维甲酸与基因表达

BioFiles 2008, 3.9, 12.

反式维甲酸(RA, ATRA)是一种多效激活因子,负责调节与正常脊椎动物细胞分化、细胞增殖、凋亡和胚胎发育等过程相关的基因。维甲酸及其作为激活配体的受体蛋白是众多分析维甲酸介导基因表达的研究热点。目前的技术,包括siRNA敲除特定基因,RT-PCR评估基因表达,染色质免疫沉淀,已经成为扩展经典RA信号通路认知的关键。

维生素A (全-反式-维甲酸)及其酯的前体功能RA,胡萝卜素——特别是β-胡萝卜素——是植物合成维生素A的前体(详见 图 1、2、3)。类维生素A这一术语既包括结构上与维生素A有关的化合物,也包括具有生物维生素A活性的化合物。动物通过代谢饮食中的胡萝卜素生成脂溶性类维生素A,并将类维生素A主要储存在肝脏中;动物不能通过其他机制合成类维生素A。胡萝卜素存在于几种食用植物中,包括黄色、红色或深绿色的蔬菜,以及红色或黄色的非柑橘类水果。人类主要的动物性维生素A饮食来源包括肝脏、鱼类和鱼油,如金枪鱼、沙丁鱼和鳕鱼的鱼油。在美国,乳制品通常补充维生素A和维生素D。维生素A摄入后与视黄醇结合蛋白(RBP)结合,用于血浆运输和细胞摄取。β-胡萝卜素和维生素A酯由乳糜微粒残体护送并运输至细胞表面受体进行吸收。1

 

维甲酸A (RA)

图1. 维甲酸A (RA)。

 

维生素A(维生素A)

 

图2. 维生素A(维生素A)。

 

β-胡萝卜素

 

图3. β-胡萝卜素。

 

细胞内维生素A水平由细胞视黄醇结合蛋白(CRBPs)和细胞视黄酸结合蛋白(CRABP-I和CRABP-II)维持。2 CRBP与视黄酸酯的储存和运输有关,而CRABP则是视黄酸的伴侣。活性类维生素A的内源性浓度是至关重要的,并处于严密的体内平衡控制下,因为类维生素A水平过高或缺乏均可致畸。2

β-胡萝卜素通过酶促氧化裂解β-胡萝卜素15,15 '-单氧化酶(EC 1.14.99.36),从而形成视黄醛的两个分子。3,4 β-胡萝卜素15,15 '-单氧化酶的基因已经确认与各种各样的物种有相当数量的同源性,包括人类、小鼠、鸡、 果蝇、蓝藻鱼腥藻和 聚球藻种。

维生素A及其酯通过两步氧化过程转化为维甲酸及相关化合物。视黄醇在视黄醇脱氢酶(EC 1.1.1.105)或其他醇脱氢酶的作用下被氧化成视黄醛。视黄醛随后被视黄醛脱氢酶(EC.1.2.1.36)氧化成RA。2 细胞维甲酸结合蛋白I (CRBP-I)作为维甲酸和视黄醛的伴侣,通过氧化酶促进其代谢。


 类维生素A核受体蛋白

视黄酸受体(RAR)和视黄酸X受体(RXR)是参与视黄酸介导转录的两个核受体蛋白家族。5 这些受体蛋白是类固醇/甲状腺/维甲酸核受体核转录家族的成员。这些核受体结合在一起,能够转录和调节数百个基因。RAR和RXR各有三个同位型,分别为α、β和γ。尽管每个RAR同位型的基因序列与另外两个同位型有很大的差异,但每个同位型的基因序列在人和小鼠之间高度保守,因此推测每个RAR同位型具有其特定的功能。6除了这三种同位型外,RAR和RXR都被发现作为多种同位型存在,这些同位型是由一个主要转录本的选择性剪接或启动子使用差异造成的。7

RAR和RXR受体蛋白的单体形式无活性。RAR自身不形成同源二聚体,而是与RXR形成异源二聚蛋白(RAR:RXR)。该RAR:RXR蛋白复合物是维甲酸信号的主要受体复合物。除了与RAR形成异源二聚体外,RXR还能与包括PPAR在内的其他受体蛋白进行二聚化。5

RAR:RXR蛋白复合物与维甲酸反应成分(RREs)或类维甲酸X反应成分(RXREs)结合,每个反应成分都是成分明确的DNA序列。7 RXR增强了RAR蛋白与RARE序列的结合。5 在配体受体结合位点缺乏配体的情况下,apo-RAR:RXR异源二聚体会集合干扰转录过程的辅抑制物、蛋白质和酶。8 核受体辅抑制物(NCoR)和视黄酮和甲状腺激素受体(SMRT)的沉默介质通过结合RAR和RXR的配体结合域抑制转录。随后结合含有组蛋白去乙酰化酶活性(HDACs)的蛋白复合物,这些酶在核小体内对组蛋白去乙酰化。乙酰基的去除增加了组蛋白尾部的正电荷,从而增加了组蛋白对带负电荷的染色质的吸引力。结果是染色质变得更加紧密,限制了转录因子附着在基因起始位点的能力,限制或阻止了转录 (见 图49

apo-RAR:RXR异源二聚体招募具有组蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性的NCoR、SMRT和其他辅抑制剂。去乙酰化组蛋白增加染色质的致密性并抑制转录

 

图4. apo-RAR:RXR异源二聚体招募具有组蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性的NCoR、SMRT和其他辅抑制剂。去乙酰化组蛋白增加染色质的致密性并抑制转录。

RA和9--维甲酸 (9--RA)与RAR的配体受体结合位点有很强的亲和力。9-RA对RXR的配体结合位点有很强的亲和力,但RA不是RXR的配体。尽管9-RA 在体外表现出对RXR的特异性,但是并没有证据表明9-RA 是 体内RXR活化的实际配体。1

如果配体附着在RXR的配体结合区域,其构象的改变不足以克服辅抑制物的集合。该无法激活RXR以启动受体通路现象被称为RXR从属或apo-RAR沉默。5,10 或者,当RA或另一种类视黄素结合至RAR配基的配体结合区域时,蛋白质构象的变化足以使募集到的辅抑制复合物转化为辅活化物。如果RAR和RXR的结合域都有配体,则蛋白复合物的折叠性增强。RA通过CRABP-II从细胞质转移到细胞核,CRABP-II将RA作为伴侣蛋白转运至RAR:RXR异源二聚体的RAR域的配体受体结合位点。11


 维甲酸介导的基因转录经典途径

RA调控基因表达的经典途径有四个特定的步骤,尽管这些步骤的顺序并不是对所有基因都相同。7,8 RA介导的转录被定义为12:

  • RA或其他类维生素A配体与配体结合位点的结合
  • 受体二聚化(RAR:RXR二聚化)
  • 受体异源二聚体与DNA (RAREs)结合
  • 通过染色质重构和转录机制的募集,对基因进行转录调控

DNA结合直接受修饰核小体染色质结构并使转录机制进入基因启动子区域的辅激活物和辅抑制物的作用影响。

一旦类维生素A的结合修饰了RAR:RXR复合物,辅抑制物即与复合物分离,并募集辅激活物。转录机制复合体必须进行染色质重构后才能获得待转录的基因。类固醇受体辅激活物(SRC)蛋白和具有组蛋白乙酰转移酶(HAT)活性的p160蛋白可以在配体存在的情况下附着于RAR或RXR的配体结合域。SRC辅激活物则乙酰化DNA结合位点附近的核心组蛋白中的赖氨酸残基,中和组蛋白电荷并减弱与染色质的相互作用。染色质变得松散,变得更容易参加DNA转录机。9

ATP依赖的染色质重构蛋白(如SWI/SNF)利用ATP水解的能量重新定位核小体结合到基因启动子区域,形成无核小体或核小体间隔区域,为转录机提供通路。额外的辅激活或辅整合蛋白的一个例子是p300/CRB蛋白。p300/CRB通过募集额外的通用转录因子至启动子区域,并与转录起始位点的转录机结合,在类维甲酸通路中发挥作用。(见 图5)。7,8

 

 一旦类视黄酮(红色椭圆形)附着在配体结合位点上,RAR:RXR复合物便募集SRC和p160蛋白以及其他具有组蛋白乙酰转移酶(HAT)活性的辅激活因子。包括SWI/SNF在内的染色质重构蛋白,被招募到启动子区域,为转录机创造通路。

 

图5. 一旦类视黄酮(红色椭圆形)附着在配体结合位点上,RAR:RXR复合物便募集SRC和p160蛋白以及其他具有组蛋白乙酰转移酶(HAT)活性的辅激活因子。包括SWI/SNF在内的染色质重构蛋白,被招募到启动子区域,为转录机创造通路。

染色质重构后,辅活化子游离出来,可能会被蛋白酶体降解。包含复合物(SMCC)的SRB和中介随后被类维生素A受体所吸收。介质复合物促进转录机制,包括RNA聚合酶II (Pol II)、基因转录中的关键酶,进入基因启动子的起始位点。染色质重构也促进了其他转录因子的结合。RA启动了TNF-α-诱导的与NF-κB的结合,并与TNF-α协同作用去招募并刺激与酶活性相关的Pol II的磷酸化,(见 图6)。13

 

.染色质松弛后,RAR:RXR复合物将SRB和包含复合物(SMCC)的介质被招募到转录位点。转录机,包括关键酶RNA聚合酶(Pol II)被安装从而开始转录过程。维甲酸A与TNFα协同作用去招募Pol II。

 

图6.染色质松弛后,RAR:RXR复合物将SRB和包含复合物(SMCC)的介质被招募到转录位点。转录机,包括关键酶RNA聚合酶(Pol II)被安装从而开始转录过程。维甲酸A与TNFα协同作用去招募Pol II。


 基因转录调控

RA影响的生理过程的多样性可能部分归因于RAR和RXR受体家族中可能存在的组合和冗余。尽管RARs是启动类视网膜通路的主要因素,而RXRs除了介导RARE被RARs附着外,还可能对这一过程起协同作用。5 在一项定性研究中,Balmer和Blomhoff回顾了发表的532个由RA调控的基因的数据。他们对文献的分析包括评估哪些基因强有力的证据证明其被经典通路所调控。12 只有27个基因被强烈认为受经典通路调控,其中26个基因上调,一个基因被可变调控。不考虑通路,RA上调的基因数量为311个;有趣的是,212个基因要么下调,要么被可变调控。直接的、经典的途径虽然提供了RA功能一些视角,但并不是RA受影响表达的唯一的方法。

RA通路的综述通常包括泛素化和磷酸化作为下游过程,对基因调控和转录至关重要。1,7,8 泛素化终止类维生素A的信号通路后,RAR/RXR被蛋白酶体降解,因此泛素化可能通过启动终止过程介导转录。磷酸化是非常重要的,因为RAR和RXR亚型可以作为激酶底物发挥作用。磷酸化可能参与蛋白体降解,影响全RAR:RXR复合物与共调节因子和通用转录因子的结合能力。8 磷酸化的丝氨酸残基RARγ已经被证明能够控制RARγ的反式激活和由蛋白酶体对RARγ的降解。7

介质蛋白的表达可能为间接调控转录提供了一种解释机制。RA可能通过调控其他转录因子而不依赖与RAREs的结合来调控基因表达。1这种间接调控可以解释干扰蛋白的调控和表达导致的目标基因下调。

RIP140是一种辅助抑制蛋白,优先与配体附着的RAR结合,而不是与通常招募辅助抑制蛋白的apo-RAR:RXR复合物结合。RIP140抑制多个配体结合核受体的反式激活功能,并将HDACs招募到RAR:RXR结合的基因启动子。RIP140可将HDAC招募到其他蛋白中作为底物使用,或者也可自身作为HDAC的底物发挥作用。RIP140这种辅抑制物的选择性结合被推测为类维生素A信号通路提供一种调节基质。10,14 最近使用经RIP140 siRNA处理的NT2/D1细胞开展的研究发现,依赖于RA的基因表达水平出现了显著的变化,而不是不依赖于RA的基因。15

除了RAR和RXR受体家族外,RA还作为过氧化物酶体增殖物激活受体PPARβ/δ的配体,以及诱导细胞生存基因的核受体。11 脂肪酸结合蛋白5(FABP5)作为转移RA至PPARβ/δ受体的一个伴侣蛋白。RA在核内RAR和PPARβ/δ的分配分别由转移蛋白CRABP-II和FABP5调控,并且FABP5表达增加会使RA向PPARβ/δ的转移增加。21,23 相对于CRABP-II伴侣蛋白的表达浓度,表达高浓度脂肪酸结合蛋白5 (FABP5)伴侣蛋白的MCF-7细胞,与细胞存活和增殖相关。11 除了核基因转录外,RA还被证明可以介导线粒体基因的转录;虽然这一机制还未明确,但已经确立了包括直接和间接的表达途径的理论。16

由于RXR能够与包括其他PPAR在内的其他核受体形成异源二聚体,因此它可以与PPAR介导的其他信号通路发生交联。7,8 9-RA可以作为PPAR:RXR的单一激活配体,9-顺RA和其他维甲酸(RXR的特异性配体化合物)可以通过激活PPAR:RXR二聚体,不依赖于PPAR配体而启动PPAR信号通路。7,8 此外,非维生素A原类胡萝卜素可能会与PPAR受体相互作用,因为PPAR可以被各种亲脂分子激活。17 维甲酸已表现出靶向P13K/Akt通路,早期Akt活性增加,但后期Akt活性降低。18 维甲酸影响的其他替代机制可能仍有待发现。

由于有大量基因受RA信号影响,因此内源性维甲酸水平对正常发育至关重要。极端浓度水平对分化细胞是致畸的,规定的浓度范围是正常胚胎发育所必需的。合成的类维生素A、类维生素A和维甲酸的代谢阻断剂(RAMBAs)目前正在研究其作为RAR/RXR配体修饰信号,通过细胞色素P450酶(CYPs)阻断RA代谢,以及提高内源性RA水平这几方面的潜在价值。19,20


 材料

     


 参考文献

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