氨基酸調(diào)節(jié)基因表達(dá)的研究進(jìn)展

李 貌，孫佳靜，李帥東，黃榮焱

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000）

1 氨基酸限制調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制

氨基酸限制可以從調(diào)節(jié)“DNA 到RNA 到蛋白質(zhì)”中的很多步驟來實(shí)施，包括染色體的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)等環(huán)節(jié)［1］。真核DNA 和組蛋白組裝成染色體以及轉(zhuǎn)錄之前，染色體必須調(diào)整其結(jié)構(gòu)釋放出更多的染色體來作為轉(zhuǎn)錄的模板。氨基酸可以作為一種營養(yǎng)信號來調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。雖然某些氨基酸的限制會刺激下游基因的轉(zhuǎn)錄，但其他氨基酸的缺乏會對mRNA的合成產(chǎn)生負(fù)面影響［2］。氨基酸限制可通過影響mRNA 的輸出以及穩(wěn)定性來增加mRNA 的轉(zhuǎn)錄水平，同樣氨基酸也可通過調(diào)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(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的翻譯，氨基酸限制不僅直接快速地抑制大多數(shù)蛋白質(zhì)的合成，同時還具有降低合成蛋白質(zhì)的潛在能力。

1.1 氨基酸限制調(diào)節(jié)基因表達(dá)的途徑 氨基酸限制調(diào)節(jié)基因表達(dá)已在酵母中進(jìn)行了廣泛的研究，其調(diào)節(jié)途徑有兩種：

1.1.1 特異性調(diào)節(jié)途徑 許多操縱子受到相應(yīng)酶的特異氨基酸終產(chǎn)物的調(diào)控［3］。

1.1.2 一般性調(diào)控途徑 任一氨基酸限制可同步誘導(dǎo)多種基因的表達(dá)。當(dāng)存在氨基酸限制時，未負(fù)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(zhuǎn)錄因子GCN4 mRNA的翻譯，進(jìn)一步誘導(dǎo)30 多種基因的表達(dá)，這是由GCN4 mRNA 的5′端非編碼區(qū)的特殊結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)合有一分子GTP的eIF2結(jié)合，形成一個三元復(fù)合物，然后它們結(jié)合到40S 核糖體亞基上，形成43S 的前起始復(fù)合物。在接下來的步驟當(dāng)中，結(jié)合在eIF2 上的GTP 被水解為GDP，然后以eIF2-GDP 二元復(fù)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(jié)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(jìn)行的，這是翻譯起始的第一個調(diào)節(jié)點(diǎn)。有兩個不同的機(jī)制可調(diào)節(jié)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(zhuǎn)變?yōu)閑IF2B 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(jìn)eIF2B的活性。

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

1.4 哺乳動物中氨基酸的mTOR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)途徑來調(diào)節(jié)mRNA 的翻譯，進(jìn)而促進(jìn)或抑制蛋白質(zhì)的合成。足夠水平的細(xì)胞氨基酸可以導(dǎo)致mTOR細(xì)胞信號通路的激活，充足的氨基酸可以通過mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進(jìn)4E-BP1的磷酸化，釋放更多eIF4E 與eIF4G 形成eIF4F 復(fù)合體參與蛋白質(zhì)的翻譯，也可以促進(jìn)S6 的磷酸化促進(jìn)蛋白質(zhì)的翻譯。氨基酸缺乏時，未負(fù)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(chǎn)生抑制作用，從而抑制eIF2GTP 的合成，使蛋白質(zhì)的合成效率降低。此外，足夠的氨基酸可直接促進(jìn)eIF2Bε亞基的磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)eIF2B 的活性。

2 氨基酸調(diào)節(jié)的靶基因

作為多功能分子，氨基酸可以調(diào)節(jié)很多基因的表達(dá)，但整個表達(dá)譜依然不知道。添加色氨酸時，可以促進(jìn)膠原蛋白酶和金屬蛋白酶的組織抑制劑的表達(dá)。有趣的是，當(dāng)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(dá)水平都升高。關(guān)于從分子水平上研究氨基酸限制對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)機(jī)制，目前絕大多數(shù)研究仍主要集中在氨基酸限制對CHOP、ASNS、ATF4 和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控上。

2.1 氨基酸限制調(diào)控CHOP 基因轉(zhuǎn)錄 CHOP基因廣泛存在于動物機(jī)體的各種組織和器官中，但其基礎(chǔ)表達(dá)水平很低，CHOP 基因編碼的是一個小核蛋白，是轉(zhuǎn)錄因子C∕EBP 家族成員之一，C∕EBP家族成員與能量代謝、細(xì)胞分裂分化和細(xì)胞特異基因表達(dá)的調(diào)節(jié)有關(guān)。CHOP基因的啟動子序列中有一個氨基酸應(yīng)答元件（AARE），主要負(fù)責(zé)在氨基酸限制發(fā)生時誘導(dǎo)CHOP 表達(dá)［8］。為精確定位AARE序列中參與調(diào)控核心啟動子活性的核苷酸，對AARE 序列進(jìn)行突變分析，發(fā)現(xiàn)AARE序列中使核心啟動子對氨基酸缺乏產(chǎn)生應(yīng)答的最小核心序列位于-310 至-302 核苷酸區(qū)（5′-ATTGCATCA-3′）。

2.2 氨基酸限制調(diào)控ASNS 基因轉(zhuǎn)錄 ASNS 可在大多數(shù)哺乳動物細(xì)胞里表達(dá)，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(yīng)。與CHOP 啟動子相似的是ASNS 的啟動子序列中也包含2個養(yǎng)分敏感應(yīng)答元件，分別為NSRE1和NSRE2［9］。Siu F 等［10］研究發(fā)現(xiàn)C∕EBPβ和ATF4都能與NSRE1序列結(jié)合形成復(fù)合物，并且它們是同時結(jié)合到NSRE1 序列上的。當(dāng)去掉氨基酸和葡萄糖后，含C∕EBPβ和ATF4 復(fù)合物的數(shù)量增加。此外，在HepG2 細(xì)胞中，C∕EBPβ激活異構(gòu)體的表達(dá)和ATF4 的過度表達(dá)都可以顯著增加ASNS 基因的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄水平，同時養(yǎng)分限制誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄也進(jìn)一步增強(qiáng)。而C∕EBPβ負(fù)抑制結(jié)構(gòu)體和ATF4 負(fù)突變體的表達(dá)都抑制ASNS 的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄水平，并且完全阻止養(yǎng)分限制誘導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)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(dǎo)CHOP 和ASNS 基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制卻存在一些差異，主要是：①CHOP AARE 的功能在一定程度上是獨(dú)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(dǎo)CHOP 基因轉(zhuǎn)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(dǎo)ASNS 基因轉(zhuǎn)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(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子卻存在著差異。C∕EBPβ和ATF2都能與CHOP AARE序列結(jié)合，但只有ATF2是氨基酸限制激活CHOP基因轉(zhuǎn)錄所必須的。相反，有研究發(fā)現(xiàn)ATF2 并沒有結(jié)合到ASNS NSRE1序列上［12］。

2.3 氨基酸限制調(diào)控ATF4 基因轉(zhuǎn)錄 ATF4 也被稱為CREB2 或C∕ATF，是cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合（CREB）蛋白家族的成員，已被報道參與癌癥進(jìn)展［13-14］。ATF4可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原反應(yīng)、細(xì)胞的抗應(yīng)激反應(yīng)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(jī)體多種腫瘤相關(guān)。通過細(xì)胞實(shí)驗也發(fā)現(xiàn)激活支鏈氨基酸的降解限速步驟可以有效抑制肺癌細(xì)胞的快速增殖。在缺氧的情況下，腫瘤細(xì)胞中ATF4 的表達(dá)量上升，這可能與腫瘤細(xì)胞適應(yīng)缺氧環(huán)境有關(guān)［15］。在小鼠中ATF4被視為一種新的軟骨細(xì)胞∕hh 信號轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，ATF4 通過控制生長板軟骨細(xì)胞的增殖分化來引導(dǎo)縱骨的生長［16］。在豬骨骼細(xì)胞中，在氨基酸缺失的情況下，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體SLC38A9 啟動子片段中ATF4 與氨基酸響應(yīng)元件結(jié)合因子的結(jié)合增加了SLC38A9的表達(dá)；加入亮氨酸后，ATF4被激活，導(dǎo)致SLC38A9表達(dá)增加［17］。最近的研究表明，ATF4在機(jī)體肥胖、能量代謝和糖代謝等方面都具有重要的調(diào)節(jié)作用。ATF 基因家族是廣泛存在于真核生物中的一類基礎(chǔ)轉(zhuǎn)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(fā)ATF4 下游一系列基因的轉(zhuǎn)錄，參與氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)、氧化應(yīng)激和能量代謝。研究發(fā)現(xiàn)ATF4在調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(lián)系［18］。

3 氨基酸調(diào)節(jié)基因表達(dá)的研究展望

研究氨基酸調(diào)節(jié)基因表達(dá)的分子機(jī)制將有助于更好地了解體內(nèi)細(xì)胞的代謝調(diào)控，已經(jīng)成為近年來的一個新領(lǐng)域。但是，還有許多問題尚需要進(jìn)一步研究探索。

3.1 目前，氨基酸調(diào)節(jié)基因表達(dá)的研究僅限于幾個特定的基因，氨基酸調(diào)控基因表達(dá)的全基因表達(dá)譜還沒有建立，但隨著DNA微陣列或基因芯片技術(shù)的發(fā)展，這個問題將會得到解決。

3.2 氨基酸限制誘導(dǎo)CHOP 基因表達(dá)的生理意義，即CHOP下游效應(yīng)物還需要進(jìn)一步研究。

3.3 ASNS 的NSRE2 可能在應(yīng)答內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的過程中起著關(guān)鍵性的作用，但是NSRE2 與ERSE共有序列不相似，因此NSRE2發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性所需要的核心核苷酸序列以及與其結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子也值得進(jìn)一步研究鑒定。

3.4 盡管哺乳動物的氨基酸調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制很相似，但多數(shù)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(jìn)行更多的研究。

3.5 由于氨基酸調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和翻譯起始的信號傳導(dǎo)途徑依然不清晰，今后將作進(jìn)一步研究。3.6 氨基酸對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)，在豬的飼養(yǎng)上有何種現(xiàn)實(shí)意義，還有待研究。例如，通過基因表達(dá)的情況來判定豬日糧氨基酸是否平衡或充足等尚需進(jìn)一步研究。■