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【摘 要】在哺乳动物中，昼夜节律生物钟调节肝脏和其它外周组织的能量代谢平衡以及核受体参与调节能量代谢。高脂血症可以改变钟基因的表达和节律变化。本文主要就钟基因和核受体昼夜节律变化如何影响脂代谢的研究进展进行阐述。
【关键词】钟基因；脂代谢；哺乳动物
【Abstract】：In mammals，the circadian clock regulates energy metabolism balance in liver and peripheral tissues，and nuclear receptors participate in regulating energy metabolism. Hyperlipidemia diseases could alter expression and rhythm of circadian clock. This review will discuss how changes in expressions of clock-controlled genes and nuclear receptors can affect lipid metabolism.
【Key words】：clock-controlled genes；lipid metabolism；mammals
哺乳动物已进化具有内源性昼夜节律生物钟系统，其对昼夜循环做出相应的节律变化。昼夜节律生物钟（circadian clock）是一种近似24小时为周期的振荡器（oscillator），是机体为了更好地适应环境，在进化过程中自然选择作用下获得的[1]。昼夜节律产生的分子基础来源于生物钟基因之间的协调表达，即转录-翻译反馈环路。
中枢生物钟基因位于下丘脑的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），SCN生物钟仅对光照/黑暗变化（主要是夜光）发生反应。外周生物钟（peripheral clock）节律由SCN生物钟控制下的各种神经、体液及其他信号因子直接或间接控制[2]。外周生物钟的运行机制与SCN生物钟类似，也是通过相互作用的反馈系统实现调节。核受体是一类转录因子的家族，参与调节能量代谢的很多方面，包括脂质储存和利用，胆固醇的合成和消除，胰岛素信号和葡萄糖的代谢。当这些途径异常时，将导致代谢紊乱，如高血脂，肥胖，胰岛素抵抗和2型糖尿病。
已有研究表明哺乳动物的昼夜节律生物钟调节肝脏、肾脏和脂肪组织的代谢和能量平衡[3]和高脂血症可以改变钟基因的表达和节律变化。本文主要就钟基因和核受体昼夜节律变化如何影响脂代谢的研究进展进行综述。
1 生物钟基因
昼夜生物钟的核心机制是由Clock、brain-muscle-Arnt-like 1（Bmal1）、Period（per）、Cryptochrome（cry）这些基因编码的，并发现昼夜生物钟被多个钟基因编码的蛋白质相互作用构成复杂的反馈环路调节。哺乳动物昼夜生物钟基因如下所示：
1.1 Clock基因和 Bmal1基因
哺乳动物Clock蛋白是首次被发现在维持昼夜节律稳定性中起着重要的作用。首先ICR小鼠Clock基因突变通过受损饮食脂肪的吸收减弱高脂饮食导致的ICR小鼠肥胖[4]，可能是通过抑制乙酰CoA长链家族成员4（Acsl4）和脂肪酸结合蛋白1（Fabp1）基因的表达。Clock基因编码Clock蛋白，具有碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）-PAS结构域，可以与另外1个具有bHLH - PAS结构域的转录因子Bmal1形成二聚体。有一篇文献报道Clock：Bmal1突变可导致改变昼夜振荡中血糖和甘油三酯水平，含有这些突变的小鼠可发展为胰岛素耐受[5]。
哺乳动物Clock：Bmal1二聚体主要通过与一种叫E-box（CACGTG）的启动子元件相互作用来调节基因表达[6]。Clock：Bmal1二聚体调节大量基因的转录，其中包括负反馈通路中Pers和Crys基因的转录以及转录调控因子Rev-erbα和RORα，这构成了昼夜转录反馈回路。当Pers和Crys基因在细胞质中产生后，他们寡聚体化并转运到细胞核抑制Clock：Bmal1二聚体介导的转录。
1.2 Per基因
在哺乳动物生物钟内，CKI 是Per蛋白磷酸化的关键酶，在昼夜生物钟节律领域已被广泛研究。变异的tau仓鼠特异性只有较短的20个小时动作节律，Per蛋白磷酸化缺少CKIε导致他们快速的积累和最终是更短的动作节律[7]。类似的小鼠hper表达突变展示了加速昼夜周期，且Per2过表达可引起成纤维细胞和肝脏昼夜生物钟的紊乱[8]。研究表明per2的作用是设置昼夜生物钟周期速率[9]。Per2已被证实与大量的核受体结合而相互作用，如 PPARα，PPARγ，Rev-erbα和RORα。Per2与PPARα和Rev-erbα结合调节Bmal1的表达。Per2抑制PPARγ目的启动子的补充，mPer3结合PPARγ目的位点抑制其表达和阻碍脂肪合成[10]。
1.3 Crytochrome基因
直到最近还是很少有人了解关于哺乳动物中激酶磷酸化Cry蛋白。从2007年两个关于一个F-box蛋白（FBXL3）的研究确定它能与Cry蛋白结合，且目的是通过蛋白酶体降解Cry[11]。Cry有两个分类即Cry1和Cry2，它们有各自特异性磷酸化酶。AMPK是一种营养反应激酶，它与Cry1结合使其磷酸化后变的不稳定而降解。在小鼠肝脏中，AMPK活性和核定位是有生物节律性的以及与Cry1在核内的丰富量有关联[12]。GSK3β（Glykogen synthase kinase 3 β）是通过与Cry2蛋白中丝氨酸553位点特异性，使其磷酸化而降解。
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最近研究发现DYRK1A（dual-specific tyrosine-phosphorylated and regulated kinase 1A）主要是负责引发Cry2的磷酸化，DYRK1A 酶活性通过磷酸化丝氨酸第557位点把Cry2昼夜节律达到最高峰恰逢Cry2的积累阶段。随后两个被磷酸化的丝氨酸553和557位点的目的是通过泛素化和蛋白酶体的作用降解Cry2而延迟Cry2的积累[13]。
1.4 Rev - Erba 基因
核受体Rev - Erbα是核心生物钟的一部分，用来维持一个24h的生物钟循环。同时，Rev - Erbα可调节脂肪生成及新陈代谢[14]。由PPARα诱导的Rev - Erbα可能调节贝特类药物减少大鼠的apoA-I基因表达和血浆中高密度脂蛋白水平。RevRE（Rev - Erbα response element）与apoC-III在靠近TATA box启动子的位点结合，Rev - Erbα可抑制小鼠和人类apoC-III基因表达[14]。Rev - Erbα缺失的小鼠表现为增加肝脏中apoC-III表达、血浆中甘油三酯水平和甘油三酯富含的极低密度脂蛋白微粒[14]。当Rev - Erbα抑制上述两个载脂蛋白时，RORα可与相同的反应元件结合后促进载脂蛋白的转录[15]，这说明了这些核受体有相同的目的基因。
2 问题和展望
目前，大多数哺乳动物生物钟机制已清楚，但在组织水平上对单个外周组织振荡器内部反应机制的研究，仍是未来研究的一个难题。在哺乳动物生物钟周期的研究中，对局部节律调控的研究方面，如在生理条件下研究器官和系统水平上对正常节律基因表达的影响，及在病理条件下研究生物钟节律性丧失的调控机制均有十分重要意义。
参考文献：
[1] Panda S，Hogeresch JB，Kay SA. Circadian rhythms from flies to human[J]. Nature，2002，417（6886）：329-35.
[2] Hirota T，Fukada Y. Resetting mechanism of central and peripheral circadian clocks in mammals [J]. Zoological Science，2004，21（4）：359-68.
[3] Reddy AB，KarpNA，Maywood ES，et al. Circadian Orchestration of the hepatic proteome. Curr Biol，2007，16：1107-15.
[4] Oishi K，Atsumi G，Sugiyama S，et al. Disrupted fat absorption attenuates obesity induced by a high-fat diet in Clock mutant mice. FEBS Lett，2006，580：127-30.
[5] Rudic RD，McNamara P，Curtis AM，et al. BMAL1 and CLOCK，two essential components of the circadian clock，are involved in glucose homeostasis. PLoS Biol，2004，2：1893-9.
[6] Shirai H，Oishi K，Ishida N. Bidirectional CLOCK/BMAL1-Dependent circadian gene regulation by retinoic acid in Vitro. Biochemical and Biophysical Research Communications，2006，351：387-391.
[7] Lowrey PL，Shimomura K，Antoch MP，et al. Positional syntenic cloning and functional characterization of the mammalian circadian mutation tau. Science，2000，288：483-91.
[8] Chen R，Schirmer A，Lee Y，et al. Rhythmic PER abundance defines a critical nodal point for negative feedback within the circadian clock mechanism. Mol Cell 2009，36：417-30.
[9] Xu Y，Padiath QS，Shapiro RE，et al. Functional consequences of a CKIdelta mutation causing familial advanced phase syndrome. Nature，2005，434：640-4.
[10] Costa MJ，Alex Y，Kaasik K，et al. Circadian rhythm gene period 3 is an inhibitor of the adipocyte cell fate. J Biol Chem，2011，286：9063-70.
[11] Siepka SM，Yoo SH，Park J，et al. Circadian mutant overtime reveals F-box protein FBXL3 regulation of cryptochrome and period gene expression. Cell，2007，129：1011-23.
[12] Lamia KA，Sachdeva UM，DiTacchio L，et al. AMPK regulates the circadian clock by cryptochrome phosphorylation and degradation. Science，2009，326：437-40.
[13] Kurabayashi N，Hirota T，Sakai M，et al. DYRK1A and Glycogen Synthase Kinase 3 beta，a dual-kinase mechanism directing proteasomal degradation of CRY2 for circadian timekeeping. Mol Cell Biol，2010，30：1757-68.
[14] Raspe E，Duez H，Mansen A，Fontaine C，et al. Identification of Rev-erb alpha as a physiological repressor of apoC-III gene transcription. J Lipid Res，2002，43：2172-9.
[15] Raspe E，Duez H，Gervois P，et al. Transcriptional regulation of apolipoprotein C-III gene expression by the orphan nuclear receptor ROR alpha. J Biol Chem，2001，276：2865-71.
论文作者:王小燕,谢梅林,王进玲
论文发表刊物:《航空军医》2016年第28期
论文发表时间:2017/1/13
标签：生物钟论文; 节律论文; 基因论文; 昼夜论文; 哺乳动物论文; 磷酸化论文; 转录论文; 《航空军医》2016年第28期论文;