SDC3的功能及其研究進展

汪 琴,張春雷,房興堂,陳 宏＊,2

(1.徐州師范大學細胞與分子生物學研究所,江蘇徐州 221116;2.西北農(nóng)林科技大學動物科技學院,陜西省農(nóng)業(yè)分子生物學重點實驗室,陜西楊凌 712100)

硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)是細胞分泌的一種重要的蛋白聚糖家族,是由一個核心蛋白(core protein)分子與一個或數(shù)個糖胺聚糖通過糖苷鍵共價連接的線形硫酸乙酰肝素(heparan sulfate,HS鏈)側(cè)鏈結(jié)合成的生物大分子[1]。SDC(syndecan)作為一種細胞表面乙酰硫酸肝素鹽蛋白聚糖(HSPGs),與細胞間黏附、調(diào)節(jié)硫酸肝素鹽聯(lián)合生長因子信號傳導有關(guān)[2],可以聯(lián)合多種細胞外多肽,如激素、生長因子[3]等,控制能量平衡。本文僅就其中的一個調(diào)節(jié)因子SDC3研究的現(xiàn)狀做一介紹。

1 SDC(syndecan)的基本結(jié)構(gòu)及染色體定位

Syndecans由哺乳動物細胞表面所具有的跨膜HSPGs組成,多數(shù)結(jié)合于細胞表面。由于具有帶負電荷的硫酸肝素(HS)側(cè)鏈,使得Syndecans可以以共同受體的身份聯(lián)合多種細胞外多肽,如激素、生長因子等。Syndecan的核心蛋白是由一個可變長度的氨基末端、一個跨膜區(qū)和一個短的保守的胞質(zhì)區(qū)所組成。其中胞外的氨基末端又由一段信號肽、一個HS附著位點、一個可變區(qū)域和一個包含蛋白水解酶識別位點的近膜域所組成。此外,核心蛋白所包含的跨膜區(qū)和胞質(zhì)區(qū),都具有蛋白激酶磷酸化作用的結(jié)合位點以及各種各樣信號分子的結(jié)合位點[4]。

人的 sdc3(syndecan-3)基因定位于 1pter-p 22.3,主要分布在神經(jīng)嵴和神經(jīng)元,因此主要是在大腦和外周神經(jīng)系統(tǒng)中表達,其中包括下丘腦攝食中樞。此外,有研究發(fā)現(xiàn)SDC3除了在下丘腦中表達,還在卵巢和子宮中表達,并且還具有促進軟骨、骨骼肌和胰臟內(nèi)分泌細胞分化的作用[5]。

大量研究表明,下丘腦攝食中樞與能量平衡調(diào)控有關(guān)。有人在實驗中發(fā)現(xiàn)禁食時,SDC3在大腦中的蛋白質(zhì)表達水平增高,據(jù)此推測SDC3在中樞系統(tǒng)的表達與能量調(diào)控有關(guān),但機制還不清楚。但值得注意的是SDC3可調(diào)控黑素皮質(zhì)素系統(tǒng)的活性,而黑素皮質(zhì)素系統(tǒng)對能量攝取、消耗和外周糖代謝有調(diào)節(jié)作用。

2 SDC3參與的信號調(diào)節(jié)過程

2.1 Syndecan-3(SDC3)的兩種形式

SDC3(Syndecan-3)是刺鼠相關(guān)蛋白(AgRP)的共同受體。Syndecans是一個硫酸肝素蛋白多糖家族,參與很多生理過程,并且作為共同受體參與各種配體-受體的相互作用。Syndecans有兩種形式,一種是位于細胞表面的,有利于配體-受體的相互作用;另一種是從細胞表面解離出來的游離形式的,他可以以一個單獨的旁分泌方式來抑制配體和受體的作用。

在體外和體內(nèi)的研究均表明,膜結(jié)合的內(nèi)源性Syndecan-3和轉(zhuǎn)基因Syndecan-1有助于AGRP對a-MSH的阻斷作用。Syndecan-3可能是像其他類型的可溶性受體,主要以膜結(jié)合的形式發(fā)揮作用,一旦Syndecan-3從細胞膜上脫落就可能會影響AGRP的作用。例如在外周,從細胞膜表面脫落的Syndecan分子具有重要的(通常是抑制)類似旁分泌的功能。這一重要的區(qū)別顯示,Syndecan-3可能會通過以下兩種方式影響AGRP的信號:①通過與膜結(jié)合,有助于AGRP結(jié)合到MC4R上;②以游離的形式抑制AGRP的活性。但這些相互作用的具體性質(zhì)還有待確定[5]。

2.2 SDC3參與的調(diào)節(jié)過程

有證據(jù)提示SDC3對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的黑素皮質(zhì)素信號系統(tǒng)的調(diào)控是通過作為內(nèi)源性黑素皮質(zhì)素(melanocortin)4(MC4)受體拮抗劑刺鼠相關(guān)蛋白(AGRP)的共同受體實現(xiàn)的,SDC3能夠促進AGRP的拮抗作用。黑素皮質(zhì)素受體(MC4R)[6]的中樞神經(jīng)體重調(diào)節(jié)功能主要為抑制攝食,而刺鼠相關(guān)蛋白(AGRP)[7]是已知的一種最有力的促食欲肽,可以顯著刺激采食,并且對采食有長期持續(xù)影響。

具體調(diào)節(jié)過程為:AGRP可以與黑素皮質(zhì)素(MC4)的受體結(jié)合,使得黑素皮質(zhì)素(MC4)與其受體結(jié)合的機會變小,所以黑素皮質(zhì)素受體(MC4R)的作用就不能充分發(fā)揮,也就不能夠抑制攝食。而SDC3可以促進AGRP與MC4R結(jié)合,從而增加食物攝入。

內(nèi)源性表達的Syndecan-3受到能量平衡的反饋調(diào)節(jié)。在負能量平衡的時候,也就是能量攝入小于消耗時,Syndecan-3主要是以膜結(jié)合的形式存在,作為一種AGRP的共同受體,有助于AGRP的活性發(fā)揮。AGRP更有效地拮抗黑皮質(zhì)素受體,從而增加食物攝入量。經(jīng)過一段時間的過量進食后,能量攝入逐漸大于消耗,Syndecan-3多數(shù)裂解為游離形式的乙酰肝素蛋白多糖。因為游離形式的Syndecan-3是抑制配體和受體作用的,所以 Syndecan-3裂解之后,AGRP結(jié)合MC4R的能力就變小了,就不能增加食物攝入了。由此可以看出,正常的AGRP拮抗劑作用需要Syndecan-3[5]。

此外,最近有人研究Syndecan-3在飲食誘導肥胖中的發(fā)展[8]。野生型小鼠和syndecan-3基因敲除小鼠持續(xù)喂以40%的脂肪含量的高脂飲食或者富含營養(yǎng)的低脂飲食。高脂飲食的野生型小鼠增加了食物的攝入量和身體脂肪含量。但是syndecan-3基因敲除小鼠則體重下降并且脂肪含量降低。在雄性這主要是由于較少的食物攝入,而雌性則主要是由于增加了能量消耗。因此,在沒有syndecan-3這種共受體的情況下,AGRP還能增加食物攝入量和體重并且降低能量消耗幾乎是不可能的。

總的來說,雖然Syndecan-3調(diào)控能量平衡的精確機制還沒有確定,但syndecan-3可能是通過以下的途徑來調(diào)節(jié)食物攝入和能量平衡的:①促進MC4受體拮抗劑AGRP的作用;②外周組織上游離Syndecan-3的間接作用;③通過一種新的機制,調(diào)節(jié)能量消耗,但與調(diào)節(jié)食物攝入量無關(guān)。

3 SDC3的功能

Syndecan-3是最早被鑒定出的在海馬區(qū)的N-syndecan,他在海馬區(qū)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有重要的功能。已經(jīng)證實Syndecans和一些其它HSPG可以促進其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)細胞與細胞間的相互作用。因此,以下就是Syndecan-3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中控制攝食的潛在作用的討論。Ofer Reizes等人推測syndecan-3很可能在下丘腦中調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸的變化,并且可能調(diào)節(jié)黑皮質(zhì)素調(diào)控信號和能量平衡機制[5]。

Ofer Reizes等人提出,Syndecan-3通過調(diào)節(jié)突觸的形成和突觸的功能來促進AGRP和其他一些神經(jīng)肽的作用。因為Syndecan-3 C端的四個氨基酸(EFYA)是一個II型PDZ結(jié)構(gòu)域的結(jié)合位點。PDZ結(jié)構(gòu)域是最重要的蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域之一,其最初的名稱是“突觸前密度蛋白”。PDZ結(jié)構(gòu)域參與多種重要的生物學過程,如細胞信號轉(zhuǎn)導、細胞分裂、蛋白質(zhì)運輸、蛋白質(zhì)降解、細胞骨架組織和基因表達等。PDZ結(jié)構(gòu)域與配體蛋白相互作用的一個突出特點就是特異性地識別和結(jié)合配體蛋白C末端的4個氨基酸殘基[9]。作為AGRP的共同受體,Syndecan-3在負能量平衡的時候高效表達并結(jié)合到細胞表面。增加進食后,大概是由于較高的血漿瘦素和胰島素,Syndecan-3從細胞表面裂解。這個裂解可能會改變突觸前末梢的結(jié)構(gòu),降低AGRP拮抗MC4R的能力。

因為裂解過程是很快速的,所以Syndecan-3(或者其他一些不確定的基體分子)可能會調(diào)節(jié)這種興奮性突觸或者抑制性突觸在結(jié)構(gòu)和數(shù)量上的瞬間變化。也就是說,與過去的直接增強促進食欲信號不同的是,現(xiàn)在這個系統(tǒng)可能是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的結(jié)構(gòu)機制來改變信號的強弱。

4 SDC3基因的研究進展

牛syndecan-3(sdc3)基因位于2號染色體,共編碼442個氨基酸。目前關(guān)于Syndecan-3(sdc3)基因的研究都集中在小鼠和人上,在牛上還未見相關(guān)報道。2006年,Eunyoung Ha等人對 syndecan-3 (sdc3)基因單核苷酸多態(tài)性與肥胖進行了關(guān)聯(lián)分析[10]。同年,Ofer Reizes等人研究了 Syndecan-3在黑皮質(zhì)素調(diào)控能量平衡方面的重要作用,介紹了Syndecan-3的結(jié)構(gòu)和功能,如何控制攝食行為以及一系列猜想[5]。接著2007年,有人研究了在人上性別特異性高膽固醇血癥與syndecan-3(SDC3)基因C1330T多態(tài)性的關(guān)聯(lián),研究結(jié)果表明sdc3基因多態(tài)性可能對血脂代謝起作用,而這種作用可能受到性別的影響,推測SDC3的活性可能對性激素敏感[3]。2009年,Andreas N.Schǜring等人研究報道了syndecan-3基因多態(tài)性在肥胖和女性雄激素增多癥方面的重要作用[11]。

5 展望

SDC3在能量平衡方面具有如此重要的作用,有研究發(fā)現(xiàn)在韓國人中SDC3的多態(tài)性和肥胖相關(guān)。所以我們可以以該基因作為候選基因,利用SSCP、RFLP、RAPD、VNT R和mtDNA等分子遺傳標記技術(shù)研究其在動物遺傳育種上的作用[12]。目前,建立在DNA序列基礎(chǔ)上的分子標記以其多態(tài)性具有共顯性、不受環(huán)境和發(fā)育階段的影響等優(yōu)點,已在畜禽遺傳育種中引起廣泛關(guān)注[13]。

由于標記基因很可能在限性性狀、屠體性狀、繁殖性狀和抗病性狀的輔助選擇和主基因定位等方面取得突破進展,由此為分子遺傳學和數(shù)量遺傳學利用分子技術(shù)對數(shù)量性狀進行遺傳操縱和改良開辟一個新的領(lǐng)域。

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