共调节因子与下游靶基因表达的关系

共调节因子与下游靶基因表达的关系

为了响应外部环境和内部信号的刺激，身体的不同代谢路径在不同的水平上都受到了控制。这种调控至少在一部分上是通过基因转录水平的调控而实现的。基因转录水平的调控是通过转录因子(transcriptionfactor)来执行的。近几年研究揭示了一种通过转录共调节因子(transcriptioncoregulator)实现的调控方式。转录共调节因子缺少与基因启动子区调控元件的DNA序列直接结合的结构域,不具备直接与调控元件结合的能力,而是通过与转录因子相互作用形成转录复合物进而实现对下游靶基因转录的调控。转录共调节因子分为共激活因子(coactivator)和共抑制因子(corepressor)两种。在哺乳动物中,转录共调节因子调节代谢途径的最好范例之一就是过氧化物酶体增殖激活受体γ共激活因子1α(peroxisomeproliferator-activatedreceptorgammacoactivator1alpha,PGC-1α)。1pgc-1组织及相关分子的结构PGC-1α,编码基因为PPARGC1A,最早是由哈佛医学院Spiegelman课题组在小鼠的棕色脂肪cDNA文库中作为过氧化物酶体增殖激活受体γ(peroxisomeproliferator-activatedreceptorgamma,PPARγ)的共激活因子发现的,随后人类和大鼠的该基因也相继成功克隆。牛的PPARGC1A基因是在2005年由Weikard等克隆得到的,定位在牛的6号染色体上,由13个外显子和12个内含子组成,编码796个氨基酸,牛PPARGC1AcDNA和氨基酸序列与大鼠、小鼠和人类的相似性在92%~95%之间,物种间保守性高。PGC-1α定位在细胞核,含有一个双向核定位信号,多肽N末端为转录激活域,C末端为RNA加工域,中间为抑制域。转录激活域中含有LXXLL基序,在PGC-1α与核激素受体相互作用时起重要作用;RNA加工域包含有一个RNA结合基序(RNA-bindingmotif,RMM)及2个富含丝氨酸及精氨酸残基的SR区域(serine-arginine-richdomain,SR),SR结构域和RNA识别基序共存于一个分子中,是PGC-1α的一个结构特点;抑制域含有3个保守的蛋白激酶A作用的磷酸化位点。PGC-1α在线粒体含量丰富和氧化代谢活跃的组织中高表达,如棕色脂肪组织、骨骼肌、心脏、肝脏、肾脏和大脑组织。PGC-1α也受不同信号的诱导,如寒冷刺激能够诱导PGC-1α在棕色脂肪组织和骨骼肌中上调表达;禁食可诱导PGC-1α在肝脏中的上调表达;运动可诱导PGC-1α在骨骼肌中的上调表达。2能量代谢过程PGC-la通过停靠不同的转录因子参与多种能量代谢过程,包括适应性产热、线粒体的生物合成、肌肉类型转换、肝脏糖异生和脂肪酸氧化等,对哺乳动物的能量动态平衡调控起到重要作用。2.1pgc-1表达棕色脂肪组织和骨骼肌是参与适应性产热的两个主要组织。棕色脂肪和骨骼肌中的适应性产热过程涉及到线粒体生物合成,脂肪酸氧化的增加及氧化磷酸化的解偶联。PPARγ是脂肪分化的重要调节因子,但是它本身却不能单独诱导棕色脂肪细胞的分化。PGC-1α结合并共激活PPARγ后可以刺激棕色脂肪细胞分化过程中基因的转录。在冷暴露的环境中,由于交感神经系统的β肾上腺素受体和cAMP途径的介导,PGC-1α的表达上调。上调表达的PGC-1α诱导核呼吸因子1和2(nuclearrespiratoryfactor1and2,NRF1&NRF2)的转录,进而导致线粒体转录因子A(mitochondrialtranscriptionfactorA,mtTFA)及其它由核基因组编码的线粒体电子传递链亚单位的表达,如ATP合成酶(ATPsynthase),细胞色素C(cytochromeC),及细胞色素C氧化酶IV(cytochromecoxidaseIV)。mtTFA进入线粒体后,刺激线粒体的生物合成,包括了线粒体DNA的复制和线粒体基因的表达。PGC-1α也与其它核激素受体相互作用,如PPARa、维甲酸受体(retinoicacidreceptor,RAR)和胸腺激素受体(thyroidreceptor,TR),以增强棕色脂肪特异的解耦连蛋白1(uncouplingprotein1,UCP1)的表达。UCP1的活化可降低质子梯度,并使氧化磷酸化解偶联,以增加产热,使能量代谢率显著增加。PGC-1α在适应性产热中的必要作用已被PGC-1α敲除小鼠模型所证明。2.2pgc-1相关的mrna的表达在肌肉组织特异过表达PGC-1α的小鼠模型中,跖肌中分别有20%和10%的IIb型肌纤维转变为IIa型和I型肌纤维,此外线粒体氧化代谢的一些基因也得到了活化。这种转变的肌肉纤维类型不仅有较红的肌肉颜色,并表达慢肌特定的收缩蛋白,如慢肌钙蛋白I和肌红蛋白;过表达PGC-1α的肌肉还可以增加对电刺激疲劳的抵抗性。此外,Mortensen等报道了在大鼠的原代骨骼肌细胞中过表达PGC-1α可导致与慢肌氧化相关的肌球蛋白重链MHCIb(myosinheavychainIb,MHCIb)的mRNA水平的增加和快肌糖代谢相关的肌球蛋白重链MHCIIX和MHCIIBmRNA水平的下降。相反,PGC-1α敲除小鼠中的线粒体数目下降,慢肌中的氧化呼吸能力下降,运动能力下降,耐疲劳指标也下降。目前激活PGC-1α的上游信号通路还不是非常清楚,但一些研究已证明该通路与钙调神经磷酸酶A(calcineurinA)、CaMK、p38MAPK及AMPK途径有关。在运动过程中,神经肌肉的增加和收缩活性的增加共同诱导了转录因子2(myocyte-specificenhancerfactor2,MEF2)和cAMP应答原件结合蛋白(cAMPresponseelementbindingprotein,CREB)的表达,而这一诱导过程可能是被CaMK介导的。MEF2表达的上调增加了它与PGC-1α启动子区的结合,进而增加PGC-1α的表达,PGC-1α又可以结合MEF2共激活与慢肌纤维决定和线粒体氧化代谢相关基因的表达。2.3pgc-1转录因子在正常情况或进食条件下,PGC-1α在肝脏中的表达水平处在较低的水平,在禁食情况下却可刺激PGC-1α的大量表达,进而刺激肝脏糖异生和脂肪酸氧化代谢。在禁食过程中,胰高血糖素和儿茶酚胺通过刺激cAMP和CREB激活PGC-1α的表达,而后PGC-1α共激活一系列转录因子,如HNF-4a、糖皮质激素受体、FOXO1等。这些转录因子结合在糖异生关键酶(如PEPCK,葡萄糖-6-磷酸酶)基因启动子区,增加糖异生关建梅的转录。在PGC-1α敲除小鼠模型中,脂肪酸氧化和三羧酸循环代谢都下降了,且肝脏糖异生量也下降了。短期饥饿后,由于线粒体中脂肪酸氧化代谢能力的降低和成脂基因表达的增加,敲除小鼠的肝脏发展成了脂肪肝。3pparcg1a基因与其他个体的产奶量和乳蛋白率PGC-1α在牛上的研究主要集中在奶牛产奶性状与该基因多态性的关联分析中。2010年Kowalewska-Luczak等报道了PPARGC1A基因c.1892T>C和c.3359A>C组合单倍型CC/AC个体的产奶量和乳蛋白含量与其它个体相比差异显著或极显著;2009年Schennink等报道了PPARGC1A基因c.1790+514G>A和c.1892+19G>A与奶牛的乳脂率显著相关;2007年Khatib等报道PPARGC1A基因与一个奶牛群体的乳蛋白率相关;2005年Weikard等发现PPARGC1A基因发生在内含子9的一处SNP与奶牛的乳脂量显著相关。在肉牛上的研究仅见国外有零星报道。2012年Ryu等报道了PPARGC1A基因与牛背膘厚和大理石花纹评分相关联;2010年Soria等经数据分析后发现编码区SNPc.1181与Brangus牛的肉质性状之