Fam3a-KO 基因敲除小鼠

FAM3A，全称为Family with sequence similarity 3 member A，是FAM3基因家族中的一员，该家族还包括FAM3B、FAM3C和FAM3D。FAM3A作为一种线粒体蛋白，在调节细胞代谢中发挥着重要作用。其生物学功能包括调节肝细胞中的葡萄糖和脂质代谢，参与胰岛β细胞功能和脂肪细胞分化，以及影响血压等。

研究表明，FAM3A在非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD）和2型糖尿病的发生发展中扮演重要角色。在糖尿病动物模型和NAFLD患者中，FAM3A的表达水平下降。肝脏中FAM3A的恢复可以激活ATP-P2受体-Akt和AMPK通路，从而减轻肥胖糖尿病小鼠的脂肪变性和高血糖症。FAM3C的表达在糖尿病状态下也下降，它是一种新的肝细胞因子，通过激活HSF1-CaM-Akt通路和抑制mTOR-SREBP1-FAS通路来抑制肝脏的糖异生和脂质生成。相反，肝脏中FAM3B的表达在肥胖状态下增加，它通过抑制Akt和AMPK活性，激活脂质生成途径来促进肝脏的脂质生成和糖异生。在肥胖状态下，肝脏中FAM3A、FAM3B和FAM3C信号网络之间的失衡在NAFLD和2型糖尿病的发病机制中起着重要作用[1]。

此外，FAM3A的表达受到过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的调控。PPARγ激动剂罗格列酮可以诱导FAM3A在原代培养的小鼠肝细胞和人类HepG2细胞中的表达，而PPARγ拮抗剂则可以阻断罗格列酮诱导的FAM3A表达。PPARγ过表达可以刺激HepG2细胞中FAM3A的表达。体内实验也表明，罗格列酮治疗可以上调C57BL/6小鼠和db/db小鼠肝脏中FAM3A的表达。PPARγ激活上调FAM3A的表达与肝脏细胞中磷酸化Akt（pAkt）水平的增加相关。因此，FAM3A是PPARγ的一个新靶基因，其上调可能与PPARγ在肝脏中的代谢作用有关[2]。

C/EBPβ是FAM3A基因启动子的一个转录激活因子。FAM3A基因启动子区域的C/EBPβ结合位点的突变会导致FAM3A基因启动子活性的显著降低。FAM3A的过表达可以显著抑制前脂肪细胞分化成脂肪细胞，这表明FAM3A在脂肪细胞分化中具有抑制作用[3]。

FAM3A在调节α细胞功能中也发挥着重要作用。全球FAM3A敲除小鼠的胰腺和血浆中GLP-1水平升高。人类胰岛单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集分析显示，FAM3A与PCSK1（编码PC1/3，将前葡萄糖素转化为GLP-1）在α细胞中的基因表达呈负相关。FAM3A敲低上调了αTC1.9细胞中PC1/3的表达和GLP-1的产生，而FAM3A过表达则表现出相反的效果。转录组分析确定了FAM3A的关键下游介质Nr4a2，Nr4a2的表达在αTC1.9细胞中受到FAM3A敲低和过表达的调节。Nr4a2沉默上调了PC1/3的表达，尽管Nr4a2不直接结合到Pcsk1启动子上。相反，Nr4a2与Foxa2形成复合物，促进Fam3a介导的Foxa2核转位。Foxa2负调节PC1/3的表达和GLP-1的产生。此外，Foxa2在αTC1.9细胞中抑制了Pcsk1启动子的转录活性。与Flox/cre同窝小鼠相比，Fam3aα-/-小鼠表现出改善的葡萄糖耐量，胰腺和血浆中活性GLP-1水平升高，葡萄糖刺激的血浆胰岛素水平升高，以及血浆胰高血糖素水平降低。从Fam3aα-/-小鼠分离的初级胰岛也表现出活性GLP-1和胰岛素释放的增加。此外，Fam3aα-/-小鼠和它们的初级胰岛中的GLP-1旁分泌效应被GLP-1受体拮抗剂Ex9阻断。同样，HFD喂养的Fam3aα-/-小鼠也表现出改善的葡萄糖耐量。HFD喂养和STZ诱导的糖尿病Fam3aα-/-小鼠的胰腺活性GLP-1水平升高，血浆胰岛素水平升高，血浆胰高血糖素水平降低。Fam3aα细胞缺陷通过旁分泌信号增强了胰腺GLP-1的产生，从而改善了β细胞功能，这种作用依赖于Nr4a2-Foxa2-PC1/3[4]。

PANX1介导的ATP释放赋予FAM3A对肝脏糖异生和脂质生成的抑制作用。在脂肪变性个体和小鼠的肝脏中，ATP通透性通道PANX1的表达增加。肝脏中PANX1的过表达改善了肥胖小鼠中失调的葡萄糖和脂质代谢。PANX1敲低或全身PANX1敲除小鼠表现出失调的葡萄糖和脂质代谢。肝脏中PANX1的恢复拯救了PANX1缺乏小鼠的代谢紊乱。机制上，ATP的释放是由PANX1激活的蛋白激酶B-叉头框蛋白O1（Akt-FOXO1）通路介导的，通过P2Y受体在肝细胞中抑制糖异生。PANX1介导的ATP释放也激活了CaM（P<0.01），CaM与c-Jun N端激酶（JNK）相互作用以抑制其活性，从而失活转录因子激活蛋白-1（AP1）并抑制脂肪酸合酶（FAS）的表达和脂质合成（P<0.05）。FAM3A通过HSF1在肝细胞中刺激PANX1的表达（P<0.05）。值得注意的是，FAM3A过表达未能促进PANX1缺乏的肝细胞和肝脏中的ATP释放，抑制糖异生和脂质生成基因的表达，以及抑制糖异生和脂质沉积。PANX1介导的ATP释放在维持肝脏葡萄糖和脂质稳态中发挥着重要作用，并赋予FAM3A对肝脏糖异生和脂质生成的抑制作用[5]。

内皮FAM3A正向调节缺血后血管生成。内皮细胞中FAM3A的表达在缺氧条件下下调。FAM3A的过表达促进了，而FAM3A的耗竭抑制了，内皮细胞管的形成、增殖和迁移。利用小鼠后肢缺血模型，观察到FAM3A的过表达可以改善血流灌注并增加毛细血管密度，而FAM3A的敲低则具有相反的效果。机制上，线粒体FAM3A增加了ATP的产生和分泌；ATP与P2受体结合，然后上调细胞质中游离Ca2+水平。细胞内Ca2+水平的升高增强了转录因子cAMP反应元件结合蛋白（CREB）的磷酸化及其向VEGFA启动子的募集，从而激活VEGFA的转录和最终的内皮细胞血管生成。因此，FAM3A通过激活VEGFA转录正向调节血管生成，这表明FAM3A可能是缺血性血管疾病的一个新的分子治疗靶点[6]。

FAM3A通过与F1-ATP合酶相互作用来调节ATP合酶的活性和组装，从而维持代谢稳态。FAM3A定位于线粒体基质中，在那里它与F1-ATP合酶相互作用，首先激活ATP的合成和释放，而释放的ATP进一步激活P2受体-Akt-CREB通路以诱导FOXD3表达。FOXD3同步刺激ATP合酶关键亚单位和组装基因的转录，从而增加其组装和容量，增强ATP的合成并抑制ROS的产生。FAM3A、FOXD3和ATP合酶的表达在糖尿病小鼠和NAFLD患者的肝脏中减少。FAM3A缺陷小鼠的多种组织中FOXD3的表达、ATP合酶的容量和ATP含量降低，葡萄糖和脂质代谢失调。肝脏中FOXD3的激活增加了ATP合酶的组装，改善了肥胖小鼠失调的葡萄糖和脂质代谢。肝脏中FOXD3的抑制或敲除降低了ATP合酶的容量，加剧了HFD诱导的高血糖症和脂肪变性。总之，FAM3A是一种活性ATP合酶成分，通过激活FOXD3来调节其活性和组装。激活FAM3A-FOXD3轴代表了一种恢复ATP合酶组装以治疗代谢紊乱的可行策略[7]。

FAM3A缺陷引起的线粒体功能障碍是心肌梗死后的死亡和心力衰竭的基础。FAM3A缺陷小鼠在心肌梗死（MI）后4周内显示出较低的存活率以及心脏收缩功能下降。FAM3A缺陷小鼠的分离心肌细胞显示出与野生型小鼠相比，基础和ATP相关呼吸以及呼吸储备降低。透射电镜研究显示，FAM3A缺陷小鼠的线粒体体积更大，密度更高。FAM3A缺陷还导致线粒体Ca2+升高，mPTP开放水平升高，线粒体膜电位降低，凋亡率升高。进一步分析表明，线粒体动力学蛋白Opa1介导了FAM3A在心肌细胞中的作用[8]。

血管平滑肌细胞（VSMC）中FAM3A的特异性缺失可以减轻Ang II诱导的高血压和心血管肥厚。在高血压大鼠和小鼠动脉的中膜层，以及高血压患者内部乳腺动脉中，FAM3A表达升高。VSMC特异性FAM3A缺失降低了小鼠的血管收缩性和血压水平。此外，VSMC中FAM3A的缺失减弱了Ang II诱导的血管收缩和重塑、高血压和心脏肥厚。在培养的VSMCs中，Ang II激活HSF1（热休克因子1）以刺激FAM3A的表达，激活ATP-P2受体通路以促进VSMCs从收缩表型转变为增殖表型。在自发性高血压大鼠动脉的中膜层，Ang II诱导的高血压小鼠动脉和高血压患者内部乳腺动脉中，HSF1表达升高。HSF1抑制剂治疗减少了动脉的收缩性并改善了自发性高血压大鼠的高血压。FAM3A是血管收缩和血压的重要调节因子。VSMCs中HSF1-FAM3A-ATP信号通路的过度激活在Ang II诱导的高血压和心血管疾病中起着重要作用。HSF1抑制剂可能被用于治疗高血压[9]。

FAM3A可以改善新生儿大鼠缺氧缺血引起的脑损伤。缺氧缺血（HI）在脑形成的关键时期会导致脑形态的变化，神经刺激的传播和永久性神经发育障碍，这些障碍可能会对认知功能产生深远的影响。FAM3A在几乎所有细胞中普遍表达。FAM3A的过表达已被证明可以通过PI3K/Akt信号通路降低高血糖，并在神经元的HT22细胞中保护线粒体功能。该研究旨在评估FAM3A在HI诱导的脑损伤中的保护作用。实验中，母鼠在第14天怀孕时进行子宫动脉双侧结扎以诱导新生HI。在6周龄时，进行认知发育评估，包括NSS、握杆和水迷宫测试。然后处死动物以评估大脑线粒体功能以及FAM3A、TNF-α和IFN-γ的水平。结果表明，HI显著降低了大鼠脑组织中FAM3A的表达，而通过慢病毒转导过表达FAM3A可以有效改善HI大鼠的认知和运动功能，如NSS评估、脑含水量、肢体力量以及空间学习和记忆的改善。在分子水平上，FAM3A的过表达能够促进ATP的产生，平衡线粒体膜电位，并降低促炎细胞因子TNF-α和IFN-γ的水平。因此，FAM3A的过表达可能对神经元形态、大脑线粒体以及认知功能具有保护作用[10]。

综上所述，FAM3A作为一种线粒体蛋白，在调节细胞代谢中发挥着重要作用。其生物学功能包括调节肝细胞中的葡萄糖和脂质代谢，参与胰岛β细胞功能和脂肪细胞分化，以及影响血压等。FAM3A在多种疾病中发挥重要作用，包括非酒精性脂肪肝疾病、2型糖尿病、心血管疾病和脑损伤。FAM3A的研究有助于深入理解线粒体蛋白的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。