敲除SOCS1a引起斑马鱼肝脏脂肪变性和胰岛素抵抗

摘要

酪氨酸激酶-信号转导子和转录激活子（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT）信号通路是通过激活各种生理过程的多个关键信号级联反应来调节胞外信号的核心传输系统之一。最新研究表明，细胞因子信号传导抑制因子（suppressor of cytokine signaling，SOCS）家族蛋白能通过形成负反馈回路抑制JAK/STAT信号通路。SOCS蛋白家族是一类负反馈调节蛋白，参与调控多种细胞因子介导的信号通路。稳定遗传小鼠模型的研究阐明了SOCS家族中的几个成员的不同生理功能。其中，SOCS1参与调控干扰素γ（interferonγ，IFNγ）和泌乳素信号通路，而SOCS3则主要调节白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）信号通路和胎盘的发育。研究发现小鼠SOCS2突变体出现体型显著增大的表型，表明了SOCS2参与调节GH信号通路。此外，越来越多的证据表明，SOCS蛋白对胰岛素通路有调节作用。
　　本文对敲除SOCS1a引起斑马鱼肝脏脂肪变性和胰岛素抵抗进行了研究。机体生长是一个依赖于GH信号通路并被严密控制的过程。关于GH对出生后促生长的影响包括对脂类、葡萄糖以及氨基酸的代谢的影响的研究还不清楚。在哺乳动物中，GH通过激活 JAK2/STAT5通路而大范围的转录活化下游靶基因，包括胰岛素样生长因子（Insulin-like Growth Factor-I，IGF-I）、抗细胞凋亡基因和SOCS2。胰岛素是由胰腺产生的一种多肽类激素，它能促进其他组织从血液中吸收葡萄糖和促进供能脂类的储存。一般而言，GH也通过抵抗胰岛素对糖的作用和脂肪代谢而影响胰岛素信号通路。在哺乳动物模型中，长期的GH超量表达可能会增加肝糖产量和存储的甘油三酯，从而导致胰岛素抵抗作用。斑马鱼（Danio rerio）SOCS家族至少有12个成员。斑马鱼SOCS1a基因在肝脏中表达量较高。脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）或聚肌胞:多聚核苷酸（polyinosinic:polycytidylic acid，poly I:C）可诱导斑马鱼中SOCS1a的表达，这表明SOCS1a可能是IFN通路的抑制因子。研究发现，在 GH或生长激素受体（growth hormone receptor，GHR）过量表达的斑马鱼肝脏中SOCS1a产生明显的应激效应，这表明SOCS1a可能参与调节水生生物的GH信号通路。通过转基因小鼠模型，已经阐明了SOCS家族成员的生理功能。然而，但对非哺乳生物物种的SOCS家族的研究缺乏，包括 SOCS蛋白在硬骨鱼类体内的基因功能尚未阐明。我们利用转录激活因子样效应物核酸酶（Activation of transcription factor sample effector nucleic acid enzymes，TALENs）技术敲除斑马鱼SOCS1a基因，并研究其生理作用。早期，斑马鱼SOCS1a突变系JAK/STAT5通路被过度活化，红细胞生成增多，生长正常。24 hpf时，斑马鱼突变系胚胎gata1的表达显著升高。90 dpf时，成年斑马鱼血液中红细胞数量没有显著差异。与对照组相比，SOCS1a突变系中的典型炎症性细胞因子如IFN-γ，IL-1，IL-6和肿瘤坏死因子α（tumour-necrosis factorα，TNFα）等基因的表达没有显著性差异。从第20dpf开始，SOCS1a突变系出现生长缓慢并伴随死亡，成年斑马鱼体重显著低于野生型。敲除 SOCS1a的杂合系成年斑马鱼机体快速生长，体重显著高于对照组。成年斑马鱼 SOCS1a突变系出现全身脂肪减少、肝脏脂肪变性、胰岛素抵抗等和哺乳动物脂肪代谢障碍症相似的表型。肝脏比较转录组学数据分析表明，斑马鱼SOCS1a突变系肝脏中糖异生、脂分解和低氧诱导效应增强，且肝细胞出现明显的线粒体功能障碍。研究结果表明SOCS1a对JAK/STAT5通路的负调节作用可能参与包括红细胞生成和生长激素活性的抑制作用，导致在杂合系中出现的机体快速生长的生长激素激活作用。此外，斑马鱼模型和哺乳动物模型的SOCS1a突变系在胰岛素敏感性、脂代谢和炎症效应等方面的不同表型，反映出了SOCS1a在水生生物和陆生生物中的不同功能机制。

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1 绪论

1.1 SOCS家族蛋白的结构与功能

1.2 SOCS1参与调节多种信号通路

1.2 SOCS1的生物学功能

1.4斑马鱼作为模式动物的优点

1.5 TALEN技术及应用

1.6 本研究的目的和意义

2 实验材料和方法

2.1实验动物

2.2实验试剂

2.3实验仪器

2.4 实验方法

3 研究结果

3.1斑马鱼SOCS1a突变系建立

3.2斑马鱼SOCS1a调节JAK-STAT 和GH信号通路

3.3敲除SOCS1a导致肝脂肪变性和脂肪组织减少

3.4肝脏转录组数据分析

3.5敲除SOCS1a导致肝脏胰岛素抵抗

3.6敲除SOCS1a导致肝细胞线粒体功能异常

3.7 敲除SOCS1a的杂合体

4讨论

5 总结和展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录

附录2 本论文中用到的缩略语