哺乳動(dòng)物線粒體DNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

熊 偉，劉如愛，李 彬，張本斯，姜 北，余 敏

（1.大理大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，云南大理 671000；2.云南省高校臨床生物化學(xué)檢驗(yàn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南大理 671000；3.云南省滇西抗病原植物資源篩選研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南大理 671000；4.云南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，昆明 650091）

由于線粒體在人類健康和疾病中發(fā)揮著重要作用，近年來對(duì)線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的轉(zhuǎn)錄過程及調(diào)控機(jī)制的研究取得了許多重要的進(jìn)展。目前，mtDNA體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的基本組成部分已經(jīng)基本確定，主要包括線粒體RNA聚合酶（mitochondrial RNA polymerase，POLRMT）、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）、線粒體轉(zhuǎn)錄因子B1（mitochondrial transcription factor B1，TFB1M）、線粒體轉(zhuǎn)錄因子B2（mitochondrial transcription factor B2，TFB2M）、線粒體轉(zhuǎn)錄延長因子（mitochondrial transcription elongation factor，TEFM）、線粒體單鏈結(jié)合蛋白（mitochondrial single-stranded binding protein，mtSSBP）和線粒體轉(zhuǎn)錄終止因子（mitochondrial transcription termination factors，mTERFs）家族〔1〕。此外，39 S線粒體核糖體蛋白L12（mitochondrial ribosomal protein L12，MRPL12）作為與POLRMT和TEFM結(jié)合的復(fù)合物，是轉(zhuǎn)錄延伸階段持續(xù)合成和防止在保守序列塊（conserved sequence block，CSB）2處轉(zhuǎn)錄終止所必需的〔2〕。在mtDNA的轉(zhuǎn)錄過程中，除了轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的基本組成部分發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用外，一些核轉(zhuǎn)錄因子也可以通過直接或間接的方式對(duì)mtDNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文主要從mtDNA的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄過程及調(diào)控機(jī)制等方面進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹各種轉(zhuǎn)錄因子以及調(diào)控轉(zhuǎn)錄的其他重要因素在mtDNA的轉(zhuǎn)錄起始、延伸和終止過程中發(fā)揮的作用。

1 線粒體DNA的結(jié)構(gòu)

線粒體基因組于1960年首次被描述〔3〕，并于1981年由Anderson等人完成測(cè)序〔4〕。鑒于其共生細(xì)菌的起源，線粒體基因組與細(xì)菌DNA的結(jié)構(gòu)極其相似。細(xì)菌基因組被壓縮為其體積的10-4以形成類核，線粒體基因組以類似的方式將DNA組織壓縮形成離散的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物，分布于整個(gè)線粒體基質(zhì)中〔5〕。每個(gè)線粒體類核中包含2~10個(gè)拷貝的mtDNA，可以被認(rèn)為是線粒體中一個(gè)獨(dú)立的遺傳單位。哺乳動(dòng)物mtDNA基因序列中幾乎沒有內(nèi)含子，且mtDNA沒有組蛋白結(jié)合。存在類核中的蛋白質(zhì)（例如TFAM等），實(shí)現(xiàn)了mtDNA的緊密包裝〔6〕。在大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，mtDNA占總DNA的0.1%~2.0%。人類mtDNA是環(huán)狀的，全長16 569 bp，遺傳方式為母系遺傳。它編碼2種rRNA、22種tRNA和13種蛋白質(zhì)，都參與氧化磷酸化過程〔7〕。根據(jù)mtDNA兩條鏈轉(zhuǎn)錄RNA在變性氯化銫（CsCl）密度梯度離心的不同，可將其分為重鏈（H鏈）和輕鏈（L鏈）〔8〕。其中，H鏈包含大部分的線粒體編碼基因，L鏈僅編碼MT-ND6蛋白和8個(gè)tRNA。

2 mtDNA的轉(zhuǎn)錄

與核基因組的轉(zhuǎn)錄機(jī)制完全不同，mtDNA轉(zhuǎn)錄的基本酶促機(jī)制由少數(shù)蛋白質(zhì)組成：POLRMT是一種具有啟動(dòng)子識(shí)別功能的單亞基聚合酶，它包含一個(gè)催化性C端結(jié)構(gòu)域（C-terminal domain，CTD）和1個(gè)N端結(jié)構(gòu)域（N-terminal domain，NTD）。但是，POLRMT不能單獨(dú)啟動(dòng)依賴于啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，因?yàn)樗枰?個(gè)額外的轉(zhuǎn)錄因子：TFAM和TFB2M的協(xié)助。在非編碼的D環(huán)區(qū)，線粒體的轉(zhuǎn)錄受到一系列順式作用元件的調(diào)節(jié)，包括：重鏈啟動(dòng)子（heavy strand promoter，HSP）1和HSP2、輕鏈啟動(dòng)子1（light strand promoter 1，LSP1）、轉(zhuǎn)錄終止相關(guān)序列（termination related sequence，TAS）1和TAS2，以及保守序列塊（conservative sequence block，CSB）1、CSB2和CSB3。見圖1。在L鏈的轉(zhuǎn)錄過程中，LSP1是一個(gè)獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，其轉(zhuǎn)錄可以在CSB1處終止，但大多數(shù)的轉(zhuǎn)錄在啟動(dòng)子下游200 bp處的CSB2處終止〔9〕。CSB2是1個(gè)富含G的保守序列，其功能是終止用于mtDNA復(fù)制的7 S RNA引物的轉(zhuǎn)錄，在調(diào)節(jié)mtDNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄之間的轉(zhuǎn)換中發(fā)揮重要作用〔9-10〕。在對(duì)H鏈轉(zhuǎn)錄的研究過程中，研究者們?cè)岢鲞^H鏈雙啟動(dòng)子系統(tǒng)來解釋2種rRNA的高豐度，其中HSP1轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生包含tRNAPhe、tRNAVal和2個(gè)rRNA（12 S和16 S）的轉(zhuǎn)錄本，而HSP2產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本幾乎跨越整個(gè)基因組。然而，最近的動(dòng)物模型〔11〕和體外實(shí)驗(yàn)〔12〕表明，H鏈的轉(zhuǎn)錄可能僅僅受單個(gè)啟動(dòng)子的控制，rRNA表達(dá)豐度的差異可能是不同轉(zhuǎn)錄本周轉(zhuǎn)的結(jié)果。HSP2存在與否及其功能意義仍然是有待解決的問題。

圖1 線粒體DNA的D環(huán)控制區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

mtDNA的轉(zhuǎn)錄由TFAM與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)-15~-10 bp處的高親和力位點(diǎn)結(jié)合而啟動(dòng)，然后產(chǎn)生穩(wěn)定的U形轉(zhuǎn)彎〔13〕，此時(shí)POLRMT就可以直接將蛋白質(zhì)募集到啟動(dòng)子的TFAM處結(jié)合。POLRMT可以在DNA中大約-60~-50 bp的位置滑動(dòng)，直到TFB2M與復(fù)合物TFAM-POLRMT結(jié)合并且完全組裝成起始復(fù)合物包圍啟動(dòng)子，才可以啟動(dòng)該過程。值得注意的是，TFB2M、TEFM與POLRMT之間的結(jié)合并不兼容，在線粒體轉(zhuǎn)錄起始階段，TEFM無法與POLRMT結(jié)合。一旦POLRMT切換到延伸模式，轉(zhuǎn)錄起始因子被釋放，TEFM才能與POLRMT的CTD相互作用，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄形成較長的RNA片段，并在體內(nèi)外均能提高mtDNA轉(zhuǎn)錄延伸的效率和活性。研究已經(jīng)證明，TFAM的水平直接控制mtDNA的拷貝數(shù)〔14〕。除了轉(zhuǎn)錄激活作用外，它還將DNA包裹在類核中。在所有參與mtDNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基因中，TFAM是一種已被證明突變會(huì)導(dǎo)致人類疾病的基因。TFAM基因突變與常染色體隱性遺傳病有關(guān)，嬰兒發(fā)病時(shí)伴有進(jìn)行性肝功能衰竭。此外，有研究者在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)高水平的TFAM會(huì)導(dǎo)致小鼠出生后死亡率升高和線粒體功能障礙，抑制哺乳動(dòng)物mtDNA的轉(zhuǎn)錄〔15〕。TEFM可以刺激POLRMT與DNA∶RNA模板的相互作用，并繞過具有二級(jí)結(jié)構(gòu)（如tRNA）的區(qū)域。最近的研究〔16〕證明，TEFM能夠通過減少POLRMT停頓的頻率和縮短其持續(xù)時(shí)間來增強(qiáng)mtDNA的轉(zhuǎn)錄延長，并有助于跨越CSB2序列以繼續(xù)轉(zhuǎn)錄成完整的多順反子RNA。

線粒體轉(zhuǎn)錄終止的過程仍不清楚。雖然MTERF1轉(zhuǎn)錄終止的原始模型提出它負(fù)責(zé)終止HSP2驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄以促進(jìn)rRNA的合成，但這些模型沒有任何體內(nèi)證據(jù)支持。還有研究〔11〕表明，敲除小鼠的MTERF1基因?qū)π∈蟮谋硇鸵约皉RNA和mRNA的水平?jīng)]有任何顯著影響，然而，生化研究表明MTERF1僅部分終止H鏈轉(zhuǎn)錄，而L鏈轉(zhuǎn)錄幾乎完全被阻斷。MTERF1似乎在LSP終止之外發(fā)揮作用，它已被證明可以通過POLRMT介導(dǎo)更普遍的RNA轉(zhuǎn)錄終止以及mtDNA的復(fù)制終止〔12，17〕。雖然MTERF1可能導(dǎo)致LSP終止，但HSP轉(zhuǎn)錄終止似乎與MTERF1無關(guān)，可能涉及其他蛋白質(zhì)，這仍然是一個(gè)有待闡明的問題。

3 直接結(jié)合的蛋白質(zhì)對(duì)mtDNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)控

除了上述這些線粒體轉(zhuǎn)錄因子外，多項(xiàng)研究表明，許多不同的蛋白質(zhì)如激素、核轉(zhuǎn)錄因子和染色質(zhì)重塑酶，它們可以通過與mtDNA和RNA/DNA修飾酶發(fā)生相互作用來參與mtDNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)。

3.1 激素 最早發(fā)現(xiàn)參與mtDNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控的蛋白質(zhì)之一是甲狀腺激素（thyroid hormone，TH）。TH調(diào)節(jié)的基因表達(dá)由結(jié)合甲狀腺激素受體（thyroid hormone receptor，TR）與甲狀腺激素反應(yīng)元件（thyroid hormone response element，TRE）來介導(dǎo)，它能通過直接結(jié)合mtDNA基因來促進(jìn)mtDNA的轉(zhuǎn)錄〔18〕。最近觀察到甲狀腺激素能夠結(jié)合于12 S rRNA基因和D環(huán)區(qū)域中的TR〔19-20〕。研究還發(fā)現(xiàn)cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋 白（cAMP response element binding protein，CREB）能夠特異性結(jié)合天然形式或回文結(jié)構(gòu)的TRE。此外，該蛋白質(zhì)可以與位于線粒體基因組D環(huán)中的同向重復(fù)序列-2特異性結(jié)合。有研究發(fā)現(xiàn)，在心肌細(xì)胞的線粒體中存在雌激素受體（estrogen receptor，ER），因此推測(cè)E2（17β-雌二醇）和ERβ介導(dǎo)的心臟保護(hù)作用依賴于有mtDNA轉(zhuǎn)錄編碼的線粒體呼吸鏈活性維持。研究還證明E2可以增加ERβ的mtDNA結(jié)合活性，然后增加呼吸鏈復(fù)合體V編碼基因的表達(dá)〔21〕。還有研究表明〔22〕，糖皮質(zhì)激素（glucocorticoid，GC）存在于線粒體中，可以與位于線粒體內(nèi)膜中的糖皮質(zhì)激素受體（glucocorticoid receptor，GR）結(jié)合。Psarra等〔23〕首次鑒定出GR和雌激素反應(yīng)元件具有部分序列同源性，提出類固醇受體在mtDNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控中具有潛在的作用。但目前尚不清楚GR是否與線粒體轉(zhuǎn)錄起始因子（TFAM、TFB2M或POLRMT）或其他已知的線粒體轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子（如MTERF蛋白）相互作用。褪黑激素（melatonin，MT）是一種發(fā)揮重要抗腫瘤作用的松果體激素，線粒體是MT的已知靶標(biāo)。在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的研究中發(fā)現(xiàn)，TFAM的蛋白質(zhì)水平與膠質(zhì)瘤的惡性程度正相關(guān)，而MT影響TFAM的表達(dá)，MT能夠在mRNA和蛋白質(zhì)水平上降低TFAM以及其他蛋白質(zhì)的表達(dá)（如TFB1M和TFB2M），從而干擾mtDNA轉(zhuǎn)錄〔24〕。見表1。

表1 調(diào)控mtDNA轉(zhuǎn)錄的激素

3.2 核轉(zhuǎn)錄因子 線粒體有自身的環(huán)狀基因組DNA，有線粒體特異性轉(zhuǎn)錄和復(fù)制系統(tǒng)以及相應(yīng)的調(diào)節(jié)蛋白。這些蛋白質(zhì)都在核基因組編碼，翻譯后輸入線粒體。Marinov等〔25〕通過對(duì)7種不同的人類細(xì)胞系進(jìn)行染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP）測(cè)序證明存在多種與mtDNA結(jié)合的核轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)果表明，含量最豐富的是CEBPb、c-Jun、JunD、MafF、MafK、Max、NFE2和Rfx5，且它們中的大多數(shù)和預(yù)期一樣在D環(huán)區(qū)域中富集，但也能發(fā)現(xiàn)一些能夠在氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）亞基附近結(jié)合的序列，且在不同的細(xì)胞系之間存在差異。其中的一些轉(zhuǎn)錄因子已被證實(shí)在調(diào)節(jié)mtDNA轉(zhuǎn)錄方面的功能。

核轉(zhuǎn)錄因子c-Jun可以與其他涉及類視黃醇X受體（retinoid X receptor，RXR）途徑的酶協(xié)同減少mtDNA的轉(zhuǎn)錄〔26〕?；罨疶細(xì)胞的核轉(zhuǎn)錄因子（nuclear factor of activated T-cells，cytoplasmic 1，NFATc1）參與人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在成骨細(xì)胞中的分化。該蛋白質(zhì)位于線粒體中并與D環(huán)區(qū)域相互作用，從而抑制一些關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄，例如細(xì)胞色素b（cytochrome b，Cyt b）和NADH-泛醌氧化還原酶鏈1（NADH-ubiquinone oxidoreductase chain 1，ND1）。研究表明〔27〕，NFATc1在鈣化過程中充當(dāng)mtDNA轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)節(jié)因子。

3.3 染色質(zhì)重塑酶 在真核生物中，核DNA（5mCpG）中CpG序列處的胞嘧啶甲基化和組蛋白修飾是影響基因轉(zhuǎn)錄的兩大因素。但是，mtDNA缺乏核小體染色質(zhì)和組蛋白，這些CpG島在線粒體中的甲基化機(jī)制仍然未知。

TFAM是一種含量豐富且高度保守的高遷移率族（high-mobility-group box，HMG box）蛋白。類似于組蛋白對(duì)核DNA或細(xì)菌中組蛋白樣蛋白質(zhì)的作用，TFAM是mtDNA類核中唯一明確的發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用的轉(zhuǎn)錄因子，且與mtDNA永久相關(guān)。這種蛋白質(zhì)可能是造成mtDNA緊密包裝的主要因素，因此它在mtDNA的拓?fù)洚悩?gòu)中發(fā)揮作用〔27〕。研究表明，TFAM可以將DNA扭曲形成U形轉(zhuǎn)彎，這種U形轉(zhuǎn)彎與LSP的轉(zhuǎn)錄起始有關(guān)〔28〕。TFAM可以結(jié)合mtDNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，但由于其濃度對(duì)于整個(gè)mtDNA的覆蓋來說太低，因此TFAM主要在mtDNA的中心區(qū)域充當(dāng)包裝蛋白。據(jù)估計(jì)，一分子TFAM可以20 bp的固定間隔與mtDNA結(jié)合，但由于蛋白質(zhì)作為同源二聚體，兩分子TFAM可以35~40 bp的間隔與mtDNA結(jié)合。盡管有研究認(rèn)為TFAM與mtDNA的結(jié)合缺乏序列特異性，但一些研究提出了mtDNA結(jié)合的位點(diǎn)偏好，尤其是在體外傾向于結(jié)合G-四鏈體結(jié)構(gòu)（G-quadruplex，GQP）〔29〕。

由于TFAM對(duì)mtDNA的緊密覆蓋以及相互作用的非序列特異性，該蛋白質(zhì)必須與mtDNA中的許多CpG島相互作用。越來越多的證據(jù)表明，類似于細(xì)胞核中發(fā)生的情況，一些CpG島中可能發(fā)生甲基化從而影響mtDNA的轉(zhuǎn)錄修飾。Rebelo-Guiomar等〔30〕提出，5mCpG的出現(xiàn)有可能影響哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的TFAM-mtDNA識(shí)別。研究證實(shí)，HSP中CpG序列的甲基化可以增加TFAM在這些位點(diǎn)誘導(dǎo)TFAM多聚化的結(jié)合活性，但不會(huì)改變DNA的壓實(shí)。此外，研究表明HSP1啟動(dòng)子中的CpG甲基化強(qiáng)烈增加了從該位點(diǎn)開始的轉(zhuǎn)錄。最近有人提出，結(jié)構(gòu)化的成人染色質(zhì)樣mtDNA組織是在哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中逐漸形成的，實(shí)現(xiàn)了mtDNA的動(dòng)態(tài)覆蓋。事實(shí)上，在mtDNA中不僅可以發(fā)現(xiàn)CpG序列的甲基化，還可以發(fā)現(xiàn)不同的染色質(zhì)重塑酶。

組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶MOF（males absent on the first，MOF），也被命名為MYST1或KAT8，是主要的賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶（lysine acetyl transferase，KAT），負(fù)責(zé)果蠅和哺乳動(dòng)物體內(nèi)H4K16ac的沉積，是通過表觀遺傳學(xué)修飾連接核基因組以及線粒體基因組的雙重轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑。MOF可以控制mtDNA的轉(zhuǎn)錄，而這種作用依賴于KANSL3〔31〕。當(dāng)MOF/KANSL3缺失時(shí)，線粒體轉(zhuǎn)錄被顯著下調(diào)，嚴(yán)重影響細(xì)胞代謝和呼吸功能。相反，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transduction and activator of transcription protein 3，STAT3）能夠結(jié)合mtDNA和TFAM，從而調(diào)節(jié)mtDNA的轉(zhuǎn)錄。已經(jīng)證明，角質(zhì)細(xì)胞中STAT3的缺失會(huì)導(dǎo)致線粒體編碼的基因轉(zhuǎn)錄物增加〔31〕。NAD依賴性蛋白脫乙酰酶Sirtuin-1（NADdependent protein deacetylase sirtuin-1，SIRT1）作為游離蛋白質(zhì)存在于線粒體中，可以作為TFAM的調(diào)節(jié)因子并與之形成穩(wěn)定的復(fù)合物。SIRT1可能影響其脫乙?；蚼tDNA的活性，從而調(diào)控mtDNA的轉(zhuǎn)錄〔32〕。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNA methyltransferase 1，Dnmt1）是一種通常與基因沉默相關(guān)的甲基轉(zhuǎn)移酶。研究發(fā)現(xiàn)，Dnmt1在用高濃度葡萄糖處理的視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞的線粒體中累積，D環(huán)區(qū)域的甲基化水平顯著增加，抑制mtDNA轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡加速〔33〕。見表2。

表2 調(diào)控mtDNA轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)重塑酶

3.4 線粒體微小RNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到線粒體的微小RNA（microRNA，miRNA）稱為線粒體miRNA（mitomiR），miRNA已經(jīng)被證明是一類能夠通過干擾翻譯過程來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的小RNA。研究發(fā)現(xiàn)了一類特定的mitomiR在線粒體附近和這些細(xì)胞器內(nèi)富集來控制線粒體的行為。但目前尚不清楚mitomiRs是如何進(jìn)入細(xì)胞器的，同時(shí)存在于基質(zhì)和線粒體膜間隙中的一種核糖核酸酶——多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase，PNPase）似乎是發(fā)揮此作用的主要蛋白質(zhì)。有研究已經(jīng)將mtDNA確定為mitomiRs的來源和靶標(biāo)〔34-35〕。除了它們?cè)诜g抑制中的主要功能外，miRNA還涉及在特定條件下增強(qiáng)或抑制mtDNA轉(zhuǎn)錄。有研究已經(jīng)證明了mitomiR-2392可以調(diào)節(jié)舌鱗狀細(xì)胞癌中mtDNA的基因表達(dá)。這種miRNA在線粒體中的存在能夠逆轉(zhuǎn)這些腫瘤細(xì)胞的化療抗性，通過與Argonaut2直接結(jié)合到mtDNA H鏈的特定序列，部分阻斷多順反子mtDNA的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致OXPHOS復(fù)合物的活性降低〔36〕。Zhang等〔37〕研究發(fā)現(xiàn)，miR-1是一種在肌生成過程中特異性誘導(dǎo)的miRNA，它能有效地進(jìn)入線粒體，直接增強(qiáng)肌肉分化過程中特定線粒體基因組編碼轉(zhuǎn)錄物的翻譯。

4 間接調(diào)控mtDNA轉(zhuǎn)錄的核轉(zhuǎn)錄因子

許多因素涉及線粒體轉(zhuǎn)錄調(diào)控和細(xì)胞核之間的聯(lián)系。核轉(zhuǎn)錄因子在間接控制mtDNA轉(zhuǎn)錄和線粒體功能中發(fā)揮著核心作用。目前研究最多的影響mtDNA轉(zhuǎn)錄的核蛋白是核呼吸因子（nuclear respiratory factor，NRF）NRF-1和NRF-2、轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白陰陽1（ying-yang 1，YY1）、p53和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1）等。見表3。

表3 直接調(diào)控和間接調(diào)控mtDNA轉(zhuǎn)錄的核轉(zhuǎn)錄因子

NRF-1和NRF-2控制的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)從呼吸鏈亞基延伸到控制mtDNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的組分，對(duì)mtDNA轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵酶的表達(dá)也有重要作用〔38〕。已有研究證明，它們能夠增強(qiáng)哺乳動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中線粒體生物發(fā)生基因的轉(zhuǎn)錄及對(duì)多種壓力的應(yīng)激反應(yīng)〔39-40〕。TFAM和mtRNA加工酶是NRF-1的靶基因。最近研究證明，TFB1M和TFB2M也是NRF-1的靶基因，兩者可以共同增強(qiáng)mtDNA的轉(zhuǎn)錄〔40〕。PGC-1和PGC-1相關(guān)共激活因子（PGC-1-related coactivator，PRC）的激活需要相同的NRF識(shí)別位點(diǎn)，這些PGC-1家族成員和PRC也是控制代謝、分化和細(xì)胞生長的生理信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和整合以及mtDNA轉(zhuǎn)錄的重要因素〔41〕。PGC-1α是一種共轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過激活不同的轉(zhuǎn)錄因子（包括NRF-1和NRF-2）來調(diào)控mtDNA的轉(zhuǎn)錄〔42〕。YY1是PGC-1α的靶標(biāo)之一，它與哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶標(biāo)（mammalian target of rapamycin，mTOR）蛋白一起可以調(diào)節(jié)mtDNA的轉(zhuǎn)錄。PGC-1β與PGC-1α具有相似的分子結(jié)構(gòu)和功能，可以調(diào)控核受體結(jié)合和轉(zhuǎn)錄激活〔43〕。與前兩個(gè)PGC-1家族成員一樣，PRC也能結(jié)合參與線粒體基因表達(dá)的核轉(zhuǎn)錄因子。此外，PRC可能顯著提高早期胚胎發(fā)生期間的線粒體基因轉(zhuǎn)錄效率〔42〕。線粒體呼吸鏈基因是PGC-1α和mTOR的共同靶標(biāo)〔44〕。mTOR是一種激酶，是細(xì)胞中營養(yǎng)感應(yīng)和能量通路的基本組成成分〔45〕。mTOR還有助于控制線粒體氧化活性，mTOR蛋白的抑制會(huì)導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞中的PGC-1α和NRFs的表達(dá)喪失，導(dǎo)致mtDNA表達(dá)減少和OXPHOS損傷。研究表明，這種功能是由YY1介導(dǎo)的，YY1是mTOR營養(yǎng)感應(yīng)的重要組成部分。YY1基因沉默可以抑制mtDNA的表達(dá)和線粒體的呼吸功能〔44〕。

腫瘤抑制因子p53是一種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄激活蛋白，被證明參與控制mtDNA的拷貝數(shù)。p53通過其核轉(zhuǎn)錄因子的活性來調(diào)節(jié)線粒體功能，增強(qiáng)細(xì)胞凋亡并抑制mtDNA突變。在原代小鼠和人類成纖維細(xì)胞中敲除p53導(dǎo)致mtDNA的消耗和TFAM的減少，從而間接影響mtDNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成和線粒體數(shù)量〔46〕。此外，p53可以抑制NF-κB家族成員RelA向線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)。在沒有p53的情況下，RelA被轉(zhuǎn)運(yùn)并被招募到線粒體基因組中，抑制mtDNA的表達(dá)、耗氧量和細(xì)胞ATP水平，這種功能是通過與線粒體轉(zhuǎn)錄因子的相互作用實(shí)現(xiàn)的〔47〕。

缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1，HIF-1α）是細(xì)胞對(duì)缺氧反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，是調(diào)節(jié)線粒體功能的另一個(gè)關(guān)鍵因素。研究表明，HIF-1α減少了活性氧的產(chǎn)生并保持了線粒體對(duì)抗氧化應(yīng)激的功能，HIF-1α在誘導(dǎo)人體細(xì)胞氧化應(yīng)激后能夠在線粒體內(nèi)易位。線粒體靶向形式的HIF-1α的過表達(dá)有助于減弱細(xì)胞凋亡并促進(jìn)mtDNA編碼的mRNA的表達(dá)，而線粒體HIF-1α的異位表達(dá)下調(diào)了基質(zhì)中mtDNA編碼的mRNA水平但不影響線粒體數(shù)量〔48〕。

線粒體基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是非常獨(dú)特的，因?yàn)槠涫艿絤tDNA和核基因組的雙重調(diào)節(jié)。因此，調(diào)控線粒體基因表達(dá)更高級(jí)的機(jī)制是線粒體基因和編碼呼吸鏈復(fù)合蛋白質(zhì)的核基因的共表達(dá)。兩種遺傳系統(tǒng)都可以根據(jù)細(xì)胞的能量需求來增強(qiáng)或減少轉(zhuǎn)錄。研究表明，存在于細(xì)胞核和線粒體中的5種OXPHOS復(fù)合體均存在基因的共表達(dá)機(jī)制。盡管確定了OXPHOS基因表達(dá)的相關(guān)模式，但在編碼OXPHOS復(fù)合物的基因核心啟動(dòng)子內(nèi)，仍沒有檢測(cè)到轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的特異性排列〔49〕。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，隨著對(duì)哺乳動(dòng)物mtDNA的轉(zhuǎn)錄及調(diào)控研究的不斷深入，人們對(duì)線粒體的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制有了更深入的認(rèn)識(shí)，但仍然有許多具體的調(diào)控細(xì)節(jié)并不是非常清楚。長期以來，人們一致認(rèn)為線粒體在細(xì)胞能量代謝中起著核心作用，但線粒體疾病發(fā)生發(fā)展的復(fù)雜機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。通過對(duì)哺乳動(dòng)物mtDNA的轉(zhuǎn)錄過程及調(diào)控機(jī)制的研究，將為闡明臨床上各種線粒體疾病的發(fā)病機(jī)制提供更多的理論依據(jù)，也為尋找線粒體基因診斷和基因治療提供新的方法和思路。