Atf5-KO 基因敲除小鼠

ATF5，全称为Activating Transcription Factor 5，是一种哺乳动物中的转录因子，它在维持细胞内稳态、促进细胞增殖和生存中起着重要作用。ATF5的表达和功能在多种生物学过程中得到调控，包括对线粒体功能的影响，以及对细胞应激反应的调节。

线粒体作为细胞内的能量工厂，其功能失调与多种人类疾病有关，如神经退行性疾病、糖尿病、癌症和病原体感染等。细胞通过激活一个保护性转录程序——线粒体未折叠蛋白反应（UPR(mt)），来响应线粒体功能障碍。UPR(mt)包括促进线粒体蛋白稳态和恢复缺陷细胞器的基因。在秀丽隐杆线虫中，UPR(mt)由转录因子ATFS-1调控，ATFS-1在正常情况下积聚在线粒体中。然而，在呼吸链功能障碍、高水平的活性氧（ROS）或线粒体蛋白折叠应激的情况下，部分ATFS-1会转移到细胞质中，并转运到细胞核，在那里激活UPR(mt)。研究发现，哺乳动物细胞中存在类似的转录因子ATF5，它被类似地调控，并诱导类似的转录反应。ATF5的表达可以挽救atfs-1缺陷线虫的UPR(mt)信号，这表明UPR(mt)的调控在从线虫到哺乳动物中是保守的[1]。

ATF5与转录共激活因子p300相互作用，并被p300在赖氨酸29（K29）处进行乙酰化。这种乙酰化增强了ATF5与p300之间的相互作用，以及ATF5/p300复合物与Egr-1启动子中的ATF5反应元件（ARE）的结合。ATF5/p300复合物在ARE和血清反应元件（SRE）处乙酰化组蛋白H3的赖氨酸14（K14），这促进了ERK磷酸化的Elk-1与SRE的结合，从而激活Egr-1启动子。干扰ATF5的p300依赖性乙酰化或组蛋白H3的乙酰化，或阻断ERK依赖的Elk-1磷酸化，都会消除ATF5依赖的Egr-1激活以及细胞增殖和生存[2]。

在骨骼肌中，ATF5是运动诱导的线粒体质量控制的调节因子。急性运动是一种应激源，可能暂时破坏细胞器蛋白稳态。ATF5敲除（KO）小鼠表现出更大的、功能较差的肌肉线粒体池，这可能是由于通过增加PGC-1α表达而增强的生物合成，以及减弱的线粒体自噬。ATF5的缺乏导致抗氧化蛋白减少，线粒体ROS发射增加，细胞质细胞色素c增加，以及线粒体伴侣蛋白的表达增加。ATF5 KO肌肉还显示出增强的运动诱导的应激激酶信号传导，但减弱了自噬和UPR(mt)基因表达反应。急性运动没有促进ATF5的核转位，而是导致ATF5在细胞线粒体部分富集。此外，PGC-1α也被确定为UPR(mt)基因基础表达的另一个调节因子。ATF5转录因子在维持线粒体稳态以及肌肉对急性运动的适当反应中起着关键作用，以优化线粒体质量控制[3]。

UPR(mt)是一种适应性的细胞内应激机制，它通过促进编码线粒体伴侣蛋白和蛋白酶的基因的转录来响应应激信号。在哺乳动物中，UPR(mt)的激活涉及eIF2α的磷酸化和uORF调节的CHOP、ATF4和ATF5的表达。UPR(mt)的深入和全面的研究可以提供治疗人类疾病，包括衰老、神经退行性疾病、心血管疾病和糖尿病的新方向和策略[4]。

在皮肤T细胞淋巴瘤（CTCL）中，ATF5在恶性T细胞中过表达，并与CTCL患者的治疗反应不佳呈正相关。机制上，ATF5通过PI3K/AKT/mTOR途径促进了恶性T细胞的生存，并赋予了对内质网应激诱导的细胞凋亡的抵抗性。这些发现揭示了在CTCL中，ATF5的肿瘤特异性过表达及其促进肿瘤生存的潜在机制[5]。

ATF5是许多肿瘤类型中过表达的转录因子，干扰其表达或功能可以抑制癌细胞的生存。作为利用这些发现的一种潜在治疗方法，研究者创建了缺乏DNA结合能力的显性负性（DN）ATF5形式，这种形式保留了ATF5的亮氨酸拉链结构，因此能够与并隔离ATF5的必需亮氨酸拉链结合伴侣。在细胞穿透形式的DN-ATF5的体外和体内研究中，发现它能够有效降低癌细胞的生存能力。DN-ATF5的靶标，特别是那些对肿瘤细胞生存至关重要的靶标，一直是未知的。研究发现，缺乏ATF5的细胞对DN-ATF5敏感，表明ATF5本身不是DN-ATF5的必需靶标。无偏见的下拉实验结合质谱和免疫印迹显示，DN-ATF5在细胞中与基本亮氨酸拉链蛋白CEBPB和CEBPD以及螺旋-螺旋蛋白CCDC6结合。与DN-ATF5通过抑制CEBPB和CEBPD功能来影响肿瘤细胞生存一致，DN-ATF5干扰CEBPB和CEBPD的转录活性，而CEBPB或CEBPD的敲低促进了多种癌细胞系的凋亡死亡，但不会影响正常的星形胶质细胞。研究者提出DN-ATF5杀死肿瘤细胞的两种机制。一种是通过抑制ATF5与CEBPB和CDBPD之间的异源二聚体形成，从而抑制ATF5依赖的转录。另一种是通过阻断CEBPB和CEBPD转录活性二聚体的形成，以及与除了ATF5以外的伴侣形成的异源二聚体[6]。

在胰腺β细胞中，ATF5是Pdx1的靶标，并在应激条件下对β细胞生存至关重要。Pdx1缺陷导致ATF5转录本的减少，并且主要胰岛染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）将PDX1定位于Atf5启动子，这表明Atf5是PDX1的靶标。ATF5的表达在应激条件下是诱导的，并在β细胞中富集。重要的是，ATF5缺陷在应激条件下降低了生存能力。功能缺失和染色质占有率实验将ATF5定位在Atf4下游和Atf4平行调节eIF4E结合蛋白1（4ebp1）的位置，4ebp1是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）途径的成分，抑制蛋白质翻译。因此，ATF5缺陷减弱了应激对全球翻译的抑制，这可能增加了β细胞对应激诱导的细胞凋亡的敏感性。因此，ATF5是调节胰腺β细胞在应激期间生存的转录网络成员[7]。

ATF5的表达与不同类型癌症患者的生存率呈负相关。ATF5对癌细胞的生存和增殖至关重要，并且可以被靶向以选择性地触发癌细胞凋亡，同时保护正常细胞。结合细胞穿透肽和显性负性ATF5载体的研究最近显示出对脑、乳腺、黑色素瘤和前列腺癌的有效性[8]。

综上所述，ATF5是一种重要的转录因子，它在维持细胞内稳态、促进细胞增殖和生存中起着关键作用。ATF5的表达和功能在多种生物学过程中得到调控，包括对线粒体功能的影响，以及对细胞应激反应的调节。ATF5在多种疾病中发挥重要作用，包括皮肤T细胞淋巴瘤、胰腺β细胞应激、癌症和骨关节炎。此外，ATF5还具有独立的染色质调控功能，影响基因表达和肿瘤细胞生存。ATF5的研究有助于深入理解其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。