Atf3-KO 基因敲除小鼠

ATF3，即激活转录因子3，是激活转录因子/环腺苷酸反应元件结合蛋白（ATF/CREB）家族的一员，属于转录因子。ATF3基因编码的蛋白质在多种生理应激条件下被诱导表达，参与调控细胞对压力的适应性反应[5]。ATF3基因由四个外显子组成，跨越约15千碱基对。其5'端调控区包含多个转录因子结合位点，如AP-1、ATF/CRE、NF-κB、E2F和Myc/Max结合位点，这些位点的存在为理解ATF3基因的诱导机制提供了线索。研究发现，ATF3基因的启动子可以被低浓度的anisomycin激活，并稳定ATF3 mRNA的表达[5]。此外，共转化表达ATF2和c-Jun的DNA可以激活ATF3启动子，提示C-Jun氨基末端激酶/应激激活的蛋白激酶（JNK/SAPK）信号通路可能在ATF3基因的诱导中发挥作用[5]。

ATF3在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括肿瘤发生、免疫调节、肌肉再生和神经修复等。研究表明，ATF3基因在甲状腺癌中的表达显著下调，低ATF3表达与患者的无病生存期缩短相关。DNA高甲基化导致ATF3启动子区域SP1和MYC-MAX的结合受阻，进而导致ATF3基因的失活[2]。ATF3作为肿瘤抑制基因，通过抑制甲状腺癌细胞的增殖和迁移发挥其作用。此外，ATF3还可以通过结合到多个基因的调控元件上，直接调节MAPK和PI3K/AKT信号通路中相关基因的表达，从而影响甲状腺癌的预后[2]。

在化疗药物环磷酰胺（CTX）增强的肺癌转移过程中，ATF3基因也发挥着关键作用。研究发现，CTX在非癌细胞中增强了肺癌细胞的定植能力，这一现象依赖于ATF3基因的表达。在野生型小鼠中，CTX处理后，肺泡巨噬细胞转变为促癌状态，保护癌细胞免受死亡，导致肺转移增加[1]。然而，在ATF3基因敲除小鼠中，CTX处理后肺泡巨噬细胞对癌细胞表现出高度细胞毒性，从而抑制了肺转移的发生[1]。这表明，ATF3基因的状态决定了巨噬细胞的二重性活性：在CTX处理的野生型小鼠中为促癌，而在ATF3基因敲除小鼠中为抗癌[1]。

ATF3基因在肌肉再生中也发挥着重要作用。研究发现，ATF3基因在骨骼肌干细胞（卫星细胞）的激活过程中被快速且短暂地诱导表达。短期缺失ATF3基因可以加速急性损伤诱导的肌肉再生，但长期缺失则耗竭了卫星细胞池，从而损害了肌肉再生能力[3]。ATF3基因缺失还会导致卫星细胞在自主运动和耐力运动期间过度激活。机制研究表明，ATF3直接激活组蛋白2B基因的转录，其表达减少会加速核小体位移和基因转录，这是卫星细胞激活所必需的[3]。此外，ATF3依赖的组蛋白2B表达还防止了卫星细胞中的基因组不稳定和复制性衰老[3]。

在神经修复过程中，ATF3基因也发挥着重要作用。研究发现，骨髓间充质干细胞（MSC）来源的线粒体通过增加ROS诱导的DNA双链断裂，促进ATF3基因的表达，进而促进轴突再生[4]。MSC来源的线粒体注入损伤的坐骨神经后，可以观察到轴突再生的现象。RNA-seq和qPCR结果显示，线粒体注入疗法增强了背根神经节（DRG）神经元中ATF3和其他再生相关基因的表达。敲低DRG神经元中的ATF3可以减弱线粒体注入疗法的治疗效果[4]。进一步研究发现，线粒体注入疗法可以增加与损伤相关的DRG神经元中的ROS和DNA双链断裂水平，且这一增加与ATF3表达相关[4]。ChIP和Co-IP实验表明，线粒体注入疗法可以增加ATF3基因转录起始区域内的DNA双链断裂水平，并显示线粒体诱导的DNA双链断裂与CTCF结合位点之间存在空间接近[4]。这些发现表明，注入到损伤神经中的MSC来源的线粒体可以通过轴浆运输逆行转移到DRG神经元细胞体，并通过ROS积累增加ATF3基因转录起始区域的DNA双链断裂，从而快速释放CTCF介导的染色质相互作用拓扑约束[4]。这一过程可能增强ATF3启动子和增强子之间的空间相互作用，最终促进ATF3基因的表达。ATF3基因的上调进一步促进了下游再生相关基因的表达，从而促进轴突再生[4]。

在皮肤伤口愈合过程中，ATF3基因也发挥着重要作用。研究发现，ATF3基因在皮肤伤口应激条件下被诱导表达，并通过转录激活TGF-β受体Ⅱ，促进成纤维细胞的活化和胶原的产生，进而加速伤口愈合[6]。机制研究表明，ATF3基因通过直接结合到TGF-β受体Ⅱ的特异性启动子基序上，增强TGF-β/Smad信号通路在成纤维细胞中的作用[6]。此外，皮肤损伤后ATF3基因的表达增加部分是由缺氧刺激介导的，且与Hif-1α相关[6]。

在乳腺癌细胞中，ATF3基因也发挥着重要作用。研究发现，ATF3基因被TGFβ诱导表达，并参与TGFβ信号通路中相关基因的转录激活，如snail、slug和twist等，从而增强细胞迁移能力[7]。此外，ATF3基因还可以上调TGFβ基因的表达，形成正反馈回路，进一步增强TGFβ信号通路[7]。功能研究表明，过表达ATF3基因可以导致细胞形态改变和标记物的变化，与上皮-间质转化（EMT）相关。同时，ATF3基因的过表达还与乳腺癌起始细胞特征相关，如CD24低表达、CD44高表达细胞群体的增加、乳腺球形成和肿瘤发生等[7]。相反，敲低ATF3基因可以降低EMT、CD24低表达、CD44高表达细胞群体和乳腺球形成[7]。重要的是，敲低下游靶基因twist可以降低ATF3基因增强乳腺球形成的能力，表明twist在ATF3基因作用中的功能性意义[7]。

在非小细胞肺癌（NSCLC）中，ATF3基因的表达上调与肿瘤的发生发展密切相关。研究发现，NSCLC细胞系中ATF3基因的表达显著上调，且在肺癌组织和对应的癌旁组织中得到验证[8]。这表明，ATF3基因的高表达可能是NSCLC发生发展的重要因素，而非基因变异或DNA甲基化。

在胰腺β细胞中，ATF3基因的表达也发挥着重要作用。研究发现，ATF3基因作为一种应激诱导的促凋亡基因，通过下调胰岛素受体底物2（IRS2）基因的表达，导致胰腺β细胞凋亡[9]。IRS2基因是胰岛素受体信号通路中的关键分子，在β细胞生存和功能中发挥重要作用。ATF3基因的表达足以降低IRS2基因的表达，而ATF3基因的敲低或敲除可以降低应激信号下调IRS2基因表达的能力[9]。ATF3基因可以结合到IRS2基因的启动子上，其结合与IRS2基因转录的降低相关[9]。功能研究表明，IRS2基因的表达可以保护β细胞免受ATF3基因诱导的凋亡[9]。这表明，ATF3基因通过下调IRS2基因的表达，至少部分地导致其诱导的凋亡[9]。

综上所述，ATF3基因作为一种应激诱导的转录因子，在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括肿瘤发生、免疫调节、肌肉再生和神经修复等。ATF3基因的表达和功能受到多种因素的调控，包括DNA甲基化、转录因子结合等。ATF3基因的表达和功能异常与多种疾病的发生发展密切相关，如甲状腺癌、肺癌、乳腺癌和糖尿病等。ATF3基因的研究有助于深入理解细胞对压力的适应性反应机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。