氨基酸調節基因表達的研究進展

李 貌，孫佳靜，李帥東，黃榮焱

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644000）

1 氨基酸限制調節基因表達的機制

氨基酸限制可以從調節“DNA 到RNA 到蛋白質”中的很多步驟來實施，包括染色體的結構、轉錄因子的組裝、聚合酶的起始、延伸、mRNA的連接、mRNA的輸出、mRNA的翻譯和周轉等環節［1］。真核DNA 和組蛋白組裝成染色體以及轉錄之前，染色體必須調整其結構釋放出更多的染色體來作為轉錄的模板。氨基酸可以作為一種營養信號來調節基因轉錄。雖然某些氨基酸的限制會刺激下游基因的轉錄，但其他氨基酸的缺乏會對mRNA的合成產生負面影響［2］。氨基酸限制可通過影響mRNA 的輸出以及穩定性來增加mRNA 的轉錄水平，同樣氨基酸也可通過調控和翻譯起始因子eIF2B 的活性、翻譯抑制因子4EBP1 的磷酸化和S6 激酶的磷酸化來調節蛋白質的翻譯，氨基酸限制不僅直接快速地抑制大多數蛋白質的合成，同時還具有降低合成蛋白質的潛在能力。

1.1 氨基酸限制調節基因表達的途徑 氨基酸限制調節基因表達已在酵母中進行了廣泛的研究，其調節途徑有兩種：

1.1.1 特異性調節途徑 許多操縱子受到相應酶的特異氨基酸終產物的調控［3］。

1.1.2 一般性調控途徑 任一氨基酸限制可同步誘導多種基因的表達。當存在氨基酸限制時，未負載tRNA 的積累可刺激蛋白激酶GCN2 的活化和GCN2 磷酸化eIF2（真核生物翻譯起始因子2）的α亞基，從而增加轉錄因子GCN4 mRNA的翻譯，進一步誘導30 多種基因的表達，這是由GCN4 mRNA 的5′端非編碼區的特殊結構決定的。

1.2 真核生物mRNA翻譯的起始階段 真核生物mRNA 翻譯起始階段是一個復雜且多步驟的過程，需要很多的eIF（真核生物翻譯起始因子）參與［4］。翻譯起始的第一步是起始Met-tRNAi與結合有一分子GTP的eIF2結合，形成一個三元復合物，然后它們結合到40S 核糖體亞基上，形成43S 的前起始復合物。在接下來的步驟當中，結合在eIF2 上的GTP 被水解為GDP，然后以eIF2-GDP 二元復合物的形式從核糖體中釋放出來。eIF2又投入到下一輪的起始作用，而結合在其上的GDP 必須被GTP 交換。這個鳥苷酸的交換是由另一個起始因子eIF2B 催化進行的，這是翻譯起始的第一個調節點。有兩個不同的機制可調節eIF2B的活性，即eIF2Bε亞基的磷酸化和eIF2α亞基的磷酸化。eIF2α亞基的磷酸化使其從一個底物轉變為eIF2B 的競爭性抑制劑，從而有效地掩蔽eIF2B 的活性，而eIF2Bε亞基的磷酸化可以促進eIF2B的活性。

1.3 真核生物mRNA翻譯起始的調控步驟 mRNA翻譯起始的另外一個調控步驟則是mRNA 結合到40S 核糖體上，而這一步是由eIF4F 復合物介導。組成eIF4F 復合體的蛋白質有以下三種：①eIF4 是一種RNA 解螺旋酶；②eIF4E 是一種結合蛋白，可結合到mRNA 的5′端TGTP 帽子上；③eIF4G 是一種支架蛋白，它不僅與結合在40S 亞基上的eIF3 結合，而且與eIF4A 和eIF4E 結合。這樣通過eIF4F-mRNA 復合體與eIF3-40S 復合體結合，mRNA 就結合到40S 核糖體亞基上。當eIF4E 結合到eIF4G 上后形成了有活性的eIF4F復合體，此步驟受到eIF4E 與eIF4E 結合蛋白（4E-BP1）可逆結合的調控［5］。4E-BP1 和eIF4G的結合是相互排斥的，eIF4E 與4E-BP1 的結合阻止其與eIF4G 結合，從而阻止活性eIF4F 復合物的組裝。而4E-BP1 與eIF4E 的結合則受到4E-BP1磷酸化的調節，但4E-BP1的高磷酸化形式不與eIF4E 結合，而低磷酸化形式卻與eIF4E結合［6］。

1.4 哺乳動物中氨基酸的mTOR 信號轉導途徑 mTOR 由mTORC1 和mTORC2 組成，是一種在代謝、生長和疾病中起中心作用的蛋白激酶［7］。在哺乳動物中，氨基酸可通過mTOR 信號轉導途徑來調節mRNA 的翻譯，進而促進或抑制蛋白質的合成。足夠水平的細胞氨基酸可以導致mTOR細胞信號通路的激活，充足的氨基酸可以通過mTOR信號轉導途徑促進4E-BP1的磷酸化，釋放更多eIF4E 與eIF4G 形成eIF4F 復合體參與蛋白質的翻譯，也可以促進S6 的磷酸化促進蛋白質的翻譯。氨基酸缺乏時，未負載tRNA 的積累刺激蛋白激酶GCN2 的活化，GCN2 磷酸化eIF2 的α亞基，eIF2α亞基的磷酸化會對eIF2B 的活性產生抑制作用，從而抑制eIF2GTP 的合成，使蛋白質的合成效率降低。此外，足夠的氨基酸可直接促進eIF2Bε亞基的磷酸化，進而促進eIF2B 的活性。

2 氨基酸調節的靶基因

作為多功能分子，氨基酸可以調節很多基因的表達，但整個表達譜依然不知道。添加色氨酸時，可以促進膠原蛋白酶和金屬蛋白酶的組織抑制劑的表達。有趣的是，當血液中氨基酸濃度高或缺乏的時候，精氨基琥珀酸合成酶和鳥氨酸脫羧酶基因的表達水平都升高。關于從分子水平上研究氨基酸限制對基因轉錄的調節機制，目前絕大多數研究仍主要集中在氨基酸限制對CHOP、ASNS、ATF4 和氨基酸轉運載體基因的轉錄調控上。

2.1 氨基酸限制調控CHOP 基因轉錄 CHOP基因廣泛存在于動物機體的各種組織和器官中，但其基礎表達水平很低，CHOP 基因編碼的是一個小核蛋白，是轉錄因子C∕EBP 家族成員之一，C∕EBP家族成員與能量代謝、細胞分裂分化和細胞特異基因表達的調節有關。CHOP基因的啟動子序列中有一個氨基酸應答元件（AARE），主要負責在氨基酸限制發生時誘導CHOP 表達［8］。為精確定位AARE序列中參與調控核心啟動子活性的核苷酸，對AARE 序列進行突變分析，發現AARE序列中使核心啟動子對氨基酸缺乏產生應答的最小核心序列位于-310 至-302 核苷酸區（5′-ATTGCATCA-3′）。

2.2 氨基酸限制調控ASNS 基因轉錄 ASNS 可在大多數哺乳動物細胞里表達，它能催化由天冬氨酸和谷氨酰胺合成天門冬酰胺（Asn）的反應。與CHOP 啟動子相似的是ASNS 的啟動子序列中也包含2個養分敏感應答元件，分別為NSRE1和NSRE2［9］。Siu F 等［10］研究發現C∕EBPβ和ATF4都能與NSRE1序列結合形成復合物，并且它們是同時結合到NSRE1 序列上的。當去掉氨基酸和葡萄糖后，含C∕EBPβ和ATF4 復合物的數量增加。此外，在HepG2 細胞中，C∕EBPβ激活異構體的表達和ATF4 的過度表達都可以顯著增加ASNS 基因的基礎轉錄水平，同時養分限制誘導的轉錄也進一步增強。而C∕EBPβ負抑制結構體和ATF4 負突變體的表達都抑制ASNS 的基礎轉錄水平，并且完全阻止養分限制誘導的基因轉錄。

CHOP 的AARE 的最小核心序列和ASNS 的NSRE1 序列只有兩個核苷酸不同，但氨基酸限制誘導CHOP 和ASNS 基因轉錄的分子機制卻存在一些差異，主要是：①CHOP AARE 的功能在一定程度上是獨立的，而ASNS NSRE1本身的功能很弱，需要有NSRE2 的存在；②AAR 和ERSR途徑激活后誘導CHOP 基因轉錄所需要的順式作用元件被幾百個核苷酸隔開，而AAR 和ERSR 途徑激活后誘導ASNS 基因轉錄都需要NSRE1 和NSRE2，且NSRE1 和NSRE2 間僅被11個核苷酸隔開［11］；③雖然AARE 序列和NSRE1序列相似，但與它們結合的轉錄因子卻存在著差異。C∕EBPβ和ATF2都能與CHOP AARE序列結合，但只有ATF2是氨基酸限制激活CHOP基因轉錄所必須的。相反，有研究發現ATF2 并沒有結合到ASNS NSRE1序列上［12］。

2.3 氨基酸限制調控ATF4 基因轉錄 ATF4 也被稱為CREB2 或C∕ATF，是cAMP 反應元件結合（CREB）蛋白家族的成員，已被報道參與癌癥進展［13-14］。ATF4可以調節細胞的氧化還原反應、細胞的抗應激反應和氨基酸代謝。研究表明，支鏈氨基酸（如亮氨酸和異亮氨酸）的代謝與動物機體多種腫瘤相關。通過細胞實驗也發現激活支鏈氨基酸的降解限速步驟可以有效抑制肺癌細胞的快速增殖。在缺氧的情況下，腫瘤細胞中ATF4 的表達量上升，這可能與腫瘤細胞適應缺氧環境有關［15］。在小鼠中ATF4被視為一種新的軟骨細胞∕hh 信號轉錄調節因子，ATF4 通過控制生長板軟骨細胞的增殖分化來引導縱骨的生長［16］。在豬骨骼細胞中，在氨基酸缺失的情況下，氨基酸轉運載體SLC38A9 啟動子片段中ATF4 與氨基酸響應元件結合因子的結合增加了SLC38A9的表達；加入亮氨酸后，ATF4被激活，導致SLC38A9表達增加［17］。最近的研究表明，ATF4在機體肥胖、能量代謝和糖代謝等方面都具有重要的調節作用。ATF 基因家族是廣泛存在于真核生物中的一類基礎轉錄因子，而ATF4 則是其中的重要成員之一，過去的研究表明氨基酸缺乏可觸發ATF4 下游一系列基因的轉錄，參與氨基酸轉運、氧化應激和能量代謝。研究發現ATF4在調節肥胖能量代謝和糖代謝等方面均具有重要作用，尤其是ATF4敲除后的轉基因小鼠，在個體水平上表明ATF4基因與能量代謝和脂肪代謝都有著密切的聯系［18］。

3 氨基酸調節基因表達的研究展望

研究氨基酸調節基因表達的分子機制將有助于更好地了解體內細胞的代謝調控，已經成為近年來的一個新領域。但是，還有許多問題尚需要進一步研究探索。

3.1 目前，氨基酸調節基因表達的研究僅限于幾個特定的基因，氨基酸調控基因表達的全基因表達譜還沒有建立，但隨著DNA微陣列或基因芯片技術的發展，這個問題將會得到解決。

3.2 氨基酸限制誘導CHOP 基因表達的生理意義，即CHOP下游效應物還需要進一步研究。

3.3 ASNS 的NSRE2 可能在應答內質網應激的過程中起著關鍵性的作用，但是NSRE2 與ERSE共有序列不相似，因此NSRE2發揮轉錄活性所需要的核心核苷酸序列以及與其結合的轉錄因子也值得進一步研究鑒定。

3.4 盡管哺乳動物的氨基酸調節基因表達的機制很相似，但多數僅涉及人和老鼠，很少涉及家畜，因此今后需要在豬和禽等動物中進行更多的研究。

3.5 由于氨基酸調節基因轉錄和翻譯起始的信號傳導途徑依然不清晰，今后將作進一步研究。3.6 氨基酸對基因表達的調節，在豬的飼養上有何種現實意義，還有待研究。例如，通過基因表達的情況來判定豬日糧氨基酸是否平衡或充足等尚需進一步研究。■