探討基因組DNA與蛋白質的心腎水火關系＊

孫 雷，彭 欣，秦 林

（山東中醫藥大學中醫學院 濟南 250355）

心屬火，為陽，腎屬水,為陰。《備急千金要方》有“心者，火也，腎者，水也，水火相濟”之敘述。水火相濟也稱水火既濟，“既濟”最早見于《周易》的“既濟”卦,卦象為坎上離下，顯現水火相濟之意。在正常狀態下，心火下交于腎，以資助腎陽、溫煦腎陰，使腎水不寒；腎水上濟于心，則心火不亢。心火與腎水上下交通，即為水火相濟的關系。機體水火相濟，水不過寒，火不過熱，則心腎相交、陰陽調和，臟腑氣血功能協調[1]。在病理狀態下，機體水火不濟，則心腎不交、陰陽失和[2]。

前期工作運用中醫的五行藏象理論，探討五種生物大分子的五行歸屬與五行生克關系，認為“DNA 屬水，通于腎；蛋白質屬火，通于心”[3]。腎主藏精，為先天之本。遺傳物質為DNA，隨先天而來，世代遺傳，是先天之精的重要存在形式[4]。并且，DNA序列穩定，有五行之水的靜謐之象。蛋白質是細胞生物功能的主要執行者，與“五臟六腑之大主”的心相通。同時，細胞中蛋白質分子的種類、含量、活性狀態在不斷變化之中，有“火曰炎上”之意。

腎水基因組DNA是遺傳物質，心火蛋白質執行基因的功能，兩者密切協作，共同服務于生命活動。基因組DNA 適時、有序地表達蛋白質，蛋白質則以直接或間接的方式、有條不紊地調控基因組DNA的表達。腎水基因組DNA 與心火蛋白質間的互動關系與中醫學的心腎水火理論有相通之處。

1 腎水DNA上濟心火蛋白質

基因組DNA與腎水相通，且封藏著蛋白質的編碼信息。蛋白質與心火相通，是人體生命活動的主要執行者。蛋白質的產生源于基因組DNA 的表達。一般來講，基因組DNA 中的基因大多是沉默的，不表達的。只有機體需要其蛋白質產物時，基因才予以表達。基因組DNA的表達有著嚴密的調控機制，既有管家基因的組成性表達，更有奢侈基因的時間特異性表達與空間特異性表達，體現了腎水上濟心火的特性。

管家基因的表達產物蛋白質為生命的基本結構、基本功能所必需，其表達是持續的。管家基因的蛋白質產物對整個生命過程都是必需的，因此，管家基因在機體內幾乎所有的細胞中都穩定地表達。管家基因的表達為組成性表達，極少受環境因素變化的影響。管家基因的產物蛋白質可以視作心火的基礎部分。不過，管家基因只占基因組DNA 中基因的少數，管家基因以外的基因為可調節基因，也稱奢侈基因。

基因組DNA中的基因多為奢侈基因，其表達受到調控，應環境而變化，隨不同的生長、發育階段，不同的器官、組織定位而有別，具有時間特異性和空間特異性。蛋白質屬火，火曰炎上，其性質是活躍的、變動的；奢侈基因的產物蛋白質可視作心火的動態變化部分。與管家基因的組成性表達不同，奢侈基因的表達受到嚴格的調控，以保證其編碼產物蛋白質適時地參與生命活動。

根據生命活動的需要，腎水基因組DNA選擇性表達蛋白質，避免細胞不需要的蛋白質出現，防止蛋白質心火過亢。蛋白質是生理功能的重要執行者，細胞需要某功能時，相應的蛋白質就要到崗；但是，若無關蛋白質出現，細胞功能就會受到干擾，出現“心火過亢”。細胞中蛋白質的種類及數量，源于基因高度有序的表達。只有當機體需要某些蛋白質時，這些蛋白質的基因才有節制地表達；至于機體尚不需要的其它蛋白質，它們的基因是靜默的。基因組DNA的適度表達，防止了細胞中非必需蛋白質對細胞正常功能的影響，也避免了物質與能量的浪費，表現出了腎水DNA上濟于心火蛋白質，防止心火過亢的特點。

當腎水基因組DNA的序列有所變化，某些蛋白質的生物活性、亦或表達量會相應改變，即影響了心火的功能。每種蛋白質可以看作是組成“心火”的一部分，而蛋白質的結構與功能取決于基因組DNA 的序列。APOE 基因是一個典型的例子。APOE 基因具有多態性，有4個等位基因，各等位基因的功能不盡相同。攜帶ApoEε2等位基因可降低阿爾茨海默病的患病風險，而攜帶ApoEε4 則增加阿爾茨海默病與輕度認知障礙的患病風險[5]。ApoEε2/ε3基因型對抑郁有防護作用，而ApoEε4 等位基因及ApoEε3/ε4 基因型與晚年抑郁癥（Late-Life Depression，LLD）風險增加有關[6]。ε4 還與長壽（Exceptional Longevity，EL）負相關[7]。淀粉樣蛋白前體（Amyloid Protein Precursor，APP）、早老素-1（Presenilin-1，PSEN1）、早老素-2（Presenilin-2，PSEN2）基因的突變與早發性阿爾茨海默病有關[8]。Spp1（Secreted Phosphoprotein 1）有16種常見的單核苷酸多態性，其中，多態性rs12641001 與認知發展（Cognitive Development）有明確關系[9]。可見，基因組DNA的某些變化會導致蛋白質異常：這可發生在中醫“心腎失調之健忘癡呆”等病證中。

2 心火蛋白質下交腎水DNA

基因組DNA屬于先天之精，封藏著生命的遺傳信息。腎水DNA 是靜謚的，基因序列是穩定的，并不直接發揮基因的功能。基因功能的表達有賴于蛋白質的作用，并受蛋白質的調控。根據機體的需要，相關蛋白質協作，開啟功能基因的表達。這樣，在心火蛋白質的暖煦下，腎水DNA不至于過寒。

基因的表達有時間特異性和空間特異性，以服務于生命過程：這依賴于相關蛋白質的基因表達調控作用。蛋白質對基因表達發揮調控作用，使得基因組DNA中的基因能夠在正確的時間、正確的空間實現表達。蛋白質對基因組DNA 表達的調控作用包括直接作用和間接作用。

直接作用指反式作用因子結合于基因組中的基因表達調控序列，發揮基因表達的調控作用。在基因組DNA 中，基因星羅棋布。對每個基因而言，其中有著“漫長”的調控序列，調控序列中有著各種順式作用元件。順式作用元件是一些DNA序列，與特異的基因表達調控蛋白結合，這些調控蛋白稱為反式作用因子。反式作用因子結合于順式作用元件，以行使調控基因表達的功能，特異性地開啟靶基因的表達。一般來講，基因調控區的順式作用元件數目較多，它們有秩序地參與基因表達的調控：在不同的條件下，不同反式作用因子與相應的順式作用元件結合，以影響基因的表達。

間接作用的范圍廣泛。例如，在真核生物中，RNA聚合酶不能“獨立”地結合于啟動子，需要通用轉錄因子的協助，以形成基礎轉錄裝置；轉錄中介物（mediator）類似于通用轉錄因子，是大部分II 類RNA聚合酶轉錄起始復合物的組成部分。轉錄中介物為蛋白質復合物，由超過20 條多肽鏈組成，這些多肽鏈有各自的分工[10,11]。共調節子（Co-regulator）加入，與反式作用因子一起，形成復合物，共同調控基因的轉錄水平。共調節子不直接結合DNA序列，但在復合物中起到調節基因轉錄的功能[12,13]。再如，基因表達的開啟常為信號轉導途徑的激活之故，信號轉導的執行者有信號蛋白分子和第二信使的小分子。在信號轉導過程中，信號轉導蛋白依次激活，從而將信號傳送到基因組DNA 中的靶基因，靶基因得以表達[14,15]。這樣，適宜基因適時、適量表達，使腎水不至過寒。

特定“心火”蛋白質誘導開啟腎水基因組DNA 中特定基因的表達，可影響組織、細胞的命運、功能。轉錄因子Hes可以影響神經干細胞的命運[16]。當轉錄因子（Krüppel-Like Transcription Factor 4，KLF4）蛋白的表達降低時，神經干細胞的增殖減少、分化加強[17]。采用納米顆粒技術，轉染轉錄因子（Eurogenin-2，Ngn2）進入人胎組織源神經干細胞后，應用透明質酸水凝膠轉運基質（Hyaluronic Acid-Based Hydrogel Delivery Matrix）將轉染后的神經干細胞植入外傷性腦損傷（Traumatic Brain Injury，TBI）模型大鼠，損傷處的移植神經細胞更多地分化為神經細胞[18]。干細胞治療有希望成為神經系統相關疾病（如癡呆[19-21]、失眠[22]等）的應對策略。

3 心火蛋白質與腎水DNA的互動是深廣的

從五行配屬而言，心屬于火，腎屬于水，心居上焦，為五臟六腑之主，心火下交于腎，以資助腎陽、溫煦腎陰，使腎水不寒；腎水上濟于心，資于心陰，則心火不亢。心火與腎水上下交通，成為水火互濟的關系。水火互濟實際是一種雙向調節的互動關系。在細胞中，基因組DNA與蛋白質間的互動是深廣的，它們間的互動是生命活動的重要基礎。基因組DNA 根據生命過程的需要，表達蛋白質，蛋白質實現生理功能。機體在調控基因組DNA的表達時，有著極其嚴密的“程序”；而維護基因組DNA表達的“程序”離不開蛋白質的作用。

反式作用因子通過結合順式作用元件發揮調控作用。基因組DNA中有著眾多調控序列，分布著大量順式作用元件。順式作用元件的數量之多，為基因組DNA 表達的精準調控提供了基礎。對于基因組DNA中的一個基因而言，其轉錄區的上游、下游的順式作用元件處于“待命”狀態。雖然，這些順式作用元件共同服務于同一個基因，但它們有著精密的分工：在條件A下，順式作用元件A與反式作用因子A結合，啟動轉錄在A水平進行；在條件B下，順式作用元件B與反式作用因子B結合，啟動轉錄在B水平進行，依次類推。

基因組DNA表達調控的“程序”的維護，不只需要反式作用因子的作用，還需要其它功能蛋白質的貢獻。首先，反式作用因子實現對基因轉錄的調控功能，需要信號轉導蛋白的協作。在環境因素刺激下，細胞中相應的信號轉導蛋白如同“接力”跑，將信號依次傳遞，交給反式作用因子，調控靶基因的轉錄。再者，細胞中蛋白質間的關系錯綜復雜，一個蛋白質好比處在一個蛋白質“社區”，不停地與“社區”其它成員互動，受到多種蛋白質的影響；而且，“社區”的其它蛋白質成員也是處在不斷變化中的。與其它蛋白質之相互作用也可能影響到反式作用因子、信號轉導蛋白等對基因表達的調控作用。需要提出的是，反式作用因子、信號轉導蛋白、其它相關蛋白又都是不同基因的表達產物：基因組DNA 與細胞中蛋白質互動關系的基礎是相當復雜的。

在基因組DNA表達調控“程序”的維護中，蛋白質的動態變化起到重要作用。火曰炎上，蛋白質屬火。蛋白質分子不停的動態變化映射出火的特點。其一，根據生理的需求，蛋白質在一定的速率下合成（當然，這源于基因組DNA 的表達），而蛋白質的降解也在細胞中進行著；細胞中各種蛋白質的含量取決于合成與降解的動態平衡。為了適應各種生理狀態的需求，細胞蛋白質的量發生著改變，而相關蛋白質則會以直接或間接的方式，或多或少地影響到基因組DNA 的表達。其二，相關蛋白質活性狀態的轉換是改變基因組DNA表達更為迅速的方式。受變構、化學修飾等因素的控制，很多蛋白質可在兩種活性狀態間轉換。一些反式作用因子，如CREB、STAT 等，是在被磷酸化后才與其順式作用元件結合，啟動靶基因轉錄的。在與基因表達密切相關的信號轉導過程中，信號蛋白的活性轉換是將信號最終傳遞給靶基因的基本方式。轉換一般是通過蛋白質分子的變構或以磷酸化/去磷酸化為主的共價修飾而實現的。

在維護基因組DNA表達調控“程序”時，在不同的環境下，同一蛋白質可能起到不同的作用。例如，在不同細胞環境中，YY-1以不同的方式參與基因組表達的調控。在神經祖細胞（Neural Progenitors cell，NPC）基因組DNA 的拓撲性質結構（Topologically Associating Domain，TAD）中，YY-1 作為一個結構蛋白結合在CTCF錨定而成的“環”（Loop）上，使得某些分化相關基因（如Olig1、Olig2[23]、Sox2[24]）與增強子接近[25]。黑色素瘤細胞的Snail基因完全表達時，YY1等幾個蛋白因子結合于Snail基因3'端的增強子[26]。YY1結合于鳥氨酸結合蛋白1（Guanylate Binding Protein 1，GBP1）啟動子中的DNA 元件，對膠質母細胞瘤細胞GBP1 的表達起到負調控作用；而當表皮生長因子EGF 刺激細胞時，YY1 的抑制表達作用去除[27]。YY1 與Gon41、sin3a、HDAC 形成復合物，可對基因轉錄起到抑制作用[28]。P53是一個轉錄因子，結合于Hdm2，而后發生泛素化、降解；YY1 可與P53、Hdm2 結合，進而加速P53 的降解[29]。

4 心火蛋白質/腎水DNA關系中的神經系統即早基因

神經系統功能涉及中醫學的心腎關系，并與即早基因相關聯[30-36]。即早基因DNA 的序列變化、基因產物蛋白質的活性或表達量的變化，能夠影響到神經功能。特別值得提出的是，即早基因的表達方式與其產物蛋白質的作用方式，反映了心火蛋白質與腎水DNA的互動關系。

在神經系統中，早期生長反應蛋白1（Early Growth Response Protein 1，Egr1）和Egr3 調控與突觸可塑性、長時程增強相關基因的表達。Huentelman MJ 等[37]研究成果提示，在歐洲人中，即早基因EGR3單核苷酸多態性位點SNP rs1877670 與精神分裂癥有關（P=0.007 8）。在極低頻率電磁場（Extremely Low-Frequency Electromagnetic Field, ELF-EMF）作用下，人骨髓間質干細胞向神經元分化，這與Egr1有關[38]。

即早基因受相關蛋白質的間接作用、直接作用而表達，而即早基因的表達產物蛋白質又轉而調控某些特定基因的表達：這是心火蛋白質與腎水DNA互動關系的典型例子。即早基因是基因組DNA的成員，屬腎水，即早基因的表達產物蛋白質屬心火。即早基因的表達發生在細胞受到環境刺激后很短的一段時間內，因此得名。細胞受到環境刺激，激活信號轉導途徑，通過多種信號轉導蛋白及特定反式作用因子的依次作用，即早基因得以表達：體現了腎水DNA 上濟心火蛋白質。轉而，即早基因的蛋白質產物識別、結合分布在基因組DNA中的基因轉錄調控元件，開啟繼發于即早基因之后的、受即早基因蛋白產物調控的多種相關基因的表達，產生新的蛋白質：體現了心火蛋白質下交腎水DNA。可見，此過程有典型的中醫學心腎水火關系特點：心火下降，以助真陽，暖煦腎水，腎水得升，以濟心火，而益心陰。如此，心腎相交，心火蛋白質與腎水DNA協調互動。

受NGF 的作用，PC12 細胞的Egr1 表達增加，Egr1蛋白轉而結合于十余種靶基因，這些基因與神經元的發育及功能相關[39]。鼻孔閉合引起小鼠嗅球的同側小球旁神經元中的Fos-B表達下降，導致Fos-B和Jun-D組成的AP-1 與酪氨酸羥化酶（Tyrosine Hydrosylase，TH）基因的AP-1 位點的結合減少，使得TH 基因的表達降低[40]。大鼠小腦顆粒神經元在缺鉀脅迫（Potassium Deprivation，PD）下，c-jun的表達增高，并結合于dp5 基因啟動子的ATF 位點，引起dp5 基因的轉錄提高；dp5基因的功能與凋亡有關[41]。在神經干細胞中，神經營養因子-3蛋白的高表達導致Hes1的基因表達減少，Mash1、Ngn1 的基因表達增加，細胞向膽堿能神經元的分化增強[42]。

5 臨床意義

生物體中有數目繁多的基因和蛋白質，這些生物分子共同完成細胞生命活動。基因藏身于基因組DNA中，基因組DNA選擇性地表達基因，產生蛋白質；蛋白質則直接或間接地影響基因組DNA的表達，可以說，基因組DNA與蛋白質間的互動協作藏心腎水火之意。基因組DNA與蛋白質的心腎水火關系，廣泛影響著機體的生理功能，其失常與疾病的發生、發展有著密切的關系。

在傳統中醫學中，心腎不交證多與神經系統有關，如健忘、癡呆等。在現代臨床實踐中，心腎不交證治療的適用疾病范圍有所擴大，涉及到如冠心病心絞痛[43]、高血壓[44]、糖尿病[45]、消化道疾病[46,47]、慢性前列腺炎[48]與病毒感染[49]等。交泰丸治療心腎不交的經典方劑，組方中黃連入心經，可瀉過亢之心火；肉桂入腎經，補火助陽，尚可引火歸元。交泰丸可降低糖尿病db/db小鼠模型血糖水平，其改善脂肪組織胰島素抵抗的機制可能與增加脂肪組織過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor γ Coactivator 1α，PGC-1α）和葡萄糖轉運體GLUT 4的表達有關[50]。在糖尿病大鼠模型中，交泰丸可以提高骨骼肌胰島素受體β、胰島素受體底物-1、PI3K的p85亞基和葡萄糖轉運體GLUT 4的表達[51]。

陰陽五行學說是闡釋古典中醫藥學的重要工具，而其思想也蘊藏于現代生物科學中。從基因組DNA屬腎水，蛋白質屬心火出發，嘗試將基因組DNA 與蛋白質間的互動關系，用于考察中醫證治，有望為中醫學“心腎水火”理論研究提供可借鑒的思路。