探讨基因组DNA与蛋白质的心肾水火关系＊

孙 雷，彭 欣，秦 林

（山东中医药大学中医学院 济南 250355）

心属火，为阳，肾属水,为阴。《备急千金要方》有“心者，火也，肾者，水也，水火相济”之叙述。水火相济也称水火既济，“既济”最早见于《周易》的“既济”卦,卦象为坎上离下，显现水火相济之意。在正常状态下，心火下交于肾，以资助肾阳、温煦肾阴，使肾水不寒；肾水上济于心，则心火不亢。心火与肾水上下交通，即为水火相济的关系。机体水火相济，水不过寒，火不过热，则心肾相交、阴阳调和，脏腑气血功能协调[1]。在病理状态下，机体水火不济，则心肾不交、阴阳失和[2]。

前期工作运用中医的五行藏象理论，探讨五种生物大分子的五行归属与五行生克关系，认为“DNA 属水，通于肾；蛋白质属火，通于心”[3]。肾主藏精，为先天之本。遗传物质为DNA，随先天而来，世代遗传，是先天之精的重要存在形式[4]。并且，DNA序列稳定，有五行之水的静谧之象。蛋白质是细胞生物功能的主要执行者，与“五脏六腑之大主”的心相通。同时，细胞中蛋白质分子的种类、含量、活性状态在不断变化之中，有“火曰炎上”之意。

肾水基因组DNA是遗传物质，心火蛋白质执行基因的功能，两者密切协作，共同服务于生命活动。基因组DNA 适时、有序地表达蛋白质，蛋白质则以直接或间接的方式、有条不紊地调控基因组DNA的表达。肾水基因组DNA 与心火蛋白质间的互动关系与中医学的心肾水火理论有相通之处。

1 肾水DNA上济心火蛋白质

基因组DNA与肾水相通，且封藏着蛋白质的编码信息。蛋白质与心火相通，是人体生命活动的主要执行者。蛋白质的产生源于基因组DNA 的表达。一般来讲，基因组DNA 中的基因大多是沉默的，不表达的。只有机体需要其蛋白质产物时，基因才予以表达。基因组DNA的表达有着严密的调控机制，既有管家基因的组成性表达，更有奢侈基因的时间特异性表达与空间特异性表达，体现了肾水上济心火的特性。

管家基因的表达产物蛋白质为生命的基本结构、基本功能所必需，其表达是持续的。管家基因的蛋白质产物对整个生命过程都是必需的，因此，管家基因在机体内几乎所有的细胞中都稳定地表达。管家基因的表达为组成性表达，极少受环境因素变化的影响。管家基因的产物蛋白质可以视作心火的基础部分。不过，管家基因只占基因组DNA 中基因的少数，管家基因以外的基因为可调节基因，也称奢侈基因。

基因组DNA中的基因多为奢侈基因，其表达受到调控，应环境而变化，随不同的生长、发育阶段，不同的器官、组织定位而有别，具有时间特异性和空间特异性。蛋白质属火，火曰炎上，其性质是活跃的、变动的；奢侈基因的产物蛋白质可视作心火的动态变化部分。与管家基因的组成性表达不同，奢侈基因的表达受到严格的调控，以保证其编码产物蛋白质适时地参与生命活动。

根据生命活动的需要，肾水基因组DNA选择性表达蛋白质，避免细胞不需要的蛋白质出现，防止蛋白质心火过亢。蛋白质是生理功能的重要执行者，细胞需要某功能时，相应的蛋白质就要到岗；但是，若无关蛋白质出现，细胞功能就会受到干扰，出现“心火过亢”。细胞中蛋白质的种类及数量，源于基因高度有序的表达。只有当机体需要某些蛋白质时，这些蛋白质的基因才有节制地表达；至于机体尚不需要的其它蛋白质，它们的基因是静默的。基因组DNA的适度表达，防止了细胞中非必需蛋白质对细胞正常功能的影响，也避免了物质与能量的浪费，表现出了肾水DNA上济于心火蛋白质，防止心火过亢的特点。

当肾水基因组DNA的序列有所变化，某些蛋白质的生物活性、亦或表达量会相应改变，即影响了心火的功能。每种蛋白质可以看作是组成“心火”的一部分，而蛋白质的结构与功能取决于基因组DNA 的序列。APOE 基因是一个典型的例子。APOE 基因具有多态性，有4个等位基因，各等位基因的功能不尽相同。携带ApoEε2等位基因可降低阿尔茨海默病的患病风险，而携带ApoEε4 则增加阿尔茨海默病与轻度认知障碍的患病风险[5]。ApoEε2/ε3基因型对抑郁有防护作用，而ApoEε4 等位基因及ApoEε3/ε4 基因型与晚年抑郁症（Late-Life Depression，LLD）风险增加有关[6]。ε4 还与长寿（Exceptional Longevity，EL）负相关[7]。淀粉样蛋白前体（Amyloid Protein Precursor，APP）、早老素-1（Presenilin-1，PSEN1）、早老素-2（Presenilin-2，PSEN2）基因的突变与早发性阿尔茨海默病有关[8]。Spp1（Secreted Phosphoprotein 1）有16种常见的单核苷酸多态性，其中，多态性rs12641001 与认知发展（Cognitive Development）有明确关系[9]。可见，基因组DNA的某些变化会导致蛋白质异常：这可发生在中医“心肾失调之健忘痴呆”等病证中。

2 心火蛋白质下交肾水DNA

基因组DNA属于先天之精，封藏着生命的遗传信息。肾水DNA 是静谥的，基因序列是稳定的，并不直接发挥基因的功能。基因功能的表达有赖于蛋白质的作用，并受蛋白质的调控。根据机体的需要，相关蛋白质协作，开启功能基因的表达。这样，在心火蛋白质的暖煦下，肾水DNA不至于过寒。

基因的表达有时间特异性和空间特异性，以服务于生命过程：这依赖于相关蛋白质的基因表达调控作用。蛋白质对基因表达发挥调控作用，使得基因组DNA中的基因能够在正确的时间、正确的空间实现表达。蛋白质对基因组DNA 表达的调控作用包括直接作用和间接作用。

直接作用指反式作用因子结合于基因组中的基因表达调控序列，发挥基因表达的调控作用。在基因组DNA 中，基因星罗棋布。对每个基因而言，其中有着“漫长”的调控序列，调控序列中有着各种顺式作用元件。顺式作用元件是一些DNA序列，与特异的基因表达调控蛋白结合，这些调控蛋白称为反式作用因子。反式作用因子结合于顺式作用元件，以行使调控基因表达的功能，特异性地开启靶基因的表达。一般来讲，基因调控区的顺式作用元件数目较多，它们有秩序地参与基因表达的调控：在不同的条件下，不同反式作用因子与相应的顺式作用元件结合，以影响基因的表达。

间接作用的范围广泛。例如，在真核生物中，RNA聚合酶不能“独立”地结合于启动子，需要通用转录因子的协助，以形成基础转录装置；转录中介物（mediator）类似于通用转录因子，是大部分II 类RNA聚合酶转录起始复合物的组成部分。转录中介物为蛋白质复合物，由超过20 条多肽链组成，这些多肽链有各自的分工[10,11]。共调节子（Co-regulator）加入，与反式作用因子一起，形成复合物，共同调控基因的转录水平。共调节子不直接结合DNA序列，但在复合物中起到调节基因转录的功能[12,13]。再如，基因表达的开启常为信号转导途径的激活之故，信号转导的执行者有信号蛋白分子和第二信使的小分子。在信号转导过程中，信号转导蛋白依次激活，从而将信号传送到基因组DNA 中的靶基因，靶基因得以表达[14,15]。这样，适宜基因适时、适量表达，使肾水不至过寒。

特定“心火”蛋白质诱导开启肾水基因组DNA 中特定基因的表达，可影响组织、细胞的命运、功能。转录因子Hes可以影响神经干细胞的命运[16]。当转录因子（Krüppel-Like Transcription Factor 4，KLF4）蛋白的表达降低时，神经干细胞的增殖减少、分化加强[17]。采用纳米颗粒技术，转染转录因子（Eurogenin-2，Ngn2）进入人胎组织源神经干细胞后，应用透明质酸水凝胶转运基质（Hyaluronic Acid-Based Hydrogel Delivery Matrix）将转染后的神经干细胞植入外伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury，TBI）模型大鼠，损伤处的移植神经细胞更多地分化为神经细胞[18]。干细胞治疗有希望成为神经系统相关疾病（如痴呆[19-21]、失眠[22]等）的应对策略。

3 心火蛋白质与肾水DNA的互动是深广的

从五行配属而言，心属于火，肾属于水，心居上焦，为五脏六腑之主，心火下交于肾，以资助肾阳、温煦肾阴，使肾水不寒；肾水上济于心，资于心阴，则心火不亢。心火与肾水上下交通，成为水火互济的关系。水火互济实际是一种双向调节的互动关系。在细胞中，基因组DNA与蛋白质间的互动是深广的，它们间的互动是生命活动的重要基础。基因组DNA 根据生命过程的需要，表达蛋白质，蛋白质实现生理功能。机体在调控基因组DNA的表达时，有着极其严密的“程序”；而维护基因组DNA表达的“程序”离不开蛋白质的作用。

反式作用因子通过结合顺式作用元件发挥调控作用。基因组DNA中有着众多调控序列，分布着大量顺式作用元件。顺式作用元件的数量之多，为基因组DNA 表达的精准调控提供了基础。对于基因组DNA中的一个基因而言，其转录区的上游、下游的顺式作用元件处于“待命”状态。虽然，这些顺式作用元件共同服务于同一个基因，但它们有着精密的分工：在条件A下，顺式作用元件A与反式作用因子A结合，启动转录在A水平进行；在条件B下，顺式作用元件B与反式作用因子B结合，启动转录在B水平进行，依次类推。

基因组DNA表达调控的“程序”的维护，不只需要反式作用因子的作用，还需要其它功能蛋白质的贡献。首先，反式作用因子实现对基因转录的调控功能，需要信号转导蛋白的协作。在环境因素刺激下，细胞中相应的信号转导蛋白如同“接力”跑，将信号依次传递，交给反式作用因子，调控靶基因的转录。再者，细胞中蛋白质间的关系错综复杂，一个蛋白质好比处在一个蛋白质“社区”，不停地与“社区”其它成员互动，受到多种蛋白质的影响；而且，“社区”的其它蛋白质成员也是处在不断变化中的。与其它蛋白质之相互作用也可能影响到反式作用因子、信号转导蛋白等对基因表达的调控作用。需要提出的是，反式作用因子、信号转导蛋白、其它相关蛋白又都是不同基因的表达产物：基因组DNA 与细胞中蛋白质互动关系的基础是相当复杂的。

在基因组DNA表达调控“程序”的维护中，蛋白质的动态变化起到重要作用。火曰炎上，蛋白质属火。蛋白质分子不停的动态变化映射出火的特点。其一，根据生理的需求，蛋白质在一定的速率下合成（当然，这源于基因组DNA 的表达），而蛋白质的降解也在细胞中进行着；细胞中各种蛋白质的含量取决于合成与降解的动态平衡。为了适应各种生理状态的需求，细胞蛋白质的量发生着改变，而相关蛋白质则会以直接或间接的方式，或多或少地影响到基因组DNA 的表达。其二，相关蛋白质活性状态的转换是改变基因组DNA表达更为迅速的方式。受变构、化学修饰等因素的控制，很多蛋白质可在两种活性状态间转换。一些反式作用因子，如CREB、STAT 等，是在被磷酸化后才与其顺式作用元件结合，启动靶基因转录的。在与基因表达密切相关的信号转导过程中，信号蛋白的活性转换是将信号最终传递给靶基因的基本方式。转换一般是通过蛋白质分子的变构或以磷酸化/去磷酸化为主的共价修饰而实现的。

在维护基因组DNA表达调控“程序”时，在不同的环境下，同一蛋白质可能起到不同的作用。例如，在不同细胞环境中，YY-1以不同的方式参与基因组表达的调控。在神经祖细胞（Neural Progenitors cell，NPC）基因组DNA 的拓扑性质结构（Topologically Associating Domain，TAD）中，YY-1 作为一个结构蛋白结合在CTCF锚定而成的“环”（Loop）上，使得某些分化相关基因（如Olig1、Olig2[23]、Sox2[24]）与增强子接近[25]。黑色素瘤细胞的Snail基因完全表达时，YY1等几个蛋白因子结合于Snail基因3'端的增强子[26]。YY1结合于鸟氨酸结合蛋白1（Guanylate Binding Protein 1，GBP1）启动子中的DNA 元件，对胶质母细胞瘤细胞GBP1 的表达起到负调控作用；而当表皮生长因子EGF 刺激细胞时，YY1 的抑制表达作用去除[27]。YY1 与Gon41、sin3a、HDAC 形成复合物，可对基因转录起到抑制作用[28]。P53是一个转录因子，结合于Hdm2，而后发生泛素化、降解；YY1 可与P53、Hdm2 结合，进而加速P53 的降解[29]。

4 心火蛋白质/肾水DNA关系中的神经系统即早基因

神经系统功能涉及中医学的心肾关系，并与即早基因相关联[30-36]。即早基因DNA 的序列变化、基因产物蛋白质的活性或表达量的变化，能够影响到神经功能。特别值得提出的是，即早基因的表达方式与其产物蛋白质的作用方式，反映了心火蛋白质与肾水DNA的互动关系。

在神经系统中，早期生长反应蛋白1（Early Growth Response Protein 1，Egr1）和Egr3 调控与突触可塑性、长时程增强相关基因的表达。Huentelman MJ 等[37]研究成果提示，在欧洲人中，即早基因EGR3单核苷酸多态性位点SNP rs1877670 与精神分裂症有关（P=0.007 8）。在极低频率电磁场（Extremely Low-Frequency Electromagnetic Field, ELF-EMF）作用下，人骨髓间质干细胞向神经元分化，这与Egr1有关[38]。

即早基因受相关蛋白质的间接作用、直接作用而表达，而即早基因的表达产物蛋白质又转而调控某些特定基因的表达：这是心火蛋白质与肾水DNA互动关系的典型例子。即早基因是基因组DNA的成员，属肾水，即早基因的表达产物蛋白质属心火。即早基因的表达发生在细胞受到环境刺激后很短的一段时间内，因此得名。细胞受到环境刺激，激活信号转导途径，通过多种信号转导蛋白及特定反式作用因子的依次作用，即早基因得以表达：体现了肾水DNA 上济心火蛋白质。转而，即早基因的蛋白质产物识别、结合分布在基因组DNA中的基因转录调控元件，开启继发于即早基因之后的、受即早基因蛋白产物调控的多种相关基因的表达，产生新的蛋白质：体现了心火蛋白质下交肾水DNA。可见，此过程有典型的中医学心肾水火关系特点：心火下降，以助真阳，暖煦肾水，肾水得升，以济心火，而益心阴。如此，心肾相交，心火蛋白质与肾水DNA协调互动。

受NGF 的作用，PC12 细胞的Egr1 表达增加，Egr1蛋白转而结合于十余种靶基因，这些基因与神经元的发育及功能相关[39]。鼻孔闭合引起小鼠嗅球的同侧小球旁神经元中的Fos-B表达下降，导致Fos-B和Jun-D组成的AP-1 与酪氨酸羟化酶（Tyrosine Hydrosylase，TH）基因的AP-1 位点的结合减少，使得TH 基因的表达降低[40]。大鼠小脑颗粒神经元在缺钾胁迫（Potassium Deprivation，PD）下，c-jun的表达增高，并结合于dp5 基因启动子的ATF 位点，引起dp5 基因的转录提高；dp5基因的功能与凋亡有关[41]。在神经干细胞中，神经营养因子-3蛋白的高表达导致Hes1的基因表达减少，Mash1、Ngn1 的基因表达增加，细胞向胆碱能神经元的分化增强[42]。

5 临床意义

生物体中有数目繁多的基因和蛋白质，这些生物分子共同完成细胞生命活动。基因藏身于基因组DNA中，基因组DNA选择性地表达基因，产生蛋白质；蛋白质则直接或间接地影响基因组DNA的表达，可以说，基因组DNA与蛋白质间的互动协作藏心肾水火之意。基因组DNA与蛋白质的心肾水火关系，广泛影响着机体的生理功能，其失常与疾病的发生、发展有着密切的关系。

在传统中医学中，心肾不交证多与神经系统有关，如健忘、痴呆等。在现代临床实践中，心肾不交证治疗的适用疾病范围有所扩大，涉及到如冠心病心绞痛[43]、高血压[44]、糖尿病[45]、消化道疾病[46,47]、慢性前列腺炎[48]与病毒感染[49]等。交泰丸治疗心肾不交的经典方剂，组方中黄连入心经，可泻过亢之心火；肉桂入肾经，补火助阳，尚可引火归元。交泰丸可降低糖尿病db/db小鼠模型血糖水平，其改善脂肪组织胰岛素抵抗的机制可能与增加脂肪组织过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor γ Coactivator 1α，PGC-1α）和葡萄糖转运体GLUT 4的表达有关[50]。在糖尿病大鼠模型中，交泰丸可以提高骨骼肌胰岛素受体β、胰岛素受体底物-1、PI3K的p85亚基和葡萄糖转运体GLUT 4的表达[51]。

阴阳五行学说是阐释古典中医药学的重要工具，而其思想也蕴藏于现代生物科学中。从基因组DNA属肾水，蛋白质属心火出发，尝试将基因组DNA 与蛋白质间的互动关系，用于考察中医证治，有望为中医学“心肾水火”理论研究提供可借鉴的思路。