Transkrypcyjna regulacja lipogenezy
Dowody, które zostały zebrane w ciągu ostatnich kilku lat wskazują, że wpływ różnych składników odżywczych i hormonów na ekspresję genów lipogennych jest mediowany przez SREBPs (Hua i in., 1993; Tontonoz i in., 1993; Yokoyama i in., 1993). SREBPs s± czynnikami transkrypcyjnymi reguluj±cymi ekspresję genów zwi±zanych z metabolizmem cholesterolu i kwasów tłuszczowych. Należą one do grupy czynników transkrypcyjnych typu basic helix-loop-helix (bHLH)-leucine zipper i można je podzielić na trzy typy: SREBP-2, SREBP-1a i SREBP-1c (zwany również ADD1). SREBP-1a i -1c, z których SREBP-1c jest uważany za najbardziej istotny z fizjologicznego punktu widzenia, są produktami jednego genu różniącego się pierwszym eksonem. Od czasu odkrycia SREBP-2 w 1993 roku, jego molekularny sposób działania został bardzo dobrze scharakteryzowany. Gdy poziom wolnego cholesterolu w komórce jest wysoki, SREBP-2 jest obecny jako duży, niedojrzały prekursor związany z retikulum endoplazmatycznym. Gdy stężenie cholesterolu w komórce spada, cząsteczka prekursora ulega proteolitycznemu rozszczepieniu, uwalniając dojrzały fragment, który przemieszcza się do jądra. W jądrze dojrzała SREBP-2 wiąże się z tzw. elementem odpowiedzi sterolowej w regionie promotorowym genów docelowych i w ten sposób aktywuje ich transkrypcję.
Badania na myszach transgenicznych, u których w wątrobie dochodzi do nadekspresji SREBP-2, sugerowały, że SREBP-2 stymuluje ekspresję genów zaangażowanych w metabolizm cholesterolu, takich jak receptor LDL, syntaza pirofosforanu farnezylu i geny reduktazy HMG-CoA. Co ciekawe, u myszy z nadekspresją SREBP-1a lub SREBP-1c w wątrobie zaobserwowano gwałtowny wzrost stężenia trójglicerydów w wątrobie oraz podwyższony poziom ekspresji genów lipogennych. Doprowadziło to do wniosku, że SREBP-1 aktywuje geny związane z lipogenezą w wątrobie (przegląd w Horton i Shimomura, 1999).
Niespodziewanie, fenotyp myszy SREBP-1 null ujawnił, że SREBP-1 prawdopodobnie ma nieco inną rolę w tkance tłuszczowej. U tych myszy masa tkanki tłuszczowej nie była zaburzona, podobnie jak ekspresja tkanki tłuszczowej syntazy kwasów tłuszczowych i karboksylazy acetylo-CoA (Shimano i in., 1997). Dalsze dowody sugerujące inną rolę SREBP-1 w tkance tłuszczowej pochodzą z badań z myszami transgenicznymi, które wyrażają SREBP-1c pod kontrolą promotora aP2 (dla nadekspresji specyficznej dla tkanki tłuszczowej). W białej tkance tłuszczowej tych myszy ekspresja genów zaangażowanych w metabolizm cholesterolu była wyraźnie podwyższona, podczas gdy ekspresja genów zaangażowanych w syntezę kwasów tłuszczowych i triglicerydów pozostała niezmieniona (Shimomura i in., 1998). Jeszcze bardziej uderzającą i sprzeczną z intuicją obserwacją u tych myszy było to, że ich masa tkanki tłuszczowej była zredukowana do mniej niż połowy masy myszy typu dzikiego. Wyjaśnienie tego zmniejszenia masy tkanki tłuszczowej pozostaje niejasne, ale może być związane ze zmniejszoną ekspresją czynników transkrypcyjnych aktywujących proliferatory peroksysomów γ (PPARγ) i białka wiążącego wzmacniacz CCAAT (C/EBPα). Ogólnie rzecz biorąc, dane te sugerują, że role SREBP-1 w wątrobie i tkance tłuszczowej mogą się różnić.
Staje się coraz bardziej oczywiste, że indukcja ekspresji genów lipogennych w wątrobie przez insulinę i glukozę jest pośredniczona przez SREBP-1. Rzeczywiście, myszy pozbawione SREBP-1 wykazują upośledzoną regulację ekspresji genów lipogennych na czczo/odżywianie (Shimano et al., 1999). Insulina i glukoza wpływają na aktywność transkrypcyjną SREBP-1 poprzez kilka mechanizmów. Po pierwsze, wykazano, że insulina stymuluje ekspresję mRNA SREBP-1 w adipocytach (Kim i in., 1998) i hepatocytach (Foretz i in., 1999b), w czym prawdopodobnie pośredniczy szlak fosfatydyloinozytolu 3-kinazy (Azzout-Marniche i in., 2000). Ponadto, insulina prawdopodobnie zwiększa aktywację transkrypcyjną przez SREBP-1, niezależnie od zmian w poziomie jego mRNA, poprzez fosforylację zależną od kinazy MAP (Roth i in., 2000). Podobnie jak insulina, glukoza stymuluje aktywność promotora SREBP-1 i ekspresję mRNA (Hasty i in., 2000). Względny wzrost jądrowej formy SREBP-1 po karmieniu węglowodanami (Horton i in., 1998) sugeruje, że insulina i glukoza mogą również stymulować zależną od SREBP-1 transkrypcję genów poprzez aktywację proteolitycznego rozszczepienia związanego z błoną SREBP-1. Nie udało się jednak wykazać bezpośredniego wpływu insuliny lub glukozy na proteolityczne rozszczepienie prekursora SREBP-1 (Azzout-Marniche i wsp., 2000; Hasty i wsp., 2000).
Nienasycone kwasy tłuszczowe również regulują ekspresję genów lipogennych. Jednak w przeciwieństwie do glukozy i insuliny, obniżają one ekspresję genów. Efekt ten uzyskuje się poprzez hamowanie ekspresji mRNA SREBP-1 (Kim i in., 1999; Mater i in., 1999; Xu i in., 1999; Yahagi i in., 1999), jak również poprzez hamowanie proteolitycznego przetwarzania prekursora SREBP-1 (Thewke i in., 1998).
SREBP-1 wyraźnie odgrywa kluczową rolę w pośredniczeniu w oddziaływaniu insuliny na ekspresję genów, ale prawdopodobnie nie jest jedynym zaangażowanym czynnikiem transkrypcyjnym. Badania in vitro wyraźnie wykazały znaczenie czynników stymulujących (upstream stimulatory factors – USFs) w regulacji promotora syntazy kwasów tłuszczowych przez insulinę. USFs to wszechobecne czynniki transkrypcyjne typu bHLH-leucynowego zamka błyskawicznego, które mogą oddziaływać jako homo- i/lub heterodimery z polami E sekwencji CANNTG (Wang i Sul, 1997). Takie pole E jest obecne w promotorze syntazy kwasów tłuszczowych. Mutacje osłabiające wiązanie USF1 i USF2 do tego pola E znoszą zależną od insuliny aktywację promotora syntazy kwasów tłuszczowych. Ostatnie badania z udziałem myszy pozbawionych USF1 i/lub USF2 dostarczyły bardzo przekonujących dowodów, że USF1 i USF2 biorą udział w pośredniczeniu w stymulującym efekcie insuliny/glukozy na ekspresję syntazy kwasów tłuszczowych (Casado i in., 1999). Efekty działania USFs i SREBP-1 wydają się być addytywne i niezależne (Latasa i in., 2000). Wreszcie, glukoza może regulować ekspresję genów lipogennych poprzez czynnik transkrypcyjny odpowiedzi węglowodanowej (ChoRF), który nie został jeszcze sklonowany. Specyficzne elementy odpowiedzi, które wiążą ten czynnik transkrypcyjny, zostały zidentyfikowane w promotorze genów docelowych, takich jak kinaza pirogronianowa (Koo i Towle, 2000).
Ważnym czynnikiem transkrypcyjnym w tkance tłuszczowej jest receptor hormonu jądrowego PPARγ. Pomimo swojej nazwy, białko to nie jest aktywowane przez proliferatory peroksysomów, ale przez kwasy tłuszczowe i ich pochodne eikozanoidowe, a także przez leki z klasy tiazolidynedionów (Kersten i in., 2000a). PPARγ jest częścią programu różnicowania adipocytów, indukując różnicowanie pre-adipocytów w dojrzałe komórki tłuszczowe. Do tej pory wiadomo, że tylko ograniczona liczba genów jest regulowana przez PPARγ w tkance tłuszczowej. Kodują one białko wiążące kwasy tłuszczowe w adipocytach, lipazę lipoproteinową, białko transportujące kwasy tłuszczowe (FATP), syntazę acylo-CoA, karboksykinazę fosfo-enolopirogronianową oraz czynnik tłuszczowy indukowany na czczo FIAF/PPARγ związany z angiopoetyną PGAR (Kersten i in., 2000b; Yoon i in., 2000). Na podstawie tożsamości tych genów, w połączeniu z obserwacją, że ekspresja PPARγ jest stymulowana przez insulinę (Vidal-Puig i in., 1997) i przez SREBP-1 (Fajas i in., 1999), można by oczekiwać, że PPARγ ma nie tylko efekt adipogenny, ale także lipogenny. Potwierdzają to dane kliniczne, wskazujące, że pacjenci przyjmujący syntetyczne aktywatory PPARγ często przybierają na wadze (Fuchtenbusch, 2000). Ponadto, heterozygotyczne myszy z mutacją PPARγ wykazują mniejsze zapasy tłuszczu na diecie wysokotłuszczowej (Kubota i in., 1999; Miles i in., 2000). Indukowalne i specyficzne tkankowo modele nokautujące PPARγ powinny być bardzo pouczające w zakresie uzyskania dalszego wglądu w funkcję PPARγ w dojrzałych komórkach tłuszczowych. W odniesieniu do wątroby, chociaż PPARγ jest normalnie tylko minimalnie wyrażony w hepatocytach, wątrobowa akumulacja triglicerydów jest związana z dramatycznym wzrostem ekspresji PPARγ, co sugeruje, że PPARγ może odgrywać rolę w stymulowaniu lipogenezy (Chao i in., 2000).
W podsumowaniu, ostatnie kilka lat przyniosło zalew nowych danych na temat mechanizmów regulacji lipogenezy przez składniki odżywcze i hormony. Jest obecnie jasne, że SREBP-1, a w mniejszym stopniu USF1 i USF2, odgrywają kluczową rolę w pośredniczeniu we wpływie składników odżywczych i hormonów na ekspresję genów lipogennych w wątrobie. W tkance tłuszczowej inny czynnik transkrypcyjny, PPARγ, jest krytyczny dla regulacji zarówno adipogenezy, jak i lipogenezy. Rola, jaką SREBP-1 odgrywa w tkance tłuszczowej nie została jeszcze dokładnie określona. Ogólnie jednak, SREBP-1 i PPARγ stały się atrakcyjnymi celami dla interwencji farmaceutycznych w zaburzeniach takich jak hipertriglicerydemia i otyłość.