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长期以来，癌症严重威胁着人类的健康，肝癌作为常见的恶性肿瘤之一，因具有侵袭性强、易转移和预后较差等特点，已成为死亡率较高的癌症。引起肝癌发生的常见因素有乙肝病毒感染、丙肝病毒感染、黄曲霉素感染和长期过度饮酒等。目前，临床治疗肝癌的方法主要有手术治疗（肝切除术和肝移植）和非手术治疗，非手术治疗包括局部治疗（经导管动脉化疗栓塞术、射频消融、微波消融、经皮无水乙醇注射和放射治疗）、全身药物治疗（系统化疗和生物靶向治疗）和免疫治疗，但均存在预后差和复发的可能。因此，肝癌的发病机制和临床诊治方法一直是科学研究的难点和热点。
CNC-bZIP家族基因作为bZIP超家族的一个亚类，除了BRLZ（basic region and leucine zipper即bZIP）结构域外，还具有保守的CNC结构域、靠近N端的其他复杂的结构域和保守基序。它由脊椎动物p45Nfe2、Nrf1、Nrf2、Nrf3及其转录抑制因子Bach1、Bach2、果蝇Cnc(cap’n’collar)蛋白和线虫Skn-1(Skinhead-1)蛋白组成。CNC-bZIP转录因子与sMaf蛋白或其他bZIP蛋白形成同源或异源二聚体后，再与靶基因启动子区域的ARE/EpRE元件结合并调控其转录。这些靶基因涉及到多种生物学过程，如抗氧化、细胞增殖、衰老、DNA损伤修复和细胞代谢等。但是，对CNC-bZIP家族基因的进化、尤其早期同源蛋白功能的研究未见报道。另外，尽管Nrf1和Nrf2同属于CNC-bZIP家族的成员，都具有基本的抗氧化功能。然而有研究表明，Nrf1功能缺失的小鼠胚胎，因中胚层形成障碍或贫血而致死，而Nrf2缺失则不发生以上病理表型。这说明Nrf1和Nrf2对胚胎发育的影响存在较大差异。本课题组前期研究也发现，Nrf1α敲除的肝癌细胞迁移、增殖和裸鼠皮下成瘤能力显著增强，而Nrf2敲除的肝癌细胞裸鼠皮下成瘤能力显著减弱。但是，导致这一表型差异的具体分子机制还有待深入研究。
基于上述背景，本文从进化和癌症代谢的角度出发，通过生物信息学和分子生物学的研究方法，探索CNC-bZIP家族基因的进化、并解析Nrf1和Nrf2在肝癌细胞中的差异性调控机制。结果如下：
①通过同源搜索和结构搜索相结合的方法，共鉴定到441个bZIP蛋白，它们广泛分布于从病毒、细菌、原生动物到后生动物的23个代表性物种，且bZIP转录因子成员数目随物种从简单到复杂的进化过程逐渐增多。
②鉴定了CNC-bZIP一个新的亚类，定义为Nach(Nrf and CNC homology)，即Nach1到Nach8。其中，Nach3、5、6和7与人类Nrf1/3一样具有典型的跨膜结构域；而存在于海洋细菌的早期同源蛋白Nach1/2不能在HepG2细胞中单独驱动ARE报告基因的活性，但能负调控Nrf1/2对ARE(antioxidant response element)报告基因的驱动活性，类似于Bach1/2。
③在人类bZIP蛋白相互作用网络中，Nrf1起着核心的作用，其主要亚型Nrf1α缺失或诱导表达都将引起其他bZIP基因的表达变化。
④正常培养条件下，Nrf1α?敲除可促进肝癌细胞HepG2糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径、氨基酸合成与转运及脂肪酸积累，减少线粒体氧耗率。反之，Nrf2敲除则抑制HepG2细胞糖酵解、糖异生和氨基酸合成与转运，但不能改变磷酸戊糖途径和引起脂肪沉积。
⑤葡萄糖缺乏培养下，Nrf1α?敲除的HepG2细胞（Nrf1α-/-）表现出快速的非凋亡形式的细胞死亡，即培养12h就能观察到明显的细胞死亡现象。然而，Nrf2敲除的HepG2细胞（Nrf2-/-）则能一定程度抵抗葡糖缺乏引起的细胞死亡，即培养24h细胞仍然生长良好。
⑥葡萄糖缺乏培养下，Nrf1α?敲除的HepG2细胞快速死亡，是由破坏的抗氧化系统、异常的葡萄糖和能量代谢、以及受阻的丝氨酸转谷胱甘肽合成途径介导。
以上研究结果表明：一方面，CNC-bZIP家族基因早期同源蛋白存在于海洋细菌中，可作为人类Nrf1/2的负调控因子,类似于Bach1/2；另一方面，Nrf1和Nrf2在肝癌细胞代谢重编程中起着差异性调控作用。值得强调的是，Nrf1α-/-细胞对葡萄糖缺乏非常敏感，因此，葡萄糖饥饿疗法可能成为Nrf1缺陷型癌症预防和治疗的一种有效策略。
CNC-bZIP家族基因作为bZIP超家族的一个亚类，除了BRLZ（basic region and leucine zipper即bZIP）结构域外，还具有保守的CNC结构域、靠近N端的其他复杂的结构域和保守基序。它由脊椎动物p45Nfe2、Nrf1、Nrf2、Nrf3及其转录抑制因子Bach1、Bach2、果蝇Cnc(cap’n’collar)蛋白和线虫Skn-1(Skinhead-1)蛋白组成。CNC-bZIP转录因子与sMaf蛋白或其他bZIP蛋白形成同源或异源二聚体后，再与靶基因启动子区域的ARE/EpRE元件结合并调控其转录。这些靶基因涉及到多种生物学过程，如抗氧化、细胞增殖、衰老、DNA损伤修复和细胞代谢等。但是，对CNC-bZIP家族基因的进化、尤其早期同源蛋白功能的研究未见报道。另外，尽管Nrf1和Nrf2同属于CNC-bZIP家族的成员，都具有基本的抗氧化功能。然而有研究表明，Nrf1功能缺失的小鼠胚胎，因中胚层形成障碍或贫血而致死，而Nrf2缺失则不发生以上病理表型。这说明Nrf1和Nrf2对胚胎发育的影响存在较大差异。本课题组前期研究也发现，Nrf1α敲除的肝癌细胞迁移、增殖和裸鼠皮下成瘤能力显著增强，而Nrf2敲除的肝癌细胞裸鼠皮下成瘤能力显著减弱。但是，导致这一表型差异的具体分子机制还有待深入研究。
基于上述背景，本文从进化和癌症代谢的角度出发，通过生物信息学和分子生物学的研究方法，探索CNC-bZIP家族基因的进化、并解析Nrf1和Nrf2在肝癌细胞中的差异性调控机制。结果如下：
①通过同源搜索和结构搜索相结合的方法，共鉴定到441个bZIP蛋白，它们广泛分布于从病毒、细菌、原生动物到后生动物的23个代表性物种，且bZIP转录因子成员数目随物种从简单到复杂的进化过程逐渐增多。
②鉴定了CNC-bZIP一个新的亚类，定义为Nach(Nrf and CNC homology)，即Nach1到Nach8。其中，Nach3、5、6和7与人类Nrf1/3一样具有典型的跨膜结构域；而存在于海洋细菌的早期同源蛋白Nach1/2不能在HepG2细胞中单独驱动ARE报告基因的活性，但能负调控Nrf1/2对ARE(antioxidant response element)报告基因的驱动活性，类似于Bach1/2。
③在人类bZIP蛋白相互作用网络中，Nrf1起着核心的作用，其主要亚型Nrf1α缺失或诱导表达都将引起其他bZIP基因的表达变化。
④正常培养条件下，Nrf1α?敲除可促进肝癌细胞HepG2糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径、氨基酸合成与转运及脂肪酸积累，减少线粒体氧耗率。反之，Nrf2敲除则抑制HepG2细胞糖酵解、糖异生和氨基酸合成与转运，但不能改变磷酸戊糖途径和引起脂肪沉积。
⑤葡萄糖缺乏培养下，Nrf1α?敲除的HepG2细胞（Nrf1α-/-）表现出快速的非凋亡形式的细胞死亡，即培养12h就能观察到明显的细胞死亡现象。然而，Nrf2敲除的HepG2细胞（Nrf2-/-）则能一定程度抵抗葡糖缺乏引起的细胞死亡，即培养24h细胞仍然生长良好。
⑥葡萄糖缺乏培养下，Nrf1α?敲除的HepG2细胞快速死亡，是由破坏的抗氧化系统、异常的葡萄糖和能量代谢、以及受阻的丝氨酸转谷胱甘肽合成途径介导。
以上研究结果表明：一方面，CNC-bZIP家族基因早期同源蛋白存在于海洋细菌中，可作为人类Nrf1/2的负调控因子,类似于Bach1/2；另一方面，Nrf1和Nrf2在肝癌细胞代谢重编程中起着差异性调控作用。值得强调的是，Nrf1α-/-细胞对葡萄糖缺乏非常敏感，因此，葡萄糖饥饿疗法可能成为Nrf1缺陷型癌症预防和治疗的一种有效策略。