高血脂症通过诱导BAF60a抑制小鼠肝脏尿素合成进程的分子机制研究文献综述

 2022-12-27 10:12

开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）

  1. 拟解决的问题
  2. 高血脂是否影响肝脏尿素合成及BAF60a的表达？
  3. BAF60a是否介导了高脂调控的肝脏尿素合成和血氨稳态？
  4. 采用的研究手段
  5. 建立高脂饲料喂养（high-fat diet, HFD）诱导的肥胖小鼠模型，观察肝脏中BAF60a和尿素合成基因的表达、尿素合成量、血氨浓度变化情况；
  6. 体外分离小鼠原代肝细胞，用游离脂肪酸（free fatty acids, FFAs）刺激，观察BAF60a、尿素合成基因的表达及尿素合成情况；
  7. 运用腺病毒介导的BAF60a过表达/RNA干扰技术，配合FFAs刺激，阐明BAF60a在细胞水平上对尿素合成过程及相关基因表达的调节作用。
  8. 文献综述

在人体内，氨作为一种重要的氮源参与氨基酸代谢、蛋白质合成和酸碱平衡调节等过程。机体中的氨主要来源于肠道中尿素的分解及谷氨酰胺的脱氨基作用1，并通过肝脏尿素循环及谷氨酰胺的合成来消除2，此动态平衡使得人体血氨浓度维持在40mu;M以下3。当平衡被打破时，血氨浓度升高，破坏大脑活动和神经系统，进而造成不可逆转的神经元损伤、昏迷、颅内压升高甚至死亡。

在血氨动态平衡的调节过程中，肝脏的尿素循环起着至关重要的作用。尿素循环主要包括 5 步反应：（1）氨和 CO2 在氨甲酰磷酸合成酶（carbamyl phosphate synthetase 1, CPS1）的催化下生成氨甲酰磷酸；（2）在鸟氨酸氨甲酰基转移酶（ornithine transcarbamylase, OTC）的作用下，氨甲酰磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上形成瓜氨酸；（3）瓜氨酸在精氨基琥珀酸合成酶（argininosuccinate synthetase, ASS1）的催化下与天冬氨酸缩合成精氨琥珀酸；（4）精氨琥珀酸酶（裂解酶）（argininosuccinate lyase, ASL）将精氨琥珀酸裂解为精氨酸，同时释放出延胡索酸；（5）精氨酸被精氨酸酶（arginase, ARG1）水解为尿素和鸟氨酸，鸟氨酸再次与氨甲酰磷酸合成瓜氨酸，重复上述循环过程4。

在生理状态下，机体的尿素合成受到营养信号和激素水平的调控5。胰高血糖素（glucagon）能够升高肝脏中乙酰谷氨酸（N-acetylglutamate, NAG）的浓度，激活CPS16；同时胰高血糖素还能作用于肝脏线粒体水通道蛋白8，促进其对氨的摄取转运从而促进尿素合成7。糖皮质激素（glucocorticoids, GCs）能够升高除OTC以外的其他四种尿素循环酶的mRNA含量8，GC还能与胰高血糖素协同增强尿素循环酶的活性9。在饥饿或者高蛋白饮食状态下，尿素循环酶的活性会升高5；能量限制性饮食能够提高小鼠肝脏中谷氨酰胺酶的表达量以及CPS1的活性，加速蛋白代谢，增强尿素合成能力10。

与此同时，尿素循环的具体过程受到多种酶类的直接调节，而针对这些酶类的调节机制也各不相同。比如，Cps1的转录可被 TATA 结合蛋白（TATA-binding protein, TBP）激活，其近端和远端启动子包含CCAAT/增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer-binding protein, C/EBP）、激活蛋白1（activator protein 1, AP-1）、糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor, GR）和cAMP效应元件结合蛋白（cAMP-response element-binding protein, CREB）等糖皮质激素及cAMP响应因子结合位点，同时存在包括肝细胞核因子3（hepatocyte nuclear factor 3, HNF-3）在内的组织特异性因子结合位点11。此外，在Cps1的启动子上存在Y-box序列，Y-box结合蛋白-1（Y-box binding protein, YB-1）通过结合Y-box拮抗C/EBPalpha;的转录激活功能从而下调CPS1的表达12。另一方面，HNF-4能通过结合Otc启动子，活化小肠和肝脏中OTC的表达；其中，当HNF-4和C/EBP同时结合到增强子上时能够激活OTC的高表达。而Ass、Asl及Arg1的转录都受到特异性蛋白1（specificity protein 1, Sp1）的调控11。除转录水平，尿素循环酶还受到不同的翻译后水平调控。去乙酰化酶5（sirtuin 5, SIRT5）通过特异性的将CPS1去乙酰化来增加其活性，促进尿素循环13；OTC 的赖氨酸残基 Lys88被乙酰化，此乙酰化位点影响OTC与底物结合从而降低其活性14，去乙酰化酶3（sirtuin3, SIRT3）能够直接通过去乙酰化激活OTC，促进肝脏尿素合成15。然而，上述研究着眼于尿素合成关键蛋白的修饰，其基因的染色质结构及表观遗传学调控仍有待进一步研究。

事实上，在基因表达过程中，染色质的包装状态、核小体中组蛋白以及对应DNA分子会发生改变，上述过程称之为染色质重塑，属于表观遗传学调控。在染色质重塑过程中，染色质重塑复合物发挥了不可或缺的作用16。它通过结合特定的转录元件，水解ATP产生能量，诱导核小体在基因组DNA上滑动，改变组蛋白-DNA相互作用的构象，以此调节靶基因的转录活性并影响一些重要的生理事件，例如胚胎发育、细胞增殖、分化和肿瘤发生17。染色质重塑复合物是一个庞大的家族。以 SWI/SNF 复合物家族为例，其含有一个具 ATPase 功能的核心（BRG1或BRM）和若干个 BRG1 相关因子（BRG1-associated factors, BAF），包括 BAF170、BAF155、BAF60、BAF57 以及 BAF53a16。其中 BAF60a作为一个重要亚基，能通过招募其它核因子/辅因子，调节机体多种生理进程，整合生物钟和能量代谢。比如BAF60a 能结合至生物钟核心基因Bmal1启动子的视黄酸受体相关孤儿受体反应元件（retinoid acid receptor-related orphan receptor response element, RORE）序列上，并将该处的染色质结构转变为活化状态18，参与机体生物时钟调控；BAF60a能够促进葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase, G6pase）和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxy kinase, PEPCK）的表达，加速葡萄糖生成过程，正向调控葡萄糖水平19；BAF60a可以响应高脂饮食刺激，与组成型雄烷受体（constitutive androstane receptor, CAR）结合，促进胆汁酸合成及胆固醇吸收20；它还能与过氧化物酶体增殖子活化受体 alpha;（peroxisome proliferators-activated receptors alpha;, PPARalpha;）、PPARgamma; 辅激活因子 1alpha;（PPARgamma; coactivator-1alpha;, PGC-1alpha;）结合，促进肝脏脂肪酸 beta;-氧化21。

近期研究提示机体脂代谢与尿素及血氨稳态之间具有潜在联系。高脂饮食（high-fat diet, HFD）能显著降低小鼠肝脏 CPS1 的表达和机体尿素水平22。最新发表在Journal of Hepatology上的文章也发现，非酒精性脂肪肝（non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）动物，其尿素循环酶活性不断降低，血氨浓度较对照组明显升高23。体外研究发现，超过16个碳的长链脂肪酸能够抑制CPS1和ASS1的表达，使尿素循环受损24。然而上述研究并没有指出脂代谢和血氨平衡之间的分子连接机制。基于BAF60a作为染色质重塑复合物因子，深度参与肝脏脂代谢稳态这一事实，我们推测其有可能介导了高脂环境下血氨发生紊乱的病理生理学事件。

四、参考文献

1 Matoori, S. amp; Leroux, J. C. Recent advances in the treatment of hyperammonemia. Advanced drug delivery reviews 90, 55-68, doi:10.1016/j.addr.2015.04.009 (2015).

2 Soria, L. R. et al. Enhancement of hepatic autophagy increases ureagenesis and protects against hyperammonemia. Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 391-396, doi:10.1073/pnas.1714670115 (2018).

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