雌激素相关受体γ功能调控及相关疾病的研究进展

傅 予，张 岩，王文彤，陶遵威

(天津市医药科学研究所，天津 300020)

雌激素相关受体γ(Estrogen-related receptor γ，ERRγ)属于雌激素相关受体家族的孤儿核激素受体。雌激素相关受体(ERRs)是由三个孤儿受体成员组成的，即ERRα(NR3B1)，ERRβ(NR3B2)和ERRγ(NR3B3)[1]。在ERRγ被识别之前，ERRα和β已被学界广泛研究。ERRγ因与II型Usher综合征(Usher syndrome II type)关键区域连接在一起而被鉴定出来。之后，ERRγ被鉴别为能与核受体共激活剂——糖皮质激素受体相互作用蛋白 1(GRIP-1)相互作用的蛋白[2]。其在胎儿和成人脑，骨骼肌，心脏，肝脏和胎盘等不同组织中高度表达[3]。

ERRγ与核受体家族(Nuclear receptor，NRs)其他成员有共同的结构特征。其结构包含参与受体转录调节的N-末端结构域AF-1、与共激活因子和共抑制因子相互作用的C-末端结构域AF-2、高度保守的锌指DNA结合结构域(DBD)、铰链区以及配体结合结构域(LBD)。和ERRα和β一样，ERRγ的DBD也结合到ERR响应元件(ERRE)上(TCAAGGTCA)[4]。由于ERRγ与ERRα和β含有几乎相同的DBD，其一部分转录调节功能与ERRα和β类似并重叠。例如，ERRγ和ERRα都能促进骨骼肌和心肌的氧化能力[5]。ERRγ 和ERRβ都能调节心脏，肾脏，胃，骨骼肌和滋养层细胞中离子稳态[6]。与此同时，ERRγ也能调控如肝脏相关因子等不涉及ERRα和β的代谢过程。

早期研究结果显示，ERRγ在能量代谢中起着关键作用。近年来，越来越多的研究发现ERRγ亦可参与到多种代谢过程中。研究结果提示，ERRγ可能是糖尿病、心脏疾病、帕金森症、骨质疏松症、肿瘤等疾病的重要发病因素。

1 ERRγ的表达及活性调控

1.1ERRγ的诱导表达 核受体的功能在很大程度上取决于它们的配体。而孤儿核受体都尚未鉴定出适合的内源性配体。在没有配体的情况下，ERRγ因其结构中LBD的活性构象而具有活性。研究表明，ERRγ的表达和活性受到各种膜受体的严格控制。在糖代谢过程中，胰高血糖素和胰岛素受体在调节ERRγ表达中起关键作用，禁食的低葡萄糖浓度期间，胰高血糖素激活环磷酸腺苷应答元件结合蛋白-转录共激活因子2途径(CREB/CRTC2)，该复合物与ERRγ启动子中的CRE位点结合，上调肝脏ERRγ表达。相反，在进食条件下胰岛素通过促进蛋白激酶B(PKB)介导的ERRγ磷酸化以及诱导ERRγ从细胞核易位到细胞质来抑制ERRγ的活性[7]。在内源性大麻素系统中，由内源性配体花生四烯酸乙醇胺和2-花生四烯酰甘油(2-AG)激活的大麻素受体1(CB1)也能调节ERRγ基因表达[8]。同时，ERRγ可在肝CB1受体下游发挥调节作用。肝CB1受体的激活可增加肝脏成纤维细胞生长因子21(FGF21)基因表达，当ERRγ过度表达时肝细胞和小鼠中FGF21基因的表达和分泌均增加，而敲除ERRγ后FGF21基因表达和分泌降低[9]。暴露于酒精环境时，c-Jun N端激酶(JNK)信号传导参与大鼠原代肝细胞中2-AG对ERRγ表达的调节，2-AG与CB1结合并激活JNK，促进c-Jun与ERRγ启动子上AP-1位点的结合诱导其转录[10]。 此外，细胞因子受体信号也可诱导ERRγ表达。当受到细菌感染时，白细胞介素(IL)-6与其受体结合，激活Janus激酶2 (JAK2)促进信号转导，并使转录激活因子3(STAT 3)与ERRγ启动子结合，上调ERRγ在肝脏中表达[11]。

此外，各种应激也能诱导ERRγ的表达。例如，缺氧产生细胞应激，低氧以组织特异性方式改变ERRγ的转录活性。在肝细胞中，缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)正向调节ERRγ，而HIF-1α在妊娠早期抑制胎盘中ERRγ的表达，影响胎盘血管形成、激素分泌以及离子转运[12]。与缺氧环境相类似，内质网应激(ER stress)也会触发ERRγ表达。用内质网应激诱导剂衣霉素等刺激肝细胞，诱导内质网膜上bZIP转录因子激活内质网跨膜蛋白6α(ATF6α)，可正向调节肝细胞中的ERRγ转录，通过与C-AMP应答元件结合蛋白H(CREBH)启动子中的ERRγ反应元件结合，直接调节CREBH基因表达以响应内质网应激[13]。

内在的代谢需求和外部因素也可诱导ERRγ表达。在体细胞重编程过程中，为了满足产生诱导性多功能干细胞(iPSC)的能量需求，糖酵解和氧化磷酸化增强以上调ERRγ表达。在胰岛β细胞功能成熟过程中，ERRγ参与ATP生物合成、阳离子转运、氧化磷酸化、电子转运及分泌相关的基因的调控过程，其表达亦显著增强[14]。ERRγ在棕色脂肪组织(BAT)和白色脂肪组织(WAT)中选择性表达，且在BAT中的表达较高，在寒冷环境下其表达上调可增强氧化代谢，产生热量，维持体温[15]。此外，作为代谢适应性反应的一部分，长期耐力训练和急性运动均可诱导骨骼肌中ERRγ表达增加[16]。

1.2ERRγ的共调控因子 ERRγ的转录活性取决于不同组织中对细胞信号作出响应的特异性共调控因子。PGC-1家族成员作为ERRγ的转录共激活因子能汇总不同代谢途径中的能量和营养信号。PGC-1α结构N-末端L2序列与ERRγ二聚体LBD结构域特异性结合，引起构象改变，有利于活性转录复合物的组装[17]。同时，ERRγ也可反式激活PGC-1α启动子，之后PGC-1α共激活ERRγ。除共激活因子之外，共抑制因子也能调节ERRγ转录活性，且不同的共抑制因子可自动调节ERRγ的转录。在肝脏中胰岛素信号传导下，ERRγ可诱导剂量敏感的性别反转先天性肾上腺发育不良基因DAX-1和亮氨酸拉链蛋白(SMILE)中的转录共抑制因子小异二聚体伴侣(SHP)的表达，反过来竞争性抑制PGC-1α转录活性下调ERRγ的表达[18，19]。转录辅助抑制因子140(RIP140)可以同时作为ERRγ的共抑制因子和共激活因子，其对ERRγ转录活性的作用取决于靶基因。RIP140可抑制雌激素反应元件(ERE)或含有雌激素相关因子受体的ERRγ活性，同时可激活含有Sp1响应因子的ERRγ转录活性[20]。此外，鸟嘌呤核苷酸结合蛋白3(GNL3L)中I结构域可与ERRγ的AF2结构域特异性结合，负向调节其转录活性。同时，GNL3L还可竞争性抑制类固醇受体辅助激活因子(SRCs)对ERRγ的共激活作用[21]。总的来讲，共抑制因子通过与共激活因子竞争ERRγ上结合位点来抑制ERRγ转录。

1.3ERRγ 的翻译后修饰 ERRγ的活性也由翻译后修饰调节。例如，胰岛素信号转导通路PKB / Akt通过促进ERRγ中DBD结构上Ser-179的磷酸化，并与14-3-3蛋白相互作用引起ERRγ从细胞核移动至细胞质，抑制ERRγ的转录活性来减少肝糖异生[22]。对ERRγ配体中丝氨酸残基上S317，S319位点进行O-GlcNAc糖基化修饰，可使ERRγ蛋白结构不稳定，影响其诱导肝糖异生的能力[7]。细胞外信号调节激酶(ERK)/ MAPK还可诱导ERRγ上Ser-57，Ser-81和Ser-219位点磷酸化，从而增加乳腺癌细胞中的ERRγ蛋白水平[23]。另外，ERRγ在Ser-45位点的磷酸化导致其在Lys-40位点的SUMO化，抑制了ERRγ转录活性。帕金森病相关基因(Parkin)通过促进ERRγ泛素化和降解，限制单胺氧化酶(MAO)的表达，从而调控氧化应激作用[24]。

总之，ERRγ的转录活性与不同的代谢信号的调节密切相关。ERRγ识别共调节因子和膜受体的能力决定了其作用的发挥。此外，翻译后修饰通过改变ERRγ的稳定性和转录活性发挥调节作用。因此，这种多管齐下的调控机制可以确保ERRγ能够适应不断变化的代谢状况。

2 ERRγ在生理和疾病中的作用

研究显示，ERRγ是各组织中生长因子和激素的关键调控因子，并与调节营养物质代谢的多种关键酶相关，直接或间接调控不同代谢途径的多个靶基因的表达以及酶的合成。

2.1葡萄糖稳态 ERRγ参与维持机体内葡萄糖稳态。ERRγ的活性异常能导致与Ⅱ型糖尿病相关的病理状况发生。ERRγ在糖尿病小鼠的肝脏中表达显著升高，加重血糖异常。ERRγ可诱导肝糖异生关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)的生成。在禁食状态下，ERRγ激活肝脏葡萄糖异生反应，在肝脏中的过度表达显著诱导了糖异生基因的表达，导致血糖升高[25]。此外，ERRγ通过DAG-PKC途径刺激肝脏胰岛素信号传导障碍。通过RNA干扰或特异性抑制剂GSK5182抑制肝脏ERRγ表达可显著降低db/db和饮食诱导两种小鼠模型的血糖水平，改善肝脏胰岛素信号传导[26]。这些研究结果显示，ERRγ能够提高肝脏胰岛素信号敏感性，激活胰岛β细胞的氧化磷酸化，影响葡萄糖刺激的胰岛 素分泌(GSIS)，使糖尿病患者的血糖水平升高，胰岛素抵抗作用增强。在β细胞成熟期间，ERRγ可上调GSIS相关线粒体基因表达如：Mdh1，Pcx，Cox6a2，Atp2a2，Ndufs2和Atp6v0a2。β细胞特异性ERRγ基因敲除小鼠模型实验结果显示小鼠体内胰岛β细胞数量，胰岛素含量和胰岛大小与对照组都没有明显差异，其葡萄糖不耐受的状况是由GSIS受到抑制造成的。进一步的研究表明，ERRγ通过调节胰岛β细胞能量代谢以响应GSIS[27]。

2.2铁、脂肪和酒精代谢 ERRγ在肝脏中的作用不限于葡萄糖代谢，也能铁代谢中起调节作用。ERRγ可正向调节肝脏中铁调素(hepcidin)的合成和分泌，维持铁稳态。鼠伤寒沙门氏菌感染后，刺激IL-6信号传导，诱导肝脏ERRγ与铁调素启动子的ERRE位点结合，诱导铁调素转录增加，减少巨噬细胞铁的释放，导致肝脏和脾脏等组织中铁缺乏，减少细菌的繁殖[11]。此外，在空腹时铁调素的转录可受PGC-1α/CREBH这个糖异生信号途径调控[28]，提示了ERRγ可能通过铁调素将肝脏葡萄糖代谢与铁代谢联系起来。ERRγ除了在铁代谢中的作用外，还参与脂质和酒精代谢。在肝脏中，ERRγ诱导Lipin-1表达，催化磷脂酸转化为甘油二酯(DAG)。 CB1诱导ERRγ表达并与胆汁酸合成限速酶胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)启动子中的ERRE结合诱导其表达，刺激肝脏中的胆汁酸合成，调节肝脏胆固醇代谢[29]。在酒精代谢过程中，ERRγ可与肝脏中细胞色素P450 2E1(CYP2E1)特异性结合，而后者是活性氧(ROS)生成关键酶，促使肝脏暴露在酒精中产生氧化应激，最终导致酒精性肝损伤[30]。

2.3心脏 ERRγ参与ATP的生成以及维持细胞内钙的稳态，这对保证心脏收缩功能非常重要。ERRγ能调节心脏中几种与氨基酸，葡萄糖，脂肪酸和胆固醇的分解代谢有关的线粒体靶标。ERRγ在心肌中上调脂肪酸氧化的相关基因的表达，包括脂肪酸结合蛋白3(Fabp3)，线粒体肌酸激酶(Ckmt2)，细胞色素C(Cycs)和ATP/ADP转位子(Slc25a4/ANT1)，以维持心脏的正常功能[31]。此外，ERRγ是维持心脏和其他组织中的离子稳态主要因子。ERRγ基因敲除小鼠K+动态平衡改变，心脏节律被破坏，QT间期延长，血清钾水平升高，引起心律失常及相关综合症[32]。ERRγ在胎儿出生后心脏氧化代谢方式转变中起着至关重要的作用。ERRγ基因敲除小鼠能量代谢转变受到抑制，引起乳酸血症，小鼠在出生72 h内死亡，提示ERRγ对于心脏代谢活动是不可或缺的。此外，ERRγ参与糖尿病心肌病的基础代谢过程。db/db小鼠心脏中的ERRγ表达高于对照组小鼠，心肌细胞中的ERRγ过表达上调参与脂质氧化基因的表达，促进棕榈酸酯氧化并诱导心肌肥大[33]。同时，ERRγ在血管钙化中起介质的作用。ERRγ在主动脉血管平滑肌细胞中的过表达激活BMP2信号传导，上调成骨基因的表达，促进血管钙化。ERRγ不仅抑制BMP2诱导的成骨细胞分化，还抑制体内异位骨形成。此外，ERRγ通过影响Runt相关转录因子2(RUNX2)表达抑制雄性小鼠的骨形成[34]。

2.4骨骼肌 ERRγ在肌肉能量代谢、收缩功能和骨骼肌生长中起重要作用。ERRγ诱导肌肉中的血管内皮生长因子A(VEGF A)、成纤维细胞生长因子1(FGF 1)以及肝脏中的FGF21，正向调节丙酮酸脱氢酶激酶同工酶4(PDK4)表达。在没有PGC1α诱导的情况下，由于ERRγ的内在转录活性，其异位表达可以明显改善肌肉特异性PGC1α/ β双敲除小鼠肌肉功能，诱导了线粒体生成、血管生成，提高抗氧化能力[35]。 肌肉特异性ERRγ基因敲除小鼠，骨骼肌细胞分化过程中ROS的产生和骨骼肌萎缩阻碍肌管成熟。在骨骼肌中ERRγ转基因小鼠线粒体明显增加，氧化能力改善，运动能力增强。相比之下，ERRγ基因敲除小鼠表现出脂肪酸摄取减少，脂肪酸氧化增强，提示ERRγ可以控制运动时肌肉的代谢反应。在(I型)慢氧化肌纤维中ERRγ高度表达，在发生厌氧糖酵解的II型肌纤维中ERRγ的表达可促进有氧转化、血管生成和线粒体生物合成。I型肌纤维形成与AMPK和NR/ miRNA通路相关，ERRγ可激活miR-208b和miR-499并与AMPK协同作用，促使I型肌纤维生成。另外，在肥胖症、糖尿病和动脉粥样硬化等疾病中ERRγ表达可改善骨骼肌缺血状况。骨骼肌ERRγ的表达增强血管生成，促进缺血性损伤期间的肌肉修复[36，37]。

2.5大脑 ERRγ是线粒体氧化磷酸化必不可缺的，这对于大脑神经元的正常功能至关重要。ERRγ位于中枢神经系统(CNS) 神经元细胞核中，在大脑中高度表达，免疫组织化结果显示ERRγ普遍分布在嗅球，大脑，脑干和小脑等大脑区域中[38]。ERRγ对海马中的成熟神经元的代谢和学习/记能力忆至关重要，神经元ERRγ敲除小鼠海马CA1 区LTP下降，在Morris 水迷宫实验中显示出明显的空间学习能力和记忆缺陷[39]。ERRγ与ERRβ共同作用于下丘脑，调节机体能量平衡。中枢神经系统中ERRβ表达减少上调了ERRγ表达并同时降低神经肽Y基因转录。这一变化增强了胰岛素敏感性和全身能量代谢，提示中枢神经系统中的ERRβ / ERRγ比率对于能量平衡的重要性[40]。帕金森病主要发病机理为大脑中多巴胺能神经元中线粒体功能障碍，研究显示ERRγ特异性激动剂GSK4716上调ERRγ表达，抑制模型神经细胞调亡，纠正ATP水平和α-突触核蛋白和CHOP的表达水平[24]。

2.6肿瘤 ERRγ与肝癌、乳腺癌、生殖系统肿瘤等代谢调控的器官及生殖内分泌相关的肿瘤发病关系密切。ERRγ参与肿瘤能量代谢调控，与调控糖酵解过程的相关基因结合为肿瘤细胞快速生长提供能量。此外，ERRγ还可通过非能量依赖性模式影响肿瘤的发展进程，其对肿瘤细胞增殖的影响取决于其对下游靶基因的调控模式，不同肿瘤中其调控作用并不相同。在肝癌中，ERRγ能促使癌细胞增殖，通过siRNA技术或运用ERRγ特异性抑制剂GSK5182抑制ERRγ表达可上调细胞周期蛋白激酶p21、p27表达，使细胞周期阻断，减少因ERRγ表达带来的肝癌细胞增殖[41]。研究显示，ERRγ为人纤维蛋白原基因表达转录调节因子，经由CB1诱导上调ERRγ表达，增强纤维蛋白原基因(FGA、FGB、FGG)启动子活性，其过表达增加了人肝癌细胞系中的纤维蛋白原表达[42]。ERRγ在乳腺癌细胞雌激素信号传导中发挥了重要作用。雌激素受体α(ERα)激活ERRγ表达，之后ERRγ可通过增强ER的转录活性与自身具有的转录活性相叠加，共同作用促进ERE下游基因表达，提高乳腺癌细胞的增殖与迁移能力，促使癌症发展转移[43]。在子宫内膜癌组织中，ERRγ表达明显高于正常子宫内膜组织，且与癌症分期、癌细胞分化和子宫肌层浸润程度相关。其参与ERK/Akt信号通路调控，促进子宫内膜癌 Ishikawa 细胞增殖，且ERRγ和PGC-1α可形成转录复合物促进子宫内膜癌的发生发展[44]。与前几种肿瘤不同，ERRγ在低分化前列腺癌细胞的细胞核中表达明显下调，且和癌症预后评分关系密切。研究结果提示，ERRγ作为雄激素受体的下游因子，其异位表达可阻滞细胞周期G1-S期转换，诱导细胞周期停滞，同时抑制细胞有氧糖酵解，抑制肿瘤细胞增殖和肿瘤生长[45]。

3 小结与展望

ERRγ作为雌激素相关受体亚家族成员之一，先前的研究主要集中于于内源性配体的探索以及其在雌激素信号传导中的作用。随着研究的深入，提示ERRγ在机体多个代谢途径中发挥重要作用。随着组织特异表达ERRγ转基因或ERRγ基因敲除小鼠应用及合成配体的使用，增进了我们对ERRγ在细胞功能中作用的理解。ERRγ已经成为调节内分泌和代谢功能的关键转录调节因子。同时，由于ERRγ功能多样化，其作用具有两面性，ERRγ在不同组织中的双重功能需进行更深入的研究。此外，继续寻找内源性配体并开发合成具有选择性靶向作用的ERRγ调节剂，始终是ERRγ研究的两项关键挑战。以ERRγ为靶点的药物研发将为预防和治疗如心血管、肌肉、骨骼、肿瘤及代谢综合征相关疾病提供了新的方向。