LXRα参与Insig―Srebp―Scap途径调节脂质代谢的机制

【摘要】脂质的内稳态的平衡机制是复杂的，LXRα、固醇调节元件结合蛋白（SREBP）、Insig-Srebp-Scap途径以及胆固醇自我调节反馈等多种机制均参与到脂质的内在平衡过程中。在高浓度胆固醇的环境下，通过胆固醇负反馈的调整HMG-CoA 还原酶和Insig-Srebp-Scap途径来抑制胆固醇的生成，与此同时，高浓度胆固醇通过LXRα/RXR激活SREBP-1c上调多种参与脂肪酸合成的酶的转录，从而均衡的调整多种脂质水平的上升。而在低浓度胆固醇的环境下，通过Insig-Srebp-Scap途径增加HMG-CoA 还原酶的生成，并使胆固醇的量维持在机体需求的水平上。机体通过以上机制体现了维持脂质内稳态的平衡能力。

【关键词】Insig-Srebp-Scap途径；固醇调节元件结合蛋白；胆固醇自反馈调节；HMG-CoA还原酶

【中图分类号】R969 【文献标识码】A【文章编号】1004-4949（2013）11-12-03

LXRα在脂代谢中处于核心调控基因的位置，参与脂质的外流与合成的调节，其中， LXRα通过INSIG-SCAP-SREBP途径形成重要的维持细胞内脂质稳态合成和调控机制，它与胆固醇负反馈的调整HMG-CoA 还原酶形成复杂的脂质（胆固醇、甘油三酯）内稳态的平衡体系。

1 LXRα概述

肝核受体（1iver X receptors，LXRs）在脂代谢中起到重要的调节作用。LXR家族包括2个亚型：LXRα和LXRβ， LXRα主要在与脂代谢有关的组织表达，如肝脏、小肠、肾脏、脾脏、脂肪组织、巨噬细胞等。LXRα主要通过与类视黄醇X受体 （retinoid X receptors，RXRs）形成异源二聚体调控靶基因的转录。LXR/RXR异源二聚体与转录共激活因子结合，然后与靶基因上特异的DNA元件（1iver X receptor responsive element，LXRE） 重复序列结合。 LXR/RXR与配体结合可以改变LXR/RXR异源二聚体的结构，导致辅阻遏物（corepressor）的去除，同时促进辅活化子（coactivator）与之相互作用，从而调节靶基因在转录水平上的表达[1]。

2 Insig-Srebp-Scap途径概述

2.1Insig的概述： 哺乳动物的Insigs（insulin-induced genes，Insigs，一种蛋白质内质网膜固有蛋白）包括两个异构体，Insig-1和Insig-2。人的Insig-1由277个氨基酸残基组成，Insig-2包含225个氨基酸残基，缺少Insig-1氨基末端的50个氨基酸残基，这种结构的差别在不同种属间是高度保守的。两种分子都是通过6个跨膜螺旋结构镶嵌到内质网膜上的。他们编码的蛋白有59%的同源性。分别位于Insig-1和Insig-2第205和149位点的天冬氨酸残基对于Insig同SCAP和β-羟基-β-甲基戊二酸单酰 CoA（HMG-CoA还原酶）的作用是必须的。Insig-1与Insig-2的功能是有一些区别的。Insig-1 和 Insig-2都可以使SCAP-SREBP复合体滞留在内质网膜上，也都可以激活固醇依赖的HMG-CoA还原酶降解。但是他们转录调节的机制是不同的，Insig-1的表达受核SREBPs的正调节，而Insig-2的表达受胰岛素的负调节。Insig-2只有在固醇存在的条件下才能发挥作用，没有固醇的环境中即使其表达水平再高也不能将SREBP/SCAP复合体滞留在内质网膜上。当细胞在对固醇供需发生较大变化时，Insig-1和Insig-2共同作用，对SREBP合成和成熟进行精细的调节。二者的另一个区别是Insig-1的转变比Insig-2要快得多，Insig-1和Insig-2这种降解速率上的差别与其所含的氨基酸残基不同有关，研究发现，Insig-1的Ser-149促进其降解，而Insig-2的Ser-106和Glu-214可增强泛素化Insig-2的稳定性。

2.2SREBP概述： 固醇调节元件结合蛋白（SREBPs）是1993年在培养的人Hela细胞核提取物中分离出来的，属核转录因子家族。目前已经有3种SREBP，即：SREBP-lα，SREBP-lc和SREBP-2[2]，它们调节血浆中脂蛋白的生成并将脂蛋白释放入胆汁。其中SREBP-1α、SREBP-1c是由同一基因SREBP-1编码，由不同的转录起始点生成两个不同的单体[3]。SREBP-1α过量表达主要是是促进脂肪酸的大量合成，其次是胆固醇的合成；SREBP-1c 在甘油三酯和磷脂形成中起关键作用；而SREBP-2主要是促进胆固醇的合成。在所有生长活跃的培养细胞中以SREBP-1α和SREBP-2占优势，绝大多数动物组织中则以SREBP-1c和SREBP-2为主。SREBP-1c由1150个氨基酸组成，具有3个结构域：一是氨基末端的转录活化域；二是中间两个跨膜的疏水结构域；三是羧基末端的调节结构域[1]。SREBP-1c氨基末端具有“碱性螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链”（basic-helix-loop-helix-1eucine zipper，BHLH-Zip）结构，其末端有一小段酸性氨基酸是转录协同激活因子。BHLH-Zip可以介导氨基端结构域进入细胞核，并与DNA相结合。在SREBP-1c的BHLH-Zip结构域内，酪氨酸替代了精氨酸，使SREBP-1c可以识别固醇调节元件（SRE），SREBP-1c对SRE序列呈现高度亲和性[4]。在啮齿类动物和人类，SREBP-1c主要在肝脏和脂肪细胞表达。SREBP-1c又称脂肪细胞定向和分化因子l，在脂肪细胞的分化中发挥着重要作用[5]。通过转基因小鼠和基因敲除小鼠的研究发现SREBP-1c与脂肪酸代谢密切相关[6]，Kakuma等发现在SREBP-1 KO小的ob/ob肥胖小鼠，其肝脏SREBP-1c的表达和脂肪含量较野生型的ob/ob肥胖小鼠均显著减少[7]。有报道SREBP-1c高表达小鼠，肝体积增加33%，肝内TG显著增加[8]。

SREBP在调节胆固醇的合成过程中起到重要调节作用。SREBP作为转录因子能够激活HMG-CoA还原酶的转录，而HMG-CoA还原酶是胆固醇的合成中的限速酶，它的浓度高低直接影响了胆固醇合成数量，因此对该酶的调节是胆固醇生物合成的关键。HMG-CoA 还原酶的半衰期较短，并且其浓度受到胆固醇的反馈调节。胆固醇浓度升高可使HMG-CoA 还原酶的浓度降低，这是因为一方面胆固醇可以促进HMG-CoA 还原酶的泛素化[9]，随后使酶的降解速度加快[10]； 另一方面胆固醇还可以使HMG-CoA 还原酶的合成速度降低，两种机制协同作用，最终使 HMG-CoA 还原酶的浓度降低，胆固醇的生物合成减少达到降低胆固醇的目的。相反，胆固醇等固醇类物质浓度降低则通过使HMG-CoA 还原酶的浓度升高等胆固醇自反馈调节促进胆固醇的产生，以有效维持胆固醇的浓度水平以满足机体需求。

2.3 SCAP的概述： SCAP 是一个由1276个氨基酸残基组成的膜蛋白，其氨基末端550个氨基酸形成相互间隔的疏水区和亲水区，包含8个跨膜螺旋结构，位于细胞质侧可溶性的羧基末端725个氨基酸包含5个拷贝的WD40重复序列介导蛋白之间的相互作用。WD重复序列是介导蛋白质间相互作用的一种特征性结构。SCAP合成后即WD40重复结构与SREBP梭基末端调节结构域的相互作用形成复合体。第2到6个跨膜螺旋区域（即第280到448个氨基酸序列）形成了固醇感受区域（sterol-sensing domain，SSD），可以参与调节细胞内脂质水平。SSD与胆固醇结合而实现阻断SREBP 的运输[11]，但该结构域不与氧固醇结合；然而无论是胆固醇还是氧固醇，对SREBP运输的阻断都依赖另一种蛋白质分子―胰岛素诱导基因产物（Insigs）的介导[12]。在SCAP-SREBP 复合体SCAP 分子中，第六和第七跨膜结构域之间存在一个位于细胞质侧的大环状结构，该结构靠近第六跨膜区存在六氨基酸（MELADL）的分拣信号，该信号可被外被蛋白（COPⅡ蛋白）定蛋白质所识别，而实现将 SCAP-SREBP 复合体包装入囊泡，启动SREBP 内质网到高尔基体的运输，在高尔基体中经过两步剪切后释放出活性氨基末端并进入核中发挥作用。上述过程是由SCAP介导，SCAP可与新合成的SREBPs形成复合物，又可与COPⅡ蛋白结合。因此，SCAP 又被称为 SREBP 的护送蛋白，是 SREBP 细胞内运输所必需的元件。

2.4 Insig-Srebp-Scap途径在维持细胞内脂质稳态中的作用

胆固醇合成的负反馈调节是由Insig1介导的。当内质网膜中的胆固醇增加时，其结合到SCAP位于膜内的固醇感受区域（SSD），并导致SCAP分子构象的改变，随后，Scap结合到Insigs上，阻止Scap-SREBP复合体从内质网的离开，然而，胆固醇或氧固醇诱导的 Insig 与SCAP 结合并没有破坏 MELADL 模体本身，而是使该模体附近的构象出现改变，这种改变破坏了 MELADL与 COP Ⅱ的结合。因此，核内被加工过的SREBPs水平下降，胆固醇合成基因的表达下调，胆固醇合成减少。当细胞内胆固醇排空时，Scap与Insigs解离，解离后的Insig随即发生泛素化被降解使其无法再次与 SCAP 结合，而解脱抑制的SREBP前体从内质网转至含有丝氨酸蛋白酶S1蛋白（site 1 protease，S1P）和锌蛋白酶S2蛋白（site 2 protease，S2P）的高尔基体内。首先，SREBP前体由S1P将SREBP前体两个疏水跨膜之间腔内小环切断，然后S2P水解NH2端的BHLH-Zip，使之从膜上游离出来成为核型SREBP（nuclear SREBP， nSREBP）。nSREBP转移至核内与之相应靶基因启动子/增强子的SREs（基因序列为5’-TCACNCCAC-3’）或E盒（5’-CANNTG -3’）结合，激动转录开始，增加HMG-CoA 还原酶的产生，进而胆固醇的合成增加。体外实验证明，HMG-CoA还原酶及其他胆固醇合成途径中的分子的合成依赖于SREBPs。25-羟化胆固醇和胆固醇作用的不同，胆固醇可与SCAP直接作用并诱导其与Insigs结合，而25-羟化胆固醇通过感受它的蛋白间接诱导SCAP-Insig结合，并且，25-羟化胆固醇和胆固醇引起SCAP的构象改变也不同。

3LXRα参与Insig-Srebp-Scap途径对脂质合成的调节机制

LXRα/RXR是SREBP-1c启动子的强激活因子[13]。LXRα与RXR形成LXRα/RXR异二聚体后，结合到SREBP-1c启动子上游的LXRE顺式元件上，调控SREBP-1c的转录，从而调控脂肪酸和胆固醇的生物合成[14]。SREBP-1c启动子中LXR结合位点即使在LXRα竞争剂存在的情况下也能活化SREBP-1c转录[15]。LXRα对的SREBP-1c调控在2种动物模型中得到了证实，缺乏LXRα表达的小鼠肝中SREBP-1c水平和其靶基因――生脂酶减少，缺乏SREBP-1c的小鼠也表现出相似的现象，进一步证实LXRα主要通过诱导SREBP-1c来增加脂肪酸的合成[16]。

LXRα/RXR通过SREBP-1c途径对脂质合成的进行调节。当细胞内胆固醇浓度增加时，LXRα激活SREBP-1c，上调FAS的基因转录促进脂肪酸合成[17]。由于高脂饮食使血中胆固醇含量增加，其代谢产物氧化固醇增多，而后者正是LXRα的内源性激动剂，LXRα被激活后与RXR形成异二聚体，此过程诱导了一个构象的改变，使正常情况下与LXRα/RXR结合抑制转录的辅阻遏物解离，辅阻遏子与辅活化子蛋白交换从而修复RNA聚合酶Ⅱ的活性，并且激活靶基因的表达，产生转录。随着LXRα的转录增加，启动SREBP-1c转录的启动子。SREBP-lc蛋白水平的增加，特别是其N末端含螺旋-环-螺旋亮氨酸拉链结构片断相应的增加，激活了多种参与脂肪酸合成的酶的转录，包括乙酰CoA羧化酶（acetyl CoA carboxylase，ACC）、脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FAS），和硬脂酰CoA去饱和酶（steroyl CoA desaturase，SCD-1）。

综上所述，在高浓度胆固醇的环境下，通过胆固醇负反馈的调整HMG-CoA 还原酶和Insig-Srebp-Scap途径来抑制胆固醇的生成，与此同时，高浓度胆固醇通过LXRα/RXR激活SREBP-1c上调多种参与脂肪酸合成的酶的转录，从而均衡的调整多种脂质水平的上升。而在低浓度胆固醇的环境下，通过Insig-Srebp-Scap途径增加HMG-CoA 还原酶的生成，使胆固醇的量维持在机体需求的水平上。以上所述的Insig-Srebp-Scap途径机制体现出人体在维持脂质（胆固醇、甘油三酯）内稳态的平衡能力。

参考文献

[1] 艾正琳，陈东风.肝x受体研究进展.世界华人消化杂志.2005，13（16）：2013-2015.

[2] Brown MS.Goldstein JL.The SREBPpathway：Regulation of cholesterol metabolism by proteolysis of membrance-bound transcription factor.Cell，1997，89：331-340.

[3] Hua X，Wu J，Goldstein JL，et a1.Structure of the human gene encoding sterol regulatory element binding protein-1（SREBP-1） and localization of SREBP-1 and SREBP-2 to chromosomes 17p11.2 and 22q13.Genomics，1995，25（3）：667-673.

[4] 柴红燕，刘芳，周新.固醇调节元件结合蛋白的研究.生命的化学.2002；22（5）：442-444.

[5] Wang H，Kouri G Wollheim CB.ER stress and SREBP-1 activation are implicated in beta-cell glucolipotoxicity.J Cell Sci，2005，118（17）：3905-3915.

[6] Achouri Y，Hegarty BD，Allanic D，et a1.Long chain fatty acyl-CoA synthetase 5 expression is induced by insulin and glucose：involvement of sterol regulatory element-binding protein-lc.Biochimie，2005，87（12）：1149-1155.

[7] Yahagi N，Shimano H，Hasty AH，et a1.Absence of strol regulatory element binding protein-l（SREBP-1） ameliorates fatty liver，but not obesity or insulin resiatance in lepob/lepob mice.J Biol Chem，2002，277 ：19353- 19357.

[8] Martel PM，Bingham CM，McGraw CJ，et a1.S14 protein in breast cancer cell：Direct evidence of regulation by SREBP-lc，superinduction with progrestin，and effects oncell growth.Experimental Cell Research，2006，312：278-288.

[9] Sever N et al. J Biol Chem，2003，278（52）：52479-52490.

[10] Sever N et al. Mol Cell，2003，11（1）：25-33.

[11] Radhakrishnan A et al. Mol Cell，2004，15（2）： 259-268.

[12] Adams CM et al. J Biol Chem，2004，279（50）： 52772-52780.

[13] Yoshikawa T，Shimano H，Amemiya―kudo H，et a1.Identification of liver X receptor-retinoid X receptor as an activator of the sterol regulatory element binding protein lc gene promoter.Mol Cell Biol.2001，9：2991-3000.

[14] Larter CZ，Farrell GC.Insulin resistance，adiponeetin，cytokinase in NASH：which is the best target of treat Journal of Hepatology，2006，44：253-361.

[15] Bobard A，Hainault I，Ferre P，et a1.Differantial regulation of SREBP-1c transcriptional activity by insulin and LXR during liver development.J Biol Chem，2005，280（1）：199-206.

[16] Amemiya KM，Oka J，Ide T，et a1.Sterol Regulatory Element-binding Proteins Activate Insulin Gene Promoter Directly and Indirectly through Synergy with BETA2/E47.J Biol Chem，2005，280（41）：34577-34589.

[17] Schwimmer JB，Behling C，Newbury R，et a1.Histopathology of pediatric nonalcoholic fatty liver disease.Hepatology，2005，42：641-649.