生物钟基因Period1在哺乳动物肝脏损伤病理过程中的作用

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肝脏损伤是引发大多数肝脏疾病的重要因素之一,生物钟基因在许多与肝损伤相关的生理和病理调节中均扮演着重要的角色。由于生物钟基因表达的节律性振荡,在多种肝损伤的病理过程中,损伤性刺激时间的不同会导致肝损伤程度的不同。Period1(Per1)是生物钟系统的核心基因。由于生物钟转录反馈环中其他生物钟基因的代偿作用,Per1基因缺失对哺乳动物主生物钟节律的影响甚微。而Per1敲除(Per1-/-)小鼠在许多生理和病理过程中均表现出与野生型(WT)小鼠显著的差异,这些证据指出Per1基因可能独立于主生物钟直接影响哺乳动物的生理和病理过程。本文深入探讨了生物钟基因Per1在多种肝损伤病理过程中的作用及相关分子机制,并考查了Per1基因缺失对因损伤性刺激时间不同导致的肝损伤程度差别的影响。  在CCl4导致的急性肝损伤的动物模型中,CCl4在Per1-/-小鼠中造成的肝损伤程度相对较低。在CCl4处理后24h、48h和72h,Per1-/-小鼠血清转氨酶活性均显著低于野生型(WT)小鼠,肝脏病变程度也均轻于WT小鼠。其中,CCl4处理48h后Per1-/-小鼠血清转氨酶活性均仅为WT小鼠的23%以下。在WT小鼠中,夜晚注射CCl4将造成更加严重的急性肝损伤,白天注射CCl4导致的急性肝损伤程度相对较低。在Per1-/-小鼠中,这种因注射CCl4时间不同造成的急性肝损伤程度的差别被显著削弱。Per1基因缺失显著降低了CCl4处理后小鼠肝脏氧化应激水平。CCl4处理后Per1-/-小鼠肝脏活性氧化物(ROS)和丙二醛(MDA)含量均为WT小鼠的50%以下,而肝脏谷胱甘肽(GSH)含量则是WT小鼠的2.1倍。而在HepG2细胞中过表达Per1基因能够显著降低CCl4处理后肝细胞的活性,提升CCl4处理后肝细胞的氧化应激水平。在未经CCl4处理的情况下,Per1-/-小鼠肝脏中Cyp2e1基因的表达水平为WT小鼠的54%。CCl4处理后Per1-/-小鼠肝脏中Cyp2e1基因的表达水平均仅为WT小鼠的35%。WT小鼠中Cyp2e1基因表达呈现显著的节律并与CCl4导致的小鼠急性肝损伤的变化节律一致。而在Per1-/-小鼠中,肝脏Cyp2e1基因表达的节律被明显削弱。进一步的分子实验证明,PER1蛋白能够与HNF-1α及其转录共激活因子CBP形成蛋白复合物,并增强HNF-1α与Cyp2e1基因启动子的结合,从而促进HNF-1α下游基因Cyp2e1的转录。通过建立CCl4导致的慢性肝纤维化动物模型,发现反复多次CCl4造成的Per1-/-小鼠慢性肝损伤和肝脏纤维化水平相对较低。以上数据证明了生物钟基因Per1能够通过参与肝脏Cyp2e1基因的转录调控影响CCl4导致的急性肝损伤及肝纤维化的病理过程,提示在肝脏Per1基因表达较低的时间段进行药物治疗可能能够在保证药效的同时尽量降低药物代谢造成的肝脏损伤。  通过建立酒精导致的急性肝损伤小鼠模型发现,在WT小鼠中,夜晚摄取酒精将造成更加严重的急性肝损伤,白天摄取酒精导致的急性肝损伤程度相对较低,这一变化于小鼠肝脏中Per1基因的表达节律基本一致。在Per1-/-小鼠中,这种因摄取酒精时间不同造成的急性肝损伤程度的差别被显著削弱。实验数据表明,酒精对Per1-/-小鼠肝脏造成的急性损伤相对WT小鼠更低,表现为Per1-/-小鼠较WT小鼠降低42%以上的血清转氨酶活性以及相对轻微的肝脏病理学变化。Per1基因缺失虽然能够显著降低非酒精摄取小鼠肝脏中Cyp2e1基因的表达,而对酒精处理后Cyp2e1和大多数抗氧化酶的表达没有明显影响。进一步实验研究表明,Per1-/-小鼠中相对更低的酒精性肝损伤归因于被显著抑制的酒精导致的肝脏脂肪沉积。酒精处理后,Per1-/-小鼠肝脏中的甘油三脂(TG)水平仅为WT小鼠的58%。Per1基因缺失抑制了酒精处理后小鼠肝脏一系列TG合成相关基因的表达,这些基因包括Dgat2、PPARy及其下游基因。Per1缺失导致酒精处理后小鼠肝脏中Dgat2基因表达水平降低33%,PPARγ及其下游基因的表达水平均降低42%以上。细胞实验证明,Per1过表达能够促进酒精处理后HepG2细胞中TG合成相关基因的表达,同时增强酒精导致的肝细胞中脂肪的沉积。上述结果揭示了生物钟基因Per1在酒精导致的急性肝损伤病理过程中的作用,并提示在Per1基因表达较高的晚上饮酒对肝脏造成的损伤可能更加严重。  通过建立脂多糖/D-半乳糖胺(LPS/D-GalN)小鼠模型来考查生物钟基因Per1在小鼠免疫性肝损伤中的作用。LPS/D-GalN处理后,WT小鼠的存活率为60%;而Per1-/-小鼠在LPS/D-GalN处理后10h全部死亡。LPS/D-GalN处理后5h,Per1-/-小鼠血清转氨酶活性均高于WT小鼠3倍以上;Per1-/-小鼠肝脏中出现严重的出血性坏死,而WT小鼠肝脏中仅出现轻微的点状坏死;Per1-/-小鼠肝脏中细胞因子表达水平均3.2倍以上高于WT小鼠。实验数据证明,Per1基因缺失对巨噬细胞中细胞因子的表达没有明显影响。Per1-/-小鼠肝脏中巨噬细胞数量是WT小鼠的2倍左右,是导致Per1-/-小鼠肝脏中对LPS应答产生的细胞因子水平上升以及由此造成的肝损伤加重的主要原因。细胞实验证明,Per1基因对单核巨噬细胞的增殖与凋亡没有明显影响。Per1基因缺失能够导致单核巨噬细胞中趋化因子受体ccr2基因的表达升高4.2倍,从而增强单核巨噬细胞向肝脏趋化的能力。在巨噬细胞中,PPARγ能够负向调控ccr2基因的表达。利用PPAR的拮抗剂GW9662能够显著削弱Per1基因对ccr2表达的影响。进一步的分子实验发现,PER1蛋白能够与PPARγ形成转录因子复合物,并促进PPARγ与ccr2基因启动子区域结合,从而增强PPARγ对ccr2转录的抑制。上述结果证明,生物钟基因Per1能够通过与PPARγ的作用影响单核巨噬细胞向肝脏组织的趋化能力,进而影响LPS/D-GalN导致的免疫性肝损伤的病理过程。生物钟基因Per1缺失将导致肝脏中过度的巨噬细胞介导的免疫应答,并进一步加重细菌感染造成的免疫性肝损伤程度。
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