基于PGC-1α的外周生物時鐘和能量代謝整合調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分子機制研究.pdf

1、地球的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了晝夜交替循環(huán)，為了適應這一環(huán)境變化，哺乳動物體內(nèi)進化出生物時鐘系統(tǒng)，控制著各項生理進程，如睡眠周期、血壓、血液激素水平及能量代謝等，使之呈現(xiàn)出以24小時(hours，h)為周期的節(jié)律性變化。哺乳動物的生物時鐘主要可分為中樞性生物時鐘和外周性生物時鐘兩類。中樞性生物時鐘位于下丘腦視交叉上核神經(jīng)元(hypothalamus suprachiasmatic nucleus，SCN)，它能整合外界環(huán)境中的光/非光信號，產(chǎn)生節(jié)律性

2、輸出，經(jīng)神經(jīng)內(nèi)分泌和體液循環(huán)通路，影響外周組織的生理進程，同時協(xié)調(diào)外周性生物鐘。通常情況下，中樞和外周生物時鐘的運作是同步偶聯(lián)的，使得機體能量利用率達到最優(yōu)狀態(tài)，以適應外界光線和進食周期等環(huán)境因素的改變。
　　近年來研究證實，神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝系統(tǒng)受到時鐘節(jié)律的精確調(diào)控。哺乳動物體內(nèi)，約43％的基因呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性表達，其中有許多基因負責編碼在代謝過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄輔因子/因子和酶類，因此導致體內(nèi)多種代謝進程（比如肝糖異生，膽

3、酸合成等）也呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性。而且，許多核心生物時鐘基因（如Bmal1、RORα等）自身具有重要的代謝調(diào)控功能。相反，營養(yǎng)信號的改變，如高脂飲食，可以重設(shè)機體外周性生物時鐘，使得外周性生物時鐘與中樞性生物時鐘解偶聯(lián)，從而導致一系列代謝性疾病的發(fā)生。因此，生物時鐘和能量代謝之間存在著緊密聯(lián)系，這兩者的整合機制目前已得到部分闡明。簡而言之，目前公認的整合模式有兩種:a.以核受體、代謝物、轉(zhuǎn)錄輔因子/因子等為節(jié)點，同時調(diào)控時鐘和能量代謝進程，

4、促使二者的整合，即“并聯(lián)型”整合模式;b.鐘控基因（clock-controlled genes，CCGs）承接生物鐘信號，并作為下游效應器進而調(diào)控代謝進程，線性化促使二者整合，即“串聯(lián)型”整合模式。
　　值得一提的是，過氧化物酶體增殖子活化受體γ共激活因子-1α(peroxisomeproliferator activated receptorγcoactivator1α，PGC-1α)作為一個重要的能量代謝調(diào)控因子，能以“并聯(lián)

5、型”整合模式，協(xié)同調(diào)控肝臟的生物時鐘與能量代謝進程。PGC-1α的表達高度受控于環(huán)境刺激和營養(yǎng)信號，一旦被誘導，它就能夠和多種核轉(zhuǎn)錄因子（如PPARα/β/γ/δ、ERRα/β/γ、HNF4α等）相互作用，激活下游的多種代謝通路，包括促進線粒體增殖和褐色脂肪組織的適應性產(chǎn)熱、饑餓時的肝糖異生等，從而使生物體對外界刺激信號作出靈敏的反應。然而，PGC-1α是一個位處相對上游的樞紐分子，對PGC-1α進行調(diào)控會產(chǎn)生“牽一發(fā)而動全身”的效果，

6、其調(diào)控的特異性和安全性大打折扣。有鑒于此，我們需要尋找PGC-1α的分子伴侶或受PGC-1α調(diào)控的下游分子，闡明它們的組織特異性的時鐘和代謝調(diào)控功能，從而實現(xiàn)更加高效地調(diào)控。
　　為了實現(xiàn)上述目標，本研究以PGC-1α為基點，篩選出其分子伴侶Smarcd1和其下游基因Vanin-1(VNN1)，并深入研究了它們的時鐘和代謝整合功能。研究分為兩部分，第一部分主要探究Smarcd1在整合血管平滑肌細胞(vascularsmooth m

7、uscle cell, VSMCs)生物時鐘和生理穩(wěn)態(tài)過程中所起的作用;第二部分旨在闡明VNN1在承接時鐘信號，進而調(diào)控肝臟糖異生過程中所扮演的角色。
　　我們的研究發(fā)現(xiàn)Smarcd1在大鼠VSMCs中呈現(xiàn)出振蕩性表達，其表達振幅被體內(nèi)高脂飲食(high fat diet，HFD)信號以及體外游離脂肪酸(free fatty acids，F(xiàn)FAs)刺激所抑制。分子水平實驗證實，Smarcd1與RORα結(jié)合，協(xié)同激活bmal1啟動子

8、的轉(zhuǎn)錄活性，且二者的結(jié)合由PGC-1α所介導。在VSMCs的生理功能方面，我們發(fā)現(xiàn)過表達Smarcd1，能夠顯著抑制FFAs所誘導的VSMCs增殖、遷移及黏附，同時抑制Erk/MAPK以及Akt磷酸化水平。并且，Smarcd1的這些效應會被Bmal1的敲降所減弱。綜上所述，Smarcd1在協(xié)同調(diào)節(jié)VSMCs的生物時鐘和生理功能穩(wěn)態(tài)方面扮演著重要的角色。
　　另一方面，PGC-1α下游基因VNN1能夠響應時鐘信號，在小鼠肝臟中呈現(xiàn)節(jié)

9、律性表達。代謝方面，在饑餓或者胰島素(Insulin)抵抗的小鼠肝臟中，VNN1的表達顯著升高。過表達VNN1能夠通過調(diào)節(jié)Insulin/Akt信號通路，提高糖異生基因表達和肝臟葡萄糖生成，導致高血糖癥狀的出現(xiàn)。在分子水平上，PGC-1α和HNF4α協(xié)同激活vnn1的轉(zhuǎn)錄。ChIP實驗表明PGC-1α錨定在vnn1近端啟動子的HNF4α結(jié)合位點附近，并且使染色體結(jié)構(gòu)進入活躍狀態(tài)。由此可見，VNN1能響應時鐘信號，并作為下游效應器調(diào)節(jié)肝臟