Krüppel样因子4基因表达调控的研究进展

马国燕 卢 静 (邯郸市中心医院生殖医学科，河北 邯郸 056001)

Krüppel样因子(KLFs)家族属于真核生物中含锌指结构转录因子家族。该家族成员在多种细胞系中均有表达，主要参与细胞生长、增殖、分化及凋亡等多个生命活动的调控。Krüppel样因子4(KLF4)是KLF家族中研究较多的成员之一。随着对KLF4研究的不断深入，该蛋白的生物学功能以及与肿瘤、心血管疾病等老年人常患疾病的关系已经逐渐明确。由于KLF4蛋白在众多疾病中均有重要作用，本文对KLF4基因表达调控的研究进展进行综述。

1 KLF4的结构及功能特征

KLF4又称胃肠富集Krüppel样因子(GKLF)或表皮锌指因子(EZF)。该蛋白常见表达于胃肠道上皮，并由Yet等〔1〕在1998年首次克隆出人的KLF4基因。KLF4的羧基末端具有一个DNA结合结构域，含有3个C2H2锌指结构，由81个高度保守的氨基酸形成，与GC盒或CACCC元件有高度的亲和性，主要识别并结合靶基因启动子区富含GC的DNA序列〔2〕。在KLF4氨基端含有高度变异的转录调节结构域，在91～117位氨基酸残基之间含有一个转录激活结构域，富含脯氨酸和丝氨酸，而在181～388位氨基酸残基之间存在转录抑制结构域，富含脯氨酸，表明KLF4具有激活基因转录和抑制基因转录两种方式，并发挥不同的转录调节功能。

2 KLF4的组织分布及功能

在胚胎发育过程中KLF4到胚胎发育的后期才有较高的表达水平。在成熟的组织中，KLF4主要在消化道、口腔、食管上皮、皮肤表皮、血管内皮及胸腺上皮中表达〔3，4〕。在上皮的各层中，KLF4在上层分化细胞中表达较高，而在基底层生长迅速的细胞中表达很低。在收缩表型(分化型)血管平滑肌细胞(VSMC)中KLF4通常不表达〔5〕，但血管受到损伤后，VSMC发生表型转变，KLF4表达水平会迅速升高〔6〕。

VSMC的表型转化是高血压、动脉粥样硬化和血管再狭窄等血管重塑性疾病的主要细胞病理学基础。KLF4在VSMC表型转化中发挥了重要的作用。KLF4通过与VSMC分化标志基因的启动子结合而激活分化标志基因的表达，抑制去分化标志基因SMemb的表达，参与了ATRA诱导VSMC的分化。KLF4能结合于SMα-actin以及SM22α基因启动子的TCE元件，抑制TGF-β1对VSMC分化标志基因表达的诱导作用〔7〕。

KLF4通过使细胞周期停滞在G1/S和G2/M期抑制细胞的增殖〔8〕。KLF4 通过 p53 抑制 VSMC 增殖〔9〕。KLF4 可与p21WAF1/Cip1基因启动子上富含GC的特异的顺式作用元件作用，反式激活细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂p21WAF1/Cip1蛋白，上调该蛋白的表达，使细胞周期受到阻止，抑制细胞增殖〔10〕。相反，KLF4 又可抑制细胞周期蛋白 cyclinB1〔11〕和 cyclinD1〔12〕基因的启动子，下调cyclinB1与cyclinD1蛋白的表达，使细胞周期阻滞于G2/M期，抑制细胞增殖并促进细胞凋亡。

KLF4在细胞的增殖及分化中发挥着重要的作用。KLF4在皮肤癌、T细胞白血病、食管癌、胃癌、结肠癌、膀胱癌以及宫颈癌等多种肿瘤〔13～16〕中表达下调。过表达KLF4可以抑制肿瘤细胞的增殖，促进肿瘤细胞凋亡，明显减少人类结肠癌的发生〔17〕。但是在发育异常的口腔上皮、鳞状细胞癌及大多数乳腺癌中KLF4基因呈高表达状态〔18〕，这表明KLF4既可以表现为抑癌基因也可以表现为癌基因。

3 各种因素调控KLF4的表达

目前对KLF4调控靶基因的研究较多，已证实的可被KLF4激活的有 p21WAF1/Cip1、γ球蛋白、CD24及角蛋白 4和9〔19～22〕等基因的启动子，可被 KLF4 抑制的有 β 球蛋白〔22〕、cyclinD1、cyclinB1、细胞色素 P450〔23〕及 p53〔24〕等。而对 KLF4 基因自身的表达调控以及相关的信号通路研究尚少，但是通过对GKLF基因上游的调控序列分析，发现它含有Sp1、AP1、CDX、GATA、USF等多种转录因子的结合位点和KLF4自身的顺式作用元件，提示这些转录因子可能调控KLF4的表达，但是尽管KLF4启动子上也存在很多GATA蛋白的顺式作用元件，但是GATA因子对GKLF启动子没有影响〔23〕。

3.1 KLF4参与自我调控 KLF4基因的典型的结构特点是在其5'端附近富含GC的DNA序列，而KLF4含有锌指结构，主要与DNA的CACCC元件结合，能够识别和结合富含GC的序列，所以能够直接和自身基因的TATA盒5'末端的三个GC盒相互作用，从而序列特异性地反式激活自身的启动子，作为顺式作用元件调节自身的转录，KLF4能够和这三个GC盒结合，突变一个或多个GC盒位点都会导致KLF4反式激活启动子的能力降低〔24〕。

3.2 KLF4与KLF5对KLF4基因启动子的相反作用 KLF4和KLF5是Krüppel样转录因子KLFs家族中密切相关的两个转录因子，均在小肠上皮表达，KLF4主要在终末分化的绒毛细胞中表达，而KLF5主要在增生的隐窝细胞中表达，表现相反的生物学效应。Dang等〔25〕人的研究证实，在KLF4基因的启动子区含有KLF4和KLF5的结合位点，二者都能够与同一个顺式作用元件CACCC结合，可以竞争性结合于此位点。KLF4和KLF5在对KLF4的表达上有相反的生物学功能，KLF4激活其自身启动子的活性，KLF5抑制KLF4基因启动子的活性〔25〕。KLF4和KLF5在组织的表达分布和对KLF4启动子活性的对立影响，为二者协调参与胃肠上皮细胞的增殖和分化提供了基础〔25〕。

3.3 KLF4在人结肠癌细胞株RKO中的表达依赖于CDX2结肠腺瘤性息肉病(APC)基因可以诱导KLF4的表达〔26〕，在家族性多发性腺瘤(FAP)患者，由于抑癌基因APC的功能丢失，导致KLF4的表达明显下调。尾型同源核转录因子CDX-2是肠道上皮特异性表达转录因子，增强肠上皮细胞的CDX2表达能够延迟细胞生长和诱导细胞分化。在KLF4启动子上有一个CDX2的结合位点，CDX2可以反式激活KLF4启动子。但是野生型的CDX2能够激活KLF4启动子，而突变的CDX2抑制野生型CDX-2对KLF4启动子的活化，表现为负效应〔27〕。在几种人结肠癌细胞系中，RKO细胞中的KLF4表达最低，因为RKO细胞有一个CDX2的突变等位基因，导致蛋白羧基端读框移位。通过对人结肠癌细胞系RKO的研究发现，结肠腺瘤性息肉病(APC)基因诱导KLF4的表达需要依赖CDX2激活KLF4的启动子〔27〕。

3.4 PDGF-BB诱导平滑肌的表型转化过程中SP1活化KLF4血小板源性生长因子(PDGF)可刺激VSMC发生表型转化。PDGF-BB可诱导KLF4的表达，在VSMC分化中发挥重要的作用。在KLF4启动子区含有3个SP1的结合位点，用一系列截短的KLF4启动子，发现只有含有SP1结合位点的片段才可以被PDGF-BB活化〔28〕。另外，过表达SP1可以增加KLF4启动子的活性。而且用SP1特异性的小干扰RNA抑制内源性SP1的表达后，明显减弱PDGF-BB对KLF4表达的影响〔28〕。突变KLF4启动子上的3个SP1结合位点也可以明显减弱PDGF-BB对KLF4表达的影响〔28〕。这些结果均表明，PDGF-BB体外刺激或者血管受到损伤时都可以增加SP1与KLF4启动子区的结合。这些结果表明SP1能够直接结合到KLF4启动子区调节KLF4基因的表达。因此，在血管损伤诱导SMC表型转化过程中，至少部分是通过SP1上调KLF4的表达发生作用的〔28〕。

3.5 TGF-β1诱导KLF4表达 转化生长因子 β1(TGF-β1)是一类多肽类生长因子，具有多种生物学功能，通过与受体TβRI(TGF-β type I receptor)或 TβRⅡ(TGF-β type Ⅱ receptor，TβRⅡ)相互作用调节细胞的生长、分化和凋亡〔29〕。研究发现，在VSMC表型转化过程中，TGF-β1能够显著诱导 KLF4的表达〔30〕，TGF-β1也可以诱导VSMC标志基因的表达。但是TGF-β1诱导KLF4表达的具体机制尚不清楚。

3.6 Notch对KLF4启动子的活性的抑制 Notch通路在调节多种细胞的分化过程中发挥着重要的作用，在小鼠的胃肠道杯状细胞分化过程中，通过抑制KLF4基因从而调节杯状细胞分化〔31〕。但是Notch并不直接抑制KLF4的表达，可能是通过与ICN1(ICN1，a COOH-terminal region of human Notch1)效应元件结合的转录因子发挥间接作用。ICN1效应元件在启动子上游151和122间的核苷酸，能与KLF4启动子上ICN1效应元件相结合的转录因子FoxD3可能介导Notch对KLF4的抑制。然而，Notch和FoxD3之间的关系仍然不清楚，Notch信号通路可能直接或间接地调节FoxD3。FoxD3与KLF4启动子上ICN1效应元件的结合，FoxD3对KLF4的调节目前仍不十分明确。研究发现，在肠上皮细胞Notch信号抑制KLF4表达〔32〕。在肠肿瘤和结直肠癌细胞中Notch表达上调，抑制Notch能够上调KLF4的表达，促进杯状细胞的分化，抑制增殖和肿瘤的形成。

3.7 在VSMC中维甲酸衍生物ATRA诱导KLF4表达 全反式维甲酸(all-trans retinoic acid，ATRA)通过与胞内受体RAR/RXR作用在多种细胞的生长、增殖、分化及凋亡过程中发挥着重要的调节作用。ATRA能够促进体外培养的VSMC由去分化型向分化型转变。研究发现，ATRA呈时间依赖性和剂量依赖性诱导KLF4的表达〔33〕。但是对ATRA调控KLF4基因表达的分子机制尚不清楚。

3.8 炎症因子诱导KLF4表达，抗炎因子抑制KLF4表达 在巨噬细胞中，干扰素-γ(IFN-γ)，脂多糖(LPS)及肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等炎性细胞因子可以显著诱导 KLF4表达〔34〕，促进巨噬细胞的激活，一些抗炎因子如TGF-β1能减轻炎症反应，抑制KLF4的表达。Chen等发现在结肠癌细胞中，IFN-γ能够上调KLF4的表达，抑制结肠癌细胞的生长，促进结肠癌细胞的凋亡〔35〕。

3.9 某些化学物质上调KLF4的表达

3.9.1 在结肠癌细胞中，丁酸盐反式激活KLF4 KLF4在结肠癌中表现的一些生理学性质与短链脂肪酸相似，在HT-29细胞中，丁酸盐能够诱导KLF4 mRNA的表达，反式激活KLF4启动子活性〔36〕。丁酸盐对KLF4的反式激活可能是通过与KLF4启动子上SP1结合区相互作用，也可能参与组蛋白的乙酰化作用〔36〕。在KLF4启动子上游109和91间共有序列SP1的结合区，含有丁酸盐反应元件。在结肠癌中，KLF4是丁酸盐下游区的效应器，调节生长抑制效应〔36〕。

3.9.2 硒在生长抑制中，KLF4是硒的一个新的介质 给予硒可以有效降低前列腺癌的发生率，抑制前列腺癌细胞的生长。在前列腺癌细胞中，硒上调KLF4的表达，并且增加KLF4的DNA结合活性〔37〕。用小干扰RNA敲低KLF4表达明显减弱硒在抑制DNA合成，诱导凋亡，以及上调3个KLF4靶基因cyclinD1，p21/WAF1和 p27/Kip1的表达方面的作用〔37〕。因此，KLF4在硒抑制前列腺癌细胞生长中起了关键作用，是硒的一个重要的靶点。

3.9.3 环孢素A(CSA)上调KLF4表达 CSA免疫抑制与高风险的动脉移植，冠脉疾病，高血压，高血脂相关，CSA能够抑制培养的血管平滑肌细胞的增殖和体内损伤后的血管新生内膜形成。在VSMC中，CSA也下调VSMC的分化标志基因，而上调细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂-1A(CDKN1A)和基质金属蛋白酶3(MMP3)。CSA上调KLF4的表达，促进VSMC的表型调节〔38〕。

综上，KLF4的表达受多种因素的精密调控。尽管目前对KLF4基因表达调控的研究在逐渐增多，但对于KLF4调控的各种因素如何在体内相互作用并共同调控KLF4基因的表达仍需进一步研究。

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