上游刺激因子的研究进展(1)
【摘要】上游刺激因子是一种多功能转录调节因子,在真核细胞中广泛存在，它以蛋白二聚体的形式在胞核中与靶基因中启动子的特异位点结合发挥转录调控作用。本文介绍了上游刺激因子的基因定位、分子结构、作用机制，并对该因子在糖脂代谢、胚胎发育、肾脏疾病、牙齿发育等方面的作用进行了综述。
【关键词】上游刺激因子；糖脂代谢；牙齿发育
上游刺激因子(Upstream Simulatory Factor,USF)是广泛存在于哺乳动物及人体内的一种序列特异性转录因子，具有类似于Myc蛋白的螺旋-环-螺旋锌指(bHLH-zip)结构，能通过结合DNA启动子上的E-box位点(核心序列为5-CANNTG-3，经典序列为5-CACGTG-3)发挥转录调控作用。许多研究表明，USF在真核细胞内普遍存在,功能多样，和细胞生长、糖脂代谢、牙齿发育、排卵等生理过程密切相关。因此，深入研究USF的功能对揭示蛋白功能多样性产生的机制以及预防疾病的发生具有重要的意义。
, 百拇医药
1分子生物学特征
USF是Sawadogo等[1]1985年从Hela细胞核提取物中部分纯化出的一种序列特异性转录因子。体外实验发现,加入USF可以使腺病毒晚期启动子的转录活性增强10~20倍，故亦称晚期转录因子(MLTF)。USF有2个变异体USF1和USF2，均隶属于碱性-螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链(b-HLH-LZ)转录因子家族，具有典型的螺旋-环-螺旋锌指(bHLH-zip)结构，但分别来自不同的基因。在人类，USF1(hUSF1)基因定位于chr1q22-q23,共有10个外显子，总长4kb，其编码的蛋白含有310氨基酸残基，USF2基因定位于chr19q23，也含有10个外显子，全长10kb,其编码的蛋白含有346氨基酸残基。USF通常以蛋白二聚体的形式与靶基因DNA启动子的E-box结合，从而调节靶基因的转录[2]。由于E-box基序在真核细胞基因组中大量存在，所以USF是一种多功能转录因子。
2在人体中的生理和病理作用
, 百拇医药
21USF与糖脂代谢近年来，大量的细胞生化分子实验研究表明：USF广泛参与控制和调节糖、脂代谢相关基因的表达。现已明确的有：在糖类代谢过程中，USF1调控胰岛β细胞基因，胰高血糖素受体基因，胰岛素生长因子结合蛋白-1基因，L型丙酮酸激酶基因,葡萄糖激酶基因，葡萄糖-6-磷酸酶基因的表达。在脂肪代谢过程中，它调控载脂蛋白基因，脂肪酸合成酶，乙酰COA羧化酶，羧酸酯酶2，激素敏感肝脂肪酶的表达。两者合计表明，上游刺激因子在体内的物质代谢中发挥重要的作用。现已研究表明，载脂蛋白A5基因(APOA5基因)在降低血浆甘油三酯水平具有极其重要的作用，USF能结合到APOE在-76/-81区域E盒(5-CACGTG-3)能增强APOA5基因启动子活性约85倍。最近研究比较多的是USF与家族性混合型高脂血症、代谢综合征的相关性及其可能的机制。这两者都有血清高胆固醇(TC)和/或高甘油三酯(TGS)的共同特点，易致冠心病的发生。Laurila等[3]在研究澳大利亚ADL家庭和芬兰中年男子猝死的尸检报告中发现USF基因和APOA5基因与血清血脂水平和动脉粥样硬化紧密关联。Pajukanta等[4]从USF基因的单核苷酸多态性(SNP)方面着手,研究USF与FCHL关系中发现在USF基因的某些多态性的变化会出现相应个体患FCHL的几率上升，同时还发现，在这些易患个体中，载脂蛋白(APOE)的表达量明显下降。Jenny C Lee等[5]研究荷兰FCHL家庭发现USF rs737787多态性与个体甘油三酯及载脂蛋白E(APOE)水平具有统计学意义上的显著关联。在FCHL中USF导致APOE下降的可能机制目前有两种(1)研究表明,在FCHL和代谢综合症中常伴有胰岛素抵抗，高胰岛素血症的特征。Maxime Nowak等[6]研究发现胰岛素降低了人类APOA5基因启动子活性并呈剂量依赖性，其分子机制通过PI3K和核糖体蛋白S6激酶途径，磷酸化和去磷酸化调节机制降低USF与APOA5基因启动子上的E盒结合从而降低APOA5基因表达。(2)在FCHL易患个体中，USF某些SNP的可能是非同义SNP，改变了USF的功能，从而导致其激活APOE启动子的功能减弱或消失。
, http://www.100md.com
22USF与胚胎发育USF蛋白对于胚胎正常发育是必需的，当其发生突变时,小鼠在胚胎时期即发生死亡；仅USF1敲除,小鼠虽然可以存活, 但表现出一定程度的行为异常；而在USF2基因敲除的小鼠则表现明显的生长缺陷，他们在出生时体格较小，比其野生型与出生后发育维持更小比例尺寸的特点。特别是在一些USF的缺陷的雌生小鼠，容易出现自发的癫痫发作，这表明USF在维持正常的脑功能有着重要作用。USF2缺乏的雄性小鼠寿命有大幅度的下降，其中大多数是死于25和45之间的月龄，很少幸存超过6个月龄；相反,所有的雌性小鼠存活4~10个月仍健在。因此可以得出结论：USF2基因是正常的胚胎发育必不可少的，其重要作用表现在体型、大脑功能和雄性的寿命[7]。其作用机理尚不完全清楚，有待于进一步研究。
23USF与造血干细胞及造血系统在造血调控中，造血干细胞(HSC)的发育和各系的分化成熟需要不同的转录因子参与。在人类及高等动物体内，HSC是各种血细胞与免疫细胞的起始细胞。它具有自我复制和多向分化不断增殖的能力，且自我复制和多向分化之间保持动态平衡。在人体内，这种动态平衡的实现是由同源盒基因家族中的HOXB4维持的，它的表达是在转录水平上由USF调控的。研究表明，人和小鼠的HOXB4基因启动子上含有USF结合序列E-box,即HOX反应元件(HXRE-2)。Giannola等[8]已经证明USF1和/或USF2的过度表达可以成倍地上调HOXB4基因的转录.最近发现,白细胞介素-3(IL-3)反应的白血病细胞系在受到IL-3的刺激后,USF2表达量明显上升,直接导致其下游基因HOXB4的表达增强,从而促进细胞增殖,综合看来,USF1和USF2可以激活HOXB4基因在人造血干细胞中的表达,刺激干细胞的增殖[9],从而维持了干细胞的更新. 在红细胞分化过程中，USF调节包括HOXB4基因和β-珠蛋白基因[10]。研究表明A-USF的表达可降低几个关键的红细胞特异性转录因子，包括EKLF和TAL -1的表达，从而影响红细胞的生成。研究还发现，USF在红细胞分解代谢过程中也发挥重要的作用。血红素加氧酶(HO)是血红素降解的起始酶和限速酶，该酶的启动子含有GC盒和E盒。实验证实:USF1/USF2(尤其是它的剪接变异体USF2b)协同与其他转录因子共同参与调节HO-1基因的表达[11]。
, 百拇医药
24USF在牙齿发育中的作用成牙本质细胞的增殖、分化和矿化是牙齿发育的重要组成部分，其具有分泌牙本质有机基质并促使其矿化的功能，若功能异常可导致牙齿发育异常。研究证实，成牙本质细胞的增殖、矿化和细胞外基质分泌等功能受到多种多种信号分子(激素、细胞外生长因子和胞内转录因子)的协同调节而有序进行。吴礼安等[12]首次在小鼠牙齿发育中牙胚组织中检测有USF1mRNA及USF1蛋白表达,且主要位于分泌期的成牙本质细胞和成釉细胞,表达模式具有显著的时空特异性，由此表明USF1在成牙本质细胞发育过程中发挥一定的作用。OPN是一种分泌型糖基化磷蛋白，在大鼠牙釉质及牙本质形成、矿化过程中起重要作用。研究结果表明，MDPC一23中有OPNmRNA表达；转染PCMV-USF1后OPN mRNA表达水平增高；而转染A-USF后OPN mRNA表达水平下降，从而证明USF1具有调控成牙本质细胞OPN表达的功能[13]。提示USF1参与牙本质细胞的矿化过程。现已发现在USF1靶基因中, 很多都同牙齿发育有着密切的关联,如HGF、TGF-β1,BMP4,I型胶原,OPN等,提示USF1有广泛参与牙齿的发育调控过程。, 百拇医药(吴名士 陈晓鹏)
【关键词】上游刺激因子；糖脂代谢；牙齿发育
上游刺激因子(Upstream Simulatory Factor,USF)是广泛存在于哺乳动物及人体内的一种序列特异性转录因子，具有类似于Myc蛋白的螺旋-环-螺旋锌指(bHLH-zip)结构，能通过结合DNA启动子上的E-box位点(核心序列为5-CANNTG-3，经典序列为5-CACGTG-3)发挥转录调控作用。许多研究表明，USF在真核细胞内普遍存在,功能多样，和细胞生长、糖脂代谢、牙齿发育、排卵等生理过程密切相关。因此，深入研究USF的功能对揭示蛋白功能多样性产生的机制以及预防疾病的发生具有重要的意义。
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1分子生物学特征
USF是Sawadogo等[1]1985年从Hela细胞核提取物中部分纯化出的一种序列特异性转录因子。体外实验发现,加入USF可以使腺病毒晚期启动子的转录活性增强10~20倍，故亦称晚期转录因子(MLTF)。USF有2个变异体USF1和USF2，均隶属于碱性-螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链(b-HLH-LZ)转录因子家族，具有典型的螺旋-环-螺旋锌指(bHLH-zip)结构，但分别来自不同的基因。在人类，USF1(hUSF1)基因定位于chr1q22-q23,共有10个外显子，总长4kb，其编码的蛋白含有310氨基酸残基，USF2基因定位于chr19q23，也含有10个外显子，全长10kb,其编码的蛋白含有346氨基酸残基。USF通常以蛋白二聚体的形式与靶基因DNA启动子的E-box结合，从而调节靶基因的转录[2]。由于E-box基序在真核细胞基因组中大量存在，所以USF是一种多功能转录因子。
2在人体中的生理和病理作用
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21USF与糖脂代谢近年来，大量的细胞生化分子实验研究表明：USF广泛参与控制和调节糖、脂代谢相关基因的表达。现已明确的有：在糖类代谢过程中，USF1调控胰岛β细胞基因，胰高血糖素受体基因，胰岛素生长因子结合蛋白-1基因，L型丙酮酸激酶基因,葡萄糖激酶基因，葡萄糖-6-磷酸酶基因的表达。在脂肪代谢过程中，它调控载脂蛋白基因，脂肪酸合成酶，乙酰COA羧化酶，羧酸酯酶2，激素敏感肝脂肪酶的表达。两者合计表明，上游刺激因子在体内的物质代谢中发挥重要的作用。现已研究表明，载脂蛋白A5基因(APOA5基因)在降低血浆甘油三酯水平具有极其重要的作用，USF能结合到APOE在-76/-81区域E盒(5-CACGTG-3)能增强APOA5基因启动子活性约85倍。最近研究比较多的是USF与家族性混合型高脂血症、代谢综合征的相关性及其可能的机制。这两者都有血清高胆固醇(TC)和/或高甘油三酯(TGS)的共同特点，易致冠心病的发生。Laurila等[3]在研究澳大利亚ADL家庭和芬兰中年男子猝死的尸检报告中发现USF基因和APOA5基因与血清血脂水平和动脉粥样硬化紧密关联。Pajukanta等[4]从USF基因的单核苷酸多态性(SNP)方面着手,研究USF与FCHL关系中发现在USF基因的某些多态性的变化会出现相应个体患FCHL的几率上升，同时还发现，在这些易患个体中，载脂蛋白(APOE)的表达量明显下降。Jenny C Lee等[5]研究荷兰FCHL家庭发现USF rs737787多态性与个体甘油三酯及载脂蛋白E(APOE)水平具有统计学意义上的显著关联。在FCHL中USF导致APOE下降的可能机制目前有两种(1)研究表明,在FCHL和代谢综合症中常伴有胰岛素抵抗，高胰岛素血症的特征。Maxime Nowak等[6]研究发现胰岛素降低了人类APOA5基因启动子活性并呈剂量依赖性，其分子机制通过PI3K和核糖体蛋白S6激酶途径，磷酸化和去磷酸化调节机制降低USF与APOA5基因启动子上的E盒结合从而降低APOA5基因表达。(2)在FCHL易患个体中，USF某些SNP的可能是非同义SNP，改变了USF的功能，从而导致其激活APOE启动子的功能减弱或消失。
, http://www.100md.com
22USF与胚胎发育USF蛋白对于胚胎正常发育是必需的，当其发生突变时,小鼠在胚胎时期即发生死亡；仅USF1敲除,小鼠虽然可以存活, 但表现出一定程度的行为异常；而在USF2基因敲除的小鼠则表现明显的生长缺陷，他们在出生时体格较小，比其野生型与出生后发育维持更小比例尺寸的特点。特别是在一些USF的缺陷的雌生小鼠，容易出现自发的癫痫发作，这表明USF在维持正常的脑功能有着重要作用。USF2缺乏的雄性小鼠寿命有大幅度的下降，其中大多数是死于25和45之间的月龄，很少幸存超过6个月龄；相反,所有的雌性小鼠存活4~10个月仍健在。因此可以得出结论：USF2基因是正常的胚胎发育必不可少的，其重要作用表现在体型、大脑功能和雄性的寿命[7]。其作用机理尚不完全清楚，有待于进一步研究。
23USF与造血干细胞及造血系统在造血调控中，造血干细胞(HSC)的发育和各系的分化成熟需要不同的转录因子参与。在人类及高等动物体内，HSC是各种血细胞与免疫细胞的起始细胞。它具有自我复制和多向分化不断增殖的能力，且自我复制和多向分化之间保持动态平衡。在人体内，这种动态平衡的实现是由同源盒基因家族中的HOXB4维持的，它的表达是在转录水平上由USF调控的。研究表明，人和小鼠的HOXB4基因启动子上含有USF结合序列E-box,即HOX反应元件(HXRE-2)。Giannola等[8]已经证明USF1和/或USF2的过度表达可以成倍地上调HOXB4基因的转录.最近发现,白细胞介素-3(IL-3)反应的白血病细胞系在受到IL-3的刺激后,USF2表达量明显上升,直接导致其下游基因HOXB4的表达增强,从而促进细胞增殖,综合看来,USF1和USF2可以激活HOXB4基因在人造血干细胞中的表达,刺激干细胞的增殖[9],从而维持了干细胞的更新. 在红细胞分化过程中，USF调节包括HOXB4基因和β-珠蛋白基因[10]。研究表明A-USF的表达可降低几个关键的红细胞特异性转录因子，包括EKLF和TAL -1的表达，从而影响红细胞的生成。研究还发现，USF在红细胞分解代谢过程中也发挥重要的作用。血红素加氧酶(HO)是血红素降解的起始酶和限速酶，该酶的启动子含有GC盒和E盒。实验证实:USF1/USF2(尤其是它的剪接变异体USF2b)协同与其他转录因子共同参与调节HO-1基因的表达[11]。
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24USF在牙齿发育中的作用成牙本质细胞的增殖、分化和矿化是牙齿发育的重要组成部分，其具有分泌牙本质有机基质并促使其矿化的功能，若功能异常可导致牙齿发育异常。研究证实，成牙本质细胞的增殖、矿化和细胞外基质分泌等功能受到多种多种信号分子(激素、细胞外生长因子和胞内转录因子)的协同调节而有序进行。吴礼安等[12]首次在小鼠牙齿发育中牙胚组织中检测有USF1mRNA及USF1蛋白表达,且主要位于分泌期的成牙本质细胞和成釉细胞,表达模式具有显著的时空特异性，由此表明USF1在成牙本质细胞发育过程中发挥一定的作用。OPN是一种分泌型糖基化磷蛋白，在大鼠牙釉质及牙本质形成、矿化过程中起重要作用。研究结果表明，MDPC一23中有OPNmRNA表达；转染PCMV-USF1后OPN mRNA表达水平增高；而转染A-USF后OPN mRNA表达水平下降，从而证明USF1具有调控成牙本质细胞OPN表达的功能[13]。提示USF1参与牙本质细胞的矿化过程。现已发现在USF1靶基因中, 很多都同牙齿发育有着密切的关联,如HGF、TGF-β1,BMP4,I型胶原,OPN等,提示USF1有广泛参与牙齿的发育调控过程。, 百拇医药(吴名士 陈晓鹏)