Kruppel样因子15——多功能转录因子的功能研究

李 丽，朱 伟，魏 盟(综述),赵 清(审校)

(上海交通大学附属第六人民医院心内科，上海 200233)

Kruppel样因子15(Kruppel-like factor-15，KLF15)由KLF15基因表达，具有3个高度保守的锌指结构[1]。研究证实,3个锌指结构具有核定位信号，使KLF15转入细胞核并与DNA的CACCC元件和富含GC区连接定位，而锌指结构2和3是KLF15进行核定位的必备条件[2]。KLF15在组织器官中广泛表达，尤以心脏、肾、肝、脂肪细胞、骨骼肌为甚，KLF15的表达受许多物质的调控：激活的糖皮质激素受体、糖皮质激素信号、禁食等上调 KLF15表达，喂食、肥胖、白细胞介素17等抑制其表达[3]。KLF15在心脏疾病、肾病、糖代谢、能量利用等诸多方面具有重要功能。该文就KLF15功能的研究进展进行综述。

1 KLF15在代谢中的作用

1.1KLF15在糖代谢中的作用 KLF15在肝脏中大量表达，在饱食和肥胖小鼠中KLF15的表达受到抑制。磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、葡萄糖-6-磷酸酶、过氧化物酶体增殖激活受体γ共激活因子1α均参与调节糖异生相关酶的基因表达。研究表明，KLF15与过氧化物酶体增殖激活受体γ共激活因子1α在协同作用下调节糖异生和氨基酸降解酶的基因表达。在培养的肝细胞中过量表达KLF15降低磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因表达，而腺病毒转染特异性KLF15 mRNA的shRNA不仅抑制KLF15 mRNA，而且降低磷酸烯醇丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶mRNA的表达。特异性剔除糖尿病小鼠肝脏KLF15可明显降低糖异生和氨基酸降解酶的基因表达并改善高血糖状态。二甲双胍是有效的降糖药物，Takashima等[4]证实,二甲双胍通过降解和下调KLF15 mRNA的表达水平达到降糖的目的。胰岛素抵抗，糖利用率的下降是引起2型糖尿病的重要原因，而胰岛素抵抗是由于缺乏葡萄糖转运体4(glucose transport 4，GLUT4)。研究表明，在脂肪细胞和肌细胞中过表达KLF15可有效诱导GLUT4的表达。Gray等[5]采用共转染技术证实，KLF 15与心肌增强因子协同激活GLUT4增强子。

1.2KLF15在脂肪细胞中的多种作用 研究表明，KLF15是脂肪形成晚期的调节因子[6]。肥胖小鼠的脂肪组织中KLF15表达明显下调。Nagare等[7]建立脂肪组织特异型KLF15转基因小鼠模型(aP2-KLF15 Tg)来研究其在脂肪组织(白色脂肪组织和棕色脂肪组织)中的作用，与对照组相比，aP2-KLF15 Tg小鼠胰岛素分泌增加，糖耐量相应增加(P<0.01)。过表达KLF15增加脂肪组织线粒体的功能和过氧化物酶β的氧化，进而增加氧耗。硬脂酰-辅酶A脱氢酶1(stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1)在肥胖病的发生、发展中发挥重要作用，脂肪细胞过表达KLF15呈剂量依赖性地抑制SCD1的表达，KLF15通过与SCD1启动子连接发挥抑制作用。与其他组织相比胰岛细胞对氧化应激更为敏感。体外培养β细胞系MIN6细胞，与对照组相比，腺病毒转染KLF15的细胞氧化应激明显下降(P<0.01)，这种抑制作用在aP2-KLF15 Tg小鼠中得到验证。研究还建立SCD1 Tg和aP2-KLF15 Tg双转基因模型，与aP2-KLF15 Tg相比，双转基因小鼠血糖水平增加，胰岛素分泌减少，血浆和白色脂肪组织的脂质过氧化物作用上调。研究数据表明，KLF15转基因小鼠下调SCD1的表达，从而降低氧化应激，增加胰岛β细胞，促进胰岛素分泌，抵抗高脂饮食造成的肥胖。

乙酰辅酶A是各种代谢通路(脂肪酸代谢、胆固醇生物合成、三羧酸循环)的中间产物，由乙酰辅酶A合成酶2合成。研究发现，过表达KLF15诱导乙酰辅酶A合成酶2基因的转录表达，并与饥饿诱导的乙酰辅酶A合成酶2基因表达有关[8]。

2 KLF15对心血管的保护作用

心肌肥厚是对心肌损伤、血液动力学压力增加的反应，是心力衰竭和死亡的征兆。心肌肥大的患者和大鼠模型中，KLF15的心肌表达量明显下降。剔除KLF15的小鼠对压力超负荷表现为心脏重量增加，肥厚基因过度表达，心肌细胞增大，左心室腔扩大，最终发展为离心性心脏肥厚。而新生大鼠心室肌过表达KLF15则抑制心肌细胞变大，抑制蛋白合成，并抑制肥厚性基因的表达，从而抑制心肌肥厚。Fisch等[9]证实,KLF15能有效地抑制促肥厚因子GATA4和心肌增强因子2的功能，进而抑制肥厚因子心钠肽(atrial natriuretic peptide，ANF)和脑钠肽(brain natriuretic peptide，BNP)启动子的转录激活达到抑制心肌肥厚的目的。也有研究表明，KLF15强有效地抑制心肌素相关转录因子A和B,小鼠心肌细胞过表达KLF15能明显抑制血管紧张素Ⅱ诱导的心肌肥厚[2]。Haldar等[10]发现，心力衰竭和主动脉瘤患者KLF15的水平下降，而剔除KLF15的小鼠产生严重的心力衰竭，并形成主动脉瘤。p53过度乙酰化导致心肌病和主动脉病的发生。研究表明,KLF15的激活能够抑制p300介导的p53乙酰化而防止心力衰竭和主动脉瘤的产生。

Wnt/β联蛋白信号通过调节心肌祖细胞的分化调控心脏重构，KLF15通过抑制β联蛋白调节成人心脏中心肌祖细胞内环境稳态。这一认知可能成为增强心肌内源性修复的有效方法[11]。心肌纤维化是心肌重构的重要特征，而结缔组织生长因子在心肌纤维化过程中起关键作用。研究发现，新生大鼠心室成纤维细胞过表达KLF15能够抑制结缔组织生长因子和转化生长因子β1诱导的结缔组织生长因子表达，从而抑制心肌纤维化[12]。此外，KLF15抑制血管平滑肌的增殖和迁移。Lu等[13]分别线性损伤剔除KLF15的小鼠和对照组，发现基因剔除小鼠平滑肌细胞增殖迁移，新生内膜过度生长。因此，KLF15成为血管对损伤的应答重要调节因子。

3 KLF15在肾脏疾病中的保护作用

足细胞的去分化是肾小球疾病的重要标志，研究发现KLF15促进足细胞的分化，KLF15在分化的足细胞中表达量增加，维甲酸促进足细胞中KLF15的表达。与未给予维甲酸的对照组相比，维甲酸组明显促进KLF15与足细胞特异基因上的启动子区域连接。对照组和人类免疫缺陷病毒感染组过表达KLF15明显增加足细胞分化标志物的表达。人类免疫缺陷病毒感染相关肾病或特发性局灶节段性肾小球硬化患者其肾小球KLF15的表达量显著降低。研究表明，KLF15能够有效地抑制肾脏疾病的发生，成为治疗足细胞损伤相关肾病的潜在新视点[14]。

此外，低蛋白饮食能够抑制KLF15的表达，限制肾纤维化[15]。KLF15能够降低肾小球细胞胞外基质的表达，抑制肾小球硬化，起到肾保护作用。不少研究者对部分肾切除的大鼠进行蛋白饮食控制研究，发现与正常蛋白饮食组相比，低蛋白饮食组能够降低蛋白尿和血尿素氮水平，并减弱肾损伤[16]。肾部分切除后的残余肾对KLF15的表达下降，而给予低蛋白饮食能够促进剩余正常肾组织对KLF15的表达[16]。氧化应激、转化生长因子β和肿瘤坏死因子α能够抑制肾小球系膜细胞KLF15的表达，这种抑制作用通过肿瘤坏死因子受体1和核因子κB通路发挥作用。研究发现，系膜细胞过表达KLF15明显降低纤连蛋白和Ⅳ型胶原蛋白mRNA的表达水平，而在单侧肾切除的小鼠中剔除KLF15后，其对各种刺激更为敏感，更易发展成为肾小球硬化[16]。

4 KLF15在骨骼肌中的作用

骨骼肌在运动期间提高脂质利用的能力是代谢可塑性的形式之一，对于机体的存活具有重要意义。研究证实，KLF15在骨骼肌对脂质利用和骨骼肌生理功能方面起重要作用。而缺乏KLF15的小鼠骨骼肌表现出异常的脂质和能量代谢，对糖类的过度依赖，肌肉极度疲劳，运动耐量受损。Haldar等[17]发现，做急性耐力运动的小鼠对KLF15的表达明显升高，而KLF15剔除的小鼠运动耐力明显降低，且肌肉极易疲劳。新生小鼠的肌肉中KLF15的表达量极低，而其表达量在生后随着肌纤维的成熟逐渐增加。随后，Haldar等[17]检测剔除KLF15的小鼠中脂质通量通路中一系列相关基因的表达，发现相关基因的表达均明显降低，包括调节脂肪酸转运基因、线粒体脂质氧化相关基因、肌内脂质贮存相关基因，需要指出的是，这些相关基因表达的下调与其他调节骨骼肌脂质通量关键转录因子无关。此次研究还发现，在有氧耐力运动实验中，剔除KLF15的小鼠呈现异常的底物和能量代谢，其血中脂肪酸水平升高，氧化代谢和脂质利用率降低，而以燃烧糖类作为维持能量消耗增加，进一步证实了KLF15在骨骼肌脂质利用及骨骼肌本身生理功能中的关键作用。

面肩肱型肌营养不良症(facioscapulohumeral muscular dystrophy,FSHD)是一种显性遗传病，与染色体4长臂上端粒酶D4Z4重复序列的部分缺失有关。D4Z4重复序列含有一个较强的转录增强子，能够激活FSHD相关基因。Dmitriev等[18]研究发现，该增强子能够与KLF15连接。过表达KLF15激活D4Z4增强子引起双同源框4-着丝粒和FSHD结构基因2的过表达。而在人类成纤维细胞中，D4Z4增强子能够被肌源因子生肌决定因子激活，而这一作用又能被KLF15的失活所抵消，因此KLF15是肌源因子和D4Z4增强子之间的分子连接，在FSHD的发生、发展中起重要作用。

5 KLF15在其他方面的作用

KLF15不仅在代谢、心脏疾病、肾硬化、骨骼肌脂质代谢方面有重要作用，在其他方面同样起着不可或缺的作用。最近的研究证实了生物钟在调节心脏代谢、生长及对损伤应答方面的直接作用。Jeyaraj等[19]发现，KLF15的表达呈时间依赖性，而心脏离子通道的表达和QT间期的变化在KLF15的调控下呈现内源性的节律性。钾离子通道相互作用蛋白2是产生瞬时外向钾电流必需的重要亚单位，而KLF15的表达能够调节钾离子通道相互作用蛋白2的节律性表达。KLF15的过量或缺乏均可导致QT间期变化失节律，异常复极，室性心律失常。此外，Jeyaraj等[20]还发现，KLF15对调节机体氮平衡的多种酶进行节律性调控表达，使得氮稳态在KLF15的调控下呈现昼夜节律性。

糖皮质激素通过调节呼吸道平滑肌的结构和功能以达到治疗哮喘的目的，但是糖皮质激素发挥作用的下游目标基因还未得到证实。Masuno等[21]在地塞米松处理人类呼吸道平滑肌24 h后应用转录分析技术和定量聚合酶链反应对近7500个基因进行分析，筛选出KLF15。对剔除KLF15的小鼠给予卵蛋白致敏处理，发现呼吸道对乙酰胆碱的反应消失，炎性反应减少。过表达KLF15减少人类呼吸道平滑肌细胞的增生，而剔除KLF15的小鼠呼吸道平滑肌细胞的凋亡明显增加，从而证实了KLF15在调节呼吸道功能中的重要作用。

6 小 结

具有锌指结构的转录因子KLF15是Kruppel样转录因子家族中的一员，在诸多生物过程中发挥重要而关键的作用：下调KLF15的降糖作用，抑制肥胖，抑制心脏肥厚，防止心力衰竭和主动脉瘤的产生，抑制平滑肌细胞的增殖和迁移，抑制肾小球硬化，抑制肾脏疾病的发生和发展，增加骨骼肌脂质利用，提高骨骼肌运动耐量，调节心脏节律，调节体内氮稳态的昼夜节律，调节呼吸道平滑肌的高反应性等。随着对KLF15研究的越来越深入，其功能受到越来越多的认识和重视，鉴于其重要而广泛的功能，KLF15有望成为临床上治疗疾病的新靶点和新方向。

[1] Pearson R,Fleetwood J,Eaton S,etal.Kruppel-like transcription factors:a functional family[J].Int J Biochem Cell Biol,2008,40(10):1996-2001.

[2] Leenders JJ,Wijnen WJ,van der Made I,etal.Repression of cardiac hypertrophy by KLF15:underlying mechanisms and therapeutic implications[J].PLoS One,2012,7(5):e36754.

[3] Ahmed M，Gaffen SL.IL-17 inhibits adipogenesis in part via C/EBPalpha,PPARgamma and Kruppel-like factors[J].Cytokine,2013,61(3):898-905.

[4] Takashima M,Ogawa W,Hayashi K,etal.Role of KLF15 in regulation of hepatic gluconeogenesis and metformin action[J].Diabetes,2010,59(7):1608-1615.

[5] Gray S,Feinberg MW,Hull S,etal.The Kruppel-like factor KLF15 regulates the insulin-sensitive glucose transporter GLUT4[J].J Biol Chem,2002,277(37):34322-34328.

[6] Fei Z,Bera TK,Liu X,etal.Ankrd26 gene disruption enhances adipogenesis of mouse embryonic fibroblasts[J].J Biol Chem,2011,286(31):27761-27768.

[7] Nagare T,Sakaue H,Matsumoto M,etal.Overexpression of KLF15 transcription factor in adipocytes of mice results in down-regulation of SCD1 protein expression in adipocytes and consequent enhancement of glucose-induced insulin secretion[J].J Biol Chem,2011,286(43):37458-37469.

[8] Yamamoto J,Ikeda Y,Iguchi H,etal.A Kruppel-like factor KLF15 contributes fasting-induced transcriptional activation of mitochondrial acetyl-CoA synthetase gene AceCS2[J].J Biol Chem,2004,279(17):16954-16962.

[9] Fisch S,Gray S,Heymans S,etal.Kruppel-like factor 15 is a regulator of cardiomyocyte hypertrophy[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(17):7074-7079.

[10] Haldar SM,Lu Y,Jeyaraj D,etal.KLF15 deficiency is a molecular link between heart failure and aortic aneurysm formation[J].Sci Transl Med,2010,2(26):26ra26.

[11] Noack C,Zafiriou MP,Schaeffer H J,etal.Krueppel-like factor 15 regulates Wnt/beta-catenin transcription and controls cardiac progenitor cell fate in the postnatal heart[J].EMBO Mol Med,2012,4(9):992-1007.

[12] Wang B,Haldar SM,Lu Y,etal.The Kruppel-like factor KLF15 inhibits connective tissue growth factor(CTGF) expression in cardiac fibroblasts[J].J Mol Cell Cardiol,2008,45(2):193-197.

[13] Lu Y,Haldar S,Croce K,etal.Kruppel-like factor 15 regulates smooth muscle response to vascular injury--brief report[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2010,30(8):1550-1552.

[14] Mallipattu SK,Liu R,Zheng F,etal.Kruppel-like factor 15(KLF15) is a key regulator of podocyte differentiation[J].J Biol Chem,2012,287(23):19122-19135.

[15] Wang Y,Mitch WE.Proteins and renal fibrosis:low-protein diets induce Kruppel-like factor-15,limiting renal fibrosis[J].Kidney Int,2011,79(9):933-934.

[16] Gao X,Huang L,Grosjean F,etal.Low-protein diet supplemented with ketoacids reduces the severity of renal disease in 5/6 nephrectomized rats:a role for KLF15[J].Kidney Int,2011,79(9):987-996.

[17] Haldar SM,Jeyaraj D,Anand P,etal.Kruppel-like factor 15 regulates skeletal muscle lipid flux and exercise adaptation[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109(17):6739-6744.

[18] Dmitriev P,Petrov A,Ansseau E,etal.The Kruppel-like factor 15 as a molecular link between myogenic factors and a chromosome 4q transcriptional enhancer implicated in facioscapulohumeral dystrophy[J].J Biol Chem,2011,286(52):44620-44631.

[19] Jeyaraj D,Haldar SM,Wan X,etal.Circadian rhythms govern cardiac repolarization and arrhythmogenesis[J].Nature,2012,483(7387):96-99.

[20] Jeyaraj D,Scheer FA,Ripperger J A,etal.KIF15 orchestrates circadian nitrogen homeostasis[J].Cell Metab,2012,15(3):311-323.

[21] Masuno K,Haldar SM,Jeyaraj D,etal.Expression profiling identifies KLF15 as a glucocorticoid target that regulates airway hyperresponsiveness[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2011,45(3):642-649.