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１ 氨基酸在转录水平上对基因表达的调控

　　氨基酸对基因表达调控的研究始于原核生物酵母。目前，已在酵母体内发现多种氨基酸反应体系，根据其作用的基本原理，归纳为一般调控过程（ｇｅｎｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）和特异调控过程ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ两大类。在哺乳动物体内，氨基酸对基因表达的调控过程较酵母复杂得多，如：某种必需氨基酸缺乏既能增强一些基因的表达，也能抑制另一些基因的表达。氨基酸对基因表达的调控具有独特之处：它能同时在转录水平和翻译水平调控基因表达。转录水平的调控是大多数营养素调控基因表达的主要方式。研究证实：氨基酸水平的变化可影响许多基因的转录过程。在分子水平上研究较为透彻的是ＣＨＯＰ基因和ＡＳＮＳ基因。
１．１ ＣＨＯＰ基因
　　ＣＨＯＰ基因即ＣＥＢＰ同源蛋白（ＣＣＡＡＴ增强子结合蛋白同源蛋白，ＣＣＡＡＴｅｎｈａｎｃｅｒ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ ｐｒｏｔｅｉｎ）。ＣＨＯＰ基因是生长抑制和ＤＮＡ损伤所诱导（ｇｒｏｗｔｈ ａｒｒｅｓｔ ａｎｄ ＤＮＡ ｄａｍａｇｅ，ＧＡＤＤ）的基因家族成员之一，也被称为ＧＡＤＤ１５３基因。ＣＨＯＰ基因定位在人１２号染色体上 即１２ｑ１３．１ｑ１３．２。基因全长３ｋｂ，为单拷贝基因，包括４个外显子和３个内含子。通常ＣＨＯＰ基因只在细胞内低水平表达，几乎检测不到。当细胞受到某些刺激时，ＣＨＯＰ基因的表达才会迅速被诱导。ＣＨＯＰ基因与细胞能量代谢、增生、分化及特征性基因的表达有密切关系。在众多氨基酸调节基因中，ＣＨＯＰ基因是为数不多的几个被深入到分子水平研究的基因之一。
　　ＣＨＯＰ基因是内质网应激反应（ｅｎｄｏｐｌａｓｍｉｃ ｒｅｔｉｃｕｌｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ＥＲＳＲ）、氨基酸反应（ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ＡＡＲ）通路的靶基因。当胞浆内蛋白质多肽发生的错误折叠过多而引起堆积时，ＣＨＯＰ基因上的内质网应激反应元件（ｅｎｄｏｐｌａｓｍｉｃ ｒｅｔｉｃｕｌｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ＥＲＳＥ）活化，诱导ＣＨＯＰ基因转录。但氨基酸缺乏对ＣＨＯＰ基因的调控与ＥＲＳＥ无关，而是通过另外一个特异的氨基酸调节元件（ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ，ＡＡＲＥ）来实现的。不仅如此，ＣＨＯＰ基因对不同氨基酸缺乏的反应性也不同。当限制体外培养的人宫颈癌细胞（ＨｅＬａ）和人肝癌细胞（ＨｅｐＧ２）丙氨酸或其它一些非必需氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸的摄入时，并不影响ＣＨＯＰ ｍＲＮＡ的表达；但是当限制亮氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸这些必需氨基酸的摄入时，ＣＨＯＰ ｍＲＮＡ的表达增加。深入研究表明：这种差别与ＣＨＯＰ基因启动子的活性有密切关系。在ＣＨＯＰ基因启动子区段第－３１３～－２９５核苷酸上有一个顺式作用元件，即ＡＡＲＥ，它在氨基酸缺乏引起的ＣＨＯＰ基因转录中起关键作用。
　　综上所述，当氨基酸缺乏或内质网应激反应时，通过氨基酸反应通路或内质网应激反应通路将这些信息传递给相应的转录因子，然后这些转录因子再特异地与ＣＨＯＰ基因启动子上的顺式作用元件结合，调控ＣＨＯＰ基因的转录。
１．２ ＡＳＮＳ基因
　　ＡＳＮＳ（ａｓｐａｒａｇｉｎｅ ｓｙｎｔｈｅｔａｓｅ，ＡＳＮＳ 或ＡＳ）基因即天冬酰胺合成酶基因，主要催化谷氨酰胺和天冬氨酸合成天冬酰胺。ＡＳＮＳ基因是哺乳动物体内普遍表达的看家基因。１９８９年，Ｚｈａｎｇ 等分离了人类ＡＳＮＳ基因。该基因全长３５ｋｂ含有１３个外显子。１９９４年，Ｈｅｎｇ等发现ＡＳＮＳ基因定位于人７号染色体上，即７ｑ２１．３。Ｋｉｌｂｅｒｇ工作小组采用足迹法（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔｉｎｇ）鉴定了ＡＳＮＳ基因的启动子序列，发现在其启动子上有６个独立的蛋白结合位点，仅有１个位点未参与营养素对ＡＳＮＳ基因的调控。在这５个参与营养素调节的蛋白结合位点中，３个ＧＣ盒（即ＧＣⅠ、ＧＣⅡ、ＧＣⅢ）保证自身转录过程的顺利进行并放大氨基酸缺乏引起的ＡＳＮＳ基因活化的信号。另外２个结合位点分别为营养素感受反应元件（ｎｕｔｒｉｅｎｔｓｅｎｓｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，ＮＳＲＥ）１和２，即ＮＳＲＥ１和ＮＳＲＥ２。 ＮＳＲＥ１位于ＡＳＮＳ基因启动子近端第－６８～－６０核苷酸之间，其核心序列为５’ＴＧＡＴＧＡＡＡＣ３’，该序列与ＣＨＯＰ启动子上的ＡＡＲＥ核心序列非常相似；ＮＳＲＥ－１的功能也与ＣＨＯＰ基因的ＡＡＲＥ极其相似，只是不能象ＡＡＲＥ那样独立发挥作用。
　　ＡＳＮＳ基因特别是其ＡＳＮＳ ｍＲＮＡ对细胞所处的营养状态（如氨基酸或碳水化合物缺乏）非常敏感。与ＣＨＯＰ基因相同的是，ＡＳＮＳ基因也是ＡＡＲ通路和ＥＲＳＲ通路的共同靶基因，但与ＣＨＯＰ基因不同的是，这两条通路上，ＡＳＮＳ 基因都是通过其启动子上共同的顺式作用元件即ＮＳＲＥ１和ＮＳＲＥ２来发挥作用的。缺乏天冬酰胺、异亮氨酸、亮氨酸、谷氨酰胺，ＡＳＮＳ ｍＲＮＡ水平升高，这与ＡＳＮＳ基因相关的碱性（区亮氨酸）拉链ｂａｓｉｃ ｒｅｇｉｏｎｌｅｕｃｉｎｅ ｚｉｐｐｅｒ ｂＺｉｐ 转录因子家族成员ＡＴＦ４、ＣＥＢＰβ和ＡＴＦ３ 在ｍＲＮＡ水平上表达增加有关。
　　总之，氨基酸缺乏和各种应激刺激时，可能通过多种机制诱导ＡＳＮＳ基因相关的转录因子ＡＴＦ６、ＡＴＦ４、ＣＥＢＰβ ａｎｄ ＡＴＦ３的转录（可能还有翻译水平上的调控），然后作用于ＡＳＮＳ基因启动子上的ＮＳＲＥ１和ＮＳＲＥ２，诱导 ＡＳＮＳ 基因表达。

２ 氨基酸在翻译水平对基因表达的调控

　　氨基酸除在转录水平上对基因进行调控外，更重要的是，它还在翻译水平上对基因进行调控。蛋白质的翻译过程是一个复杂的、受许多蛋白（因子）调控的生物学过程。目前的研究结果提示：氨基酸在翻译水平上对基因的调控主要与翻译起始过程相关蛋白的磷酸化有关。
２．１ 真核生物起始因子的磷酸化
　　真核生物起始因子２（ｅＩＦ２）是一个由α、β、γ亚单位组成的三聚体。α亚单位在第５１位丝氨酸残基上的磷酸化，是控制整个蛋白质合成的重要环节。在哺乳动物体内，该磷酸化过程至少由以下４种ｅＩＦ２α激酶介导：血红素调节翻译抑制因子（ｈｅｍｅ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ＨＲＩ）、双链ＲＮＡ依赖蛋白激酶（ｄｏｕｂｌｅｓｔｒａｎｄｅｄ ＲＮＡｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｒｏｔｅｉｎ ｋｉｎａｓｅ ＰＫＲ）、胰腺ｅＩＦ２α激酶ＰＫＲ样内质网激酶（ｐａｎｃｒｅａｔｉｃ ｅＩＦ２αｋｉｎａｓｅＰＫＲｌｉｋｅ ｅｎｄｏｐｌａｓｍｉｃ ｒｅｔｉｃｕｌｕｍ ｋｉｎａｓｅ ＰＥＫＰＥＲＫ）、酵母ＧＣＮ２（ｇｅｎｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｏｎｄｅｒｅｐｒｅｓｓｉｎｇ ＧＣＮ２）的哺乳动物同系物（ｍＧＣＮ２）。当细胞受到某些特异的刺激作用（如应激、病毒感染、氨基酸缺乏等）时，这些激酶就以单独联合作用的方式，诱导ｅＩＦ２α５１位丝氨酸残基的高磷酸化。ｅＩＦ２α高磷酸化后，使起始因子ｍｅｔｔＲＮＡｉ不能结合到４０Ｓ核糖体的亚单位上，影响蛋白质合成的进程。ｅＩＦ２α高磷酸化一方面能抑制翻译起始因子与４０Ｓ核糖体亚单位的结合；另一方面，还通过其他翻译起始因子（如ｅＩＦ２Ｂ），控制整个蛋白质的合成过程，如在翻译起始，起始因子ｍｅｔｔＲＮＡｉ结合到４０Ｓ核糖体亚单位上，与ｅＩＦ２和ＧＴＰ形成四聚体。当翻译起始过程完成后，ｅＩＦ２就以ｅＩＦ２ＧＤＰ二聚体的形式释放出来，为使ｅＩＦ２能在下一个循环中发挥作用，ＧＤＰ必须转换成ＧＴＰ。这种鸟嘌呤核苷酸的交换反应是在另外一个起始因子ｅＩＦ２Ｂ的催化下完成的。但如果此时ｅＩＦ２α处于磷酸化状态，那么它就与ｅＩＦ２Ｂ形成一个沉默型的复合物，使ｍｅｔｔＲＮＡｉ不再与４０Ｓ核糖体亚单位结合，最终使蛋白质的合成过程无法循环下去。如有研究表明，当必需氨基酸缺乏时，ｅＩＦ２Ｂ的活性能控制蛋白合成的总体速度。
２．２ ｍＴＯＲ对ｅＩＦ４Ｅ结合蛋白１、ｅＩＦ４Ｇ磷酸化的调控　　作用
　　ｅＩＦ４Ｅ结合蛋白１、核糖体蛋白Ｓ６、ｅＩＦ４Ｇ是参与ｍＲＮＡ与４０Ｓ核糖体亚单位连接过程中的３个蛋白，它们都是ＴＯＲ（ｔａｒｇｅｔ ｏｆ ｒａｐａｍｙｃｉｎ ＴＯＲ）蛋白激酶通路的下游靶点。ｍＴＯＲ通过以下途径调节蛋白质的合成：使ｍＲＮＡ翻译抑制因子如真核细胞翻译起始因子４Ｅ结合蛋白（４ＥＢＰ１）磷酸化而失活，使Ｓ６Ｋ１磷酸化而激活。ｍＴＯＲ活性受营养素、生长因子、能量代谢的调节。在酵母和哺乳动物体内，ＴＯＲ（或ｍＴＯＲ）的主要功能是协调营养素利用与细胞生长、增生之间的关系。在哺乳动物体内，ｍＴＯＲ还能调节ｍＲＮＡ与４０Ｓ核糖体亚单位的结合。
２．２．１ ｅＩＦ４Ｅ结合蛋白１（４ＥＢＰ１）的磷酸化
　　在翻译起始阶段，ｍＲＮＡ与翻译起始因子复合体ｅＩＦ４Ｆ首先结合，形成ｅＩＦ４Ｆ·ｍＲＮＡ复合体，再与４０Ｓ核糖体亚单位结合。完整的ｅＩＦ４Ｆ复合体的形成需要ｅＩＦ４Ｅ与其结合蛋白４ＥＢＰ１的作用关系，即此时４ＥＢＰ１必须是一种非结合状态。当向氨基酸缺乏的体外培养细胞中再补充氨基酸后，特别是提供亮氨酸后，４ＥＢＰ１就发生高磷酸化而无法与ｅＩＦ４Ｅ结合，这样就能顺利形成翻译起始因子复合体ｅＩＦ４Ｆ，启动蛋白质的翻译过程。例如在动物实验中，给禁食大鼠供给蛋白质膳食或口服亮氨酸后，大鼠骨骼肌４ＥＢＰ１发生高磷酸化；但是若先给禁食大鼠口服雷帕霉素ｒａｐａｍｙｃｉｎ，再供给蛋白质膳食或口服亮氨酸，就能完全阻断４ＥＢＰ１的高磷酸化。
２．２．２ ｅＩＦ４Ｇ的磷酸化
　　除雷帕霉素外，胰岛素也在氨基酸调控蛋白质的翻译过程中发挥重要作用。例如给糖尿病大鼠口服亮氨酸后，能增加骨骼肌蛋白质的合成，但不能刺激糖尿病大鼠ｅＩＦ４Ｇ与ｅＩＦ４Ｅ的结合或４ＥＢＰ１、Ｓ６Ｋ１的磷酸化。而胰岛素和氨基酸共同作用大鼠后，能完全逆转上述情况。由此推测：氨基酸作用于胰岛素，后者使ＰＩ３ＫＰＫＢ信号通路在低水平活化，这样胰岛素就能在一定程度上影响氨基酸对ｍＴＯＲ下游靶点（如ｅＩＦ４Ｅ结合蛋白１、核糖体蛋白Ｓ６、ｅＩＦ４Ｇ）的调控。
　　综上所述，氨基酸是通过多种途径如调节ｅＩＦ２Ｂ活性、改变ｅＩＦ４Ｆ复合体、改变ｒｐＳ６的磷酸化状态等在翻译水平调节基因的表达。在这些过程中，蛋白质的翻译过程是被抑制，还是被增强，主要取决于其ｍＲＮＡ ５＇非翻译区序列的特点。例如，在ｒｐＳ６磷酸化调节机制中，那些在５＇帽子结构附近含有ＴＯＰ序列的ｍＲＮＡ会优先被翻译。而氨基酸对于ｍＴＯＲ下游靶点如ｒｐＳ６的作用，还需要胰岛素来协助激活ｍＴＯＲ上游的激酶。随着ｍＴＯＲ作用蛋白的分离，必将有助于解决氨基酸调节基因表达的详细机制。

３ 小结

　　氨基酸对基因表达的调控，既发生在转录水平，也发生在翻译水平。在转录水平上，氨基酸通过一些转录因子与基因启动子上的一些顺式作用元件（可能还有反式因子的作用）结合，影响基因的转录；相比之下，氨基酸在翻译水平上的调控则要复杂得多，不但涉及翻译起始因子，还涉及体内的激素（如胰岛素）、蛋白激酶等重要因子之间的交叉调控作用。但无论是转录水平还是翻译水平的调控，还有诸多的环节，如机体是如何把氨基酸信号传递给转录因子的、ｍＴＯＲ是通过其上游和下游的哪些因子来对氨基酸信号作出反应的等复杂的问题有待于进一步的研究和探讨。

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