基于PGC-1α的外周生物時(shí)鐘和能量代謝整合調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分子機(jī)制研究.pdf

1、地球的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了晝夜交替循環(huán)，為了適應(yīng)這一環(huán)境變化，哺乳動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)化出生物時(shí)鐘系統(tǒng)，控制著各項(xiàng)生理進(jìn)程，如睡眠周期、血壓、血液激素水平及能量代謝等，使之呈現(xiàn)出以24小時(shí)(hours，h)為周期的節(jié)律性變化。哺乳動(dòng)物的生物時(shí)鐘主要可分為中樞性生物時(shí)鐘和外周性生物時(shí)鐘兩類(lèi)。中樞性生物時(shí)鐘位于下丘腦視交叉上核神經(jīng)元(hypothalamus suprachiasmatic nucleus，SCN)，它能整合外界環(huán)境中的光/非光信號(hào)，產(chǎn)生節(jié)律性

2、輸出，經(jīng)神經(jīng)內(nèi)分泌和體液循環(huán)通路，影響外周組織的生理進(jìn)程，同時(shí)協(xié)調(diào)外周性生物鐘。通常情況下，中樞和外周生物時(shí)鐘的運(yùn)作是同步偶聯(lián)的，使得機(jī)體能量利用率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，以適應(yīng)外界光線和進(jìn)食周期等環(huán)境因素的改變。
　　近年來(lái)研究證實(shí)，神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝系統(tǒng)受到時(shí)鐘節(jié)律的精確調(diào)控。哺乳動(dòng)物體內(nèi)，約43％的基因呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性表達(dá)，其中有許多基因負(fù)責(zé)編碼在代謝過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄輔因子/因子和酶類(lèi)，因此導(dǎo)致體內(nèi)多種代謝進(jìn)程（比如肝糖異生，膽

3、酸合成等）也呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性。而且，許多核心生物時(shí)鐘基因（如Bmal1、RORα等）自身具有重要的代謝調(diào)控功能。相反，營(yíng)養(yǎng)信號(hào)的改變，如高脂飲食，可以重設(shè)機(jī)體外周性生物時(shí)鐘，使得外周性生物時(shí)鐘與中樞性生物時(shí)鐘解偶聯(lián)，從而導(dǎo)致一系列代謝性疾病的發(fā)生。因此，生物時(shí)鐘和能量代謝之間存在著緊密聯(lián)系，這兩者的整合機(jī)制目前已得到部分闡明。簡(jiǎn)而言之，目前公認(rèn)的整合模式有兩種:a.以核受體、代謝物、轉(zhuǎn)錄輔因子/因子等為節(jié)點(diǎn)，同時(shí)調(diào)控時(shí)鐘和能量代謝進(jìn)程，

4、促使二者的整合，即“并聯(lián)型”整合模式;b.鐘控基因（clock-controlled genes，CCGs）承接生物鐘信號(hào)，并作為下游效應(yīng)器進(jìn)而調(diào)控代謝進(jìn)程，線性化促使二者整合，即“串聯(lián)型”整合模式。
　　值得一提的是，過(guò)氧化物酶體增殖子活化受體γ共激活因子-1α(peroxisomeproliferator activated receptorγcoactivator1α，PGC-1α)作為一個(gè)重要的能量代謝調(diào)控因子，能以“并聯(lián)

5、型”整合模式，協(xié)同調(diào)控肝臟的生物時(shí)鐘與能量代謝進(jìn)程。PGC-1α的表達(dá)高度受控于環(huán)境刺激和營(yíng)養(yǎng)信號(hào)，一旦被誘導(dǎo)，它就能夠和多種核轉(zhuǎn)錄因子（如PPARα/β/γ/δ、ERRα/β/γ、HNF4α等）相互作用，激活下游的多種代謝通路，包括促進(jìn)線粒體增殖和褐色脂肪組織的適應(yīng)性產(chǎn)熱、饑餓時(shí)的肝糖異生等，從而使生物體對(duì)外界刺激信號(hào)作出靈敏的反應(yīng)。然而，PGC-1α是一個(gè)位處相對(duì)上游的樞紐分子，對(duì)PGC-1α進(jìn)行調(diào)控會(huì)產(chǎn)生“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的效果，

6、其調(diào)控的特異性和安全性大打折扣。有鑒于此，我們需要尋找PGC-1α的分子伴侶或受PGC-1α調(diào)控的下游分子，闡明它們的組織特異性的時(shí)鐘和代謝調(diào)控功能，從而實(shí)現(xiàn)更加高效地調(diào)控。
　　為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本研究以PGC-1α為基點(diǎn)，篩選出其分子伴侶Smarcd1和其下游基因Vanin-1(VNN1)，并深入研究了它們的時(shí)鐘和代謝整合功能。研究分為兩部分，第一部分主要探究Smarcd1在整合血管平滑肌細(xì)胞(vascularsmooth m

7、uscle cell, VSMCs)生物時(shí)鐘和生理穩(wěn)態(tài)過(guò)程中所起的作用;第二部分旨在闡明VNN1在承接時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而調(diào)控肝臟糖異生過(guò)程中所扮演的角色。
　　我們的研究發(fā)現(xiàn)Smarcd1在大鼠VSMCs中呈現(xiàn)出振蕩性表達(dá)，其表達(dá)振幅被體內(nèi)高脂飲食(high fat diet，HFD)信號(hào)以及體外游離脂肪酸(free fatty acids，F(xiàn)FAs)刺激所抑制。分子水平實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Smarcd1與RORα結(jié)合，協(xié)同激活bmal1啟動(dòng)子

8、的轉(zhuǎn)錄活性，且二者的結(jié)合由PGC-1α所介導(dǎo)。在VSMCs的生理功能方面，我們發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)Smarcd1，能夠顯著抑制FFAs所誘導(dǎo)的VSMCs增殖、遷移及黏附，同時(shí)抑制Erk/MAPK以及Akt磷酸化水平。并且，Smarcd1的這些效應(yīng)會(huì)被Bmal1的敲降所減弱。綜上所述，Smarcd1在協(xié)同調(diào)節(jié)VSMCs的生物時(shí)鐘和生理功能穩(wěn)態(tài)方面扮演著重要的角色。
　　另一方面，PGC-1α下游基因VNN1能夠響應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)，在小鼠肝臟中呈現(xiàn)節(jié)

9、律性表達(dá)。代謝方面，在饑餓或者胰島素(Insulin)抵抗的小鼠肝臟中，VNN1的表達(dá)顯著升高。過(guò)表達(dá)VNN1能夠通過(guò)調(diào)節(jié)Insulin/Akt信號(hào)通路，提高糖異生基因表達(dá)和肝臟葡萄糖生成，導(dǎo)致高血糖癥狀的出現(xiàn)。在分子水平上，PGC-1α和HNF4α協(xié)同激活vnn1的轉(zhuǎn)錄。ChIP實(shí)驗(yàn)表明PGC-1α錨定在vnn1近端啟動(dòng)子的HNF4α結(jié)合位點(diǎn)附近，并且使染色體結(jié)構(gòu)進(jìn)入活躍狀態(tài)。由此可見(jiàn)，VNN1能響應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)，并作為下游效應(yīng)器調(diào)節(jié)肝臟