崔潞晴,黃德玉,陸啟榮,邵羊陽,王 旭,程古月,郝海紅,彭大鵬,袁宗輝,戴夢紅
(華中農(nóng)業(yè)大學國家獸藥殘留基準實驗室(HZAU)/農(nóng)業(yè)部食品獸藥殘留檢測重點實驗室,湖北武漢 430070)
轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是一個多級復雜的過程,是真核細胞基因表達調(diào)控中非常關鍵的一步。轉(zhuǎn)錄因子 (transcription factor,TF) 即反式作用因子,主要包括DNA識別或結合結構域、轉(zhuǎn)錄調(diào)控域及結合其他調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié)結構域。TF可以特異性地識別并結合靶基因啟動子,調(diào)控靶基因的表達[1-2]。堿性螺旋-環(huán)-螺旋 (basic helix-loop-helix,bHLH) 轉(zhuǎn)錄因子是目前已知的最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一,在真核生物的生長發(fā)育調(diào)控過程中具有重要作用。動物bHLH 超家族包含 A、B、C、D、E、F 6個高階組 ,共 45個家族,每個家族由1至數(shù)個成員組成,分別參與調(diào)控肌細胞生成、神經(jīng)元發(fā)生、腸組織發(fā)育及環(huán)境毒素響應等生物學過程[3]。其中B組bHLH 轉(zhuǎn)錄因子能夠與具有 CACGTG 或CATGTTG 特征的E框 (enhancer box,E-Box) 結合。該組轉(zhuǎn)錄因子包括Myc (Myelocytomatosis oncogene)、Max (Myc associated factor x)、Mad (Max dimerization protein)、Mnt (Max-binding protein Mnt)、Mlx (Max-like protein x)等12個家族,Mlx家族有Mlx和MondoA 2個成員[3]。
Mlx蛋白是一種可以與轉(zhuǎn)錄抑制蛋白Mad和Mnt相互作用的蛋白。Billin A N等[4]在對Mlx進行深入研究時發(fā)現(xiàn)了一種能與其相互作用的bHLH家族新成員MLXIP(Mlx interacting protein) 蛋白,即MondoA。MondoA是屬于Mlx家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,能夠通過保守的結構域,特異性地與含有糖類應答元件 (carbohydrate response element,ChoRE) 的啟動子結合,調(diào)控細胞內(nèi)糖代謝基因的表達,從而參與機體葡萄糖代謝和能量平衡的維持。MondoA與ChoRE 的結合主要通過由5個核苷酸間隔的E-Box元件 (5′-CACGTGnnnnnCACGTG-3′) 來實現(xiàn)[4]。MondoA的同系物,轉(zhuǎn)錄因子糖類反應元件結合蛋白 (carbohydrate response element binding protein,ChREBP) ,即MondoB,也能與靶基因ChoRE的E-Box元件結合,參與葡萄糖誘導的細胞能量代謝反應。
Singh P等[5]對不同物種中MondoA及其同系物MondoB的基因核酸序列進行了多方面的對比,發(fā)現(xiàn)Mondo蛋白的核酸序列具有高度保守性,揭示了其糖代謝功能的高度保守性。MondoA在人、豬、斑馬魚、雞、熱帶爪蛙中分別位于12、14、5、15、1號染色體上。對人來說,MondoA的基因全長為8 439 bp,含有17個外顯子和16個內(nèi)含子;其蛋白含有919個氨基酸,具有保守的蛋白結構。MondoA羧基端 (C端) 的堿性螺旋-環(huán)-螺旋亮氨酸拉鏈結構能夠介導MondoA與Mlx的二聚化及MondoA與靶基因啟動子的結合。其氨基端 (N端) 含有Mondo保守結構域,該結構域?qū)τ贛ondoA感應胞外葡萄糖濃度變化至關重要。MondoA在體內(nèi)的表達廣泛,Billin A N等[4]通過Western Blot發(fā)現(xiàn)MondoA在人體骨骼肌、心肌、腎臟、結腸、胸腺、脾臟、肝臟、小腸、肺臟、外周血淋巴細胞等均有所表達,其中在骨骼肌中表達最為旺盛。
葡萄糖對MondoA的活性具有調(diào)節(jié)作用,反之,MondoA對胞內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的維持也具有調(diào)控作用。葡萄糖促進MondoA的轉(zhuǎn)錄激活過程可分為兩步,首先是葡萄糖刺激MondoA,使其在核內(nèi)聚集,并與靶基因啟動子結合,然后招募組氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶形成復合物,使啟動子組蛋白H3乙?;M而激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。
MondoA是一種多結構域蛋白,其N端和C端均高度保守,其中N端包含有Mondo保守結構域 (mondo conserved region,MCR)。MCR區(qū)域的缺失將使MondoA-Mlx復合物一直聚集于細胞核,在沒有葡萄糖的情況下發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性[4],可見MCR結構域在MondoA感應胞外葡萄糖濃度變化的機制中起著決定性作用。MondoA在哺乳動物中的同系物MondoB和在果蠅中的同系物d-Mio均包含有MCR,且都參與對胞外葡萄糖的感應,因而MCR也被稱為葡萄糖感應模塊 (glucose-sensing module,GSM)。進一步研究表明,MCR又可分為兩個功能結構域,即低糖抑制域 (low-glucose inhibitory domain,LID) 和葡萄糖反應激活保守元件 (glucose-response activation conserved element,GRACE) ,這兩個結構域?qū)ondoA感應葡萄糖濃度變化起主要作用。MCR又可以分為5個不同的子結構域MCRⅠ-Ⅴ,其中MCRⅠ-Ⅳ相當于LID區(qū)域,MCRⅤ包含有GRACE區(qū)域[6]。MCR Ⅳ區(qū)含有核定位信號 (nuclear localization signal,NLS) ,MCR Ⅱ - Ⅲ區(qū)含有核輸出信號 (nuclear export signals,NES) ,核輸出因子通過與NES相互作用,介導MondoA穿梭出核[4]。研究表明,化合物14-3-3可介導多個蛋白的胞質(zhì)定位,同樣地,也可促進MondoA由細胞核輸出至細胞質(zhì),這一過程就是通過MCR Ⅲ來實現(xiàn)的[6]。McFerrin L G等[7]通過序列分析、結構預測及功能注釋研究發(fā)現(xiàn)在MCR Ⅳ-Ⅴ之間存在一個包含轉(zhuǎn)錄激活域 (transactivation domain,TAD) 的MCR 6區(qū)域,該區(qū)域也位于GRACE結構域,其氨基酸序列為281-SDTLFS-287,GRACE本身具有轉(zhuǎn)錄激活活性,推測該部位可能是實現(xiàn)MondoA的葡萄糖感應與激活的關鍵結構域。
研究表明,LID對GRACE的轉(zhuǎn)錄激活活性具有調(diào)控作用。在低糖狀態(tài)下,LID可以抑制GRACE的轉(zhuǎn)錄激活活性,但隨著葡萄糖濃度的升高,LID對GRACE的抑制可以緩慢解除[6]。這一過程對于MondoA調(diào)控葡萄糖誘導靶基因轉(zhuǎn)錄可能具有重要作用。
MondoA的C端包含1個堿性螺旋-環(huán)-螺旋亮氨酸拉鏈結構 (basic helix-loop-helix leucine region,bHLHZ)和1個二聚化及胞質(zhì)定位結構域 (dimerization and cytoplasmic localization domain,DCD) 。bHLHZ區(qū)域與DCD結構域介導了MondoA與Mlx的二聚化,bHLHZ區(qū)域介導了MondoA-Mlx復合物與DNA的結合[4]。Mlx的結構要比MondoA短得多,只包含C端的bHLHZ區(qū)域和DCD結構域,并不含有轉(zhuǎn)錄激活的TAD區(qū)域,因此, Mlx并不具備真正的轉(zhuǎn)錄激活能力,只對MondoA的轉(zhuǎn)錄激活活性起輔助作用。在Mlx的bHLHZ結構域中含有一個Loop結構,該結構介導兩個MondoA-Mlx復合物之間的相互結合,使兩個MondoA-Mlx復合物能穩(wěn)定地結合于ChoRE上相連的E-Box元件[8]。此外,在MondoA蛋白的中間一部分結構富含脯氨酸,其具體功能仍不清楚。
葡萄糖對MondoA的亞細胞定位具有重要的調(diào)控作用。通過亞細胞定位及亞線粒體定位研究表明,MondoA為胞漿蛋白,且定位于線粒體外膜外側[4]。研究表明,胞漿中與代謝相關的酶己糖激酶也能轉(zhuǎn)移至線粒體,由此推測,線粒體上包括MondoA在內(nèi)的膜蛋白,可能在細胞能量代謝中起關鍵作用。通常,MondoA與Mlx以異源二聚體的形式在細胞質(zhì)與細胞核之間穿梭,進而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄反應。研究表明,MondoA-Mlx復合物對于MondoA感應細胞外葡萄糖濃度變化,以及穿梭入核結合在ChoRE上發(fā)揮作用是必須的。在非活化狀態(tài)下,MondoA-Mlx復合物位于線粒體膜外,當細胞外葡萄糖濃度升高時,MondoA-Mlx復合物進入細胞核,并在細胞核內(nèi)大量聚集[9],調(diào)控糖代謝相關的靶基因的轉(zhuǎn)錄,且這一過程是由多個轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控的。
MondoA對葡萄糖濃度變化的感應主要依賴于葡萄糖代謝中間產(chǎn)物6-磷酸-葡萄糖 (G6P) 對MondoA的激活,而非葡萄糖本身對MondoA激活。Stoltzman C A等[9]在用葡萄糖處理細胞后發(fā)現(xiàn)MondoA-Mlx復合物在細胞核內(nèi)聚集,但是當用葡萄糖類似物2-脫氧葡萄糖(2-DG)處理細胞后,MondoA-Mlx復合物在細胞核內(nèi)聚集更加明顯,這種區(qū)別主要是因為葡萄糖和2-DG都能被己糖激酶所催化,分別形成G6P和6-磷酸-2-脫氧葡萄糖 (2-DG6P);G6P可以快速進入糖酵解和磷酸戊糖途徑而不能大量蓄積,而2-DG6P只能以很低的速率進入磷酸戊糖途徑,因而可以大量蓄積,并激活MondoA的轉(zhuǎn)錄活性。另外,MondoA-Mlx也會被其他的己糖所激活,例如,阿洛糖、3-O-甲基葡萄糖和氨基葡萄糖,由此可見,MondoA與糖之間存在著極其密切的聯(lián)系。
MondoA對糖酵解有直接的調(diào)控作用。大多數(shù)情況下,MondoA可以促進包括糖酵解相關的眾多靶基因的表達,但是在少數(shù)情況下,某些基因的表達也會被MondoA所抑制。不同組織MondoA的表達水平與該組織的葡萄糖利用率相一致,比如在能量需求較高的骨骼肌、心肌等組織中,MondoA的表達水平很高,但是在機體大多數(shù)組織中MondoA只是適量地表達[4],這也暗示了MondoA在能量提供方面的重要作用。Havula E等[10]對果蠅體內(nèi)的MondoA/ChREBP-Mlx調(diào)控網(wǎng)絡在糖代謝中的作用進行了研究,發(fā)現(xiàn)MondoA或Mlx的敲除均會導致果蠅幼蟲對糖的利用能力減弱,致使體內(nèi)糖濃度升高,即當機體攝入較高的糖時,MondoA將對其進行有效地利用,相反,如果敲除MondoA,這一過程將會失調(diào),過多的糖類不能有效利用,進而引發(fā)代謝性疾病。另外,C.elegans基因組中也存在具有Mondo/Max-like蛋白復合物序列特征的蛋白,即MML-1/MXL-2,MML在腸道大量表達,這與其在營養(yǎng)感應與代謝方面的重要作用相一致。有趣的是,作為與MondoA相互作用的Mlx在機體各個組織中均有高水平的表達,這表明Mlx可能也參與一些糖代謝調(diào)控以外的其他調(diào)控過程。Imamura M等[11]在研究MondoA功能的過程中,發(fā)現(xiàn)MondoA失活的小鼠雖然表面看起來沒什么異常,但是體內(nèi)代謝發(fā)生了紊亂,其代謝所需能量絕大部分來源于脂肪酸,而正常小鼠所需能量是由葡萄糖提供的,這表明MondoA可以促進葡萄糖氧化產(chǎn)生三磷酸腺苷,從而為機體供能。Sartor F等[12]利用能導致肥胖及2型糖尿病的SSB(chronic sugar-sweetened beverage)處理細胞,發(fā)現(xiàn)SSB能促進包括MondoA在內(nèi)的糖酵解及脂代謝相關基因的表達,并相對促進糖酵解,抑制線粒體代謝,這一效應可能與MondoA的調(diào)節(jié)相關。Petrie J L等[13]在研究MondoA對肝糖原靶蛋白(PTG)的調(diào)控中發(fā)現(xiàn),MondoA可以通過促進果糖-2-6-二磷酸的表達,調(diào)控細胞內(nèi)的磷酸化穩(wěn)態(tài),從而使PTG啟動子招募MondoA,PTG表達上調(diào)。基因芯片結果表明,MondoA能夠激活成肌細胞C2C12中糖酵解相關基因的表達,包括己糖激酶Ⅱ(HKⅡ)、乳酸脫氫酶A(LDH-A)、6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶(PFKFB3),進而調(diào)控糖酵解速率[14]。同樣,Stoltzman C A等[9]的表達譜研究也表明,在對照組HA1ER上皮細胞中,2-DG誘導了198個基因的表達,而在敲除MondoA后,其中152個基因的表達發(fā)生了下調(diào),該結果表明,MondoA參與了超過75%的葡萄糖感應相關基因的轉(zhuǎn)錄激活。
MondoA對其他類型的糖代謝或能量代謝水平也存在一定的調(diào)控作用。Carroll P A等[15]的最新研究中也發(fā)現(xiàn),敲除MondoA后,固醇調(diào)節(jié)元件結合蛋白1 (sterol adjusting element binding protein 1,SREBP1) 及硬脂酰輔酶A去飽和酶 (stearly coenzyme A desaturase,SCD) 均發(fā)生了極顯著的下調(diào),且脂代謝相關的酶脂肪酸合成酶 (fatty acid synthetase,F(xiàn)ASN) 及調(diào)控糖異生的酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PCK2也發(fā)生了一定程度的下調(diào)。Nakamura S等[16]對線蟲體內(nèi)生殖系移除引起長壽的機制進行了研究,發(fā)現(xiàn)MML-1/MXL-2復合物在這一過程中發(fā)揮重要作用,且MML-1/MXL-2復合物也可以對TOR、胰島素信號及線粒體呼吸等長壽通路進行調(diào)控。以上試驗均指示著MondoA在代謝中的關鍵作用。
MondoA除了可以調(diào)控糖酵解相關靶基因外,還可以調(diào)控硫氧還蛋白相互作用蛋白 (thioredoxin-interacting protein,TXNIP) 的表達,進而通過抑制硫氧還蛋白 (redox protein thioredoxin,TXN) 活性來抑制細胞對葡萄糖的攝取[9]。MondoA通過與TXNIP啟動子上的ChoRE結合,調(diào)控TXNIP的表達。TXNIP上有一段保守的抑制蛋白結構域,決定了其對葡萄糖的攝取負調(diào)控作用。也有研究顯示,TXNIP可能通過與細胞葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1的結合,并在網(wǎng)格蛋白的作用下將其內(nèi)化,從而抑制葡萄糖的攝取。另外,MondoA對TXNIP的同系物ARRDC4也有顯著的調(diào)控作用,以達到葡萄糖攝取的抑制[9]。
有趣的是,葡萄糖通過激活MondoA的活性能夠誘導TXNIP的表達,進而抑制葡萄糖攝取。相反,如果敲除MondoA則會抑制TXNIP的表達,進而導致葡萄糖攝取增加。在Han K-S等[17]的研究中還發(fā)現(xiàn)腺苷酸可以上調(diào)TXNIP的表達,進而形成依賴于腺苷酸的糖酵解抑制作用。另外,谷氨酰胺可以通過抑制MondoA的活性以下調(diào)TXNIP的表達。通過這一機制,在葡萄糖濃度較高,谷氨酰胺濃度較低時,細胞會抑制葡萄糖的攝取,導致細胞增殖減慢。而在葡萄糖濃度較低,谷氨酰胺濃度較高時,細胞會促進葡萄糖的攝取。葡萄糖可以上調(diào)TXNIP的表達,相反地,胰島素使TXNIP的表達下調(diào)。2016年,Ahn B等[18]在研究MondoA對骨骼肌細胞中脂代謝及胰島素信號的調(diào)控時,發(fā)現(xiàn)SBI-477可以抑制細胞對葡萄糖的攝取,這一抑制過程主要是通過抑制MondoA轉(zhuǎn)錄活性來增強胰島素信號,進而抑制TXNIP及其同系物ARRDC4的表達實現(xiàn)的。這表明在MondoA作用下,TXNIP的上調(diào)能夠負反饋地調(diào)節(jié)胞內(nèi)的葡萄糖濃度升高導致的糖代謝增強,進而形成胞內(nèi)葡萄糖的穩(wěn)態(tài)??梢姡琈ondoA與TXNIP對于胞內(nèi)糖代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)控都是至關重要的,任意一方的缺失都會導致細胞代謝紊亂,比如代謝的重編程。
另外,TXNIP也受細胞內(nèi)其他物質(zhì)或信號通路的調(diào)控作用。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin,mTOR) 可以參與細胞內(nèi)多種信號的調(diào)控,比如營養(yǎng)狀態(tài)。mTOR同MondoA一樣,都可以調(diào)控胞內(nèi)糖代謝狀態(tài),Kaadige M R等[19]就糖代謝調(diào)控中二者的關系進行研究,發(fā)現(xiàn)抑制mTOR可以誘導糖代謝靶基因TXNIP的表達,進而抑制糖攝取,深入研究其機制,得mTOR會在胞漿與MondoA結合,從而抑制了MondoA-Mlx復合物的形成,其轉(zhuǎn)錄活性無法激活,靶基因TXNIP的表達也隨之被抑制。反過來,MondoA-TXNIP的存在也會抑制mTOR復合物1 (mTOR complex 1,mTORC1) 的活性。Kanari Y等[20]研究表明,TXNIP的表達還可以被脂多糖所抑制,這種抑制主要是由于脂多糖抑制了MondoA-Mlx復合物的形成及其入核與TXNIP啟動子上的ChoRE的結合。脂多糖為一種內(nèi)毒素,可引起強烈的免疫反應,促進炎性細胞分泌多種細胞因子,而TXNIP與細胞糖代謝密切相關,由此可能發(fā)現(xiàn)機體炎癥反應與代謝調(diào)控之間的關系。
癌細胞通常會進行代謝過程的的重編程,以適應其進行生物合成的需求,從而進一步導致細胞快速生長、增殖。這種代謝重編程的主要機制為Warburg效應,即無論環(huán)境中是否有氧的存在,癌細胞都會優(yōu)先通過利用葡萄糖的糖酵解提供能量[21]。由于MondoA在糖酵解方面的關鍵調(diào)控作用,癌細胞的代謝重編程可能與MondoA的調(diào)控相關。而葡萄糖類似物2-DG作為糖酵解過程的抑制劑,可以干擾Warburg效應,通過抑制糖基化修飾酶O-GlcNAcase,進而誘導TXNIP的表達[22]。Hong S Y等[23]研究也顯示,癌細胞中PI3K-Akt信號通路的激活,促進了糖代謝過程,并抑制了TXNIP的表達,進而抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1的膜定位,最終抑制癌細胞對葡萄糖的攝取。
MondoA-TXNIP調(diào)控回路在腫瘤的發(fā)生過程中起著重要調(diào)控作用。TXNIP在許多癌癥中都扮演著腫瘤抑制子的角色,如肝癌、乳腺癌、膀胱癌、胃癌、白血病等。MondoA作為TXNIP的轉(zhuǎn)錄因子,可能在這些癌癥中也發(fā)揮著同樣的作用。另外,有些研究顯示在某些癌癥細胞中TXNIP的水平是下調(diào)的[24],其MondoA-TXNIP調(diào)控回路受損,這可能與癌癥類型或細胞類型的差異性相關。也有研究表明癌細胞中PI3K和Ras信號通路的激活導致MondoA-TXNIP調(diào)控回路的缺失,引起代謝失控,最終導致細胞增殖[25]。
另外,在大多數(shù)的人類癌癥中絲裂原活化的MYC均表達失調(diào),MYC也含有bHLHZ結構,同樣也是bHLH型轉(zhuǎn)錄因子。MYC可以通過調(diào)控細胞內(nèi)與糖、谷氨酰胺代謝相關的靶基因,來協(xié)調(diào)和改變細胞代謝與細胞周期進程,且MondoA在這一過程中發(fā)揮著至關重要的作用[25]。Dang C V[26]也發(fā)現(xiàn)MYC與MondoA存在許多共同的靶基因,包括調(diào)控線粒體功能、核苷酸代謝及氨基酸的生物合成等相關基因,但是,MondoA是否會通過調(diào)控這些靶基因的表達而影響MYC的蛋白活性并不清楚。急性淋巴白血病 (Acute lymphoblastic leukemia,ALL) 細胞中MondoA發(fā)生了顯著的上調(diào),且這種上調(diào)提高了ALL細胞的糖酵解速率、生存力,并形成集落[27],Sipol A等[28]研究也發(fā)現(xiàn),敲除ALL細胞中的MondoA會抑制細胞增殖。研究顯示,在神經(jīng)母細胞瘤中,MYC的超表達可以促進MondoA及Mlx的表達,而在MYC激活的情況下,MondoA或Mlx的缺失會導致許多蛋白和酶的合成障礙,包括谷氨酰胺合成及轉(zhuǎn)運蛋白、線粒體功能相關的、糖異生及從頭合成核苷酸、脂肪酸等過程中的關鍵酶等,進而影響細胞代謝,甚至引起細胞的協(xié)同致死效應[15]。但是癌細胞中MYC的激活會極大地提高細胞內(nèi)谷氨酰胺的合成及利用,這種變化抑制了MondoA靶基因TXNIP的表達,導致葡萄糖攝取增加,也會引起細胞增殖,這一現(xiàn)象在三陰性乳腺癌的研究中得以驗證[29]。
有研究顯示,MYC促使形成的腫瘤細胞通常也需要高水平的葡萄糖或谷氨酰胺,這可能與MondoA的營養(yǎng)感應存在一定的相關性,且MYC與MondoA的共同靶基因LDH-A的失活會對腫瘤形成產(chǎn)生抑制作用[30]。由此可見,MYC-MondoA-TXNIP這一系列的調(diào)控與細胞內(nèi)多個信號通路都存在一定的聯(lián)系,綜合調(diào)控細胞的代謝過程,且在癌細胞的增殖中發(fā)揮著重要作用,可能作為癌癥治療的靶點進行深入研究。
MondoA在感應細胞內(nèi)外葡萄糖濃度的變化與調(diào)控細胞糖代謝中起著至關重要的作用,但仍存在著一些問題需要人們?nèi)パ芯坎⒔鉀Q。比如,雖然G6P能夠激活MondoA的轉(zhuǎn)錄激活活性,但其中的分子機制并不是很清楚。人類代謝性疾病通常伴隨著葡萄糖代謝紊亂,癌細胞也表現(xiàn)為異常的葡萄糖代謝。但是MondoA在代謝性疾病和癌癥中所起的作用還不是很清楚。因此,從MondoA入手,更好地理解人類代謝性疾病和癌癥患者中細胞的葡萄糖感應機制,以MondoA作為靶點,將為治療這些疾病開辟新途徑。
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