SDC3的功能及其研究进展

汪 琴,张春雷,房兴堂,陈 宏＊,2

(1.徐州师范大学细胞与分子生物学研究所,江苏徐州 221116;2.西北农林科技大学动物科技学院,陕西省农业分子生物学重点实验室,陕西杨凌 712100)

硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)是细胞分泌的一种重要的蛋白聚糖家族,是由一个核心蛋白(core protein)分子与一个或数个糖胺聚糖通过糖苷键共价连接的线形硫酸乙酰肝素(heparan sulfate,HS链)侧链结合成的生物大分子[1]。SDC(syndecan)作为一种细胞表面乙酰硫酸肝素盐蛋白聚糖(HSPGs),与细胞间黏附、调节硫酸肝素盐联合生长因子信号传导有关[2],可以联合多种细胞外多肽,如激素、生长因子[3]等,控制能量平衡。本文仅就其中的一个调节因子SDC3研究的现状做一介绍。

1 SDC(syndecan)的基本结构及染色体定位

Syndecans由哺乳动物细胞表面所具有的跨膜HSPGs组成,多数结合于细胞表面。由于具有带负电荷的硫酸肝素(HS)侧链,使得Syndecans可以以共同受体的身份联合多种细胞外多肽,如激素、生长因子等。Syndecan的核心蛋白是由一个可变长度的氨基末端、一个跨膜区和一个短的保守的胞质区所组成。其中胞外的氨基末端又由一段信号肽、一个HS附着位点、一个可变区域和一个包含蛋白水解酶识别位点的近膜域所组成。此外,核心蛋白所包含的跨膜区和胞质区,都具有蛋白激酶磷酸化作用的结合位点以及各种各样信号分子的结合位点[4]。

人的 sdc3(syndecan-3)基因定位于 1pter-p 22.3,主要分布在神经嵴和神经元,因此主要是在大脑和外周神经系统中表达,其中包括下丘脑摄食中枢。此外,有研究发现SDC3除了在下丘脑中表达,还在卵巢和子宫中表达,并且还具有促进软骨、骨骼肌和胰脏内分泌细胞分化的作用[5]。

大量研究表明,下丘脑摄食中枢与能量平衡调控有关。有人在实验中发现禁食时,SDC3在大脑中的蛋白质表达水平增高,据此推测SDC3在中枢系统的表达与能量调控有关,但机制还不清楚。但值得注意的是SDC3可调控黑素皮质素系统的活性,而黑素皮质素系统对能量摄取、消耗和外周糖代谢有调节作用。

2 SDC3参与的信号调节过程

2.1 Syndecan-3(SDC3)的两种形式

SDC3(Syndecan-3)是刺鼠相关蛋白(AgRP)的共同受体。Syndecans是一个硫酸肝素蛋白多糖家族,参与很多生理过程,并且作为共同受体参与各种配体-受体的相互作用。Syndecans有两种形式,一种是位于细胞表面的,有利于配体-受体的相互作用;另一种是从细胞表面解离出来的游离形式的,他可以以一个单独的旁分泌方式来抑制配体和受体的作用。

在体外和体内的研究均表明,膜结合的内源性Syndecan-3和转基因Syndecan-1有助于AGRP对a-MSH的阻断作用。Syndecan-3可能是像其他类型的可溶性受体,主要以膜结合的形式发挥作用,一旦Syndecan-3从细胞膜上脱落就可能会影响AGRP的作用。例如在外周,从细胞膜表面脱落的Syndecan分子具有重要的(通常是抑制)类似旁分泌的功能。这一重要的区别显示,Syndecan-3可能会通过以下两种方式影响AGRP的信号:①通过与膜结合,有助于AGRP结合到MC4R上;②以游离的形式抑制AGRP的活性。但这些相互作用的具体性质还有待确定[5]。

2.2 SDC3参与的调节过程

有证据提示SDC3对于中枢神经系统的黑素皮质素信号系统的调控是通过作为内源性黑素皮质素(melanocortin)4(MC4)受体拮抗剂刺鼠相关蛋白(AGRP)的共同受体实现的,SDC3能够促进AGRP的拮抗作用。黑素皮质素受体(MC4R)[6]的中枢神经体重调节功能主要为抑制摄食,而刺鼠相关蛋白(AGRP)[7]是已知的一种最有力的促食欲肽,可以显著刺激采食,并且对采食有长期持续影响。

具体调节过程为:AGRP可以与黑素皮质素(MC4)的受体结合,使得黑素皮质素(MC4)与其受体结合的机会变小,所以黑素皮质素受体(MC4R)的作用就不能充分发挥,也就不能够抑制摄食。而SDC3可以促进AGRP与MC4R结合,从而增加食物摄入。

内源性表达的Syndecan-3受到能量平衡的反馈调节。在负能量平衡的时候,也就是能量摄入小于消耗时,Syndecan-3主要是以膜结合的形式存在,作为一种AGRP的共同受体,有助于AGRP的活性发挥。AGRP更有效地拮抗黑皮质素受体,从而增加食物摄入量。经过一段时间的过量进食后,能量摄入逐渐大于消耗,Syndecan-3多数裂解为游离形式的乙酰肝素蛋白多糖。因为游离形式的Syndecan-3是抑制配体和受体作用的,所以 Syndecan-3裂解之后,AGRP结合MC4R的能力就变小了,就不能增加食物摄入了。由此可以看出,正常的AGRP拮抗剂作用需要Syndecan-3[5]。

此外,最近有人研究Syndecan-3在饮食诱导肥胖中的发展[8]。野生型小鼠和syndecan-3基因敲除小鼠持续喂以40%的脂肪含量的高脂饮食或者富含营养的低脂饮食。高脂饮食的野生型小鼠增加了食物的摄入量和身体脂肪含量。但是syndecan-3基因敲除小鼠则体重下降并且脂肪含量降低。在雄性这主要是由于较少的食物摄入,而雌性则主要是由于增加了能量消耗。因此,在没有syndecan-3这种共受体的情况下,AGRP还能增加食物摄入量和体重并且降低能量消耗几乎是不可能的。

总的来说,虽然Syndecan-3调控能量平衡的精确机制还没有确定,但syndecan-3可能是通过以下的途径来调节食物摄入和能量平衡的:①促进MC4受体拮抗剂AGRP的作用;②外周组织上游离Syndecan-3的间接作用;③通过一种新的机制,调节能量消耗,但与调节食物摄入量无关。

3 SDC3的功能

Syndecan-3是最早被鉴定出的在海马区的N-syndecan,他在海马区的中枢神经系统中具有重要的功能。已经证实Syndecans和一些其它HSPG可以促进其他中枢神经系统结构细胞与细胞间的相互作用。因此,以下就是Syndecan-3在中枢神经系统中控制摄食的潜在作用的讨论。Ofer Reizes等人推测syndecan-3很可能在下丘脑中调节神经突触的变化,并且可能调节黑皮质素调控信号和能量平衡机制[5]。

Ofer Reizes等人提出,Syndecan-3通过调节突触的形成和突触的功能来促进AGRP和其他一些神经肽的作用。因为Syndecan-3 C端的四个氨基酸(EFYA)是一个II型PDZ结构域的结合位点。PDZ结构域是最重要的蛋白质相互作用结构域之一,其最初的名称是“突触前密度蛋白”。PDZ结构域参与多种重要的生物学过程,如细胞信号转导、细胞分裂、蛋白质运输、蛋白质降解、细胞骨架组织和基因表达等。PDZ结构域与配体蛋白相互作用的一个突出特点就是特异性地识别和结合配体蛋白C末端的4个氨基酸残基[9]。作为AGRP的共同受体,Syndecan-3在负能量平衡的时候高效表达并结合到细胞表面。增加进食后,大概是由于较高的血浆瘦素和胰岛素,Syndecan-3从细胞表面裂解。这个裂解可能会改变突触前末梢的结构,降低AGRP拮抗MC4R的能力。

因为裂解过程是很快速的,所以Syndecan-3(或者其他一些不确定的基体分子)可能会调节这种兴奋性突触或者抑制性突触在结构和数量上的瞬间变化。也就是说,与过去的直接增强促进食欲信号不同的是,现在这个系统可能是通过中枢神经系统可塑性的结构机制来改变信号的强弱。

4 SDC3基因的研究进展

牛syndecan-3(sdc3)基因位于2号染色体,共编码442个氨基酸。目前关于Syndecan-3(sdc3)基因的研究都集中在小鼠和人上,在牛上还未见相关报道。2006年,Eunyoung Ha等人对 syndecan-3 (sdc3)基因单核苷酸多态性与肥胖进行了关联分析[10]。同年,Ofer Reizes等人研究了 Syndecan-3在黑皮质素调控能量平衡方面的重要作用,介绍了Syndecan-3的结构和功能,如何控制摄食行为以及一系列猜想[5]。接着2007年,有人研究了在人上性别特异性高胆固醇血症与syndecan-3(SDC3)基因C1330T多态性的关联,研究结果表明sdc3基因多态性可能对血脂代谢起作用,而这种作用可能受到性别的影响,推测SDC3的活性可能对性激素敏感[3]。2009年,Andreas N.Schǜring等人研究报道了syndecan-3基因多态性在肥胖和女性雄激素增多症方面的重要作用[11]。

5 展望

SDC3在能量平衡方面具有如此重要的作用,有研究发现在韩国人中SDC3的多态性和肥胖相关。所以我们可以以该基因作为候选基因,利用SSCP、RFLP、RAPD、VNT R和mtDNA等分子遗传标记技术研究其在动物遗传育种上的作用[12]。目前,建立在DNA序列基础上的分子标记以其多态性具有共显性、不受环境和发育阶段的影响等优点,已在畜禽遗传育种中引起广泛关注[13]。

由于标记基因很可能在限性性状、屠体性状、繁殖性状和抗病性状的辅助选择和主基因定位等方面取得突破进展,由此为分子遗传学和数量遗传学利用分子技术对数量性状进行遗传操纵和改良开辟一个新的领域。

[1] 谢强.HSPG和无HS-GAGs链HSPG体外抗乳腺癌的研究[J].基础研究,2009,14(6):617-622.

[2] Anne Woods.Syndecans:sy nergistic activators of cell adhesion [J].trends in CELL BIOLOG Y,1998,8:189-192.

[3] 王剑虹,李卫菊.性别特异性高胆固醇血症与Syndecan-3 (SDC3)基因C1330T多态性的关联研究[J].中国比较医学杂志,2007,17(9):501-505.

[4] Ofer Reizes.A role for syndecan-3 in the melanoco rtin regulationof energy balance[J].peptides,2006,27:274-280.

[5] Ofer Reizes.Transgenic Expression of Syndecan-1 U ncovers a Physiological Control of Feeding Behavior by Syndecan-3[J]. Cell,2001,106:105-116.

[6] K.Piorkowska.Association of the melanocortin-4 receptor (MC4R)with feed intake,growth,fatness and carcass composition in pig s raised in Poland[J].Meat Science,2010,85:297-301.

[7] Roger A.H.Adan.AgRP,physiological role of an inverse agonist[J].International Cong ress Series,2003,1249:195-206. [8] April D.Strader.Mice lacking the syndecan-3 gene are resistant to diet-induced obesity[J].The Journal of Clinical Investigation,2004,114:1354-1360.

[9] 马素参.验证性筛选 PDZ结构域结合配体文库快速研究HtrA2/Omi PDZ结构域的结合特性[J].中国科学,2007,37: 107-116.

[10] Eunyoung Ha.Positive Association of Obesity with Single Nucleotide Polymorphisms of Sy ndecan 3 in the Korean Population[J].The Journal of Clinical Endocrinology&Metabolism, 2006,91(12):5095-5099.

[11] Andreas N.Schǜring.Role of syndecan-3 polymo rphisms in obesityand female hyperandrogenism[J].Mol Med,2009,87: 1241-1250.

[12] 田万强.分子遗传标记与家畜育种进展[J].中国牛业科学, 2008,34(5):40-43.

[13] 李伟.SNP技术及其在畜牧业中的应用[J].黑龙江动物繁殖,2009,17(6):11-12.