生物鐘基因與心血管疾病的關(guān)系

1、生物鐘基因與心血管疾病的關(guān)系      Children and fools cannot lie.  【摘要】  本文對生物鐘基因研究的最新進展進行了綜述。重點闡述了近日鐘基因通過自身的轉(zhuǎn)錄、翻譯和調(diào)控形成近日節(jié)律的過程。介紹近日鐘基因在心血管系統(tǒng)中的重要地位。 【關(guān)鍵詞】  生物鐘;基因;心血管病;時間生物學(xué)大量的研究表明地球上的生物，從單細胞生物，如細菌，到高等生物(如人類)的生命活動均存在著生物節(jié)律的特征，特別是近日節(jié)律(circadian)1-3()。這些生物節(jié)律的產(chǎn)生是地球

2、生物為了適應(yīng)其生存環(huán)境的周而復(fù)始的變化(如地球晝夜變化、四季變化)通過不斷衍變進化而形成的機體內(nèi)固有的節(jié)律，故被稱為內(nèi)源性固有節(jié)律。近年來關(guān)于機體的生物節(jié)律產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)已有了非常深入的研究，并取得了長足的進展，特別是1997年當King DP等4克隆出哺乳類動物的第一個近日鐘基因clock后，接下來的十多年里，近日鐘基因不斷被發(fā)現(xiàn)和克隆出來，同時這些基因間如何通過轉(zhuǎn)錄、翻譯和調(diào)控形成自激振蕩產(chǎn)生近日節(jié)律的過程也不斷得到闡明。近而對基因在維持機體正常生理功能以及一些疾病發(fā)生發(fā)展過程中所起的作用也不斷得到揭示和闡明。  1 近日鐘基因及其產(chǎn)生近日節(jié)律的過程Silen

3、ce in times of suffering is the best.  近日鐘基因是由一組能夠通過自身轉(zhuǎn)錄、翻譯、反饋調(diào)控而產(chǎn)生自激振蕩的基因所組成。目前對于近日鐘基因的自激振蕩而產(chǎn)生近日節(jié)律的描述有許多，如細菌、植物、果蠅、小鼠等5-10均有不同的描述和近日鐘模型。在哺乳類動物中常見的近日鐘基因有per1、per2、per3、clock、Bmal1、Cry1、cry2、Reverb2、time、CK1等(如圖1所示)。圖1小鼠近日鐘基因表達調(diào)控產(chǎn)生近日節(jié)律的模式圖大量的研究表明，當哺乳類動物的細胞內(nèi)的近日鐘基因clock和bmal1，或clock和npas2基因表達時產(chǎn)生相應(yīng)

4、的蛋白質(zhì)，并分別形成具有基因轉(zhuǎn)錄活性的異二聚體CLOCK：BMAL1或NPAS2：BMAL1(該異二聚體主要在中樞系統(tǒng))(醫(yī)藥學(xué)/臨床醫(yī)學(xué)論文 )。在這二個異二聚體中由于上述這三種蛋白中均含有bHLH結(jié)構(gòu)域，它能與許多啟動子上游帶有Ebox的基因結(jié)合，從而激活這些基因的轉(zhuǎn)錄。按內(nèi)容性質(zhì)和研究方法的不同可以把論文分為理論性論文、實驗性論文、描述性論文和設(shè)計性論文.  在近日鐘基因中per1、per2、per3、cry1和cry2的啟動子上游均帶有Ebox序列，因此CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1分別可以與這些基因調(diào)控序列結(jié)合，激活這些基因轉(zhuǎn)錄分別產(chǎn)生per1、per2、p

5、er3(統(tǒng)稱為pers)cry1、cry2(統(tǒng)稱為crys)mRNA，當clock、bmal1和npas2表達強產(chǎn)生相應(yīng)的蛋白多形成異二聚體量大，對上述鐘基因轉(zhuǎn)錄活性強，這樣形成一條正反饋環(huán)路，正如圖1所示。在核內(nèi)產(chǎn)生的這些mRNA逐漸通過一定方式到細胞漿合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)PER1、PER2、PER3、CRY1和CRY2等，隨著這些蛋白在胞漿的聚集增多乃至達到峰值，同時，絡(luò)氨酸激酶(CK1)將被激活，激活后的CK1將對這些蛋白進行磷酸化，磷酸化后的這些近日鐘蛋白將形成二聚體并返入核內(nèi)。入核后的這些近日鐘蛋白的二聚體將會對CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1形成負反饋抑制，從而造成二者的

6、轉(zhuǎn)錄活性下降，形成了第一條負反饋環(huán)路。隨著返入核內(nèi)的PERs和CRYs逐漸增多，對CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1的pers和crys等基因轉(zhuǎn)錄活性的抑制不斷增加，造成pers和crys等基因的轉(zhuǎn)錄不斷降低直到谷底，這樣細胞漿中合成的PERs和CRYs鐘蛋白的濃度也隨之降至低谷。接下來這些蛋白的磷酸化以及返入核內(nèi)也降到最低，對CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1抑制被解除，這時CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1對pers和crys轉(zhuǎn)錄激活再一次開始，即進入下一個周期。這樣近日鐘基因經(jīng)過上述轉(zhuǎn)錄、翻譯和反饋調(diào)控形成周而復(fù)始的不斷的周期性振蕩從而產(chǎn)生近日節(jié)律。上

7、述這些近日鐘基因轉(zhuǎn)錄、翻譯和反饋調(diào)控形成的周期振蕩，每一個周期大約要耗時接近于24小時，因此，現(xiàn)代時間生物學(xué)之父F.Halberg將內(nèi)源性的一日節(jié)律命名為近日節(jié)律(Circadian rhythm)。在圖1中，還可以看到近日鐘基因在周期性振蕩過程中還受到Reverb2等基因的調(diào)控，在Reverb2基因的啟動子上游亦有Ebox序列，通常受到CLOCK：BMAL1的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄激活，表達產(chǎn)生REVERB2蛋白，當其濃度增高時能與ROR競爭性地結(jié)合bnail1基因啟動子區(qū)的視黃酸相關(guān)受體反應(yīng)元件(ROREs)，從而抑制bmal1基因的表達，使得BMAL1濃度降低，造成CLOCK：BMAL1異

8、二聚體濃度降低，使其對pers、crys等近日鐘基因的轉(zhuǎn)錄激活減弱。因此，Reverb2等基因在近日鐘基因的周期性自激振蕩過程中，扮演了第二條負反饋環(huán)路的角色。另外，還有其他一些近日鐘基因在這些調(diào)控過程中也參與了調(diào)控，還有新的近日鐘基因不斷被發(fā)現(xiàn)。迄今為止，基于鐘基因表達調(diào)控形成的近日節(jié)律學(xué)說被大家廣為接受。Nature is the glass reflecting truth.  然而，近日鐘基因所形成的生物大分子周期性自激振蕩產(chǎn)生的近日節(jié)律只有通過相應(yīng)的輸出系統(tǒng)將這種自激振蕩產(chǎn)生的近日節(jié)律輸送到效應(yīng)組織和器官，通過一定的整合放大方能產(chǎn)生相應(yīng)的近日節(jié)律，進而對機體的機能產(chǎn)生影響，

9、如血壓，體溫以及其他生理生化指標的節(jié)律性變化。目前為大家所推崇的輸出通路是鐘控基因通路。如圖1所示，CLOCK除與BMAL1結(jié)合對pers、crys等近日鐘基因轉(zhuǎn)錄、激活外，CLOCK還與許多在啟動子上游帶有Ebox序列的基因相結(jié)合，促使這些基因轉(zhuǎn)錄激活,調(diào)控這些基因表達，將上述近日鐘基因自激振蕩產(chǎn)生的近日節(jié)律輸出到震蕩系統(tǒng)之外，然后再到達效應(yīng)組織和效應(yīng)器官等產(chǎn)生相應(yīng)的近日節(jié)律，使機體機能適應(yīng)環(huán)境的變化。由于這些帶有Ebox的基因受控于CLOCK，因此，這一些基因被稱為鐘控基因(clock controlled gene，簡寫為CCGs)。另外，CLOCK還能與轉(zhuǎn)錄因子db

10、p、hlf和tef等因子的Ebox結(jié)合激活和促進這些轉(zhuǎn)錄因子表達增加產(chǎn)生相應(yīng)的蛋白DBP、HLF和TEF，這些蛋白質(zhì)即轉(zhuǎn)錄因子可進一步與其他鐘控基因結(jié)合，促進這些鐘控基因表達產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，將近日鐘基因自激振蕩調(diào)控產(chǎn)生的近日節(jié)律輸出到相應(yīng)的效應(yīng)組織、器官等去產(chǎn)生相應(yīng)節(jié)律，以維持機體的內(nèi)環(huán)境平衡并適應(yīng)環(huán)境變化。A thing is bigger for being shared.  目前，大量研究證實，近日鐘系統(tǒng)包括近日鐘基因和鐘控基因等功能正常與否不僅維系著機體正常生物節(jié)律的作用，而且還維持著機體的其他機能正常作用。當近日鐘系統(tǒng)異?；蚱浠蛲蛔儠r，機體正常機能將被打亂，甚至產(chǎn)生一些疾

11、病，如心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及腫瘤等。2 近日鐘系統(tǒng)在心血管疾病中的作用What youth is used to, age remembers.  大量的臨床研究資料表明心腦血管系統(tǒng)功能以及心腦血管疾病的發(fā)病過程均表現(xiàn)出時間生物學(xué)的規(guī)律，即存在著近日節(jié)律的特征。在正常人群無論是成人，還是兒童乃至新生兒，其心血管機能，如心功能、心肌收縮力、腦血流速度、血壓、心率、心電圖等變化均存在著近日節(jié)律。通常情況下，這些心腦血管系統(tǒng)機能變化均是以夜間低、白晝高，下午達到峰值的近日節(jié)律的特征。當在疾病狀態(tài)下，如心肌梗塞、心猝死、腦血栓形成、腦出血等，也表現(xiàn)出近日節(jié)律的特點，通過心肌梗

12、塞、心猝死及腦血栓形成常發(fā)生在凌晨，而腦出血性中風發(fā)生在午后11-16。Guan等17對腦出血性中風患者的血壓進行了連續(xù)24小時檢測并持續(xù)一周后，然后對這些腦出血性中風患者的血壓的生物節(jié)律進行了分析，他們發(fā)現(xiàn)：當中風后第一個24小時血壓仍存在近日節(jié)律的患者，其預(yù)后明顯較中風后第一個24小時血壓近日節(jié)律消失的患者好，這為臨床上判斷腦出血性中風患者的預(yù)后提供新的途徑。其實這些心腦血管機能和心腦血管疾病發(fā)病的時間生物規(guī)律，或者生物節(jié)律是否存在是受到機體內(nèi)的近日鐘系統(tǒng)調(diào)控和影響。None but a wise man can employ leisure well.  Mortino等18研

13、究發(fā)現(xiàn)在小鼠心肌組織中表達的基因，13%的基因都表現(xiàn)出近日節(jié)律的變化規(guī)律，進一步對這些基因的研究表明這些基因的表達，即從mRNA到蛋白水平的表達過程是受到近日鐘基因振蕩調(diào)控。這些在心肌呈近日節(jié)律表達的基因多與信號傳導(dǎo)、心肌細胞代謝等過程有關(guān)。他們通過縮窄老鼠的主動脈造成心臟后負荷過重所引起的心室肥厚的動物模型。然后打亂這些心室肥厚動物外環(huán)境的節(jié)律來引起動物的生物節(jié)律的紊亂，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些近日節(jié)律紊亂的動物心室舒張末期和舒張末期的容積增加，心室收縮力下降。通過基因分析發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的原因是近日鐘基因per2和bmal1的近日表達被打亂，從而引起ANF、BNP和ACE等表達下調(diào)，使得心肌收縮力下降

14、。這一研究結(jié)果說明生物節(jié)律正常與否對于維持心臟功能有著重要的作用，當近日節(jié)律紊亂后，會造成心臟功能，特別是病理狀況下的心臟功能下降。Portaluppi F等19報道當生活環(huán)境變化，特別是晝夜活動規(guī)律，即人類的近日節(jié)律被打亂后，血壓的近日節(jié)律將隨之發(fā)生變化，甚至造成高血壓的發(fā)生。探討原因是機體的近日節(jié)律被打亂時，會引起自主神經(jīng)以及神經(jīng)體液等發(fā)生變化，以及調(diào)節(jié)失控從而導(dǎo)致心血管系統(tǒng)發(fā)生變化，嚴重是會造成高血壓等心血管疾病的發(fā)生。這些研究結(jié)果說明當機體生物節(jié)律發(fā)生變化時，會造成近日鐘基因的表達失調(diào)，這將會造成參與心血管系統(tǒng)調(diào)控的鐘控基因表達受到影響，進而影響正常的心血管系統(tǒng)的調(diào)控，使其發(fā)

15、生病理變化。上述研究報道主要是說明生物節(jié)律變化對心血管系統(tǒng)的影響和疾病關(guān)系。He that runs fastest gets the ring.  另外，還比較常見的是近日鐘基因的突變或表達異常，常導(dǎo)致心血管疾病的發(fā)生。Bray MS等20對clock突變的小鼠心肌收縮力進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當clock基因突變后小鼠的心肌收縮力、代謝功能以及相關(guān)基因表達均發(fā)生了改變，也就是說當clock基因突變時易導(dǎo)致小鼠發(fā)生心血管疾病。Takeda N等21采用基因芯片檢測技術(shù)對血管內(nèi)皮細胞表達鐘控基因進行了分析檢測，他們發(fā)表有229個基因其內(nèi)CLOCK/BMAL2上調(diào)。其中

16、TM(凝血調(diào)節(jié)蛋白)也是受CLOCK/BMAL2調(diào)控的鐘控基因。他們通過研究發(fā)現(xiàn)TM無論是mRNA還是蛋白質(zhì)表達均呈現(xiàn)出近日節(jié)律的特征。進一步用報告基因分析、電泳分析和免疫共沉淀分析證明，當CLOCK/BMAL2與TM基因上游的啟動子Ebox結(jié)合后，會引起TM啟動子的轉(zhuǎn)錄激活，促進TM的表達。當clock突變之后TM基因表達的近日節(jié)律發(fā)生消失。他們這一研究結(jié)果提示存在于如血管內(nèi)皮細胞中的外圍生物鐘調(diào)節(jié)著TM基因的近日節(jié)律性表達，這可能與心血管意外的近日節(jié)律性有密切關(guān)系。Durgan DJ等22對心肌細胞中的近日鐘基因在不同條件下的表達進行了研究，他們觀察到體外培養(yǎng)的心肌細胞在脂肪酸的

17、作用下其近日鐘基因表達響應(yīng)仍存在著近日節(jié)律的特征;同時這些體外培養(yǎng)的心肌細胞對12小時光照/12小時黑暗的光暗循環(huán)作用時表現(xiàn)出對脂肪酸的刺激響應(yīng)與整體動物同樣光導(dǎo)引下產(chǎn)生的代謝響應(yīng)相同。他們的研究表明心肌的代謝過程是受到心肌細胞中的近日鐘基因的調(diào)控。心血管機能以及心血管疾病大多表現(xiàn)出近日節(jié)律的變化規(guī)律是由于心血管系統(tǒng)既受控于來自中樞和心血管系組織細胞中本身的近日鐘系統(tǒng)的調(diào)控的結(jié)果。但是近日鐘系統(tǒng)如何來調(diào)控，特別是如何參與調(diào)控心血管疾病的發(fā)生發(fā)展是人們所關(guān)心的。例如心肌梗塞或心絞痛常發(fā)生于早晨，近日鐘系統(tǒng)在該病中的作用逐漸被揭示。鐘控基因產(chǎn)物之一PAI1(血漿纖溶蛋白溶酶原激活抑制因子1)在正常

18、情況下表現(xiàn)出近日節(jié)律。Maemura K等23采用酵母雙雜交技術(shù)對人臍帶血管內(nèi)皮細胞cDNA進行分析，發(fā)現(xiàn)CLIF(又叫BMAL2)能與CLOCK結(jié)合形成二聚體，在內(nèi)皮細胞中CLOCK：CLIF形成的二聚體能與PAI1基因的Ebox結(jié)合促進其上調(diào)表達產(chǎn)生PAI1，形成近日節(jié)律。這也許是心肌梗塞或心絞痛常見于早晨的關(guān)鍵因素。tPA與PAI1是一對矛盾體，二者的相對水平?jīng)Q定著血栓和心肌梗塞及其預(yù)后。Ganti AK等24進而對42位患心肌梗塞患者的tPA(組織血漿纖維蛋白溶酶原激活因子)與PAI1二者的相對水平進行了研究，雖然tPA:PAI1的比值在早晨的最高值與心肌梗塞未表現(xiàn)

19、出統(tǒng)計學(xué)意義，但是患者的PAI1的近日節(jié)律消失具有高血壓的心肌梗塞患者較無高血壓患者的tPA明顯降低。Ohkura N等25對近日鐘基因突變小鼠的凝血和纖溶活性進行了研究，通過研究發(fā)現(xiàn)未突變小鼠在21:00纖溶活性最低;在clock突變小鼠中纖溶活性一直很低;在cry1/2基因敲除的小鼠纖溶活性增強，并且無晝夜差異。進一步的探討這些變化的原因觀察到clock基因突變小鼠的PAI1的近日節(jié)律消失，而且這些動物血清中血纖維蛋白溶酶原的水平明顯高于未突變小鼠和cry1/2基因敲除小鼠。同時，未突變小鼠和cry1/2基因敲除小鼠的tPA，血纖維蛋白溶酶原，2PI無論是血清中的活性，還是mRN

20、A表達水平都保持同一穩(wěn)定水平，無節(jié)律存在。凝血因子，如VII因子、X因子、凝血素和纖維蛋白原不受clock基因突變的影響。這一研究結(jié)果表明clock基因在調(diào)控PAI1從而影響纖溶系統(tǒng)，進而使影響凝血系統(tǒng)扮演著重要的角色。Ohkura N等26還進一步對不同種屬的小鼠，如Jcl:ICR, C3H/HeN, BALB/cA,和C57BL/6J種小鼠的PAI1表達的近日節(jié)律，及其凝血物和血纖溶蛋白等的近日節(jié)律進行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)：所有的小鼠凝血物沒有近日節(jié)律變化，但其活動項較高;只有Jcl:ICR小鼠的血漿抗凝血酶和蛋白C的活性呈近日節(jié)律變化，其他小鼠保持恒定水平。

21、而血漿凝血素，X因子，VII因子，凝血酶原時間，APTT 等各種小鼠均為穩(wěn)定水平。這一結(jié)果提示血栓形成是否表現(xiàn)出世界生物學(xué)的規(guī)律是直接受遺傳素質(zhì)影響，這在臨床上有重要的意義。God defend me from my friends; form my enemy I can defend myself.  通過以上的結(jié)果，我們可以看到生物節(jié)律和近日節(jié)律基因表達正常與否將會心血管機能，進而引起心血管疾病。在今后對心血管疾病的診斷、治療和預(yù)防中，時間生物學(xué)和節(jié)律基因等因素應(yīng)給以高度重視?！緟⒖嘉墨I】  1 Aschoff J. 

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