轉錄因子KLF家族的結構、功能及調控機制研究進展

楊堤貽，張子敬，王大會，安清明，王二耀，王獻偉，雷初朝，陳 宏，黃永震

(1.西北農林科技大學 動物科技學院，陜西 楊凌 712100； 2.河南省農業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450002；3.銅仁學院 農林工程與規(guī)劃學院，貴州 銅仁 554300； 4.河南省畜牧總站，河南 鄭州 450008)

KLF家族(Krüppel-like factors)最早于果蠅胚胎的發(fā)育調控因子Krüppel上被發(fā)現[1]，是真核生物的一類基礎轉錄因子(Basic transcription element-binding protein，BTEB)[2]。到目前為止，在人類基因組中共識別出18種KLF家族成員，按其被發(fā)現的先后順序分別命名為KLF1—KLF18[3]。KLF家族成員通過調節(jié)富含GC和CACCC啟動子的基因的表達，在細胞增殖、細胞分化、細胞凋亡、血管生成、脂肪形成、個體發(fā)育、腫瘤生成、胚胎干細胞發(fā)育以及維持系統(tǒng)和組織穩(wěn)態(tài)中均發(fā)揮著特殊且重要的作用[4]。KLF家族每個成員在細胞中具有不同的生物學功能，許多報道指出KLF蛋白的表達異?？赡芘c多種疾病的發(fā)生密切相關，但具體的分子機制仍有待于進一步研究明確。因此，對KLF家族轉錄因子的結構以及KLF3、KLF5、KLF6、KLF7、KLF8、KLF14、KLF15的功能及表達調控機制的相關研究進行綜述，以期為未來深入研究KLF家族轉錄因子的作用和相關疾病的分子機制提供參考。

1 KLF家族轉錄因子的結構

KLF家族在結構上具有相似性，都有1個位于羧基末端的DNA結合區(qū)和1個位于氨基末端的轉錄調控區(qū)，其DNA結合區(qū)高度保守，而轉錄調控區(qū)高度可變。所有KLF家族成員的C-端都包含3個保守的Cys2/His2鋅指結構，且每個鋅指結構都具有固定的長度，即鋅指結構1和鋅指結構2均有23個氨基酸殘基，鋅指結構3有21個氨基酸殘基。鋅指結構能夠使KLF家族成員特異性識別DNA序列中的CACCC元件或GC-box，并能夠直接與細胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、細胞周期蛋白B(Cyclin B)、血小板衍生生長因子(PDGFA)、FGF結合蛋白(FGF-BP)等重要的靶基因調控區(qū)域結合，從而實現其生物學功能。KLF家族成員的N-末端是其功能域，通常起轉錄調控的作用，且不同成員之間具有很大的差異。是什么機制使得KLF家族成員之間具有不同的臨床意義？首先，KLF家族各成員的基因在不同染色體上隨機分布，其表達往往高度依賴細胞和環(huán)境，如細胞類型和環(huán)境因子等；其次，KLF家族各成員的N-末端大都不同，它們能夠結合多種激活因子和抑制因子，促成KLF家族成員功能的多樣性[5]。

2 KLF家族轉錄因子的功能及調控

2.1 KLF3對脂肪細胞分化的影響

脂肪是機體供能和儲能的關鍵物質，研究表明，脂肪細胞的分化是一個精準調控的過程，KLF家族中有多個成員參與脂肪細胞分化的調控，KLF家族成員基因是脂肪形成中的關鍵因素，它們對脂肪細胞的分化過程有很重要的調節(jié)作用[6]。例如，Klf3在哺乳動物脂肪細胞分化中具有抑制作用[7]。SUE等[8]研究表明，敲除Klf3基因后，小鼠的出生率明顯降低，且出生后的小鼠(Klf3-/-型)體型明顯小于對照組小鼠，脂肪塊也明顯縮小，白色脂肪的生成受到影響。GROOTECLAES等[9]研究表明，KLF3對脂肪的分化具有明顯的抑制作用，KLF3通過與輔助抑制因子CtPB結合，形成KLF3-CtBP復合體，能夠與CCAAT增強子結合蛋白α(C/EBPα)基因的啟動子相結合，抑制C/EBPα的表達，從而抑制脂肪細胞的分化，發(fā)揮轉錄調控作用。3T3-L1細胞系試驗也證明了KLF3是脂肪細胞分化的負轉錄調控因子[8]。此外，王海霞等[10]對肉雞進行研究發(fā)現，2～10周齡肉雞腹部的脂肪較多處有Klf3基因的表達；并且在體外培養(yǎng)的前脂肪細胞中，Klf3基因的表達量極顯著高于成熟脂肪細胞(P<0.01)；但當用油酸誘導雞脂肪細胞分化一段時間以后，過表達Klf3基因的脂肪細胞中脂滴呈現減少的趨勢，這都暗示了KLF3與脂肪形成有關。Klf3基因對禽類和哺乳類動物脂肪細胞的分化具有抑制作用，而它對脂肪細胞分化的抑制作用可能是通過抑制C/EBPα和FAS基因的表達來實現的。

2.2 KLF5對脂肪形成與肌肉再生的影響

KLF5也能夠參與脂肪的形成，是脂肪細胞分化正轉錄調控的關鍵因子。過氧化物酶體增殖物激活受體γ2(Peroxisome proliferators-activated receptors γ2，PPARγ2)也是脂肪細胞分化過程中的關鍵轉錄調控因子，與KLF5具有協同作用[11]。OISHI[12]等以小鼠為模型，驗證了KLF5對脂肪細胞分化的促進作用，主要表現在Klf5-/-型小鼠的白色脂肪細胞缺失明顯；同時，對Klf5-/-型小鼠進行高熱量飼喂后，其體質量的增幅仍遠小于正常小鼠。因此，Klf5基因的顯性失活突變體能夠抑制脂肪細胞的分化，而在沒有激素的調節(jié)下，過表達Klf5基因依舊可以引發(fā)脂肪細胞的分化。KLF5作用的分子機制為：C/EBPβ和C/EBPδ的表達產物能夠激活Klf5基因的表達，Klf5基因進一步激活PPARγ2的表達，最終誘導脂肪細胞的分化。此外，KLF5還可通過與膽固醇調節(jié)元件結合蛋白1(SREBP1)發(fā)生互作，誘導脂肪酸合酶表達，從而促進脂肪細胞的分化[13]。除KLF3和KLF5外，KLF家族中還有許多成員可以促進或抑制脂肪細胞的形成，它們共同構成了一個復雜的調節(jié)網絡。

骨骼肌是哺乳動物運動和能量代謝的主要器官，具有顯著的損傷修復和再生能力。在胚胎發(fā)育的過程中，起源于體細胞的間充質祖細胞經過多步分化形成骨骼肌[14]。肌原性調節(jié)因子家族(Myogenic regulatory factors，MRFs)成員控制著動物機體骨骼肌的早期發(fā)育，同時也控制著出生后動物機體肌肉的再生途徑[15-16]。這些MRF包括肌源性的堿性螺旋-環(huán)-螺旋型的生肌決定因子MyoD和Myf5，它們能夠與骨骼肌特異性基因的調控區(qū)域結合，并級聯啟動分化[15]。此后，MyoD與肌原蛋白和MRF4發(fā)生協同作用，并通過前饋機制上調靶基因的表達，來調控肌細胞的終末分化[17]。研究發(fā)現，KLF5通過與MyoD和肌細胞增強因子2(MEF2)的協同作用，來調控肌肉的特異性基因，繼而調控肌肉的分化和再生[15]。在心肌損傷后的肌肉再生過程中，Klf5基因在成肌細胞和新生成肌纖維分化過程中的表達量上調，并被聚集到MyoD結合位點。有趣的是，在Klf5基因缺失的條件下，它與MyoD結合位點的關聯性大大降低，進一步表明這2種轉錄因子間的合作關系密切。

2.3 KLF6對肝臟發(fā)育的影響

KLF6在動物胎兒肝臟發(fā)育的過程中起著至關重要的作用[18]，哺乳動物肝臟器官的發(fā)育依賴于血管的發(fā)育和造血功能的完善，研究發(fā)現，Klf6基因的全身性缺失對于胚胎期12.5日齡的小鼠是致命的，或者可能造成小鼠胚胎的造血功能明顯下降、卵黃囊血管化組織不良以及肝臟的明顯缺失等[19-20]。在對斑馬魚的研究中，Klf6-/-型胚胎干細胞在分化為類胚體后，表現出的造血功能缺陷與早期胚胎的細胞表型一致，并且最終不能分化成肝臟細胞[21]，表明KLF6在動物肝臟等內胚層衍生器官的發(fā)育中是必不可少的。

2.4 KLF7對神經系統(tǒng)發(fā)育和肌肉再生的影響

KLF7具有調控機體神經元發(fā)育、促進神經再生和軸突生長的重要功能。在小鼠的中樞神經系統(tǒng)和外周神經系統(tǒng)中，KLF7主要包括3個獨立的高表達階段：第1個階段是小鼠胚胎發(fā)育的早期，此時也是小鼠胚胎脊髓神經元形成的階段；第2個階段是出生后，KLF7在小鼠大腦皮質中首先發(fā)生高表達，隨后表達量慢慢下降，此時也是小鼠大腦皮層突觸形成及發(fā)育成熟的階段；第3個階段是KLF7在小鼠小腦以及背根神經節(jié)中呈現高表達，此時也是成體動物維持感覺神經元和小腦顆粒細胞功能的階段[22]。因此，KLF7在動物神經系統(tǒng)發(fā)育的過程中發(fā)揮著重要作用。

KLF7在控制嗅球、中腦和大腦皮質、腦室下區(qū)的軸突生長過程中也具有關鍵作用。研究發(fā)現，在Klf7-/-型小鼠的嗅球神經元中，酪氨酸羥化酶和多巴胺受體的含量明顯少于野生型小鼠[23]，這表明Klf7基因在動物嗅球多巴胺神經元的發(fā)育中是必不可少的。BLACKMORE等[24]研究發(fā)現，在人的皮質脊髓束中，當軸突再生時可以檢測到Klf7基因的表達量升高，在軸突發(fā)育的過程中Klf7基因的表達量下降。

KLF7具有促進動物肌肉再生的能力。損傷的骨骼肌可以通過激活、增殖和分化衛(wèi)星細胞來進行修復，而KLF7能夠通過激活細胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑p21基因的表達來維持衛(wèi)星細胞的體外靜止[25]。Klf7基因的表達則可通過TGF-β和Notch信號轉導途徑來增強。因此，推測KLF7在肌肉再生中具有關鍵作用，但KLF7維持衛(wèi)星細胞靜止狀態(tài)的具體機制，還需要在動物體內環(huán)境中得到進一步驗證。

2.5 KLF8對癌癥發(fā)生的影響

癌癥作為世界五大絕癥之一，是全世界人類最大的致死病因。目前，已知Klf8基因在肝癌、胃癌、乳腺癌等癌癥組織中均有表達。研究表明，Klf8基因在胃癌組織中的表達量顯著高于正常組織(P<0.05)，且其表達情況與淋巴結的浸潤、轉移和腫瘤的大小密切相關[26]；若使用siRNA抑制Klf8基因表達，胃癌細胞的擴散速率顯著降低，暗示Klf8可能是治療胃癌的潛在靶基因[27]。此外，Klf8基因的過表達能夠促進肝癌細胞的擴散和轉移能力[28]；同時有研究表明，肝癌組織中KLF8蛋白的表達量極顯著高于正常的肝細胞組織(P<0.01)[29]，進一步說明了KLF8在癌癥的發(fā)生中具有重要作用。

Klf8是黏著斑激酶(Focal adhesion kinase，FAK)的靶基因，當FAK激活腫瘤細胞中P13K-Akt信號通路后，可通過提高Klf8基因的表達量來發(fā)揮作用[30]。因此，Klf8基因在組織中的高表達，對腫瘤的發(fā)生和擴散具有促進作用，而siRNA作為Klf8基因表達的干擾劑，為癌癥的治療提供了新思路。

2.6 KLF14對膽固醇逆向轉運的影響

載脂蛋白A-Ⅰ(ApoA-Ⅰ)是高密度脂蛋白(HDL)的主要蛋白質組分，主要負責膽固醇逆向轉運(Reverse cholesterol transport，RCT)，從而使膽固醇通過HDL從外周組織轉運回肝臟[31]。Klf14基因在血脂異常小鼠肝臟模型中的表達水平降低，表明Klf14基因的表達可能與膽固醇逆向轉運有關。BUCKINGHAM等[14]發(fā)現，在人肝臟中過表達Klf14基因可以激活肝臟ApoA-Ⅰ的轉運，提高血漿HDL膽固醇水平，降低血液中膽固醇含量;相反，Klf14基因的缺失會降低肝臟HDL膽固醇水平。

全基因組關聯研究表明，Klf14基因位點附近的變異與HDL膽固醇水平、冠心病、代謝綜合征有關[31]，對Klf14基因的控制及干預是治療和預防人類血脂異常和心血管疾病的有效方法，也是當前研究的熱點。GUO等[31]通過藥物篩選，確定派克昔林是Klf14基因表達的激活劑。派克昔林是一種能夠通過抑制線粒體中肉堿棕櫚酰轉移酶-1(CPT-1)的表達來發(fā)揮作用的預防性抗心絞痛藥物,在Apoe-/-型小鼠中，派克昔林可提高HDL膽固醇和ApoA-Ⅰ水平，抑制動脈粥樣硬化。

2.7 KLF15對肝臟脂質代謝的影響

成人肝臟具有調節(jié)脂質代謝的功能，肝臟中的Klf15基因能夠參與糖異生和肝臟脂質代謝過程。研究表明，Klf15基因的缺失能夠改善在高脂飲食(High-fat diet，HFD)影響下小鼠的胰島素抵抗，但不會影響伴隨胰島素抵抗的內質網應激和肝臟炎癥反應；敲除由腺病毒介導的小鼠肝臟Klf15基因的表達，能夠在不影響伴隨胰島素抵抗的內質網應激和肝臟炎癥反應的情況下，改善HFD小鼠肝臟內質網應激標志物的水平[32]，因此，以Klf15基因作為靶點的基因干預可以改善HFD誘導的胰島素抵抗。此外，當內質網應激被激活后，在誘發(fā)肝臟脂肪變性和胰島素抵抗時，Klf15-/-型小鼠的肝應激反應會顯著降低。然而，抑制Klf15基因可促進C-Jun氨基末端激酶(C-Jun N-terminal kinase，JNK)磷酸化的表達。因此，Klf15基因的缺失會導致HFD肥胖癥患者的胰島素抵抗和脂肪變性、內質網應激及炎癥反應的解偶聯。在Klf15-/-型小鼠中，增強脂肪酸氧化能夠抑制mTORC1信號通路，從而抑制肝臟的脂肪變性[33-34]。但JUNG等[32]提出，Klf15基因激活mTORC1信號通路的機制尚不完全清楚，仍有待進一步研究。現有結果均表明，Klf15基因是調節(jié)肝臟代謝的關鍵因子，干擾Klf15基因的表達可能會導致HFD誘導的肝臟病變發(fā)生改變。

KLF15作為Srebf1基因的調控因子在脂質生成和糖異生的轉換中發(fā)揮著重要作用。SREBF1是一種控制細胞脂質代謝的轉錄因子。研究表明，空腹時機體肝臟中Srebf1基因的表達量顯著降低，而KLF15的表達升高；當上調的KLF15與核受體LXR/RXR和共阻遏物RIP140形成復合物后，能夠干擾LXR/RXR依賴的Srebf1基因的轉錄激活[35]。此外，KLF15還可以迅速將肝臟中的代謝從進食狀態(tài)下的脂肪生成轉變?yōu)榭崭範顟B(tài)下的糖異生。

3 展望

KLF家族大多數成員的共同特征是它們的結合位點在不同的細胞和環(huán)境中不同；在相同的細胞中也可能結合不同位點，控制不同的基因組，以應對不同的微環(huán)境。例如，芯片測序顯示，在2種不同類型的C2C12肌管細胞和3T3-L1脂肪細胞中，Klf5基因的結合位點存在差異，只有少部分的結合位點是相同的。而且，即使在相同的C2C12肌管細胞中，分化也會改變Klf5基因的結合位點[15]。

KLF家族成員能夠參與調控動物肝臟和骨骼肌的發(fā)育、脂質形成、神經系統(tǒng)發(fā)育等多種生理過程，在局部組織和全身代謝穩(wěn)態(tài)的控制方面具有重要作用。雖然KLF家族的每個成員都表現出不同的生物學功能，但在某些生理過程中它們之間也存在著合作與競爭，例如KLF5和KLF15能夠協同調節(jié)動物骨骼肌和心肌的脂質代謝；KLF6和KLF15能夠協同調節(jié)動物肝臟的糖代謝；KLF6和KLF7能夠協同調節(jié)軸突生長相關基因的表達；在胃癌細胞中，KLF4和KLF5的表達水平呈負相關。多個KLF家族成員之間協同和競爭的具體調節(jié)機制是未來需要研究的重點?？傊?，目前轉錄組學、表觀遺傳學和代謝組學的研究結果已經初步揭示了KLF家族成員之間的潛在聯系。

此外，KLF家族成員在疾病治療方面也具有突出貢獻，是多種疾病治療的新靶點，例如KLF7能夠促進軸突再生，可用于治療中樞神經系統(tǒng)和周圍神經系統(tǒng)的損傷。目前，科學家已致力于開發(fā)可調節(jié)KLF家族成員功能的新藥物，本文中所提到的派克昔林便是其中之一。未來有望通過更好地理解和掌握KLF家族成員在細胞、組織和系統(tǒng)之間的調控網絡，獲得對疾病治療藥物研發(fā)的新思路。

綜上，對KLF家族成員參與動物體內生物學功能的具體調控機制及信號通路的研究將是研究者未來努力的方向。相信隨著科學研究的深入，KLF家族成員的生物學功能將會進一步被發(fā)掘。