转录因子KLF家族的结构、功能及调控机制研究进展

杨堤贻，张子敬，王大会，安清明，王二耀，王献伟，雷初朝，陈 宏，黄永震

(1.西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100； 2.河南省农业科学院 畜牧兽医研究所，河南 郑州 450002；3.铜仁学院 农林工程与规划学院，贵州 铜仁 554300； 4.河南省畜牧总站，河南 郑州 450008)

KLF家族(Krüppel-like factors)最早于果蝇胚胎的发育调控因子Krüppel上被发现[1]，是真核生物的一类基础转录因子(Basic transcription element-binding protein，BTEB)[2]。到目前为止，在人类基因组中共识别出18种KLF家族成员，按其被发现的先后顺序分别命名为KLF1—KLF18[3]。KLF家族成员通过调节富含GC和CACCC启动子的基因的表达，在细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡、血管生成、脂肪形成、个体发育、肿瘤生成、胚胎干细胞发育以及维持系统和组织稳态中均发挥着特殊且重要的作用[4]。KLF家族每个成员在细胞中具有不同的生物学功能，许多报道指出KLF蛋白的表达异常可能与多种疾病的发生密切相关，但具体的分子机制仍有待于进一步研究明确。因此，对KLF家族转录因子的结构以及KLF3、KLF5、KLF6、KLF7、KLF8、KLF14、KLF15的功能及表达调控机制的相关研究进行综述，以期为未来深入研究KLF家族转录因子的作用和相关疾病的分子机制提供参考。

1 KLF家族转录因子的结构

KLF家族在结构上具有相似性，都有1个位于羧基末端的DNA结合区和1个位于氨基末端的转录调控区，其DNA结合区高度保守，而转录调控区高度可变。所有KLF家族成员的C-端都包含3个保守的Cys2/His2锌指结构，且每个锌指结构都具有固定的长度，即锌指结构1和锌指结构2均有23个氨基酸残基，锌指结构3有21个氨基酸残基。锌指结构能够使KLF家族成员特异性识别DNA序列中的CACCC元件或GC-box，并能够直接与细胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、细胞周期蛋白B(Cyclin B)、血小板衍生生长因子(PDGFA)、FGF结合蛋白(FGF-BP)等重要的靶基因调控区域结合，从而实现其生物学功能。KLF家族成员的N-末端是其功能域，通常起转录调控的作用，且不同成员之间具有很大的差异。是什么机制使得KLF家族成员之间具有不同的临床意义？首先，KLF家族各成员的基因在不同染色体上随机分布，其表达往往高度依赖细胞和环境，如细胞类型和环境因子等；其次，KLF家族各成员的N-末端大都不同，它们能够结合多种激活因子和抑制因子，促成KLF家族成员功能的多样性[5]。

2 KLF家族转录因子的功能及调控

2.1 KLF3对脂肪细胞分化的影响

脂肪是机体供能和储能的关键物质，研究表明，脂肪细胞的分化是一个精准调控的过程，KLF家族中有多个成员参与脂肪细胞分化的调控，KLF家族成员基因是脂肪形成中的关键因素，它们对脂肪细胞的分化过程有很重要的调节作用[6]。例如，Klf3在哺乳动物脂肪细胞分化中具有抑制作用[7]。SUE等[8]研究表明，敲除Klf3基因后，小鼠的出生率明显降低，且出生后的小鼠(Klf3-/-型)体型明显小于对照组小鼠，脂肪块也明显缩小，白色脂肪的生成受到影响。GROOTECLAES等[9]研究表明，KLF3对脂肪的分化具有明显的抑制作用，KLF3通过与辅助抑制因子CtPB结合，形成KLF3-CtBP复合体，能够与CCAAT增强子结合蛋白α(C/EBPα)基因的启动子相结合，抑制C/EBPα的表达，从而抑制脂肪细胞的分化，发挥转录调控作用。3T3-L1细胞系试验也证明了KLF3是脂肪细胞分化的负转录调控因子[8]。此外，王海霞等[10]对肉鸡进行研究发现，2～10周龄肉鸡腹部的脂肪较多处有Klf3基因的表达；并且在体外培养的前脂肪细胞中，Klf3基因的表达量极显著高于成熟脂肪细胞(P<0.01)；但当用油酸诱导鸡脂肪细胞分化一段时间以后，过表达Klf3基因的脂肪细胞中脂滴呈现减少的趋势，这都暗示了KLF3与脂肪形成有关。Klf3基因对禽类和哺乳类动物脂肪细胞的分化具有抑制作用，而它对脂肪细胞分化的抑制作用可能是通过抑制C/EBPα和FAS基因的表达来实现的。

2.2 KLF5对脂肪形成与肌肉再生的影响

KLF5也能够参与脂肪的形成，是脂肪细胞分化正转录调控的关键因子。过氧化物酶体增殖物激活受体γ2(Peroxisome proliferators-activated receptors γ2，PPARγ2)也是脂肪细胞分化过程中的关键转录调控因子，与KLF5具有协同作用[11]。OISHI[12]等以小鼠为模型，验证了KLF5对脂肪细胞分化的促进作用，主要表现在Klf5-/-型小鼠的白色脂肪细胞缺失明显；同时，对Klf5-/-型小鼠进行高热量饲喂后，其体质量的增幅仍远小于正常小鼠。因此，Klf5基因的显性失活突变体能够抑制脂肪细胞的分化，而在没有激素的调节下，过表达Klf5基因依旧可以引发脂肪细胞的分化。KLF5作用的分子机制为：C/EBPβ和C/EBPδ的表达产物能够激活Klf5基因的表达，Klf5基因进一步激活PPARγ2的表达，最终诱导脂肪细胞的分化。此外，KLF5还可通过与胆固醇调节元件结合蛋白1(SREBP1)发生互作，诱导脂肪酸合酶表达，从而促进脂肪细胞的分化[13]。除KLF3和KLF5外，KLF家族中还有许多成员可以促进或抑制脂肪细胞的形成，它们共同构成了一个复杂的调节网络。

骨骼肌是哺乳动物运动和能量代谢的主要器官，具有显著的损伤修复和再生能力。在胚胎发育的过程中，起源于体细胞的间充质祖细胞经过多步分化形成骨骼肌[14]。肌原性调节因子家族(Myogenic regulatory factors，MRFs)成员控制着动物机体骨骼肌的早期发育，同时也控制着出生后动物机体肌肉的再生途径[15-16]。这些MRF包括肌源性的碱性螺旋-环-螺旋型的生肌决定因子MyoD和Myf5，它们能够与骨骼肌特异性基因的调控区域结合，并级联启动分化[15]。此后，MyoD与肌原蛋白和MRF4发生协同作用，并通过前馈机制上调靶基因的表达，来调控肌细胞的终末分化[17]。研究发现，KLF5通过与MyoD和肌细胞增强因子2(MEF2)的协同作用，来调控肌肉的特异性基因，继而调控肌肉的分化和再生[15]。在心肌损伤后的肌肉再生过程中，Klf5基因在成肌细胞和新生成肌纤维分化过程中的表达量上调，并被聚集到MyoD结合位点。有趣的是，在Klf5基因缺失的条件下，它与MyoD结合位点的关联性大大降低，进一步表明这2种转录因子间的合作关系密切。

2.3 KLF6对肝脏发育的影响

KLF6在动物胎儿肝脏发育的过程中起着至关重要的作用[18]，哺乳动物肝脏器官的发育依赖于血管的发育和造血功能的完善，研究发现，Klf6基因的全身性缺失对于胚胎期12.5日龄的小鼠是致命的，或者可能造成小鼠胚胎的造血功能明显下降、卵黄囊血管化组织不良以及肝脏的明显缺失等[19-20]。在对斑马鱼的研究中，Klf6-/-型胚胎干细胞在分化为类胚体后，表现出的造血功能缺陷与早期胚胎的细胞表型一致，并且最终不能分化成肝脏细胞[21]，表明KLF6在动物肝脏等内胚层衍生器官的发育中是必不可少的。

2.4 KLF7对神经系统发育和肌肉再生的影响

KLF7具有调控机体神经元发育、促进神经再生和轴突生长的重要功能。在小鼠的中枢神经系统和外周神经系统中，KLF7主要包括3个独立的高表达阶段：第1个阶段是小鼠胚胎发育的早期，此时也是小鼠胚胎脊髓神经元形成的阶段；第2个阶段是出生后，KLF7在小鼠大脑皮质中首先发生高表达，随后表达量慢慢下降，此时也是小鼠大脑皮层突触形成及发育成熟的阶段；第3个阶段是KLF7在小鼠小脑以及背根神经节中呈现高表达，此时也是成体动物维持感觉神经元和小脑颗粒细胞功能的阶段[22]。因此，KLF7在动物神经系统发育的过程中发挥着重要作用。

KLF7在控制嗅球、中脑和大脑皮质、脑室下区的轴突生长过程中也具有关键作用。研究发现，在Klf7-/-型小鼠的嗅球神经元中，酪氨酸羟化酶和多巴胺受体的含量明显少于野生型小鼠[23]，这表明Klf7基因在动物嗅球多巴胺神经元的发育中是必不可少的。BLACKMORE等[24]研究发现，在人的皮质脊髓束中，当轴突再生时可以检测到Klf7基因的表达量升高，在轴突发育的过程中Klf7基因的表达量下降。

KLF7具有促进动物肌肉再生的能力。损伤的骨骼肌可以通过激活、增殖和分化卫星细胞来进行修复，而KLF7能够通过激活细胞周期蛋白依靠性激酶抑制剂p21基因的表达来维持卫星细胞的体外静止[25]。Klf7基因的表达则可通过TGF-β和Notch信号转导途径来增强。因此，推测KLF7在肌肉再生中具有关键作用，但KLF7维持卫星细胞静止状态的具体机制，还需要在动物体内环境中得到进一步验证。

2.5 KLF8对癌症发生的影响

癌症作为世界五大绝症之一，是全世界人类最大的致死病因。目前，已知Klf8基因在肝癌、胃癌、乳腺癌等癌症组织中均有表达。研究表明，Klf8基因在胃癌组织中的表达量显著高于正常组织(P<0.05)，且其表达情况与淋巴结的浸润、转移和肿瘤的大小密切相关[26]；若使用siRNA抑制Klf8基因表达，胃癌细胞的扩散速率显著降低，暗示Klf8可能是治疗胃癌的潜在靶基因[27]。此外，Klf8基因的过表达能够促进肝癌细胞的扩散和转移能力[28]；同时有研究表明，肝癌组织中KLF8蛋白的表达量极显著高于正常的肝细胞组织(P<0.01)[29]，进一步说明了KLF8在癌症的发生中具有重要作用。

Klf8是黏着斑激酶(Focal adhesion kinase，FAK)的靶基因，当FAK激活肿瘤细胞中P13K-Akt信号通路后，可通过提高Klf8基因的表达量来发挥作用[30]。因此，Klf8基因在组织中的高表达，对肿瘤的发生和扩散具有促进作用，而siRNA作为Klf8基因表达的干扰剂，为癌症的治疗提供了新思路。

2.6 KLF14对胆固醇逆向转运的影响

载脂蛋白A-Ⅰ(ApoA-Ⅰ)是高密度脂蛋白(HDL)的主要蛋白质组分，主要负责胆固醇逆向转运(Reverse cholesterol transport，RCT)，从而使胆固醇通过HDL从外周组织转运回肝脏[31]。Klf14基因在血脂异常小鼠肝脏模型中的表达水平降低，表明Klf14基因的表达可能与胆固醇逆向转运有关。BUCKINGHAM等[14]发现，在人肝脏中过表达Klf14基因可以激活肝脏ApoA-Ⅰ的转运，提高血浆HDL胆固醇水平，降低血液中胆固醇含量;相反，Klf14基因的缺失会降低肝脏HDL胆固醇水平。

全基因组关联研究表明，Klf14基因位点附近的变异与HDL胆固醇水平、冠心病、代谢综合征有关[31]，对Klf14基因的控制及干预是治疗和预防人类血脂异常和心血管疾病的有效方法，也是当前研究的热点。GUO等[31]通过药物筛选，确定派克昔林是Klf14基因表达的激活剂。派克昔林是一种能够通过抑制线粒体中肉碱棕榈酰转移酶-1(CPT-1)的表达来发挥作用的预防性抗心绞痛药物,在Apoe-/-型小鼠中，派克昔林可提高HDL胆固醇和ApoA-Ⅰ水平，抑制动脉粥样硬化。

2.7 KLF15对肝脏脂质代谢的影响

成人肝脏具有调节脂质代谢的功能，肝脏中的Klf15基因能够参与糖异生和肝脏脂质代谢过程。研究表明，Klf15基因的缺失能够改善在高脂饮食(High-fat diet，HFD)影响下小鼠的胰岛素抵抗，但不会影响伴随胰岛素抵抗的内质网应激和肝脏炎症反应；敲除由腺病毒介导的小鼠肝脏Klf15基因的表达，能够在不影响伴随胰岛素抵抗的内质网应激和肝脏炎症反应的情况下，改善HFD小鼠肝脏内质网应激标志物的水平[32]，因此，以Klf15基因作为靶点的基因干预可以改善HFD诱导的胰岛素抵抗。此外，当内质网应激被激活后，在诱发肝脏脂肪变性和胰岛素抵抗时，Klf15-/-型小鼠的肝应激反应会显著降低。然而，抑制Klf15基因可促进C-Jun氨基末端激酶(C-Jun N-terminal kinase，JNK)磷酸化的表达。因此，Klf15基因的缺失会导致HFD肥胖症患者的胰岛素抵抗和脂肪变性、内质网应激及炎症反应的解偶联。在Klf15-/-型小鼠中，增强脂肪酸氧化能够抑制mTORC1信号通路，从而抑制肝脏的脂肪变性[33-34]。但JUNG等[32]提出，Klf15基因激活mTORC1信号通路的机制尚不完全清楚，仍有待进一步研究。现有结果均表明，Klf15基因是调节肝脏代谢的关键因子，干扰Klf15基因的表达可能会导致HFD诱导的肝脏病变发生改变。

KLF15作为Srebf1基因的调控因子在脂质生成和糖异生的转换中发挥着重要作用。SREBF1是一种控制细胞脂质代谢的转录因子。研究表明，空腹时机体肝脏中Srebf1基因的表达量显著降低，而KLF15的表达升高；当上调的KLF15与核受体LXR/RXR和共阻遏物RIP140形成复合物后，能够干扰LXR/RXR依赖的Srebf1基因的转录激活[35]。此外，KLF15还可以迅速将肝脏中的代谢从进食状态下的脂肪生成转变为空腹状态下的糖异生。

3 展望

KLF家族大多数成员的共同特征是它们的结合位点在不同的细胞和环境中不同；在相同的细胞中也可能结合不同位点，控制不同的基因组，以应对不同的微环境。例如，芯片测序显示，在2种不同类型的C2C12肌管细胞和3T3-L1脂肪细胞中，Klf5基因的结合位点存在差异，只有少部分的结合位点是相同的。而且，即使在相同的C2C12肌管细胞中，分化也会改变Klf5基因的结合位点[15]。

KLF家族成员能够参与调控动物肝脏和骨骼肌的发育、脂质形成、神经系统发育等多种生理过程，在局部组织和全身代谢稳态的控制方面具有重要作用。虽然KLF家族的每个成员都表现出不同的生物学功能，但在某些生理过程中它们之间也存在着合作与竞争，例如KLF5和KLF15能够协同调节动物骨骼肌和心肌的脂质代谢；KLF6和KLF15能够协同调节动物肝脏的糖代谢；KLF6和KLF7能够协同调节轴突生长相关基因的表达；在胃癌细胞中，KLF4和KLF5的表达水平呈负相关。多个KLF家族成员之间协同和竞争的具体调节机制是未来需要研究的重点。总之，目前转录组学、表观遗传学和代谢组学的研究结果已经初步揭示了KLF家族成员之间的潜在联系。

此外，KLF家族成员在疾病治疗方面也具有突出贡献，是多种疾病治疗的新靶点，例如KLF7能够促进轴突再生，可用于治疗中枢神经系统和周围神经系统的损伤。目前，科学家已致力于开发可调节KLF家族成员功能的新药物，本文中所提到的派克昔林便是其中之一。未来有望通过更好地理解和掌握KLF家族成员在细胞、组织和系统之间的调控网络，获得对疾病治疗药物研发的新思路。

综上，对KLF家族成员参与动物体内生物学功能的具体调控机制及信号通路的研究将是研究者未来努力的方向。相信随着科学研究的深入，KLF家族成员的生物学功能将会进一步被发掘。