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(duì)生物鐘基因研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)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(shí)間生物學(xué)大量的研究表明地球上的生物，從單細(xì)胞生物，如細(xì)菌，到高等生物(如人類)的生命活動(dòng)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(jìn)化而形成的機(jī)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(jī)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(jìn)展，特別是1997年當(dāng)King DP等4克隆出哺乳類動(dòng)物的第一個(gè)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(shí)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(duì)基因在維持機(jī)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(duì)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(xì)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(dòng)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(dá)調(diào)控產(chǎn)生近日節(jié)律的模式圖大量的研究表明，當(dāng)哺乳類動(dòng)物的細(xì)胞內(nèi)的近日鐘基因clock和bmal1，或clock和npas2基因表達(dá)時(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)性論文、描述性論文和設(shè)計(jì)性論文.  在近日鐘基因中per1、per2、per3、cry1和cry2的啟動(dòng)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(dāng)clock、bmal1和npas2表達(dá)強(qiáng)產(chǎn)生相應(yīng)的蛋白多形成異二聚體量大，對(duì)上述鐘基因轉(zhuǎn)錄活性強(qiáng)，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(xì)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(dá)到峰值，同時(shí)，絡(luò)氨酸激酶(CK1)將被激活，激活后的CK1將對(duì)這些蛋白進(jìn)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(huì)對(duì)CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1形成負(fù)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(fù)反饋環(huán)路。隨著返入核內(nèi)的PERs和CRYs逐漸增多，對(duì)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(xì)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(duì)CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1抑制被解除，這時(shí)CLOCK：BMAL1和NPAS2：BMAL1對(duì)pers和crys轉(zhuǎn)錄激活再一次開始，即進(jìn)入下一個(gè)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(gè)周期大約要耗時(shí)接近于24小時(shí)，因此，現(xiàn)代時(shí)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(dòng)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(dá)產(chǎn)生REVERB2蛋白，當(dāng)其濃度增高時(shí)能與ROR競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合bnail1基因啟動(dòng)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(dá)，使得BMAL1濃度降低，造成CLOCK：BMAL1異

8、二聚體濃度降低，使其對(duì)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(fù)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(dá)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(jìn)而對(duì)機(jī)體的機(jī)能產(chǎn)生影響，

9、如血壓，體溫以及其他生理生化指標(biāo)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(duì)pers、crys等近日鐘基因轉(zhuǎn)錄、激活外，CLOCK還與許多在啟動(dòng)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(dá)，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(dá)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(jī)體機(jī)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(jiǎn)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(jìn)這些轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)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(jìn)一步與其他鐘控基因結(jié)合，促進(jìn)這些鐘控基因表達(dá)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(jī)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(shí)，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(jī)體正常生物節(jié)律的作用，而且還維持著機(jī)體的其他機(jī)能正常作用。當(dāng)近日鐘系統(tǒng)異?；蚱浠蛲蛔儠r(shí)，機(jī)體正常機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)能變化均是以夜間低、白晝高，下午達(dá)到峰值的近日節(jié)律的特征。當(dāng)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(diǎn)，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(fēng)發(fā)生在午后11-16。Guan等17對(duì)腦出血性中風(fēng)患者的血壓進(jìn)行了連續(xù)24小時(shí)檢測(cè)并持續(xù)一周后，然后對(duì)這些腦出血性中風(fēng)患者的血壓的生物節(jié)律進(jìn)行了分析，他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)中風(fēng)后第一個(gè)24小時(shí)血壓仍存在近日節(jié)律的患者，其預(yù)后明顯較中風(fēng)后第一個(gè)24小時(shí)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(fēng)患者的預(yù)后提供新的途徑。其實(shí)這些心腦血管機(jī)能和心腦血管疾病發(fā)病的時(shí)間生物規(guī)律，或者生物節(jié)律是否存在是受到機(jī)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(dá)的基因，13%的基因都表現(xiàn)出近日節(jié)律的變化規(guī)律，進(jìn)一步對(duì)這些基因的研究表明這些基因的表達(dá)，即從mRNA到蛋白水平的表達(dá)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(dá)的基因多與信號(hào)傳導(dǎo)、心肌細(xì)胞代謝等過程有關(guān)。他們通過縮窄老鼠的主動(dòng)脈造成心臟后負(fù)荷過重所引起的心室肥厚的動(dòng)物模型。然后打亂這些心室肥厚動(dòng)物外環(huán)境的節(jié)律來引起動(dòng)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(dòng)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(dá)被打亂，從而引起ANF、BNP和ACE等表達(dá)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(duì)于維持心臟功能有著重要的作用，當(dāng)近日節(jié)律紊亂后，會(huì)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(bào)道當(dāng)生活環(huán)境變化，特別是晝夜活動(dòng)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(jī)體的近日節(jié)律被打亂時(shí)，會(huì)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(yán)重是會(huì)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(dāng)機(jī)體生物節(jié)律發(fā)生變化時(shí)，會(huì)造成近日鐘基因的表達(dá)失調(diào)，這將會(huì)造成參與心血管系統(tǒng)調(diào)控的鐘控基因表達(dá)受到影響，進(jìn)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(bào)道主要是說明生物節(jié)律變化對(duì)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(dá)異常，常導(dǎo)致心血管疾病的發(fā)生。Bray MS等20對(duì)clock突變的小鼠心肌收縮力進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(dá)均發(fā)生了改變，也就是說當(dāng)clock基因突變時(shí)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(cè)技術(shù)對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)鐘控基因進(jìn)行了分析檢測(cè)，他們發(fā)表有229個(gè)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(dá)均呈現(xiàn)出近日節(jié)律的特征。進(jìn)一步用報(bào)告基因分析、電泳分析和免疫共沉淀分析證明，當(dāng)CLOCK/BMAL2與TM基因上游的啟動(dòng)子Ebox結(jié)合后，會(huì)引起TM啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄激活，促進(jìn)TM的表達(dá)。當(dāng)clock突變之后TM基因表達(dá)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(xì)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(dá)，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(duì)心肌細(xì)胞中的近日鐘基因在不同條件下的表達(dá)進(jìn)行了研究，他們觀察到體外培養(yǎng)的心肌細(xì)胞在脂肪酸的

17、作用下其近日鐘基因表達(dá)響應(yīng)仍存在著近日節(jié)律的特征;同時(shí)這些體外培養(yǎng)的心肌細(xì)胞對(duì)12小時(shí)光照/12小時(shí)黑暗的光暗循環(huán)作用時(shí)表現(xiàn)出對(duì)脂肪酸的刺激響應(yīng)與整體動(dòng)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(xì)胞中的近日鐘基因的調(diào)控。心血管機(jī)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(xì)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(duì)人臍帶血管內(nèi)皮細(xì)胞cDNA進(jìn)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(xì)胞中CLOCK：CLIF形成的二聚體能與PAI1基因的Ebox結(jié)合促進(jìn)其上調(diào)表達(dá)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(duì)矛盾體，二者的相對(duì)水平?jīng)Q定著血栓和心肌梗塞及其預(yù)后。Ganti AK等24進(jìn)而對(duì)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(duì)水平進(jìn)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(jì)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(duì)近日鐘基因突變小鼠的凝血和纖溶活性進(jìn)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(qiáng)，并且無晝夜差異。進(jìn)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(dòng)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(shí)，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(dá)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(jìn)而使影響凝血系統(tǒng)扮演著重要的角色。Ohkura N等26還進(jìn)一步對(duì)不同種屬的小鼠，如Jcl:ICR, C3H/HeN, BALB/cA,和C57BL/6J種小鼠的PAI1表達(dá)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(jìn)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(dòng)項(xiàng)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(shí)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(dá)正常與否將會(huì)心血管機(jī)能，進(jìn)而引起心血管疾病。在今后對(duì)心血管疾病的診斷、治療和預(yù)防中，時(shí)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(xiàn)】  1 Aschoff J. 

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