研究发现氨基酸感应蛋白 ATF4 调控炎症性肠病新功能和作用机制

来源: 上海营养与健康研究所 / 作者: 2019-03-23
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3 月 19 日,国际学术期刊 Gastroenterology 在线发表了中国科学院上海营养与健康研究所郭非凡研究组和同济大学附属第十人民医院教授刘占举研究组的最新合作研究成果 “ATF4 Deficiency Promotes Intestinal Inflammation in Mice by Reducing Uptake of Glutamine and Expression of Antimicrobial Peptides”。该研究发现激活转录因子 4(activating transcription factor 4, ATF4)通过结合启动子上氨基酸应答元件(AARE)直接转录激活谷氨酰胺(Gln)转运体基因 SLC1A5 表达,进而调控肠道上皮细胞中 Gln 水平,从而维持潘氏细胞分泌抗微生物肽的功能,揭示了氨基酸感应蛋白 ATF4 在维持肠道潘氏细胞分泌和调控肠道炎症的新功能。

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD),包括克劳恩疾病(Crohn’s disease, CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC),是世界范围内发病率最高的胃肠道疾病之一。目前大量研究发现,炎症应答、氧化应激、固有和适应性免疫、微生物防御和自噬等生物学和生理学过程均是 IBD 发病的重要因素,迄今也鉴定了约 200 多个 IBD 易感基因,但其发病的具体机制仍不清楚。潘氏细胞(Paneth cell)是一类特殊的、定位在小肠隐窝基底部的一类功能性细胞,它能够通过分泌抗微生物肽,如 a - 防御素,参与机体的固有免疫,其功能失调是诱发 IBD 的重要因素之一。有研究报道,氨基酸水平与潘氏细胞分泌抗微生物肽密切相关,而一些与氨基酸稳态相关基因表达异常可能会提高 IBD 发病的易感性。郭非凡课题组长期从事氨基酸感应机制研究,前期发现氨基酸感应蛋白 ATF4 参与了中枢和肝脏调控糖脂代谢的重要功能,但其在 IBD 中的作用还不清楚。

在郭非凡、刘占举共同指导下,郭非凡课题组助理研究员胡小明等近日发现氨基酸感应蛋白 ATF4 在 IBD 发病过程中具有重要调控作用。在这项研究中,首先采集了 IBD 活动期病人(21 例 CD、22 例 UC)和健康人(31 例)肠道粘膜组织样本,分别利用 qRT-PCR、Western blot 和 IHC 等方法检测发现 ATF4 表达在 IBD 病人肠粘膜中显著下调;同时也发现 DSS 诱发的实验性小鼠结肠炎肠上皮细胞中 ATF4 表达也显著下降,说明肠上皮细胞(intestinal epithelial cell, IEC)ATF4 表达与 IBD 发病密切相关。进一步,构建了 IEC 特异敲除 Atf4 小鼠,发现该小鼠具有自发性的小肠结肠炎和 DSS 诱导结肠炎的易感性。进一步发现 IEC 敲除 Atf4 显著降低了肠道 Gln 水平和潘氏细胞抗微生物肽表达,而且造成肠道菌群紊乱。分别对 Atf4 肠道敲除小鼠补充重组抗微生物肽蛋白 DEFA1 和氨基酸 Gln,则显著改善了小鼠肠炎发生。体内和体外研究均表明 ATF4 可以调控 Gln 转运体蛋白 SLC1A5 的表达,且通过启动子活性试验发现 ATF4 可以直接结合到 SLC1A5 启动子上的氨基酸应答元件激活转录。细胞水平研究发现,过表达 SLC1A5 显著提高了肠细胞内 Gln 水平和抗微生物肽表达,同时抑制了敲低 Atf4 导致的炎症因子表达。最后人群样本验证发现,SLC1A5 在活动期 IBD 病人肠粘膜中表达显著下调,且与 ATF4 表达呈正相关。这些结果揭示了 ATF4 通过直接调控 SLC1A5 的表达,从而影响肠细胞 Gln 水平和抗微生物肽的表达,进而调控 IBD 的新机制。ATF4 可能成为治疗 IBD 的一个新的潜在靶点。

该研究得到营养与健康所研究员陈雁、翟琦巍和应浩的支持和帮助。该项目得到国家自然科学基金委、上海市科委、中科院交叉创新团队、中科院 “百人计划”、中科院青年促进会等的经费支持。

助理研究员胡小明为论文第一作者,郭非凡和刘占举为共同通讯作者。

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