調控脂質代謝的轉錄因子研究進展

李欣慧，趙 飛，施雪卿，徐倩茹，周寶進，吳若菲，林弘舉(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

脂質由飲食攝入，并能在肝臟、脂肪和腸等許多組織中儲存，其在保持能量平衡、控制食物攝入、調節生長、生殖和維持機體健康方面發揮重要作用.脂質代謝過程及其調控機制形成的復雜調控網絡對維持機體代謝平衡至關重要.食物中的脂肪經攝食進入小腸內后由脂肪消化酶和膽汁酸鹽水解為甘油和脂肪酸，中、短鏈脂肪酸被小腸吸收后直接進入血液，長鏈脂肪酸會再次生成甘油三酯然后結合載脂蛋白形成乳糜微粒釋放到血液中，脂質吸收后在體內涉及甘油三酯、膽固醇、磷脂、血漿脂蛋白四類物質的代謝，代謝過程分為合成代謝和分解代謝.脂肪在肝臟、小腸和脂肪組織中合成，涉及的酶主要有脂肪酸合成酶(FAS)、乙酰輔酶A羧化酶(ACC)、甘油二酯酰基轉移酶和溶血性磷酸酰基轉移酶，合成后與載脂蛋白結合成極低密度脂蛋白進入血液，然后運送到脂肪組織進行儲存或者在激素敏感性甘油三酯脂肪酶和單酰甘油酯酶或脂蛋白脂肪酶(LPL)作用下，將脂肪分解為脂肪酸最后進入肝臟進行β-氧化(脂肪酸分解的核心過程)產生能量.脂質代謝過程受多種轉錄因子的調控[1]，這些轉錄因子會單獨或與其他轉錄因子一起促進或抑制與脂質合成和分解相關基因的轉錄.目前研究較多的轉錄因子有過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)、CCAAT增強子結合蛋白(C/EBP)、固醇調節元件結合蛋白(SREBP)、肝X受體(LXRs)和碳水化合物反應元件結合蛋白(ChREBP)等，本文將詳細介紹以上幾種以及其他轉錄因子對脂質代謝的調控機制.

1 PPARs

脂質代謝的調控網絡中，PPARs是研究最多的一類轉錄因子.PPARs蛋白結構包含A—F 6個區，可劃分為4個功能域：A/B區為配體依賴的轉錄激活域；C區為DNA結合域，具有高度保守性，可以結合過氧化物酶體增殖物反應元件PPRE，調節目的基因的轉錄；D區為鉸鏈區，主要功能為連接DNA結合域和配體結合域；E/F區為配體結合域，是結合配體的部位.PPARs是一類配體依賴型轉錄因子，天然配體多為不飽和脂肪酸及其衍生物(如亞油酸、花生四烯酸)、前列腺素PGJ2等[2]，當其被配體激活后與視黃醇類X受體/維甲酸X受體(RXR)形成異源二聚體，釋放共抑制蛋白并結合輔激活蛋白，然后二聚體由細胞質轉入細胞核，并結合PPAR反應性DNA調控元件PPRE，在其他轉錄激活因子的配合下控制與脂肪細胞分化和脂肪酸氧化有關基因的表達[2-4](圖1).PPARs分為三種亞型：PPARα，PPARβ/δ和PPARγ.PPARα在肝臟、肌肉、腎臟和心臟等組織中高度表達[5]，誘導涉及脂肪酸分解代謝和生酮作用的各種基因的表達[6-7]：PPARα促進脂肪酸轉運蛋白、脂肪酸氧化限速酶肉堿乙酰轉移酶、乙酰輔酶A合成酶的表達，從而催化脂肪酸活化，加速脂肪酸分解[4,8-10]；降低載脂蛋白C-Ⅲ的表達，從而增加LPL的合成[5,9]，催化脂蛋白中的甘油三酯分解成游離脂肪酸，降低甘油三酯的含量[1,8,11-12]；增加載脂蛋白A-I(ApoA-I)和載脂蛋白A-Ⅱ的表達，促進高密度脂蛋白的合成，從而促進高密度脂蛋白膽固醇的成熟和代謝[2,8-9]；誘導肝X受體α(LXRα)的表達，從而刺激ATP結合盒轉運體A1的表達，促進膽固醇流向ApoA-I[9].PPARγ主要在腸和脂肪組織中表達[5]，促進前脂肪細胞的分化并調節脂質的生物合成和儲存[13-14]：PPARγ能夠激活脂肪型脂肪酸結合蛋白和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的表達，促進脂肪細胞分化[8,15-18]；激活葡萄糖轉運蛋白，促進乳糜微粒和極低密度脂蛋白中甘油三酯的分解[9,17]；激活脂肪酸轉運蛋白、脂肪酸轉位酶、LPL和乙酰輔酶A合成酶，促進脂肪細胞攝取脂肪酸，最終影響脂肪細胞中甘油三酯的合成[8,10-11,17,19]；此外，PPARγ還能抑制炎癥反應基因，如白細胞介素-2、白細胞介素-6、白細胞介素-8、腫瘤壞死因子和金屬蛋白酶等.相對于PPARα和PPARγ來說，PPARβ/δ的研究較少，但也有研究表明它也具有調控脂質代謝的作用[1,20]：促進脂肪酸氧化、脂蛋白代謝、葡萄糖利用和抗炎作用等.

圖1 PPARs在脂質代謝中的調控作用FATP—脂肪酸轉運蛋白；CAT—脂肪酸氧化限速酶肉堿乙酰轉移酶；ACS—乙酰輔酶A合成酶；FA—脂肪酸；TG—甘油三酯；ApoC-Ⅲ—載脂蛋白C-Ⅲ；ApoA-Ⅱ—載脂蛋白A-Ⅱ；HDL—高密度脂蛋白；ABCA1—ATP結合盒轉運體A1；aP2—脂肪型脂肪酸結合蛋白；PEPCK—磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶；GLUT4—葡萄糖轉運蛋白；CM—乳糜微粒；VLDL—極低密度脂蛋白；FAT/CD36—脂肪酸轉位酶；IL-2/6/8—白細胞介素-2/6/8；TNF-α—腫瘤壞死因子

2 C/EBP

C/EBP是堿性亮氨酸拉鏈蛋白家族的一個亞家族，C/EBP蛋白結構分為三個功能域：轉錄激活域，對于蛋白質-蛋白質的相互作用十分重要，可直接或間接啟動轉錄功能；DNA 結合域；亮氨酸拉鏈域，可與其他蛋白形成二聚體，二聚體的形成是其結合DNA的先決條件.目前已經發現了六類亞型：C/EBPα，C/EBPβ，C/EBPγ，C/EBPδ，C/EBPε和C/EBPζ[21]，其中主要是C/EBPα和C/EBPβ參與脂質代謝過程.C/EBPα在肝臟中高表達，C/EBPβ在脂肪組織、肝臟、腎臟、小腸等中高表達[21].C/EBPβ，C/EBPα和PPARγ在脂肪形成過程中參與級聯反應：C/EBPβ激活C/EBPα和PPARγ的轉錄，激活后C/EBPα產生自身誘導作用，誘導許多脂肪細胞基因的表達[22]，如硬脂酰輔酶A去飽和酶1(SCD1)、脂肪酸結合蛋白、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶等，還可以促進PPARγ高表達[21-22]，從而促進脂肪細胞分化，在脂肪組織發育中發揮重要作用；C/EBPβ激活PPARγ因子可介導脂質生成，影響全身脂肪含量[1]，還可以通過激活二脂酰甘油酰基轉移酶2促進脂肪生成[23](表1).

3 SREBP

SREBP是脂質代謝的主要參與者，控制著對脂質合成和攝取重要基因的表達[24].SREBP前體蛋白有三個結構域：第一個結構域是堿性螺旋-環-螺旋-亮氨酸拉鏈區，負責蛋白質二聚體的形成和DNA的結合；第二個結構域包含兩個疏水的跨膜片段；第三個結構域是羧基末端片段，通過與SREBP剪切激活蛋白(SCAP)的相互作用，發揮重要的調節功能.SREBP有三種亞型：SREBP-1a，SREBP-1c和SREBP-2.SREBP-1(SREBP-1a和SREBP-1c)在肝臟、腎上腺中高表達，主要調節脂肪酸和脂質的合成[25-28]：SREBP-1可以調節FAS，ACC，SCD1和甘油三磷酸酰基轉移酶[29-30]，以促進脂肪酸的生物合成和低密度脂蛋白受體的表達[26]；SREBP-1c還可以調節脂肪細胞分化相關的酶，并且在脂肪細胞分化以及形成過程中會與C/EBPβ，PPARγ共同作用[1,31-32].SREBP-2廣泛表達，主要調節膽固醇代謝，激活膽固醇生物合成途徑中的多個基因的表達[28]，如3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶、角鯊烯合成酶等[25,33](表1).此外，SREBPs還與包括炎癥、自噬和細胞凋亡在內的致病過程有關，并以這種方式促成多種代謝紊亂的發生[34-35].在能量豐富的狀態下，與蛋白質合成相關的SREBP-1激活導致內質網應激；未折疊蛋白反應最初可恢復體內平衡，但長期的內質網應激可導致SREBP-1c進一步激活，從而加重脂肪變性、細胞應激和炎癥[34]；最后，慢性炎癥增加了纖維化和癌癥的風險；脂肪變性-炎癥-脂肪毒性介導的纖維化是導致免疫代謝紊亂的器官病理學的最終常見途徑，嚴重的細胞應激通過終末未折疊蛋白反應誘導細胞凋亡[35].在能量耗盡狀態下，脂滴中的脂質通過脂肪吞噬作用被降解以恢復能量水平；SREBP-2可能參與巨噬細胞的吞噬和自噬，它介導的自噬相關基因的調節可能是自噬與膽固醇代謝之間的一種聯系；而SREBP-1a可能參與巨噬細胞的固有免疫反應，因為SREBP-1a可以直接激活巨噬細胞NLRP基因和caspase-1，介導IL-1β的分泌.

4 LXRs

LXRs(LXRα，LXRβ)也屬于核受體超家族，LXR由四個結構域組成：N末端配體非依賴性激活功能結構域；包含兩個鋅指蛋白的DNA結合結構域；配體結合和受體二聚化所需的疏水配體結合結構域；C末端配體依賴性反式激活序列，激活對配體結合反應的轉錄.LXR與RXR形成異源二聚體，在配體結合時激活靶基因的表達[36]，天然配體為氧化膽固醇衍生物(氧甾醇).LXRα在具有高代謝活性的組織中大量表達，包括肝臟、脂肪和巨噬細胞，而LXRβ廣泛表達，但表達水平較低[37].LXR主要調控膽固醇代謝：可以激活SREBP-1c，FAS，ACC和SCD1的表達，促進脂肪酸和肝臟中脂肪的生成[9]；激活LPL、膽固醇酯轉移蛋白、磷脂轉移蛋白、載脂蛋白C-Ⅰ/Ⅲ/Ⅳ，促進脂蛋白分泌和代謝；激活ATP結合盒轉運體A1，促進膽固醇從細胞轉運到ApoA-I[9]；激活ATP結合盒轉運體G1，G4，促進膽固醇轉運到高密度脂蛋白膽固醇[9]；激活膽固醇7α-羥化酶、ATP結合盒轉運體G5，G8，促進膽固醇從體內排出[9]；還能刺激肝臟中ChREBP的表達，增加脂質合成基因的轉錄[25,38]；可以通過Wnt/β-連環蛋白抑制脂肪細胞分化[38](表1).

5 ChREBP

ChREBP是一種被高糖激活的轉錄因子，在糖酵解和脂肪生成中起著關鍵作用.ChREBP蛋白主要包括N端的核定位信號肽、C端的DNA結合域、富含脯氨酸的結構域以及及亮氨酸鋅指結構域.它也是一種堿性亮氨酸拉鏈蛋白轉錄因子，與Max樣蛋白X形成異二聚體.ChREBP在肝臟、小腸、腎臟、脂肪和肌肉等組織中呈現高表達狀態[39].ChREBP主要參與糖代謝和脂質生成相關酶基因的調控：通過L型丙酮酸激酶、葡萄糖6磷酸酶催化亞基調控糖異生，通過FAS，ACC，SCD1等酶調控脂質的合成[40](表1).此外，ChREBP還會促進葡萄糖向脂質轉化.最近的一項研究表明，ChREBP可以通過感應脂肪細胞中的葡萄糖通量來調節脂肪的生成，而脂肪組織中的ChREBP水平與人體中的葡萄糖耐量和胰島素敏感性密切相關.

表1 C/EBP，SREBP，LXR，ChREBP對脂質代謝的調控作用

6 其他轉錄因子

除了以上5種研究較多的轉錄因子外，GATA2，GATA3，哺乳動物肝細胞核因子(Fox)、哺乳動物激活轉錄因子4，5(ATF4，ATF5)、法尼醇X受體(FXR)和Nur77(NR4A1)的研究較少，以下將具體介紹這幾種轉錄因子對脂質代謝的調控作用.

6.1 GATA2和GATA3

GATA2和GATA3屬鋅指蛋白家族，它們是前脂肪細胞基因，在哺乳動物中發揮重要作用，控制著前脂肪細胞向脂肪細胞的轉化.研究發現，GATA2和GATA3兩種轉錄因子主要通過抑制PPARγ基因表達、與C/EBPα和C/EBPβ相互作用這兩條途徑來負向調控脂肪細胞分化[41].

6.2 Fox

叉框頭蛋白家族(Fox)是一類廣泛存在的轉錄因子，與脂質代謝相關的主要包含FoxA和FoxO亞家族.在前脂肪細胞中，FoxA-2通過激活前脂肪細胞因子1基因的轉錄抑制脂肪細胞分化；在分化的脂肪細胞中，FoxA-2的表達誘導了葡萄糖和脂肪代謝相關的基因表達，包括葡萄糖轉運蛋白-4、己糖激酶-2、肌丙酮酸激酶、激素敏感脂肪酶和解偶聯蛋白-2和-3[42].FoxO1通過下調PPAR-γ的表達減少脂肪生成；FoxO1是調節前脂肪細胞分化的關鍵因子，它會抑制脂肪細胞分化；可以通過不同的途徑促進脂質分解；負向調節SREBP-1的表達，導致脂肪沉積減少[43].FoxO1通過促進脂肪分解和調節脂肪細胞分化兩個主要機制調節脂質代謝，最終導致脂質積累減少，這在預防脂質相關疾病中至關重要[43].而FoxO1過量表達會增強SREBP-1，FAS，ACC的表達，降低PPARα，ACOX1的表達，從而增加甘油三酯的合成和脂肪酸的氧化，導致脂質積累[44].目前也有研究表明FoxO1是治療肥胖癥、NAFLD和2型糖尿病的潛在靶點，但還需要進一步研究FoxO1與脂質相關疾病之間的關系[43].

6.3 ATF4，ATF5

ATF4是脂質代謝的關鍵調節因子[45]，參與脂肪生成和脂肪分解過程：利用基因敲除技術，WANG等發現ATF4可以負向調控小鼠中與脂質分解和β-氧化相關基因的表達，包括激素敏感脂肪酶、肉堿棕櫚酰轉移酶1和中鏈酰基輔酶A脫氫酶[45].在白色脂肪細胞[45]中，ATF4會下調SREBP-1c，FAS，SCD1等基因的表達，減少脂肪生成.ATF5在肝臟和脂肪組織中高度表達.ATF5不僅可以促進3T3-L1前脂肪細胞分化，而且ATF5在成熟脂肪細胞中也高表達，同樣利用基因敲除技術，發現ATF5可上調FAS，SCD1，肉堿棕櫚酰轉移酶1的表達，從而增加脂質的儲存[46].

6.4 FXR

FXR與PPAR，LXR類似，與RXR形成異源二聚體，與配體結合后來調節靶基因的表達，FXR的天然配體為膽汁酸.FXR主要在小腸、肝臟腎臟和腎上腺中高度表達，在心臟和脂肪組織中低水平表達.FXR在維持膽汁酸水平的控制方面起著至關重要的作用，膽汁酸有助于餐后脂肪和膽固醇的有效消化和吸收，而且膽汁酸的形成是膽固醇從體內排出的主要途徑，FXR誘導多種基因的表達，這些基因修飾膽汁酸以保護肝臟免受毒性.FXR可上調PPARα的表達，通過SHP途徑降低SREBP-1c的表達，從而減少甘油三酯的合成[37]；下調載脂蛋白C-Ⅲ，上調載脂蛋白C-Ⅱ、載脂蛋白A-Ⅴ，從而LPL的表達上升，促進低密度脂蛋白膽固醇和乳糜微粒的分解[47].因此，FXRs似乎通過多種機制降低甘油三酯水平，包括減少脂肪生成和促進甘油三酯和脂肪酸的攝取、分解代謝和氧化.孕烷X受體與FXR一樣同樣可以調節膽汁酸代謝以及從多種水平參與脂質代謝過程[48].

6.5 Nur77(NR4A1)

Nur77(NR4A1)又叫神經生長因子誘導基因I-B，也是核受體家族的成員，因為目前沒找到其內源性配體，所以稱之為核孤兒受體.Nur77可以減少甘油三酯的合成[47,49]：抑制SREBP-1c的表達，SREBP-1c的靶基因SCD1、線粒體甘油-3-磷酸酰基轉移酶、FAS和低密度脂蛋白受體的表達也降低；下調LXR及其靶基因ABCG5，ABCG8的表達；也可以抑制載脂蛋白B和載脂蛋白E的表達水平.在骨骼肌細胞中，利用基因敲除技術，發現Nur77會下調參與脂肪分解和能量消耗的幾個基因的表達，其中最重要的是葡萄糖轉運蛋白4、解偶聯蛋白2、解偶聯蛋白3、CD36和AMP激活蛋白激酶γ3[49].骨骼肌是脂肪和葡萄糖利用的重要組成部分，也是人體能量消耗的主要來源，所以Nur77沉默的骨骼肌細胞會減少脂質分解.Nur77在棕色脂肪細胞中的過度表達會誘導解偶聯蛋白1的表達，解偶聯蛋白1是一種重要的產熱蛋白，被認為在能量消耗中起作用[49].此外，Nur77還與細胞調亡和炎癥反應相關，有研究表明，它可以減少動脈粥樣硬化組織以及巨噬細胞中的脂質攝入，并減少炎癥反應[47](表2).

表2 其他轉錄因子對脂質代謝的調控作用

7 結束語

綜上所述，脂質代謝過程會受到多種轉錄因子的調控.在脂質代謝過程中，這些因素會相互影響，共同維持機體的代謝平衡.目前以轉錄因子為作用靶點的藥物已相繼被開發出來，廣泛用于肥胖、高脂血等脂質代謝疾病的治療，隨著對其他轉錄因子的深入研究，將來可能會開發出更多新型高效的藥物并應用于疾病的防治.