 的一种短期调节作用，它的作用可能与BDNF外周激素水平产生影响有关。在胰腺 α 细胞中也有BDNF 和Trk B 受体的表达，BDNF 通过抑制胰腺 α 细胞分泌过高的胰高血糖素[11]，从而实现血糖的调节，维护血糖的稳定。在中枢神经系统中BDNF也会受外周雌激素、睾酮和糖皮质激素等激素的调节作用。雌激素、睾酮使中枢BDNF含量升高，但较多的糖皮质激素却可使中枢BDNF含量降低[12]。另外， BDNF和Trk B受体表达也会受到T3的抑制[13]。T3和糖皮质激素在机体内主要参与体内物质和能量代谢调节，这些外周激素可能通过BDNF的表达和抑制在下丘脑等中枢神经系统中实现糖脂代谢的调控，使其达到平衡。
2BDNF的中枢干预与调节能量代谢平衡的机制
BDNF作为一种神经可塑因子，在神经元生长、分化、突触联接和损伤修复等过程中都起着重要的作用。BDNF 在下丘脑发育过程和发育成熟后时段表达水平较高。有研究结果发现，出生后下丘脑神经元的可塑性是调节体重，维护机体能量代谢平衡的重要因素[14]；因此，BDNF 对能量代谢的调节有可能是影响下丘脑神经元的早期发育来实现的，从而使能量代谢调控的神经元结构和功能发生改变。这可以认为是 BDNF 对机体能量代谢活动的一种长期调节作用。
2.1中枢神经系统主要能量代谢控制中心及其神经肽
在成熟的中枢神经系统中，BDNF及其受体Trk B高表达于2个主要的能量代谢控制中心：背侧迷走神经复合体（DVC）和下丘脑。下丘脑中调节能量摄入的关键区有室旁核（PVN）、弓状核（ARC）、背内侧核（DMH）、腹内侧核（VMH）和下丘脑外侧区（LHA）。下丘脑ARC中有AgRP神经元和POMC神经元，AgRP神经元合成释放神经肽Y（NPY）和Agouti相关蛋白（AgRP），可促进摄食、减少能量消耗、增加体重；POMC神经元合成释放可卡因-安非他明调节转录肽（CART）和阿片促黑色素原（POMC），POMC可裂解成a-促黑激素（a-MSH），a-MSH通过与黑色素皮质激素-4受体（MC4R）结合可发挥减少摄食、促进能量消耗的作用。a-MSH 为MC4R的内源激动剂，NPY、AgRP为MC4R的内源性拮抗剂。
2.2BDNF是调节能量代谢的下游信号蛋白
2.2.1BDNF是廋素、胆囊收缩素调节能量代谢平衡的下游信号
廋素（leptin）通过与下丘脑相关的反馈环可实现抑制摄食、增加能量消耗。当体脂增加时，脂肪细胞分泌廋素，廋素经血液循环到中枢神经系统，作用于下丘脑ARC神经元上的廋素受体（ObR），通过抑制促食欲肽AgRP和NPY的表达、刺激厌食欲肽POMC（包括CART）的表达来达到抑制摄食、增加能量消耗的目的[15]。廋素受体缺陷小鼠（db/db）表现为肥胖、高血廋素、高胰岛素、高血糖等能量代谢失衡等症状，并表现为海马和下丘脑BDNF的表达减少[16]。BDNF已经被证实参与廋素调节能量代谢平衡的下游信号，中枢BDNF干预可有效的降低廋素抵抗动物模型的能量摄入[17]。BDNF并不直接调节ARC神经元 POMC/CART和NPY/AgRP的表达。因为其受体Trk B在下丘脑神经核中的表达并不伴随CART或 NPY的表达变化而变化[18]，而是通过黑素皮质素受体（MC-R）信号途径实现的。Trk B亚等位基因肥胖大鼠（Ay）（Agouti Yellow Mice，过量异位表达MC4R拮抗剂AgRP）与黑皮质素信号缺失大鼠（MC4R -/-）表征相似，Ay和MC4R -/-大鼠都表现为VMH中BDNF mRNA表达的下降，侧脑室注射MC3/4R激动剂MTII 可扭转Ay大鼠 VMH BDNF mRNA表达的下降，同时BDNF表达的升高可抑制高脂喂养的MC4R信号缺失Ay刺豚鼠食欲和体重增长。在体外，MC4R激动剂MK1可刺激BDNF从离体的下丘脑中释放；体内外周注射MK1可降低大鼠的能量摄入，并可升高血压、心率和体温，但这种作用可被第三脑室注射anti-BDNF抗体所阻抑；侧脑室注射BDNF可产生与MK1同样的作用效果；MC4R的激活会激活下丘脑BDNF的表达，而且BDNF在下丘脑的释放是MC4R调节能量摄入、体温和心血管功能的先决条件[19]。研究结果表明，BDNF是MC4R信号途径下游调节能量平衡的关键信号蛋白。
背侧迷走神经复合体（DVC）是中枢神经系统中另一个能量代谢控制中心，MC4R在DVC中丰富表达，胆囊收缩素（CCK）可作用于DVC的POMC神经元合成释放POMC，POMC裂解成a-MSH，a-MSH通过与MC4R结合来发挥厌食欲作用。CCK-介导的摄食下降伴随有DVC中BDNF表达升高，BDNF在DVC的表达具有减少机体能量摄入的作用[20]。廋素和CCK在降低能量摄入方面具有协同效应，外周CCK治疗可提高脑室注射廋素减体重的幅度和体重减轻后的保持时间[21]。急性的外周廋素、CCK干预均可引起BDNF在DVC区的表达增加 [20]，说明BDNF协同参与了CCK和廋素的降体重效应。
2.2.2BDNF参与VMH内类固醇受体-1调节能量代谢
VMH也是BDNF影响能量平衡的重要核团，上调VMH中BDNF表达可抑制食欲，减少能量摄入[22]。Wang 等[23]将0.5 μg BDNF 注入雄性SD大鼠VMH后，BDNF可以显著降低动物食物和水的摄入，抑制体重增长；注射BDNF 9 h后，大鼠自主体力活动（SPA）和能量消耗（EE）提高，机体产热和静息代谢率（RMR）增加。VMH中类固醇受体-1（SF-1）神经元在控制体重中起着重要的作用[24]。SF-1基因的突变和缺失，将导致一系列内分泌系统的代谢紊乱，最终导致糖尿病、肥胖和高血压等一系列代谢综合征的症候群。VMH中BDNF的表达是SF-1影响能量代谢下游信号通路中的关键因子，SF-1的缺乏会导致VMH中BDNF水平下降，从而导致肥胖[25]。此外，下丘脑室旁核（PVN） 中BDNF注射也可以通过提高静息代谢率（RMR）来提高能量消耗（EE）[26]。
3BDNF外周干预与糖脂代谢
多项研究证明，BDNF对机体糖代谢平衡也起着重要的作用。重复的BDNF皮下注射治疗可以降低db/db小鼠食物摄入、尿糖的排泄[27]和恢复高血糖至正常水平，为了排除BDNF引起的摄食减少对血糖的影响，BDNF治疗组和对照组的摄食量严格校准一致后，BDNF仍具有显著的降血糖作用，说明BDNF的降血糖作用并不是由于摄食减少引起的[28]。在链脲菌素诱导的1型糖尿病小鼠，BDNF的降血糖作用并不明显，但可提高机体对胰岛素的敏感性，提高胰岛素降血糖的效能[29]。BDNF皮下注射可提高db/db小鼠横膈膜、心脏、腓肠肌、比目鱼肌和肩胛间棕色脂肪组织对[14C]2-DG（脱氧葡萄糖）的摄取，表明BDNF可以通过提高肌肉和脂肪组织的葡萄糖利用而改善糖代谢[30]。PI3K-Akt信号通路是胰岛素的主要下游分子通路，BDNF外周干预可以提高db/db小鼠肝脏、骨骼肌和棕色脂肪组织PI3K的活化，说明BDNF可通过调节胰岛素信号应答来改善机体胰岛素抵抗和提高血糖的摄取[31]。ICR小鼠皮下注射BDNF（20mg/kg/day）14 d可显著降低摄食和体重，并可提高腓肠肌GLUT4蛋白的表达，从而提高肌肉对葡萄糖的吸收和利用[32]。此外，研究发现BDNF干预还具有阻止胰腺β-细胞功能衰竭[33]、抑制胰岛α-细胞胰高血糖素分泌的作用[34]。
4运动对机体BDNF表达的影响及改善能量代谢的机制
运动能量代谢活动具有长期和短期的共同作用。BDNF 水平也受运动的影响；但运动对机体中枢神经系统、骨骼肌，以及血液等不同组织的BDNF 水平变化不同，这对组织细胞的生长发育和能量代谢活动有促进作用。
4.1运动提高脑BDNF水平
运动可以增加脑中BDNF基因的表达，提高机体认知功能和改善情绪。多项研究[35]表明运动可以提高大鼠脑中海马BDNF mRNA及其蛋白的表达，促进神经元的生长、分化和可塑性，从而改善学习记忆和促进脑健康。cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）是一种真核生物细胞核内调控因子，在神经元再生、突触形成及学习记忆等方面具有重要的调节作用；神经细胞可以通过依赖于CREB的机制诱导BDNF的表达。研究[36]表明，运动可以通过提高CREB的磷酸化调节脑中BDNF的基因转录来调控BDNF基因的表达。BDNF可以作用于中脑边缘多巴胺系统参与机体的能量摄入[37]，跑步运动可通过活化BDNF-Trk B信号转导通路对抗炎症所诱导的黑质体多巴胺神经元的退化[38]，从而调节躯体运动和能量代谢。
4.2运动与血液BDNF水平
研究[39]发现，血清和血浆中均可检测到BDNF，血清中BDNF的浓度是血浆的100倍，血液循环中的BDNF大部分储存于血小板中，血管内皮细胞、T细胞、B细胞和白细胞等也有BDNF的表达。BDNF可以穿越血脑屏障，运动可以增加BDNF从脑中释放[40-41]；但大部分研究认为血清/血液BDNF水平上升具有强度依赖性，高强度运动可以瞬时提高血清/血液BDNF水平[42]，而中低强度运动对血液BDNF水平无影响或影响不大[43]。但也有相反报道[44]，运动所引起的血清/血浆BDNF浓度上升与改善情绪[45]、提高学习记忆、保护心血管功能[46]和改善胰岛素抵抗有关[47]。
4.3运动可提高骨骼肌BDNF表达
Avila等[48]实验表明，BDNF mRNA可在小鼠骨骼肌内表达。肌肉收缩也可增加骨骼肌内BDNF mRNA及其蛋白的表达[49]。为了排除BDNF来源于其他非肌细胞的可能性，如肌肉内的神经元，Matthews等[50]研究采用了肌细胞培养的方法来研究肌细胞内BDNF的表达。与在体研究结果一致，电刺激骨骼肌细胞可以增加BDNF mRNA及其蛋白的表达，电刺激骨骼肌细胞所产生的BDNF并不释放到细胞培养液中。为了验证体内骨骼肌所产生的BDNF是否释放到血液循环中，Matthews等运用体电穿孔技术（Electroporation Technique）使小鼠骨骼肌瞬时产生过量的BDNF，和对照组相比，血浆BDNF的水平没有上升，进一步证明骨骼肌所产生的BDNF并不释放到血液循环中，只在局部发挥作用。肌细胞培养研究显示，肌细胞AMPK和乙酰辅酶A羧化酶-β（ACCβ）的磷酸化与加入BDNF呈剂量依赖性，AMPK抑制剂可以抑制ACCβ的磷酸化。电刺激可使骨骼肌细胞BDNF的产生增加，Trk B的磷酸化增加，同时伴随脂肪代谢重要酶ACCβ的磷酸化显著增加。这些证据表明BDNF作为骨骼肌收缩诱导蛋白，它是通过激活AMPK信号途径而增加骨骼肌中脂肪的氧化，从而增加机体能量的消耗，如图1、图2所示。