雌激素相關受體γ功能調控及相關疾病的研究進展

傅 予，張 巖，王文彤，陶遵威

(天津市醫藥科學研究所，天津 300020)

雌激素相關受體γ(Estrogen-related receptor γ，ERRγ)屬于雌激素相關受體家族的孤兒核激素受體。雌激素相關受體(ERRs)是由三個孤兒受體成員組成的，即ERRα(NR3B1)，ERRβ(NR3B2)和ERRγ(NR3B3)[1]。在ERRγ被識別之前，ERRα和β已被學界廣泛研究。ERRγ因與II型Usher綜合征(Usher syndrome II type)關鍵區域連接在一起而被鑒定出來。之后，ERRγ被鑒別為能與核受體共激活劑——糖皮質激素受體相互作用蛋白 1(GRIP-1)相互作用的蛋白[2]。其在胎兒和成人腦，骨骼肌，心臟，肝臟和胎盤等不同組織中高度表達[3]。

ERRγ與核受體家族(Nuclear receptor，NRs)其他成員有共同的結構特征。其結構包含參與受體轉錄調節的N-末端結構域AF-1、與共激活因子和共抑制因子相互作用的C-末端結構域AF-2、高度保守的鋅指DNA結合結構域(DBD)、鉸鏈區以及配體結合結構域(LBD)。和ERRα和β一樣，ERRγ的DBD也結合到ERR響應元件(ERRE)上(TCAAGGTCA)[4]。由于ERRγ與ERRα和β含有幾乎相同的DBD，其一部分轉錄調節功能與ERRα和β類似并重疊。例如，ERRγ和ERRα都能促進骨骼肌和心肌的氧化能力[5]。ERRγ 和ERRβ都能調節心臟，腎臟，胃，骨骼肌和滋養層細胞中離子穩態[6]。與此同時，ERRγ也能調控如肝臟相關因子等不涉及ERRα和β的代謝過程。

早期研究結果顯示，ERRγ在能量代謝中起著關鍵作用。近年來，越來越多的研究發現ERRγ亦可參與到多種代謝過程中。研究結果提示，ERRγ可能是糖尿病、心臟疾病、帕金森癥、骨質疏松癥、腫瘤等疾病的重要發病因素。

1 ERRγ的表達及活性調控

1.1ERRγ的誘導表達 核受體的功能在很大程度上取決于它們的配體。而孤兒核受體都尚未鑒定出適合的內源性配體。在沒有配體的情況下，ERRγ因其結構中LBD的活性構象而具有活性。研究表明，ERRγ的表達和活性受到各種膜受體的嚴格控制。在糖代謝過程中，胰高血糖素和胰島素受體在調節ERRγ表達中起關鍵作用，禁食的低葡萄糖濃度期間，胰高血糖素激活環磷酸腺苷應答元件結合蛋白-轉錄共激活因子2途徑(CREB/CRTC2)，該復合物與ERRγ啟動子中的CRE位點結合，上調肝臟ERRγ表達。相反，在進食條件下胰島素通過促進蛋白激酶B(PKB)介導的ERRγ磷酸化以及誘導ERRγ從細胞核易位到細胞質來抑制ERRγ的活性[7]。在內源性大麻素系統中，由內源性配體花生四烯酸乙醇胺和2-花生四烯酰甘油(2-AG)激活的大麻素受體1(CB1)也能調節ERRγ基因表達[8]。同時，ERRγ可在肝CB1受體下游發揮調節作用。肝CB1受體的激活可增加肝臟成纖維細胞生長因子21(FGF21)基因表達，當ERRγ過度表達時肝細胞和小鼠中FGF21基因的表達和分泌均增加，而敲除ERRγ后FGF21基因表達和分泌降低[9]。暴露于酒精環境時，c-Jun N端激酶(JNK)信號傳導參與大鼠原代肝細胞中2-AG對ERRγ表達的調節，2-AG與CB1結合并激活JNK，促進c-Jun與ERRγ啟動子上AP-1位點的結合誘導其轉錄[10]。 此外，細胞因子受體信號也可誘導ERRγ表達。當受到細菌感染時，白細胞介素(IL)-6與其受體結合，激活Janus激酶2 (JAK2)促進信號轉導，并使轉錄激活因子3(STAT 3)與ERRγ啟動子結合，上調ERRγ在肝臟中表達[11]。

此外，各種應激也能誘導ERRγ的表達。例如，缺氧產生細胞應激，低氧以組織特異性方式改變ERRγ的轉錄活性。在肝細胞中，缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)正向調節ERRγ，而HIF-1α在妊娠早期抑制胎盤中ERRγ的表達，影響胎盤血管形成、激素分泌以及離子轉運[12]。與缺氧環境相類似，內質網應激(ER stress)也會觸發ERRγ表達。用內質網應激誘導劑衣霉素等刺激肝細胞，誘導內質網膜上bZIP轉錄因子激活內質網跨膜蛋白6α(ATF6α)，可正向調節肝細胞中的ERRγ轉錄，通過與C-AMP應答元件結合蛋白H(CREBH)啟動子中的ERRγ反應元件結合，直接調節CREBH基因表達以響應內質網應激[13]。

內在的代謝需求和外部因素也可誘導ERRγ表達。在體細胞重編程過程中，為了滿足產生誘導性多功能干細胞(iPSC)的能量需求，糖酵解和氧化磷酸化增強以上調ERRγ表達。在胰島β細胞功能成熟過程中，ERRγ參與ATP生物合成、陽離子轉運、氧化磷酸化、電子轉運及分泌相關的基因的調控過程，其表達亦顯著增強[14]。ERRγ在棕色脂肪組織(BAT)和白色脂肪組織(WAT)中選擇性表達，且在BAT中的表達較高，在寒冷環境下其表達上調可增強氧化代謝，產生熱量，維持體溫[15]。此外，作為代謝適應性反應的一部分，長期耐力訓練和急性運動均可誘導骨骼肌中ERRγ表達增加[16]。

1.2ERRγ的共調控因子 ERRγ的轉錄活性取決于不同組織中對細胞信號作出響應的特異性共調控因子。PGC-1家族成員作為ERRγ的轉錄共激活因子能匯總不同代謝途徑中的能量和營養信號。PGC-1α結構N-末端L2序列與ERRγ二聚體LBD結構域特異性結合，引起構象改變，有利于活性轉錄復合物的組裝[17]。同時，ERRγ也可反式激活PGC-1α啟動子，之后PGC-1α共激活ERRγ。除共激活因子之外，共抑制因子也能調節ERRγ轉錄活性，且不同的共抑制因子可自動調節ERRγ的轉錄。在肝臟中胰島素信號傳導下，ERRγ可誘導劑量敏感的性別反轉先天性腎上腺發育不良基因DAX-1和亮氨酸拉鏈蛋白(SMILE)中的轉錄共抑制因子小異二聚體伴侶(SHP)的表達，反過來競爭性抑制PGC-1α轉錄活性下調ERRγ的表達[18，19]。轉錄輔助抑制因子140(RIP140)可以同時作為ERRγ的共抑制因子和共激活因子，其對ERRγ轉錄活性的作用取決于靶基因。RIP140可抑制雌激素反應元件(ERE)或含有雌激素相關因子受體的ERRγ活性，同時可激活含有Sp1響應因子的ERRγ轉錄活性[20]。此外，鳥嘌呤核苷酸結合蛋白3(GNL3L)中I結構域可與ERRγ的AF2結構域特異性結合，負向調節其轉錄活性。同時，GNL3L還可競爭性抑制類固醇受體輔助激活因子(SRCs)對ERRγ的共激活作用[21]。總的來講，共抑制因子通過與共激活因子競爭ERRγ上結合位點來抑制ERRγ轉錄。

1.3ERRγ 的翻譯后修飾 ERRγ的活性也由翻譯后修飾調節。例如，胰島素信號轉導通路PKB / Akt通過促進ERRγ中DBD結構上Ser-179的磷酸化，并與14-3-3蛋白相互作用引起ERRγ從細胞核移動至細胞質，抑制ERRγ的轉錄活性來減少肝糖異生[22]。對ERRγ配體中絲氨酸殘基上S317，S319位點進行O-GlcNAc糖基化修飾，可使ERRγ蛋白結構不穩定，影響其誘導肝糖異生的能力[7]。細胞外信號調節激酶(ERK)/ MAPK還可誘導ERRγ上Ser-57，Ser-81和Ser-219位點磷酸化，從而增加乳腺癌細胞中的ERRγ蛋白水平[23]。另外，ERRγ在Ser-45位點的磷酸化導致其在Lys-40位點的SUMO化，抑制了ERRγ轉錄活性。帕金森病相關基因(Parkin)通過促進ERRγ泛素化和降解，限制單胺氧化酶(MAO)的表達，從而調控氧化應激作用[24]。

總之，ERRγ的轉錄活性與不同的代謝信號的調節密切相關。ERRγ識別共調節因子和膜受體的能力決定了其作用的發揮。此外，翻譯后修飾通過改變ERRγ的穩定性和轉錄活性發揮調節作用。因此，這種多管齊下的調控機制可以確保ERRγ能夠適應不斷變化的代謝狀況。

2 ERRγ在生理和疾病中的作用

研究顯示，ERRγ是各組織中生長因子和激素的關鍵調控因子，并與調節營養物質代謝的多種關鍵酶相關，直接或間接調控不同代謝途徑的多個靶基因的表達以及酶的合成。

2.1葡萄糖穩態 ERRγ參與維持機體內葡萄糖穩態。ERRγ的活性異常能導致與Ⅱ型糖尿病相關的病理狀況發生。ERRγ在糖尿病小鼠的肝臟中表達顯著升高，加重血糖異常。ERRγ可誘導肝糖異生關鍵酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)的生成。在禁食狀態下，ERRγ激活肝臟葡萄糖異生反應，在肝臟中的過度表達顯著誘導了糖異生基因的表達，導致血糖升高[25]。此外，ERRγ通過DAG-PKC途徑刺激肝臟胰島素信號傳導障礙。通過RNA干擾或特異性抑制劑GSK5182抑制肝臟ERRγ表達可顯著降低db/db和飲食誘導兩種小鼠模型的血糖水平，改善肝臟胰島素信號傳導[26]。這些研究結果顯示，ERRγ能夠提高肝臟胰島素信號敏感性，激活胰島β細胞的氧化磷酸化，影響葡萄糖刺激的胰島 素分泌(GSIS)，使糖尿病患者的血糖水平升高，胰島素抵抗作用增強。在β細胞成熟期間，ERRγ可上調GSIS相關線粒體基因表達如：Mdh1，Pcx，Cox6a2，Atp2a2，Ndufs2和Atp6v0a2。β細胞特異性ERRγ基因敲除小鼠模型實驗結果顯示小鼠體內胰島β細胞數量，胰島素含量和胰島大小與對照組都沒有明顯差異，其葡萄糖不耐受的狀況是由GSIS受到抑制造成的。進一步的研究表明，ERRγ通過調節胰島β細胞能量代謝以響應GSIS[27]。

2.2鐵、脂肪和酒精代謝 ERRγ在肝臟中的作用不限于葡萄糖代謝，也能鐵代謝中起調節作用。ERRγ可正向調節肝臟中鐵調素(hepcidin)的合成和分泌，維持鐵穩態。鼠傷寒沙門氏菌感染后，刺激IL-6信號傳導，誘導肝臟ERRγ與鐵調素啟動子的ERRE位點結合，誘導鐵調素轉錄增加，減少巨噬細胞鐵的釋放，導致肝臟和脾臟等組織中鐵缺乏，減少細菌的繁殖[11]。此外，在空腹時鐵調素的轉錄可受PGC-1α/CREBH這個糖異生信號途徑調控[28]，提示了ERRγ可能通過鐵調素將肝臟葡萄糖代謝與鐵代謝聯系起來。ERRγ除了在鐵代謝中的作用外，還參與脂質和酒精代謝。在肝臟中，ERRγ誘導Lipin-1表達，催化磷脂酸轉化為甘油二酯(DAG)。 CB1誘導ERRγ表達并與膽汁酸合成限速酶膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)啟動子中的ERRE結合誘導其表達，刺激肝臟中的膽汁酸合成，調節肝臟膽固醇代謝[29]。在酒精代謝過程中，ERRγ可與肝臟中細胞色素P450 2E1(CYP2E1)特異性結合，而后者是活性氧(ROS)生成關鍵酶，促使肝臟暴露在酒精中產生氧化應激，最終導致酒精性肝損傷[30]。

2.3心臟 ERRγ參與ATP的生成以及維持細胞內鈣的穩態，這對保證心臟收縮功能非常重要。ERRγ能調節心臟中幾種與氨基酸，葡萄糖，脂肪酸和膽固醇的分解代謝有關的線粒體靶標。ERRγ在心肌中上調脂肪酸氧化的相關基因的表達，包括脂肪酸結合蛋白3(Fabp3)，線粒體肌酸激酶(Ckmt2)，細胞色素C(Cycs)和ATP/ADP轉位子(Slc25a4/ANT1)，以維持心臟的正常功能[31]。此外，ERRγ是維持心臟和其他組織中的離子穩態主要因子。ERRγ基因敲除小鼠K+動態平衡改變，心臟節律被破壞，QT間期延長，血清鉀水平升高，引起心律失常及相關綜合癥[32]。ERRγ在胎兒出生后心臟氧化代謝方式轉變中起著至關重要的作用。ERRγ基因敲除小鼠能量代謝轉變受到抑制，引起乳酸血癥，小鼠在出生72 h內死亡，提示ERRγ對于心臟代謝活動是不可或缺的。此外，ERRγ參與糖尿病心肌病的基礎代謝過程。db/db小鼠心臟中的ERRγ表達高于對照組小鼠，心肌細胞中的ERRγ過表達上調參與脂質氧化基因的表達，促進棕櫚酸酯氧化并誘導心肌肥大[33]。同時，ERRγ在血管鈣化中起介質的作用。ERRγ在主動脈血管平滑肌細胞中的過表達激活BMP2信號傳導，上調成骨基因的表達，促進血管鈣化。ERRγ不僅抑制BMP2誘導的成骨細胞分化，還抑制體內異位骨形成。此外，ERRγ通過影響Runt相關轉錄因子2(RUNX2)表達抑制雄性小鼠的骨形成[34]。

2.4骨骼肌 ERRγ在肌肉能量代謝、收縮功能和骨骼肌生長中起重要作用。ERRγ誘導肌肉中的血管內皮生長因子A(VEGF A)、成纖維細胞生長因子1(FGF 1)以及肝臟中的FGF21，正向調節丙酮酸脫氫酶激酶同工酶4(PDK4)表達。在沒有PGC1α誘導的情況下，由于ERRγ的內在轉錄活性，其異位表達可以明顯改善肌肉特異性PGC1α/ β雙敲除小鼠肌肉功能，誘導了線粒體生成、血管生成，提高抗氧化能力[35]。 肌肉特異性ERRγ基因敲除小鼠，骨骼肌細胞分化過程中ROS的產生和骨骼肌萎縮阻礙肌管成熟。在骨骼肌中ERRγ轉基因小鼠線粒體明顯增加，氧化能力改善，運動能力增強。相比之下，ERRγ基因敲除小鼠表現出脂肪酸攝取減少，脂肪酸氧化增強，提示ERRγ可以控制運動時肌肉的代謝反應。在(I型)慢氧化肌纖維中ERRγ高度表達，在發生厭氧糖酵解的II型肌纖維中ERRγ的表達可促進有氧轉化、血管生成和線粒體生物合成。I型肌纖維形成與AMPK和NR/ miRNA通路相關，ERRγ可激活miR-208b和miR-499并與AMPK協同作用，促使I型肌纖維生成。另外，在肥胖癥、糖尿病和動脈粥樣硬化等疾病中ERRγ表達可改善骨骼肌缺血狀況。骨骼肌ERRγ的表達增強血管生成，促進缺血性損傷期間的肌肉修復[36，37]。

2.5大腦 ERRγ是線粒體氧化磷酸化必不可缺的，這對于大腦神經元的正常功能至關重要。ERRγ位于中樞神經系統(CNS) 神經元細胞核中，在大腦中高度表達，免疫組織化結果顯示ERRγ普遍分布在嗅球，大腦，腦干和小腦等大腦區域中[38]。ERRγ對海馬中的成熟神經元的代謝和學習/記能力憶至關重要，神經元ERRγ敲除小鼠海馬CA1 區LTP下降，在Morris 水迷宮實驗中顯示出明顯的空間學習能力和記憶缺陷[39]。ERRγ與ERRβ共同作用于下丘腦，調節機體能量平衡。中樞神經系統中ERRβ表達減少上調了ERRγ表達并同時降低神經肽Y基因轉錄。這一變化增強了胰島素敏感性和全身能量代謝，提示中樞神經系統中的ERRβ / ERRγ比率對于能量平衡的重要性[40]。帕金森病主要發病機理為大腦中多巴胺能神經元中線粒體功能障礙，研究顯示ERRγ特異性激動劑GSK4716上調ERRγ表達，抑制模型神經細胞調亡，糾正ATP水平和α-突觸核蛋白和CHOP的表達水平[24]。

2.6腫瘤 ERRγ與肝癌、乳腺癌、生殖系統腫瘤等代謝調控的器官及生殖內分泌相關的腫瘤發病關系密切。ERRγ參與腫瘤能量代謝調控，與調控糖酵解過程的相關基因結合為腫瘤細胞快速生長提供能量。此外，ERRγ還可通過非能量依賴性模式影響腫瘤的發展進程，其對腫瘤細胞增殖的影響取決于其對下游靶基因的調控模式，不同腫瘤中其調控作用并不相同。在肝癌中，ERRγ能促使癌細胞增殖，通過siRNA技術或運用ERRγ特異性抑制劑GSK5182抑制ERRγ表達可上調細胞周期蛋白激酶p21、p27表達，使細胞周期阻斷，減少因ERRγ表達帶來的肝癌細胞增殖[41]。研究顯示，ERRγ為人纖維蛋白原基因表達轉錄調節因子，經由CB1誘導上調ERRγ表達，增強纖維蛋白原基因(FGA、FGB、FGG)啟動子活性，其過表達增加了人肝癌細胞系中的纖維蛋白原表達[42]。ERRγ在乳腺癌細胞雌激素信號傳導中發揮了重要作用。雌激素受體α(ERα)激活ERRγ表達，之后ERRγ可通過增強ER的轉錄活性與自身具有的轉錄活性相疊加，共同作用促進ERE下游基因表達，提高乳腺癌細胞的增殖與遷移能力，促使癌癥發展轉移[43]。在子宮內膜癌組織中，ERRγ表達明顯高于正常子宮內膜組織，且與癌癥分期、癌細胞分化和子宮肌層浸潤程度相關。其參與ERK/Akt信號通路調控，促進子宮內膜癌 Ishikawa 細胞增殖，且ERRγ和PGC-1α可形成轉錄復合物促進子宮內膜癌的發生發展[44]。與前幾種腫瘤不同，ERRγ在低分化前列腺癌細胞的細胞核中表達明顯下調，且和癌癥預后評分關系密切。研究結果提示，ERRγ作為雄激素受體的下游因子，其異位表達可阻滯細胞周期G1-S期轉換，誘導細胞周期停滯，同時抑制細胞有氧糖酵解，抑制腫瘤細胞增殖和腫瘤生長[45]。

3 小結與展望

ERRγ作為雌激素相關受體亞家族成員之一，先前的研究主要集中于于內源性配體的探索以及其在雌激素信號傳導中的作用。隨著研究的深入，提示ERRγ在機體多個代謝途徑中發揮重要作用。隨著組織特異表達ERRγ轉基因或ERRγ基因敲除小鼠應用及合成配體的使用，增進了我們對ERRγ在細胞功能中作用的理解。ERRγ已經成為調節內分泌和代謝功能的關鍵轉錄調節因子。同時，由于ERRγ功能多樣化，其作用具有兩面性，ERRγ在不同組織中的雙重功能需進行更深入的研究。此外，繼續尋找內源性配體并開發合成具有選擇性靶向作用的ERRγ調節劑，始終是ERRγ研究的兩項關鍵挑戰。以ERRγ為靶點的藥物研發將為預防和治療如心血管、肌肉、骨骼、腫瘤及代謝綜合征相關疾病提供了新的方向。