G0S2基因的相關研究進展

杜楠楠，汪引芳，張鵬，劉宗軍

（上海中醫藥大學附屬普陀醫院，上海）

0 引言

G0S2是Russell和Forsdyke于20世紀90年代初在體外培養的單核細胞中發現的，由于凝集素誘導的血液單核細胞由G0期向G1期轉化的過程中被發現短暫性表達增高而得名。G0S2只存在于脊椎動物中，在低等生物中沒有同源基因。在小鼠和人類中，G0S2都位于基因組的1號染色體上，編碼一個含103個氨基酸大小的小分子蛋白，包含一個跨膜區域，G0S2蛋白在物種間高度保守，小鼠與人的同源性達 78%。根據蛋白質的二級結構預測表明，GOS2蛋白包含兩個被疏水區隔開的α螺旋，該螺旋區可能會產生轉彎并呈現β折疊構象，此外，在G0S2序列中有幾個推測的蛋白激酶C和酪蛋白激酶II的磷酸化位點，但是沒有證據表明G0S2實際上是一個磷酸蛋白[1]。大量的細胞實驗研究證實，G0S2基因與許多高度保守的基因一樣有一個CPG豐富的島。G0S2啟動子區域包含AP1,AP2和AP3三個轉錄因子和活化T細胞核因子的潛在結合位點以及許多序列基序，可以響應視黃酸[2]（Retinoic acid，RA），過氧化物酶體增殖物激活受體[3,4]（Peroxidosome proliferators activate receptors，PPAR），葡萄糖[5]和胰島素[6]等在內的特定試劑誘導的轉錄激活。大量的研究結果表明，G0S2是涉及增殖，凋亡，炎癥，代謝和癌變等的多方面蛋白質。

1 G0S2作為脂質代謝的調節劑

在進食狀態下，脂肪組織中的G0S2蛋白表達增加，而肝臟中的蛋白表達減少，但是這些變化在隨后的進食中又被逆轉[7]。多個G0S2基因敲除和過表達的動物模型實驗已經闡明了G0S2基因在組織特異性脂解和整體能量穩態中的生理功能。

1.1 參與脂肪分解

小鼠胚胎的原位雜交分析是脂肪組織中G0S2基因高表達最早的證據[8]。在培養的人Simpson-Golabi-Behmel綜合征（SGBS）和小鼠3T3-L1前脂肪細胞系中，G0S2 mRNA和蛋白均出現脂肪生成依賴性的表達增加[9]。在人類成熟脂肪細胞中，皮下脂肪組織中的G0S2 mRNA表達量是相應基質血管部分表達量的7倍[10]。最近研究發現，G0S2是脂質代謝的重要調節分子，在HePG2人肝癌細胞中敲低G0S2基因，能夠減弱棕櫚酸處理的肝細胞中脂質積累，增強脂解作用[11]。G0S2是一個新的脂肪生成的調節劑，該基因在白色和棕色脂肪組織中表達水平較高，并在3T3-L1細胞中通過激素治療誘導。用siRNA敲除G0S2的表達會抑制脂肪細胞分化，而過表達G0S2會加速前脂肪細胞向成熟脂肪細胞的分化[9]。有研究發現G0S2基因敲除的雞腹部脂肪明顯減少，正常飲食條件下，與野生型雞相比，G0S2基因敲除的雞血液和腹部脂肪組織中脂肪酸的組成發生了明顯的變化[12]。

序列分析顯示，G0S2啟動子區域包含一個潛在的PPAR響應元件，PPARγ可增加脂肪生成中G0S2的表達，G0S2被證明是PPARγ的直接靶基因[3]。PPARγ是PPAR家族的脂肪組織中核受體轉錄因子和用作脂肪生成的主調節器的高表達構件[13,14]。當在人的HepG2肝癌細胞中共表達時，PPARγ會通過PPAR響應元件序列來刺激G0S2的啟動子活性，因此用PPARγ激動劑羅格列酮治療可顯著提高小鼠脂肪細胞中G0S2蛋白的表達[15]。亦有證據顯示用腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor alpha，TNF-α）處理3T3-L1前脂肪細胞，會顯著抑制PPARγ的表達，PPARγ的降解幾乎完全消除了與G0S2啟動子的結合,而同時TNF-α脂解作用會被過表達的G0S2和PPARγ部分逆轉[16]。另一項研究表明，敲除PPARγ或G0S2會誘導3T3-L1細胞在終末分化之前凋亡[9]。在脂肪形成過程中，PPARγ可以上調G0S2表達的這一事實表明，G0S2可能參與了PPARγ對脂肪組織的特異性調節。

除了受到PPARγ的激動作用以外，G0S2的表達變化還受到各種激素和營養水平的影響和調節。有報道指出，在小鼠體內注射G0S2腺病毒，小鼠體內的脂解水平明顯降低，血漿脂肪酸，三丙基甘油和胰島素水平下降，而葡萄糖和胰島素耐受性提高[17]。臨床研究表明，與正常人相比，高胰島素血癥性低血糖與高胰島素血癥性正常血糖的患者，皮下脂肪組織中G0S2的表達均高于正常人，表明在脂肪細胞中，G0S2的蛋白表達會被胰島素上調[18]。與此觀點一致的是，在脂肪組織中，胰島素戒斷會降低G0S2mRNA的表達水平[19]。禁食期間GOS2的表達水平較低，但在喂食以后脂肪組織中G0S2的表達水平明顯增高。一項研究指出，體內在高胰島素和/或腎上腺素存在的情況下，高皮質醇可以增加脂解作用，同時增加ATGL,激素敏感性脂肪酶（Hormone Sensitive Lipase，HSL）和比較基因鑒定-58（Comparative Gene Identification 58,CGI-58）的mRNA水平，并抑制G0S2的表達[20]。G0S2基因敲除小鼠體型偏瘦，對高脂飲食誘導的體重增加具有抵抗力，并且對葡萄糖具有耐受性且對胰島素敏感，結果表明G0S2是肥胖和能量代謝的生理調節劑，可能是治療肥胖癥和胰島素抵抗的潛在靶標[21]。

長期以來，人們認為HSL是哺乳動物細胞中主要的甘油三酯（Triglyceride，TG）水解酶。但是近些年的研究已經確定，脂肪分解的限速酶是ATGL，又被稱為PNPLA2[22-24]。ATGL負責催化脂肪分解的三個逐步反應序列中的第一步[25]。ATGL的N端部分包含一個預測的α/β水解酶折疊和一個類似的patatin-like結構域，ATGL的結合位點位于此結構域內，親核絲氨酸殘基位于patatinlike結構域中的第47位，是非常規催化二聚體的一部分，類似于人胞漿磷脂酶A2（Cytosolic Phospholipase A2,cPLA2）中的殘基。C末端區域中45個氨基酸的疏水性片段可靶向介導ATGL至含有TG的脂滴表面[26]。現已知道，ATGL的體內酶促作用不僅取決于其自身的脂肪酶活性，還取決于其脂滴定位及其與CGI-58的相互作用[27,28]。CGI-58和ATGL的突變已被鑒定為各種形式的中性脂質聚積病的致病因素，其特征是TG在各種非脂肪組織中沉積[29]。對ATGL基因敲除小鼠的表型評估擴展了我們對ATGL控制體內脂質和能量代謝作用的理解。ATGL基因敲除小鼠在脂肪組織中均表現出脂解受損，血漿中的脂肪酸利用率降低，從而導致總體葡萄糖利用和胰島素敏感性的代償性增加[30]。

Yang等人最早證實了G0S2對ATGL的抑制能力，研究發現G0S2在脂肪組織和分化的脂肪細胞中高度表達，在Hela細胞中過表達G0S2腺病毒時，G0S2蛋白分子能夠與脂滴表面的ATGL直接結合并抑制后者的生物學活性，從而降低脂肪細胞和脂肪組織中脂解速率[15]。誘變分析表明，G0S2的疏水域和ATGL的patatin-like結構域是相互作用的主要區域，從功能上來看，G0S2的過表達降低了脂肪細胞和脂肪組織的脂解作用。另一方面，內源性G0S2的敲低可增強成熟脂肪細胞的脂解作用[15,31]。總而言之，這些研究清楚地證明了G0S2是ATGL和ATGL催化的脂肪分解的獨特抑制劑。研究發現，G0S2能夠防止ATGL介導的脂滴的轉換，明確了G0S2與ATGL直接相互作用，即使在CGI-58共激活的條件下也能夠抑制ATGL的TG水解酶活性[32]。在小鼠心臟中特異性過表達G0S2基因，通過與ATGL的直接結合使心臟中的脂解水平降低，導致了嚴重的心臟脂肪變性[33]。

1.2 G0S2在肝臟中的調控

在進食的條件下，G0S2受PPARγ的調控在脂肪組織中的表達增高，而在禁食后，PPARα被激活，肝臟中G0S2的表達上調，敲除了PPARα的小鼠中G0S2的表達則是下降的，說明G0S2可能是PPARα的靶基因，然而，由于PPARα的過表達和PPARα激動劑Wy14643的處理未能刺激HepG2細胞中G0S2的啟動子活性[3]，因此我們推測PPARα不能直接激活G0S2的表達，而是間接的作用。最近的研究表明，小鼠中PPARα的化學拮抗作用對空腹誘導的肝G0S2表達沒有影響[34]。G0S2的啟動子內還包含碳水化合物反應元件（Carbohydrate Response Element,ChoRE），可直接響應葡萄糖的調節。研究發現增加大鼠原代肝細胞中葡萄糖的濃度時，GOS2啟動子活性也相應增加，啟動子內ChoRE序列的缺失則阻斷了對葡萄糖的任何反應。隨后的研究確定了G0S2是ChREBP/Mlx二聚體（一種調節葡萄糖反應性基因表達的雜合轉錄因子，并協調葡萄糖利用和能量儲存所需的一系列基因）的直接靶標[35]。

在G0S2基因敲除小鼠中觀察到的最明顯的變化之一是它們缺乏肝臟TG，并且對高脂飲食誘導的肝脂肪變性有抵抗力[7,21]。在正常的雜糧喂養的野生型小鼠中，肝臟中G0S2表達在禁食后6小時內達到峰值。肝臟中G0S2的敲低導致FA氧化基因表達的增加和酮的生成以及糖異生增加，糖原分解減少，以抵抗高脂飲食誘導的肝臟脂肪變性，相反，小鼠肝臟中G0S2的特異性過表達導致脂肪變性，并引起相反的作用，包括脂解速率的降低，FA氧化減少以及生酮作用的下降[7]。雄性Wistar大鼠肝臟中特異性G0S2過表達通過加劇高脂飲食誘導的肝脂肪變性而促進了肝胰島素抵抗[36]。

2 G0S2在肌肉和皮膚中的作用

盡管大部分的研究主要集中在脂肪組織和肝臟中G0S2的功能，但也有新的研究指出G0S2在調節橫紋肌中TG和FA代謝中的重要作用。研究發現，G0S2蛋白在小鼠比目魚肌中高表達，而在大鼠和人骨骼肌中G0S2表達與氧化能力和脂質含量呈正相關，G0S2的過表達會增加人原代肌管和小鼠骨骼肌中的TG含量并且以嚴格的ATGL依賴性方式控制脂解和FA氧化，而且敲低G0S2還可減少葡萄糖代謝并增強線粒體功能[37,38]。研究結果表明，在小公牛的背長肌中G0S2和CGI-58mRNA的表達水平明顯高于公牛背長肌，并且G0S2在肌肉脂肪中表達較高，而CGI-58在純肌肉部分表達較高，說明G0S2和CGI-58可能分別調節肌內脂肪和肌細胞內的TG[39]。

大皰性表皮松解癥（EpidermolysisBullosa，EB）是一種遺傳性皮膚疾病，其特征是在輕度損傷，熱或摩擦時皮膚會產生水皰，報道指出，從EB患者分離的皮膚細胞中G0S2表達增加，而細胞內釋放的FA和TG會受到限制，是否由于G0S2介導的脂解水平的抑制我們尚不清楚[40]。

3 G0S2在癌癥中的發展

有研究表明G0S2的表觀遺傳調控與致癌作用密切相關。據報道，G0S2基因在幾種人類癌細胞系以及皮膚，肺部和頭頸部的鱗狀細胞癌中均被甲基化[41-43]。Sézary綜合征（Sz）是皮膚歸巢的CD4（+）記憶T細胞的惡性腫瘤，臨床特征是紅皮病，淋巴結腫大和血液受累，與對照組相比，94-100%的Sz樣本中，CMTM2和G0S2的啟動子超甲基化[44]。人類乳腺癌細胞系MDA-MB-231具有高度侵襲性和侵略性,在MDA-MB-231上調的基因中，G0S2是表達最高的基因之一,使用siRNA敲除G0S2后導致MDA-MB-231細胞的增殖，遷移和侵襲減少，同時下調了β-catenin的表達，結果表明G0S2是促進細胞存活和MDAMB-231細胞轉移的主要因素[45]。有研究發現，抑制G0S2的表達可以抑制膠質瘤的侵襲，G0S2低表達組的生存期高于高表達組，在同一患者中，復發性腫瘤標本中的G0S2表達高于最初診斷時的表達，這些結果可能為治療神經膠質瘤提供一個新的表觀遺傳學靶點[46]。研究表明食管癌的發生與G0S2基因發生甲基化而低表達或沉默密切相關，且G0S2基因能夠抑制食管癌細胞增殖，促進食管癌細胞凋亡，從而為食管癌的早期診斷提供參考依據，為食管癌高效的臨床治療提供新的靶點和思路[47]。還有相關報道指出G0S2會抑制造血干細胞的增殖，使造血干細胞保持在靜止狀態[48]。

4 觀點與討論

GOS2作為ATGL抑制劑的抗脂解作用已經得到最充分的表征，被證明是脂質代謝和能量穩態獨特的調節劑，不僅參與脂肪組織中的脂解作用，還包括肝臟內TG的沉積，肌肉和皮膚中脂肪細胞的調節，以及參與腫瘤細胞的增殖和凋亡。但是在這些功能的背后，又有很多未解之謎，比如說G0S2具體是通過什么機制來調節ATGL的；G0S2在調節能量代謝、細胞生長和凋亡中，是否具有相關性；由G0S2介導的代謝調節是否是細胞決定增殖，分化或死亡的關鍵決定因素。闡明G0S2的脂解功能和調節機制不僅可以加強對脂解作用的理解，而且對于脂解產物所產生的其他生理病理過程的理解也很重要。