氨基酸调节基因表达的研究进展

李 貌，孙佳静，李帅东，黄荣焱

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644000）

1 氨基酸限制调节基因表达的机制

氨基酸限制可以从调节“DNA 到RNA 到蛋白质”中的很多步骤来实施，包括染色体的结构、转录因子的组装、聚合酶的起始、延伸、mRNA的连接、mRNA的输出、mRNA的翻译和周转等环节［1］。真核DNA 和组蛋白组装成染色体以及转录之前，染色体必须调整其结构释放出更多的染色体来作为转录的模板。氨基酸可以作为一种营养信号来调节基因转录。虽然某些氨基酸的限制会刺激下游基因的转录，但其他氨基酸的缺乏会对mRNA的合成产生负面影响［2］。氨基酸限制可通过影响mRNA 的输出以及稳定性来增加mRNA 的转录水平，同样氨基酸也可通过调控和翻译起始因子eIF2B 的活性、翻译抑制因子4EBP1 的磷酸化和S6 激酶的磷酸化来调节蛋白质的翻译，氨基酸限制不仅直接快速地抑制大多数蛋白质的合成，同时还具有降低合成蛋白质的潜在能力。

1.1 氨基酸限制调节基因表达的途径 氨基酸限制调节基因表达已在酵母中进行了广泛的研究，其调节途径有两种：

1.1.1 特异性调节途径 许多操纵子受到相应酶的特异氨基酸终产物的调控［3］。

1.1.2 一般性调控途径 任一氨基酸限制可同步诱导多种基因的表达。当存在氨基酸限制时，未负载tRNA 的积累可刺激蛋白激酶GCN2 的活化和GCN2 磷酸化eIF2（真核生物翻译起始因子2）的α亚基，从而增加转录因子GCN4 mRNA的翻译，进一步诱导30 多种基因的表达，这是由GCN4 mRNA 的5′端非编码区的特殊结构决定的。

1.2 真核生物mRNA翻译的起始阶段 真核生物mRNA 翻译起始阶段是一个复杂且多步骤的过程，需要很多的eIF（真核生物翻译起始因子）参与［4］。翻译起始的第一步是起始Met-tRNAi与结合有一分子GTP的eIF2结合，形成一个三元复合物，然后它们结合到40S 核糖体亚基上，形成43S 的前起始复合物。在接下来的步骤当中，结合在eIF2 上的GTP 被水解为GDP，然后以eIF2-GDP 二元复合物的形式从核糖体中释放出来。eIF2又投入到下一轮的起始作用，而结合在其上的GDP 必须被GTP 交换。这个鸟苷酸的交换是由另一个起始因子eIF2B 催化进行的，这是翻译起始的第一个调节点。有两个不同的机制可调节eIF2B的活性，即eIF2Bε亚基的磷酸化和eIF2α亚基的磷酸化。eIF2α亚基的磷酸化使其从一个底物转变为eIF2B 的竞争性抑制剂，从而有效地掩蔽eIF2B 的活性，而eIF2Bε亚基的磷酸化可以促进eIF2B的活性。

1.3 真核生物mRNA翻译起始的调控步骤 mRNA翻译起始的另外一个调控步骤则是mRNA 结合到40S 核糖体上，而这一步是由eIF4F 复合物介导。组成eIF4F 复合体的蛋白质有以下三种：①eIF4 是一种RNA 解螺旋酶；②eIF4E 是一种结合蛋白，可结合到mRNA 的5′端TGTP 帽子上；③eIF4G 是一种支架蛋白，它不仅与结合在40S 亚基上的eIF3 结合，而且与eIF4A 和eIF4E 结合。这样通过eIF4F-mRNA 复合体与eIF3-40S 复合体结合，mRNA 就结合到40S 核糖体亚基上。当eIF4E 结合到eIF4G 上后形成了有活性的eIF4F复合体，此步骤受到eIF4E 与eIF4E 结合蛋白（4E-BP1）可逆结合的调控［5］。4E-BP1 和eIF4G的结合是相互排斥的，eIF4E 与4E-BP1 的结合阻止其与eIF4G 结合，从而阻止活性eIF4F 复合物的组装。而4E-BP1 与eIF4E 的结合则受到4E-BP1磷酸化的调节，但4E-BP1的高磷酸化形式不与eIF4E 结合，而低磷酸化形式却与eIF4E结合［6］。

1.4 哺乳动物中氨基酸的mTOR 信号转导途径 mTOR 由mTORC1 和mTORC2 组成，是一种在代谢、生长和疾病中起中心作用的蛋白激酶［7］。在哺乳动物中，氨基酸可通过mTOR 信号转导途径来调节mRNA 的翻译，进而促进或抑制蛋白质的合成。足够水平的细胞氨基酸可以导致mTOR细胞信号通路的激活，充足的氨基酸可以通过mTOR信号转导途径促进4E-BP1的磷酸化，释放更多eIF4E 与eIF4G 形成eIF4F 复合体参与蛋白质的翻译，也可以促进S6 的磷酸化促进蛋白质的翻译。氨基酸缺乏时，未负载tRNA 的积累刺激蛋白激酶GCN2 的活化，GCN2 磷酸化eIF2 的α亚基，eIF2α亚基的磷酸化会对eIF2B 的活性产生抑制作用，从而抑制eIF2GTP 的合成，使蛋白质的合成效率降低。此外，足够的氨基酸可直接促进eIF2Bε亚基的磷酸化，进而促进eIF2B 的活性。

2 氨基酸调节的靶基因

作为多功能分子，氨基酸可以调节很多基因的表达，但整个表达谱依然不知道。添加色氨酸时，可以促进胶原蛋白酶和金属蛋白酶的组织抑制剂的表达。有趣的是，当血液中氨基酸浓度高或缺乏的时候，精氨基琥珀酸合成酶和鸟氨酸脱羧酶基因的表达水平都升高。关于从分子水平上研究氨基酸限制对基因转录的调节机制，目前绝大多数研究仍主要集中在氨基酸限制对CHOP、ASNS、ATF4 和氨基酸转运载体基因的转录调控上。

2.1 氨基酸限制调控CHOP 基因转录 CHOP基因广泛存在于动物机体的各种组织和器官中，但其基础表达水平很低，CHOP 基因编码的是一个小核蛋白，是转录因子C∕EBP 家族成员之一，C∕EBP家族成员与能量代谢、细胞分裂分化和细胞特异基因表达的调节有关。CHOP基因的启动子序列中有一个氨基酸应答元件（AARE），主要负责在氨基酸限制发生时诱导CHOP 表达［8］。为精确定位AARE序列中参与调控核心启动子活性的核苷酸，对AARE 序列进行突变分析，发现AARE序列中使核心启动子对氨基酸缺乏产生应答的最小核心序列位于-310 至-302 核苷酸区（5′-ATTGCATCA-3′）。

2.2 氨基酸限制调控ASNS 基因转录 ASNS 可在大多数哺乳动物细胞里表达，它能催化由天冬氨酸和谷氨酰胺合成天门冬酰胺（Asn）的反应。与CHOP 启动子相似的是ASNS 的启动子序列中也包含2个养分敏感应答元件，分别为NSRE1和NSRE2［9］。Siu F 等［10］研究发现C∕EBPβ和ATF4都能与NSRE1序列结合形成复合物，并且它们是同时结合到NSRE1 序列上的。当去掉氨基酸和葡萄糖后，含C∕EBPβ和ATF4 复合物的数量增加。此外，在HepG2 细胞中，C∕EBPβ激活异构体的表达和ATF4 的过度表达都可以显著增加ASNS 基因的基础转录水平，同时养分限制诱导的转录也进一步增强。而C∕EBPβ负抑制结构体和ATF4 负突变体的表达都抑制ASNS 的基础转录水平，并且完全阻止养分限制诱导的基因转录。

CHOP 的AARE 的最小核心序列和ASNS 的NSRE1 序列只有两个核苷酸不同，但氨基酸限制诱导CHOP 和ASNS 基因转录的分子机制却存在一些差异，主要是：①CHOP AARE 的功能在一定程度上是独立的，而ASNS NSRE1本身的功能很弱，需要有NSRE2 的存在；②AAR 和ERSR途径激活后诱导CHOP 基因转录所需要的顺式作用元件被几百个核苷酸隔开，而AAR 和ERSR 途径激活后诱导ASNS 基因转录都需要NSRE1 和NSRE2，且NSRE1 和NSRE2 间仅被11个核苷酸隔开［11］；③虽然AARE 序列和NSRE1序列相似，但与它们结合的转录因子却存在着差异。C∕EBPβ和ATF2都能与CHOP AARE序列结合，但只有ATF2是氨基酸限制激活CHOP基因转录所必须的。相反，有研究发现ATF2 并没有结合到ASNS NSRE1序列上［12］。

2.3 氨基酸限制调控ATF4 基因转录 ATF4 也被称为CREB2 或C∕ATF，是cAMP 反应元件结合（CREB）蛋白家族的成员，已被报道参与癌症进展［13-14］。ATF4可以调节细胞的氧化还原反应、细胞的抗应激反应和氨基酸代谢。研究表明，支链氨基酸（如亮氨酸和异亮氨酸）的代谢与动物机体多种肿瘤相关。通过细胞实验也发现激活支链氨基酸的降解限速步骤可以有效抑制肺癌细胞的快速增殖。在缺氧的情况下，肿瘤细胞中ATF4 的表达量上升，这可能与肿瘤细胞适应缺氧环境有关［15］。在小鼠中ATF4被视为一种新的软骨细胞∕hh 信号转录调节因子，ATF4 通过控制生长板软骨细胞的增殖分化来引导纵骨的生长［16］。在猪骨骼细胞中，在氨基酸缺失的情况下，氨基酸转运载体SLC38A9 启动子片段中ATF4 与氨基酸响应元件结合因子的结合增加了SLC38A9的表达；加入亮氨酸后，ATF4被激活，导致SLC38A9表达增加［17］。最近的研究表明，ATF4在机体肥胖、能量代谢和糖代谢等方面都具有重要的调节作用。ATF 基因家族是广泛存在于真核生物中的一类基础转录因子，而ATF4 则是其中的重要成员之一，过去的研究表明氨基酸缺乏可触发ATF4 下游一系列基因的转录，参与氨基酸转运、氧化应激和能量代谢。研究发现ATF4在调节肥胖能量代谢和糖代谢等方面均具有重要作用，尤其是ATF4敲除后的转基因小鼠，在个体水平上表明ATF4基因与能量代谢和脂肪代谢都有着密切的联系［18］。

3 氨基酸调节基因表达的研究展望

研究氨基酸调节基因表达的分子机制将有助于更好地了解体内细胞的代谢调控，已经成为近年来的一个新领域。但是，还有许多问题尚需要进一步研究探索。

3.1 目前，氨基酸调节基因表达的研究仅限于几个特定的基因，氨基酸调控基因表达的全基因表达谱还没有建立，但随着DNA微阵列或基因芯片技术的发展，这个问题将会得到解决。

3.2 氨基酸限制诱导CHOP 基因表达的生理意义，即CHOP下游效应物还需要进一步研究。

3.3 ASNS 的NSRE2 可能在应答内质网应激的过程中起着关键性的作用，但是NSRE2 与ERSE共有序列不相似，因此NSRE2发挥转录活性所需要的核心核苷酸序列以及与其结合的转录因子也值得进一步研究鉴定。

3.4 尽管哺乳动物的氨基酸调节基因表达的机制很相似，但多数仅涉及人和老鼠，很少涉及家畜，因此今后需要在猪和禽等动物中进行更多的研究。

3.5 由于氨基酸调节基因转录和翻译起始的信号传导途径依然不清晰，今后将作进一步研究。3.6 氨基酸对基因表达的调节，在猪的饲养上有何种现实意义，还有待研究。例如，通过基因表达的情况来判定猪日粮氨基酸是否平衡或充足等尚需进一步研究。■