基于PGC-1α的外周生物时钟和能量代谢整合调控网络的分子机制研究

发布时间：2017-10-27 03:39

  本文关键词：基于PGC-1α的外周生物时钟和能量代谢整合调控网络的分子机制研究

  更多相关文章： 生物时钟 能量代谢稳态 PGC-1α Smarcd1 VNN1 血管平滑肌细胞 肝脏

【摘要】：地球的自转产生了昼夜交替循环,为了适应这—环境变化,哺乳动物体内进化出生物时钟系统,控制着各项生理进程,如睡眠周期、血压、血液激素水平及能量代谢等,使之呈现出以24小时(hours, h)为周期的节律性变化。哺乳动物的生物时钟主要可分为中枢性生物时钟和外周性生物时钟两类。中枢性生物时钟位于下丘脑视交叉上核神经元(hypothalamus suprachiasmatic nucleus, SCN),它能整合外界环境中的光/非光信号,产生节律性输出,经神经内分泌和体液循环通路,影响外周组织的生理进程,同时协调外周性生物钟。通常情况下,中枢和外周生物时钟的运作是同步偶联的,使得机体能量利用率达到最优状态,以适应外界光线和进食周期等环境因素的改变。近年来研究证实,神经内分泌和代谢系统受到时钟节律的精确调控。哺乳动物体内,约43%的基因呈现出昼夜节律性表达,其中有许多基因负责编码在代谢过程中发挥关键作用的转录辅因子/因子和酶类,因此导致体内多种代谢进程(比如肝糖异生,胆酸合成等)也呈现出昼夜节律性。而且,许多核心生物时钟基因(如Bmall、RORa等)自身具有重要的代谢调控功能。相反,营养信号的改变,如高脂饮食,可以重设机体外周性生物时钟,使得外周性生物时钟与中枢性生物时钟解偶联,从而导致一系列代谢性疾病的发生。因此,生物时钟和能量代谢之间存在着紧密联系,这两者的整合机制目前已得到部分阐明。简而言之,目前公认的整合模式有两种：a.以核受体、代谢物、转录辅因子/因子等为节点,同时调控时钟和能量代谢进程,促使二者的整合,即“并联型”整合模式；b.钟控基因(clock-controlled genes, CCGs)承接生物钟信号,并作为下游效应器进而调控代谢进程,线性化促使二者整合,即“串联型”整合模式。值得一提的是,过氧化物酶体增殖子活化受体γ共激活因子-1α (peroxisome proliferator activated receptor y coactivator 1α, PGC-1α)作为一个重要的能量代谢调控因子,能以“并联型”整合模式,协同调控肝脏的生物时钟与能量代谢进程。PGC-1α的表达高度受控于环境刺激和营养信号,一旦被诱导,它就能够和多种核转录因子(如PPARα/β/γ/δ、ERRα/β/γ、HNF4α等)相互作用,激活下游的多种代谢通路,包括促进线粒体增殖和褐色脂肪组织的适应性产热、饥饿时的肝糖异生等,从而使生物体对外界刺激信号作出灵敏的反应。然而,PGC-1α是一个位处相对上游的枢纽分子,对PGC-1α进行调控会产生“牵一发而动全身”的效果,其调控的特异性和安全性大打折扣。有鉴于此,我们需要寻找PGC-1α的分子伴侣或受PGC-1α调控的下游分子,阐明它们的组织特异性的时钟和代谢调控功能,从而实现更加高效地调控。为了实现上述目标,本研究以PGC-1α为基点,筛选出其分子伴侣Smarcd1和其下游基因Vanin-1 (VNN1),并深入研究了它们的时钟和代谢整合功能。研究分为两部分,第一部分主要探究Smarcd1在整合血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell, VSMCs)生物时钟和生理稳态过程中所起的作用；第二部分旨在阐明VNN1在承接时钟信号,进而调控肝脏糖异生过程中所扮演的角色。我们的研究发现Smarcd1在大鼠VSMCs中呈现出振荡性表达,其表达振幅被体内高脂饮食(high fat diet, HFD)信号以及体外游离脂肪酸(free fatty acids, FFAs)刺激所抑制。分子水平实验证实,Smarcd1与RORa结合,协同激活bmall启动子的转录活性,且二者的结合由PGC-1α所介导。在VSMCs的生理功能方面,我们发现过表达Smarcd1,能够显著抑制FFAs所诱导的VSMCs增殖、迁移及黏附,同时抑制Erk/MAPK以及Akt磷酸化水平。并且,Smarcd1的这些效应会被Bmall的敲降所减弱。综上所述,Smarcd1在协同调节VSMCs的生物时钟和生理功能稳态方面扮演着重要的角色。另一方面,PGC-1α下游基因VNN1能够响应时钟信号,在小鼠肝脏中呈现节律性表达。代谢方面,在饥饿或者胰岛素(Insulin)抵抗的小鼠肝脏中,VNN1的表达显著升高。过表达VNNl能够通过调节Insulin/Akt信号通路,提高糖异生基因表达和肝脏葡萄糖生成,导致高血糖症状的出现。在分子水平上,PGC-1α和HNF4a协同激活vnnl的转录。ChIP实验表明PGC-1α锚定在vnnl近端启动子的HNF4a结合位点附近,并且使染色体结构进入活跃状态。由此可见,VNN1能响应时钟信号,并作为下游效应器调节肝脏糖异生过程。一言以蔽之,本研究发现PGC-1α分子伴侣Smarcd1以“并联型”模式整合VSMCs的生物时钟和生理稳态；PGC-1α下游基因VNN1以“串联型”模式,响应时钟信号,进而调控肝脏糖异生过程。本研究丰富了现有的生物时钟和能量代谢之间的整合理论,同时从时间生物学角度为治疗代谢性疾病提供了更加有效的药物作用靶点。
【关键词】：生物时钟 能量代谢稳态 PGC-1α Smarcd1 VNN1 血管平滑肌细胞 肝脏
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q418;Q78
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 生物时钟的运作12-13
• 1.2 生物时钟的分子机制13-14
• 1.3 生物时钟与能量代谢进程14-19
• 1.3.2 生物时钟与葡萄糖稳态17-18
• 1.3.3 生物时钟与脂质代谢稳态18-19
• 1.3.4 时钟定时器与能量代谢稳态19
• 1.4 生物时钟和能量代谢的整合机制19-23
• 1.4.1 核受体整合机制19-20
• 1.4.2 代谢物整合机制20-21
• 1.4.3 转录共激活因子整合机制21-22
• 1.4.4 染色质重塑复合物整合机制22-23
• 1.5 本章小结23-25
• 第2章 PGC-1α分子伴侣Smarcd1整合VSMCs生物时钟和生理进程的机制研究25-77
• 2.1 引言25-28
• 2.2 材料与方法28-53
• 2.2.1 实验材料28
• 2.2.2 实验动物处理28-30
• 2.2.3 实验方法30-52
• 2.2.4 数据处理与统计52-53
• 2.3 实验结果53-75
• 2.3.1 大鼠胸主动脉中Smarcd1的表达分布53
• 2.3.2 高血脂大鼠模型的构建53-54
• 2.3.3 高血脂抑制CT大鼠VSMCs中Smarcd1和生物钟基因的表达54-55
• 2.3.4 高血脂抑制ZT大鼠VSMCs中Smarcd1和生物钟基因的表达55-56
• 2.3.5 HFD抑制CT小鼠VSMCs中Smarcd1和生物钟基因Bmal1的表达56-57
• 2.3.6 FFAs剂量依赖性地抑制VSMCs中Smarcd1和生物钟基因的表达57-58
• 2.3.7 FFAs时间依赖性地抑制VSMCs中Smarcd1和生物钟基因的表达58-59
• 2.3.8 Smarcd1激活VSMCs中生物钟基因表达59-60
• 2.3.9 Smarcd1调控VSMCs中生物钟基因节律性表达60-61
• 2.3.10 Smarcd1和RORα协同激活bmal1启动子转录61-62
• 2.3.11 PGC-1α介导Smarcd1对于VSMCs生物钟的调控62-64
• 2.3.12 Bmal1全身敲除小鼠基因型鉴定64-65
• 2.3.13 HFD导致Bmal1敲除小鼠发生高血脂症65
• 2.3.14 HFD喂养的Bmal1敲除小鼠VSMCs异常活化65-66
• 2.3.15 Smarcd1过表达及Bmal1干扰效率的验证66-67
• 2.3.16 Smarcd1抑制FFAs诱导的VSMCs增殖67-68
• 2.3.17 Smarcd1并未影响VSMCs的凋亡68
• 2.3.18 Smarcd1负向调控VSMCs的细胞周期68-69
• 2.3.19 Smarcd1抑制FFAs诱导的VSMCs的迁移69-70
• 2.3.20 Smarcd1抑制FFAs导致的VSMCs粘附相关蛋白的活化70-71
• 2.3.21 Smarcd1是维持VSMCs生理功能基因时钟振荡表达的关键因子71-72
• 2.3.22 Smarcd1抑制FFAs导致的VSMCs激酶的蛋白活化72-73
• 2.3.23 Smarcd1抑制FFAs导致的VSMCs中ROS的产生73
• 2.3.24 Smarcd1减少FFAs导致的VSMCs中脂质堆积73-74
• 2.3.25 Bmal1能调控Smarcd1的表达74-75
• 2.4 讨论与展望75-77
• 第3章 PGC-1α下游分子VNN1响应外周生物时钟并调控肝脏糖异生进程的机制研究77-115
• 3.1 引言77-80
• 3.2 材料与方法80-90
• 3.2.1 实验材料80
• 3.2.2 实验动物处理80-81
• 3.2.3 实验方法81-89
• 3.2.4 数据分析与统计89-90
• 3.3 实验结果90-111
• 3.3.1 VNN1在小鼠肝脏中呈现节律性表达90-91
• 3.3.2 生理性糖异生信号激活小鼠肝脏中VNN1的表达91-92
• 3.3.3 病理性糖异生信号激活小鼠肝脏中VNN1的表达92-94
• 3.3.4 糖异生信号对VNN3的表达的影响94
• 3.3.5 体外糖异生信号8-Br cAMP激活VNN1的表达94-95
• 3.3.6 VNN1激活小鼠肝脏糖异生进程95-96
• 3.3.7 VNN1在细胞水平上激活糖异生作用96-97
• 3.3.8 肝脏特异性干扰VNN1导致正常小鼠饥饿低血糖并抑制糖异生基因的表达97-98
• 3.3.9 肝脏特异性干扰VNN1改善db/db小鼠高血糖及过度糖异生进程98-100
• 3.3.10 肝脏特异性干扰VNN3不能缓解db/db小鼠高血糖和过度糖异生进程100-101
• 3.3.11 细胞水平上干扰VNN1降低8-Br cAMP导致的糖异生基因活化101-102
• 3.3.12 VNN1负向调控Insulin/Akt信号通路102-104
• 3.3.13 Akt信号通路介导VNN1对于糖异生过程的调控作用104
• 3.3.14 PPARγ信号可能介导VNN1对Akt信号的调控作用104-105
• 3.3.15 PGC-1α在动物水平上激活VNN1的表达105-106
• 3.3.16 PGC-1α在细胞水平上激活VNN1的表达106-107
• 3.3.17 PGC-1α协同HNF4α激活vnn1的转录107-109
• 3.3.18 HNF4α介导PGC-1α对VNN1的正向调控作用109
• 3.3.19 VNN1是PGC-1α的输出基因109-111
• 3.4 讨论与展望111-115
• 第4章 全文总结115-117
• 4.1 本研究的主要研究成果和结论115
• 4.1.1 PGC-1α分子伴侣Smarcd1整合VSMCs生物时钟和生理稳态进程115
• 4.1.2 PGC-1α下游基因VNN1响应外周生物时钟并调控肝脏糖异生过程115
• 4.2 本研究的创新点115-116
• 4.3 进一步研究方向116-117
• 附录117-126
• 参考文献126-147
• 在读期间发表的学术论文及研究成果147-149
• 致谢149

【共引文献】

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4 高小恒;;PGC-1α与能量代谢相关研究进展[A];2014年甘肃省中医药学会学术年会论文集[C];2014年

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1 张园;IVF-ET来源胎盘形态学、基因组学和胎盘屏障的研究：探讨辅助生育技术安全性[D];南京医科大学;2012年

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4 蔡爱芳;运动对二VA英致大鼠脂质合成代谢障碍的干预作用及其机制研究[D];北京体育大学;2013年

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本文编号：1101787