Kruppel樣因子15
——多功能轉(zhuǎn)錄因子的功能研究

李 麗，朱 偉，魏 盟(綜述),趙 清(審校)

(上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200233)

Kruppel樣因子15(Kruppel-like factor-15，KLF15)由KLF15基因表達(dá)，具有3個高度保守的鋅指結(jié)構(gòu)[1]。研究證實,3個鋅指結(jié)構(gòu)具有核定位信號，使KLF15轉(zhuǎn)入細(xì)胞核并與DNA的CACCC元件和富含GC區(qū)連接定位，而鋅指結(jié)構(gòu)2和3是KLF15進(jìn)行核定位的必備條件[2]。KLF15在組織器官中廣泛表達(dá)，尤以心臟、腎、肝、脂肪細(xì)胞、骨骼肌為甚，KLF15的表達(dá)受許多物質(zhì)的調(diào)控：激活的糖皮質(zhì)激素受體、糖皮質(zhì)激素信號、禁食等上調(diào) KLF15表達(dá)，喂食、肥胖、白細(xì)胞介素17等抑制其表達(dá)[3]。KLF15在心臟疾病、腎病、糖代謝、能量利用等諸多方面具有重要功能。該文就KLF15功能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 KLF15在代謝中的作用

1.1KLF15在糖代謝中的作用 KLF15在肝臟中大量表達(dá)，在飽食和肥胖小鼠中KLF15的表達(dá)受到抑制。磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、葡萄糖-6-磷酸酶、過氧化物酶體增殖激活受體γ共激活因子1α均參與調(diào)節(jié)糖異生相關(guān)酶的基因表達(dá)。研究表明，KLF15與過氧化物酶體增殖激活受體γ共激活因子1α在協(xié)同作用下調(diào)節(jié)糖異生和氨基酸降解酶的基因表達(dá)。在培養(yǎng)的肝細(xì)胞中過量表達(dá)KLF15降低磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因表達(dá)，而腺病毒轉(zhuǎn)染特異性KLF15 mRNA的shRNA不僅抑制KLF15 mRNA，而且降低磷酸烯醇丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶mRNA的表達(dá)。特異性剔除糖尿病小鼠肝臟KLF15可明顯降低糖異生和氨基酸降解酶的基因表達(dá)并改善高血糖狀態(tài)。二甲雙胍是有效的降糖藥物，Takashima等[4]證實,二甲雙胍通過降解和下調(diào)KLF15 mRNA的表達(dá)水平達(dá)到降糖的目的。胰島素抵抗，糖利用率的下降是引起2型糖尿病的重要原因，而胰島素抵抗是由于缺乏葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(glucose transport 4，GLUT4)。研究表明，在脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞中過表達(dá)KLF15可有效誘導(dǎo)GLUT4的表達(dá)。Gray等[5]采用共轉(zhuǎn)染技術(shù)證實，KLF 15與心肌增強(qiáng)因子協(xié)同激活GLUT4增強(qiáng)子。

1.2KLF15在脂肪細(xì)胞中的多種作用 研究表明，KLF15是脂肪形成晚期的調(diào)節(jié)因子[6]。肥胖小鼠的脂肪組織中KLF15表達(dá)明顯下調(diào)。Nagare等[7]建立脂肪組織特異型KLF15轉(zhuǎn)基因小鼠模型(aP2-KLF15 Tg)來研究其在脂肪組織(白色脂肪組織和棕色脂肪組織)中的作用，與對照組相比，aP2-KLF15 Tg小鼠胰島素分泌增加，糖耐量相應(yīng)增加(P<0.01)。過表達(dá)KLF15增加脂肪組織線粒體的功能和過氧化物酶β的氧化，進(jìn)而增加氧耗。硬脂酰-輔酶A脫氫酶1(stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1)在肥胖病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用，脂肪細(xì)胞過表達(dá)KLF15呈劑量依賴性地抑制SCD1的表達(dá)，KLF15通過與SCD1啟動子連接發(fā)揮抑制作用。與其他組織相比胰島細(xì)胞對氧化應(yīng)激更為敏感。體外培養(yǎng)β細(xì)胞系MIN6細(xì)胞，與對照組相比，腺病毒轉(zhuǎn)染KLF15的細(xì)胞氧化應(yīng)激明顯下降(P<0.01)，這種抑制作用在aP2-KLF15 Tg小鼠中得到驗證。研究還建立SCD1 Tg和aP2-KLF15 Tg雙轉(zhuǎn)基因模型，與aP2-KLF15 Tg相比，雙轉(zhuǎn)基因小鼠血糖水平增加，胰島素分泌減少，血漿和白色脂肪組織的脂質(zhì)過氧化物作用上調(diào)。研究數(shù)據(jù)表明，KLF15轉(zhuǎn)基因小鼠下調(diào)SCD1的表達(dá)，從而降低氧化應(yīng)激，增加胰島β細(xì)胞，促進(jìn)胰島素分泌，抵抗高脂飲食造成的肥胖。

乙酰輔酶A是各種代謝通路(脂肪酸代謝、膽固醇生物合成、三羧酸循環(huán))的中間產(chǎn)物，由乙酰輔酶A合成酶2合成。研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)KLF15誘導(dǎo)乙酰輔酶A合成酶2基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，并與饑餓誘導(dǎo)的乙酰輔酶A合成酶2基因表達(dá)有關(guān)[8]。

2 KLF15對心血管的保護(hù)作用

心肌肥厚是對心肌損傷、血液動力學(xué)壓力增加的反應(yīng)，是心力衰竭和死亡的征兆。心肌肥大的患者和大鼠模型中，KLF15的心肌表達(dá)量明顯下降。剔除KLF15的小鼠對壓力超負(fù)荷表現(xiàn)為心臟重量增加，肥厚基因過度表達(dá)，心肌細(xì)胞增大，左心室腔擴(kuò)大，最終發(fā)展為離心性心臟肥厚。而新生大鼠心室肌過表達(dá)KLF15則抑制心肌細(xì)胞變大，抑制蛋白合成，并抑制肥厚性基因的表達(dá)，從而抑制心肌肥厚。Fisch等[9]證實,KLF15能有效地抑制促肥厚因子GATA4和心肌增強(qiáng)因子2的功能，進(jìn)而抑制肥厚因子心鈉肽(atrial natriuretic peptide，ANF)和腦鈉肽(brain natriuretic peptide，BNP)啟動子的轉(zhuǎn)錄激活達(dá)到抑制心肌肥厚的目的。也有研究表明，KLF15強(qiáng)有效地抑制心肌素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子A和B,小鼠心肌細(xì)胞過表達(dá)KLF15能明顯抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥厚[2]。Haldar等[10]發(fā)現(xiàn)，心力衰竭和主動脈瘤患者KLF15的水平下降，而剔除KLF15的小鼠產(chǎn)生嚴(yán)重的心力衰竭，并形成主動脈瘤。p53過度乙?；瘜?dǎo)致心肌病和主動脈病的發(fā)生。研究表明,KLF15的激活能夠抑制p300介導(dǎo)的p53乙?；乐剐牧λソ吆椭鲃用}瘤的產(chǎn)生。

Wnt/β聯(lián)蛋白信號通過調(diào)節(jié)心肌祖細(xì)胞的分化調(diào)控心臟重構(gòu)，KLF15通過抑制β聯(lián)蛋白調(diào)節(jié)成人心臟中心肌祖細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。這一認(rèn)知可能成為增強(qiáng)心肌內(nèi)源性修復(fù)的有效方法[11]。心肌纖維化是心肌重構(gòu)的重要特征，而結(jié)締組織生長因子在心肌纖維化過程中起關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，新生大鼠心室成纖維細(xì)胞過表達(dá)KLF15能夠抑制結(jié)締組織生長因子和轉(zhuǎn)化生長因子β1誘導(dǎo)的結(jié)締組織生長因子表達(dá)，從而抑制心肌纖維化[12]。此外，KLF15抑制血管平滑肌的增殖和遷移。Lu等[13]分別線性損傷剔除KLF15的小鼠和對照組，發(fā)現(xiàn)基因剔除小鼠平滑肌細(xì)胞增殖遷移，新生內(nèi)膜過度生長。因此，KLF15成為血管對損傷的應(yīng)答重要調(diào)節(jié)因子。

3 KLF15在腎臟疾病中的保護(hù)作用

足細(xì)胞的去分化是腎小球疾病的重要標(biāo)志，研究發(fā)現(xiàn)KLF15促進(jìn)足細(xì)胞的分化，KLF15在分化的足細(xì)胞中表達(dá)量增加，維甲酸促進(jìn)足細(xì)胞中KLF15的表達(dá)。與未給予維甲酸的對照組相比，維甲酸組明顯促進(jìn)KLF15與足細(xì)胞特異基因上的啟動子區(qū)域連接。對照組和人類免疫缺陷病毒感染組過表達(dá)KLF15明顯增加足細(xì)胞分化標(biāo)志物的表達(dá)。人類免疫缺陷病毒感染相關(guān)腎病或特發(fā)性局灶節(jié)段性腎小球硬化患者其腎小球KLF15的表達(dá)量顯著降低。研究表明，KLF15能夠有效地抑制腎臟疾病的發(fā)生，成為治療足細(xì)胞損傷相關(guān)腎病的潛在新視點(diǎn)[14]。

此外，低蛋白飲食能夠抑制KLF15的表達(dá)，限制腎纖維化[15]。KLF15能夠降低腎小球細(xì)胞胞外基質(zhì)的表達(dá)，抑制腎小球硬化，起到腎保護(hù)作用。不少研究者對部分腎切除的大鼠進(jìn)行蛋白飲食控制研究，發(fā)現(xiàn)與正常蛋白飲食組相比，低蛋白飲食組能夠降低蛋白尿和血尿素氮水平，并減弱腎損傷[16]。腎部分切除后的殘余腎對KLF15的表達(dá)下降，而給予低蛋白飲食能夠促進(jìn)剩余正常腎組織對KLF15的表達(dá)[16]。氧化應(yīng)激、轉(zhuǎn)化生長因子β和腫瘤壞死因子α能夠抑制腎小球系膜細(xì)胞KLF15的表達(dá)，這種抑制作用通過腫瘤壞死因子受體1和核因子κB通路發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)，系膜細(xì)胞過表達(dá)KLF15明顯降低纖連蛋白和Ⅳ型膠原蛋白mRNA的表達(dá)水平，而在單側(cè)腎切除的小鼠中剔除KLF15后，其對各種刺激更為敏感，更易發(fā)展成為腎小球硬化[16]。

4 KLF15在骨骼肌中的作用

骨骼肌在運(yùn)動期間提高脂質(zhì)利用的能力是代謝可塑性的形式之一，對于機(jī)體的存活具有重要意義。研究證實，KLF15在骨骼肌對脂質(zhì)利用和骨骼肌生理功能方面起重要作用。而缺乏KLF15的小鼠骨骼肌表現(xiàn)出異常的脂質(zhì)和能量代謝，對糖類的過度依賴，肌肉極度疲勞，運(yùn)動耐量受損。Haldar等[17]發(fā)現(xiàn)，做急性耐力運(yùn)動的小鼠對KLF15的表達(dá)明顯升高，而KLF15剔除的小鼠運(yùn)動耐力明顯降低，且肌肉極易疲勞。新生小鼠的肌肉中KLF15的表達(dá)量極低，而其表達(dá)量在生后隨著肌纖維的成熟逐漸增加。隨后，Haldar等[17]檢測剔除KLF15的小鼠中脂質(zhì)通量通路中一系列相關(guān)基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)基因的表達(dá)均明顯降低，包括調(diào)節(jié)脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)基因、線粒體脂質(zhì)氧化相關(guān)基因、肌內(nèi)脂質(zhì)貯存相關(guān)基因，需要指出的是，這些相關(guān)基因表達(dá)的下調(diào)與其他調(diào)節(jié)骨骼肌脂質(zhì)通量關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子無關(guān)。此次研究還發(fā)現(xiàn)，在有氧耐力運(yùn)動實驗中，剔除KLF15的小鼠呈現(xiàn)異常的底物和能量代謝，其血中脂肪酸水平升高，氧化代謝和脂質(zhì)利用率降低，而以燃燒糖類作為維持能量消耗增加，進(jìn)一步證實了KLF15在骨骼肌脂質(zhì)利用及骨骼肌本身生理功能中的關(guān)鍵作用。

面肩肱型肌營養(yǎng)不良癥(facioscapulohumeral muscular dystrophy,FSHD)是一種顯性遺傳病，與染色體4長臂上端粒酶D4Z4重復(fù)序列的部分缺失有關(guān)。D4Z4重復(fù)序列含有一個較強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子，能夠激活FSHD相關(guān)基因。Dmitriev等[18]研究發(fā)現(xiàn)，該增強(qiáng)子能夠與KLF15連接。過表達(dá)KLF15激活D4Z4增強(qiáng)子引起雙同源框4-著絲粒和FSHD結(jié)構(gòu)基因2的過表達(dá)。而在人類成纖維細(xì)胞中，D4Z4增強(qiáng)子能夠被肌源因子生肌決定因子激活，而這一作用又能被KLF15的失活所抵消，因此KLF15是肌源因子和D4Z4增強(qiáng)子之間的分子連接，在FSHD的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。

5 KLF15在其他方面的作用

KLF15不僅在代謝、心臟疾病、腎硬化、骨骼肌脂質(zhì)代謝方面有重要作用，在其他方面同樣起著不可或缺的作用。最近的研究證實了生物鐘在調(diào)節(jié)心臟代謝、生長及對損傷應(yīng)答方面的直接作用。Jeyaraj等[19]發(fā)現(xiàn)，KLF15的表達(dá)呈時間依賴性，而心臟離子通道的表達(dá)和QT間期的變化在KLF15的調(diào)控下呈現(xiàn)內(nèi)源性的節(jié)律性。鉀離子通道相互作用蛋白2是產(chǎn)生瞬時外向鉀電流必需的重要亞單位，而KLF15的表達(dá)能夠調(diào)節(jié)鉀離子通道相互作用蛋白2的節(jié)律性表達(dá)。KLF15的過量或缺乏均可導(dǎo)致QT間期變化失節(jié)律，異常復(fù)極，室性心律失常。此外，Jeyaraj等[20]還發(fā)現(xiàn)，KLF15對調(diào)節(jié)機(jī)體氮平衡的多種酶進(jìn)行節(jié)律性調(diào)控表達(dá)，使得氮穩(wěn)態(tài)在KLF15的調(diào)控下呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性。

糖皮質(zhì)激素通過調(diào)節(jié)呼吸道平滑肌的結(jié)構(gòu)和功能以達(dá)到治療哮喘的目的，但是糖皮質(zhì)激素發(fā)揮作用的下游目標(biāo)基因還未得到證實。Masuno等[21]在地塞米松處理人類呼吸道平滑肌24 h后應(yīng)用轉(zhuǎn)錄分析技術(shù)和定量聚合酶鏈反應(yīng)對近7500個基因進(jìn)行分析，篩選出KLF15。對剔除KLF15的小鼠給予卵蛋白致敏處理，發(fā)現(xiàn)呼吸道對乙酰膽堿的反應(yīng)消失，炎性反應(yīng)減少。過表達(dá)KLF15減少人類呼吸道平滑肌細(xì)胞的增生，而剔除KLF15的小鼠呼吸道平滑肌細(xì)胞的凋亡明顯增加，從而證實了KLF15在調(diào)節(jié)呼吸道功能中的重要作用。

6 小 結(jié)

具有鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子KLF15是Kruppel樣轉(zhuǎn)錄因子家族中的一員，在諸多生物過程中發(fā)揮重要而關(guān)鍵的作用：下調(diào)KLF15的降糖作用，抑制肥胖，抑制心臟肥厚，防止心力衰竭和主動脈瘤的產(chǎn)生，抑制平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移，抑制腎小球硬化，抑制腎臟疾病的發(fā)生和發(fā)展，增加骨骼肌脂質(zhì)利用，提高骨骼肌運(yùn)動耐量，調(diào)節(jié)心臟節(jié)律，調(diào)節(jié)體內(nèi)氮穩(wěn)態(tài)的晝夜節(jié)律，調(diào)節(jié)呼吸道平滑肌的高反應(yīng)性等。隨著對KLF15研究的越來越深入，其功能受到越來越多的認(rèn)識和重視，鑒于其重要而廣泛的功能，KLF15有望成為臨床上治療疾病的新靶點(diǎn)和新方向。

[1] Pearson R,Fleetwood J,Eaton S,etal.Kruppel-like transcription factors:a functional family[J].Int J Biochem Cell Biol,2008,40(10):1996-2001.

[2] Leenders JJ,Wijnen WJ,van der Made I,etal.Repression of cardiac hypertrophy by KLF15:underlying mechanisms and therapeutic implications[J].PLoS One,2012,7(5):e36754.

[3] Ahmed M，Gaffen SL.IL-17 inhibits adipogenesis in part via C/EBPalpha,PPARgamma and Kruppel-like factors[J].Cytokine,2013,61(3):898-905.

[4] Takashima M,Ogawa W,Hayashi K,etal.Role of KLF15 in regulation of hepatic gluconeogenesis and metformin action[J].Diabetes,2010,59(7):1608-1615.

[5] Gray S,Feinberg MW,Hull S,etal.The Kruppel-like factor KLF15 regulates the insulin-sensitive glucose transporter GLUT4[J].J Biol Chem,2002,277(37):34322-34328.

[6] Fei Z,Bera TK,Liu X,etal.Ankrd26 gene disruption enhances adipogenesis of mouse embryonic fibroblasts[J].J Biol Chem,2011,286(31):27761-27768.

[7] Nagare T,Sakaue H,Matsumoto M,etal.Overexpression of KLF15 transcription factor in adipocytes of mice results in down-regulation of SCD1 protein expression in adipocytes and consequent enhancement of glucose-induced insulin secretion[J].J Biol Chem,2011,286(43):37458-37469.

[8] Yamamoto J,Ikeda Y,Iguchi H,etal.A Kruppel-like factor KLF15 contributes fasting-induced transcriptional activation of mitochondrial acetyl-CoA synthetase gene AceCS2[J].J Biol Chem,2004,279(17):16954-16962.

[9] Fisch S,Gray S,Heymans S,etal.Kruppel-like factor 15 is a regulator of cardiomyocyte hypertrophy[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(17):7074-7079.

[10] Haldar SM,Lu Y,Jeyaraj D,etal.KLF15 deficiency is a molecular link between heart failure and aortic aneurysm formation[J].Sci Transl Med,2010,2(26):26ra26.

[11] Noack C,Zafiriou MP,Schaeffer H J,etal.Krueppel-like factor 15 regulates Wnt/beta-catenin transcription and controls cardiac progenitor cell fate in the postnatal heart[J].EMBO Mol Med,2012,4(9):992-1007.

[12] Wang B,Haldar SM,Lu Y,etal.The Kruppel-like factor KLF15 inhibits connective tissue growth factor(CTGF) expression in cardiac fibroblasts[J].J Mol Cell Cardiol,2008,45(2):193-197.

[13] Lu Y,Haldar S,Croce K,etal.Kruppel-like factor 15 regulates smooth muscle response to vascular injury--brief report[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2010,30(8):1550-1552.

[14] Mallipattu SK,Liu R,Zheng F,etal.Kruppel-like factor 15(KLF15) is a key regulator of podocyte differentiation[J].J Biol Chem,2012,287(23):19122-19135.

[15] Wang Y,Mitch WE.Proteins and renal fibrosis:low-protein diets induce Kruppel-like factor-15,limiting renal fibrosis[J].Kidney Int,2011,79(9):933-934.

[16] Gao X,Huang L,Grosjean F,etal.Low-protein diet supplemented with ketoacids reduces the severity of renal disease in 5/6 nephrectomized rats:a role for KLF15[J].Kidney Int,2011,79(9):987-996.

[17] Haldar SM,Jeyaraj D,Anand P,etal.Kruppel-like factor 15 regulates skeletal muscle lipid flux and exercise adaptation[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109(17):6739-6744.

[18] Dmitriev P,Petrov A,Ansseau E,etal.The Kruppel-like factor 15 as a molecular link between myogenic factors and a chromosome 4q transcriptional enhancer implicated in facioscapulohumeral dystrophy[J].J Biol Chem,2011,286(52):44620-44631.

[19] Jeyaraj D,Haldar SM,Wan X,etal.Circadian rhythms govern cardiac repolarization and arrhythmogenesis[J].Nature,2012,483(7387):96-99.

[20] Jeyaraj D,Scheer FA,Ripperger J A,etal.KIF15 orchestrates circadian nitrogen homeostasis[J].Cell Metab,2012,15(3):311-323.

[21] Masuno K,Haldar SM,Jeyaraj D,etal.Expression profiling identifies KLF15 as a glucocorticoid target that regulates airway hyperresponsiveness[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2011,45(3):642-649.