鸡卵白蛋白上游启动子转录因子对胚眼发育的调控作用
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・综
鸡卵白蛋白上游启动子转录因子对胚眼发育的调控作用
杜亚茹
综述
述・
于靖
审校
【摘要】鸡卵白蛋白上游启动子转录因子(COUP.TFs)是类固醇/甲状腺激素受体超家族中的一类孤核
受体,包括COUP-TFI和COUP-TFII2个亚型。COUP—TFs在胚胎发育、器官形成、神经系统形成和细胞分化
中起着至关重要的作用。许多研究表明COUP—TFs也参与胚眼的发育,COUP.TFs基因突变由于可导致眼组织缺损、小眼球、视神经萎缩、眼发育迟缓、斜视、弱视等表型形成而备受关注。然而COUP-TFs对胚眼发育的调控机制目前尚不明确。就COUP.TFs的来源、分子结构、分类和生物学功能、COUP—TFs调控靶基因转录的作用机制以及对胚眼发育的影响及其作用机制进行综述。
【关键词】
膜发育
鸡卵白蛋白上游启动子转录因子I;鸡卵白蛋白上游启动子转录因子II;胚眼发育;视网
RegulationrolesofCOUPtranscriptionfactorsin
Department
the
developmentofembryoniceye
Du
Yaru,YuJing.
ofOphthalmology,Affiliated
Tenth
Pe叩le3Hospitalofrong声University,Shanghai200072,China
Correspondingauthor:YuJing,Email:dryujing@aliyun.com
[Abstract】
ofthe
Chicken
ovalbuminupstreampromoter-transcriptionfactors(COUP—TFs)aretheorphanreceptors
and
steroid/thyroidhormonereceptorsuperfamily.ThesefactorsincludeCOUP-TFI
COUP—TFⅡ.whichplay
criticalrolesinembryoniedevelopment,organogenesis,neurogenesisandcellulardifferentiation.ManystudiesshowedthatCOUP—TFs
mutationsofand
were
alsoinvolvedinthedevelopmentofembryonieeye.Moreattentionhasbeenpaid
genes
totheissuethat
COUP—m
lead
to
phenotypesofcoloboma,smalleyes,opticatrophy,eyeretardation,strabismus,
are
amblyopia.However,themechanismsofCOUP-TFsregulatingthedevelopmentofembryoniceye
struture,classification,biologicalfunctions,mechanisms
of
notclear.The
origin,molecularand
regulatingthetargetgenestranscription
developmentofembryoniceyeofCOUP—TFswerereviewed.
[Keywords】
Retinaldevelopment
COUPtranscriptionfactorI;COUPtranscriptionfactorII;Developmentofembryoniceye;
鸡卵白蛋白上游启动子转录因子(chicken
upstream
promoter.transcription
ovalbumin
COUP—TFs最初是从鸡输卵管细胞和hela细胞中提取出来,并通过形成二聚体与鸡卵白蛋白基因上反应元件相结合后激活COUP基因转录。孤核受体是指一类无配体或尚未发现其配体的核受体,它可以在孤核受体相关辅助因子的调控下,以单体或多聚体形式与孤核受体作用元件作用来调控基因,从而调节机体的生理活动旧1。COUP.TFs是细胞核受体中的孤核受体家族的成员…。细胞核受体超家族由甾体激素、甲状腺激素、维甲酸、维生素D等化学信号的受体及多种孤核受体组成。
1.2
factors,COUP—TFs)属于细胞核受
体中的孤核受体家族…。COUP—TFs参与胚胎发育、神经系统生成、心血管发育、器官形成等生理活动。2。。,并在干细胞/祖细胞的分化、自我更新等生理活动中起到至关重要的作用”1。研
究发现,COUP—TF
I/"Ⅱ双基因敲除可导致眼组织缺损、小眼
球、视神经萎缩、眼发育迟缓、斜视和弱视等表型,提示COUP—TFs可能参与胚眼发育¨“1。本文就COUP—TFs对胚眼发育的
调控机制进行综述。
1
COUP.TFs的位置和结构
COUP-TFs的概述COUP—TFs的来源
COUP.m基因在染色体上的位置具有种属差异。小鼠
COUP—TF
I基因位于第13号染色体远侧区域,COUP—TFII基
1.1
因位于第7号染色体中央区域;人类COUP—TFI基因位于第5
号染色体长臂14位点(5q14),COUP—TFII基因位于第15号染
DOI:10.3760/cma.j.issn.2095-0160.2015.08.017
基金项目:国家自然科学基金面上项目(81470648);上海市卫生系
色体长臂26位点(15q26)¨…。COUP—TFs基因表达的蛋白由414个氨基酸组成,具有核受体的结构,共分为5个部分,即A/B、C、D、E、F区。N端(A/B区)包含有活性的非配体依赖性
的转录激活域,被称为激活功能元件一1(activation
function一1,
统优秀青年人才培养计划项目(XYQ2011067)
作者单位:200072上海,同济大学附属第十人民医院眼科
通信作者:于靖,Email:dryujing@aliyun.com
万方数据
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AF一1),由73个氨基酸组成。核受体最保守的区域是C区,即
DNA结合域(DNA
binding
domain,DBD),该区包含2个保守的
锌指结构,DBD可与靶基因的特殊DNA序列一激素反应元件
(hormoneresponseelements,HERs)结合。在DBD和配体结合
域(1igand
binding
domain,LBD)(E区)之间有一较短且不保守
的结构称为绞链区(D区),主要在c区和E区间起绞链作用。
E区可以与配体结合后形成配体一受体复合物,直接与靶基因的DNA应答元件相互作用,从而调节靶基因的表达。E区还有一个激活功能域AF一2,与辅助因子的功能有关。F区可协助AF一2发生构相变化,从而易化AF一2与其他辅活化因子或转录因子顺式反应元件的结合。91。
1.3
COUP—TFs的分类
虽然COUP—rn基因在人类和许多物种中广泛存在,但其
只有2种亚型,即COUP—TFI(又称EAR一3或NR2FI)和COUP—TFⅡ(又称ARP一1或NR2F2)"o。COUP—TFI和COUP—
TFⅡ在小鼠中的基因序列相似度达80%,二者编码的氨基酸序列同源性达87%,其DBD和LBD区域氨基酸同源性分别为97%和98%。1’…。尽管2种亚型的同源性和作用机制相似,但是其在哺乳动物发育过程的作用并不相同。COUP—TFI主要参与神经系统形成和感觉器官发育‘2o,而COUP—TFlI在心血管发育、生殖系统发育、器官形成、脂肪形成和肿瘤形成中起重
要的作用¨J。
2
COUP・TFs调控靶基因转录的作用机制
COUP-TFs主要分布在细胞核内,可以同直接重复序列
AGGTCA和不同间隔的回文序列结合。COUP—TFs通常被认为是靶基因转录的抑制剂,然而越来越多的研究表明,其也有激
活靶基因转录的作用。
2.1COUP—TFs抑制靶基因转录的机制
2.1.1
直接竞争结合位点COUP—TFs可直接与HERs结合来
抑制基因转录。HERs分为3种形式:直接重复序列(directrepeats,DRs)、外翻重复序列和内翻重复序列,其中DRs最常见。COUP—TFs可以与多种DRs结合,包括DRl、DR3、DR4和DR5,而DRl、DR3、DR4和DR5又分别是过氧化物酶体增生激活受体(peroxisomeproliferator—activated
receptor,PPAR)、维生素
D受体(vitamin
D
receptor,VDR)、甲状腺激素受体(thyroid
hormone
receptor,TR)、视黄酸受体(retinoicacidreceptor,RAR)的反应元件,因此COUP—TFs可通过竞争结合目的基因PPAR、VDR、TR、RAR的反应元件来抑制PPAR、VDR、TR、RAR的转
录作用”…。
2.1.2与维甲酸x受体结合抑制转录PPAR、VDR、TR和RAR核受体通常需要与维甲酸x受体(retinoic
acidXreceptor,
RXR)形成异源二聚体PPAR/RXR、VDR/RXR、TR/RXR和RAR/RXR,才能发挥最大的转录激活作用,而COUP—TFs可以
分离该类异源二聚体,从而抑制这些核受体激活靶基因转录的
功能‘“1。
2.1.3与辅抑制因子的相互作用
COUP—TFs已被证明能抑
制包括DR3、DR4等HERs的胸苷激酶受体的转录作用。与其
万方数据
他孤核受体相同,COUP—TFs在LBD的C端有沉默作用的区域,该区域可以转移到一个异源GAIA的DBD,从而显示出抑
制转录活性的能力…1。
2.1.4反式抑制COUP—TFs在没有同源反应元件的情况下,能与其他核激素受体发生LBD—LBD相互作用,从而反式抑制TR、RAR、PPAR等配体依赖的核受体…o。
2.2
COUP.TFs激活靶基因转录的机制
COUP—TFs可通过3个方面的分子机制来激活转录:首先,
COUP—TFs可以直接与核受体DNA反应元件结合来激活转录;其次,COUP—TFs可通过结合DNA反应元件间接影响其他几个转录因子的表达;第三,COUP—TFs通过与DNA结合因子之间的蛋白质一蛋白质相互作用激活转录。这些DNA结合因子包括肝细胞核因子一1a基因启动子上的肝细胞核因子一4和Oct一1。COUP—TFs也可以通过与转录因子Spl作用来实现其激活转录
作用‘“]。
3
COUP-TFs的生物学功能
3.1参与神经系统形成
在小鼠胚胎的中枢神经系统中,可见COUP—TFI高表达,但未发现COUP—TFlI表达‘1“;另外,COUP-TFI还可以调节丘脑和皮层之间的连接,这对于神经元轴突的形成是必需的’1…,
以上研究提示COUP—TFI可能参与神经系统的形成。
3.2参与感觉器官发育
COUP—TF
I在发育中的耳蜗上皮、分化中的毛细胞和支柱
细胞中表达,它能够调节哺乳动物耳蜗毛细胞和前庭神经外侧
支柱细胞的发育’1“。COUP—TFI过表达会抑制耳蜗螺旋器的
分化,体外敲除COUP—TFI基因可增加耳蜗毛细胞的分化¨“。
Tang等怕。研究发现,COUP—TF
I/”Ⅱ双基因敲除可导致眼组
织缺损和小眼球等表型。因此,COUP—TFI对于调节眼耳感觉器官的发育是必需的。3.3参与心血管系统发育
在血管发育中,COUP—TFII能促进新生血管分化为具有不同功能和结构的动静脉0163.。COUP—TFⅡ基因敲除小鼠在胚胎发育9.5d可表现为心房腔体积减小、静脉窦减少与主动脉异常,并且会因为心血管发育异常而在胚胎发育早期死亡Ⅲ1,表
明COUP—TFⅡ可能参与心血管系统发育。
3.4参与脂肪代谢
对于COUP—TFII在脂肪代谢中的作用存在2种观点:一是COUP—TFII表达不足会导致脂肪形成减少;二是COUP—TFⅡ表达下调可以促进脂肪形成。“等。1副研究表明,在小鼠脂
肪前体细胞中敲除COUP—TFII基因可导致脂肪组织分化减少,脂肪形成减少。xu等¨9。研究结果却与之相反。总体而言,两者的观点都说明COUP—TFⅡ基因在脂肪形成中具有重要作用。
3.5参与葡萄糖稳态
Bardoux等”0。利用cre—loxp系统建立了COUP—TFⅡ基因敲除小鼠模型,发现敲除COUP.TF1I基因的小鼠可出现胰岛
素分泌失常和外周胰岛素抵抗,提示COUP—TFII通过调节胰岛B细胞中胰岛素基因的表达来维持葡萄糖稳态。
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・753・
4
COUP-TFs对胚眼发育的影响
4.1
COUP.TFs在胚眼发育中的表达
为了确定COUP—TFs是否在小鼠胚眼发育中起作用,Tang
等。5o利用免疫组织化学法来检测其在胚眼发育过程中的表达情况。胚胎发育9.5
d,COUP—TFI和COUP—TF
lI在背侧远端
的视泡中均高表达。在假定的视网膜色素上皮(retinal
pigmental
epithelium,RPE)层的区域,COUP—TFs的表达形成了
一种“腹侧高水平一背侧低水平”的梯度模式。在视泡近端区
域(视柄区),COUP—TFI广泛表达;COUP-TFII明显地表达于
背侧视泡,而在腹侧视泡中表达水平较低。胚胎发育11.5
d,
在视柄区近端,COUP—TFs表达模式无明显改变;在视柄区远
端,COUP.TFI主要在神经视网膜(neuralretina,NR)中表达,而COUP.TFII仅在RPE中表达,并且这种表达模式一直持续
到小鼠成年期¨1。在分化发育的视网膜中,COUP—TFI表达在整个视网膜的内核层和神经节细胞层,并且在腹侧区的表达多于背侧区。与之相反,COUP—TFⅡ在视网膜背侧区的所有细胞
层均有表达,但在无长突细胞的表达只局限于中心区和视网膜
腹侧区口“。这种进化的保守性提示COUP・TFs在胚眼发育中具有重要作用。
4.2
COUP.TF
I/阿Ⅱ单基因敲除对胚眼发育的影响
研究表明,在眼球形态发生过程中,COUP—TFI和COUP—
TFⅡ对胚眼发育的调控作用互相补充”1,主要表现在COUP一
"I单基因敲除小鼠胚胎发育11.5d可见COUP—TF
I表达明
显减少,而COUP—TF
II在RPE中的表达依然很高,且在NR的
表达比COUP.TFI基因未敲除前表达增加;COUP—TFII单基
因敲除小鼠胚眼发育中可见COUP-TFI在RPE的表达增加,
而COUP—TFII的表达却未能检测到,并且COUP—TFI/TF
II
单基因敲除并未影响眼的表型。为了维持眼形态的正常发育,即使COUP—TFI/”Ⅱ基因中一个基因缺失,也可以通过增强
另一个基因的作用来弥补,由此可见两者作用是互补的。
4.3
COUP—TF
I/盯Ⅱ双基因敲除对胚眼发育的影响
COUP—TF
I/"Ⅱ双基因敲除小鼠背侧远端视泡的祖细
胞难以正常分化,导致RPE转分化为NR以及背侧视柄细胞的非正常分化,这些非正常分化最终可形成眼组织的缺损和小眼症‘5一“。
4.3.1
影响眼表型正常胚胎发育13.5d,视杯腹侧的视裂
缝完全闭合,如果闭合不全,将会导致虹膜、睫状体、脉络膜或
视盘的缺损心“。COUP—TF
I/”Ⅱ3个等位基因敲除小鼠在
胚胎发育14.5d视裂缝闭合不全,最终形成眼组织缺损表型;若是4个等位基因全敲除,眼组织缺损更严重,并且形成小眼球‘5一…。
4.3.2影响NR和腹侧视柄的分化
正常胚胎发育中的小鼠
可在视盘处形成一界限来隔开腹侧视柄(ventral
optic
stalk,
vOS)和NR,并且vOS是NR和中线神经管的连接部分¨。”。。
COUP—TF
I/卯Ⅱ双基因敲除小鼠在发育中未发现视盘和vOS
细胞的生长,反而在该位置发现NR样的结构生长并直接延伸
至间脑"J,提示COUP—TF
I/卯Ⅱ双基因敲除可影响NR和
万方数据
vOS的分化和发育。
4.3.3导致RPE转分化为NR在野生型小鼠胚胎发育中,
RPE可围着NR形成单一细胞层‘2“。在COUP-TFI/"Ⅱ双基因突变小鼠中却发现在将要分化成RPE的区域没有RPE结构,但可见NR样结构生长,并且在NR样结构中可以检测到Pax6和ChxlO基因(NR的标记基因)的表达,而RPE标记基因Mitf和Otx2的表达未检测到,提示COUP—TFI/盯Ⅱ双基因缺乏的小鼠可能导致RPE转分化为NR"3。
4.4
COUP-TFs调控胚眼发育的机制
研究发现,COUP-TFs通过调节胚眼发育相关转录因子的
表达来参与胚眼发育。在COUP—TFI/”Ⅱ双基因敲除小鼠的胚眼发育中可以检测到Vaxl/2和Pax2表达减少,Pax6的表达增加。在早期视泡发育中,Pax2和Pax6可以通过互相抑制来调控NR和vOS的界限形成¨“。Mui等心43研究发现,Vaxl和Vax2可负性调节Pax6表达使视泡腹侧化,提示COUP—TFs可能通过调节Vaxl/2和Pax2/6的表达来决定NR和vOS的特性。
在体外培养的ARPE一19细胞中,敲除COUP—TFI/"Ⅱ
双基因后发现Pax6表达增加,而RPE形成所需的关键基因
Otx2和Mitf表达显著降低,并且Pax6基因的负性调节因子Vax2表达也下降;而过表达COUP.TFs可以使Pax6表达减
少"J。Azuma等旧副研究发现,仅Pax6过表达就足以使RPE细胞转分化成NR细胞。这些研究结果提示COUP-TFs可以通过抑制Pax6表达,活化Mitf、Otx2、Vax2表达来决定RPE的最终
分化特性。
有研究利用染色质免疫共沉淀技术发现COUP-TFs可以直
接结合到Pax6的DRl位点上来抑制Pax6转录,通过直接结合到Otx2的Spl位点上来激活Otx2转录¨1。由此可见,COUP-TFs是通过直接或间接调节眼形态形成所需的转录因子,即Pax2/6、Otx2、Mitf、VaxI/2的表达来调控胚眼发育的。
5小结
综上所述,在小鼠胚眼发育过程中,COUP—TFI主要在NR
中表达,而COUP—TFII仅在RPE表达。双基因敲除小鼠背侧
远端视泡的祖细胞难以正常分化,导致背侧视柄细胞的不正常分化,最终形成眼组织的缺损和小眼球。另外,COUP—TFs可通过直接或间接调节眼形态形成所需的转录因子,即Pax2/6、
Otx2、Mitf、Vaxl/2的表达来调控胚眼发育¨1,然而COUP—TFs在眼原基诱导分化时的作用尚不清楚。深入研究COUP—TFs的作用机制将会对发现眼发育异常的发病机制提供更多的线索。
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(本文编辑:刘艳张宇)
读者・作者・编者
常用英文缩略语名词解释
DDR2:盘状结构域受体2(discoidin
domain
receptor
2)cs:对比敏感度(contrastsensitivity)
LOXLl:赖氨酰氧化酶样1(Lysyloxidase—like1)
MMP一13:基质金属蛋白酶一13(matrixmetalloproteinase一13)CFB:补体因子B(complement
factor
B)SNPs:单核苷酸多态性(single
nucleotide
polymorphisms)
RNAi:RNA干扰(RNAinterference)
B6一Co:C57BL/6角膜混浊表型的突变系(C57BL/6一cornealopacity)
RP:视网膜色素变性(retinitispigmentosa)RNFL:视网膜神经纤维层(retinal
nerve
XFS:剥脱综合征(exfoliationsyndrome)MCP一1:单核细胞趋化蛋白一1(monocyte
protein-1)
chemoattractant
LHON:Leber遗传性视神经病变(Leber
layer)
neuropathy)
hereditaryoptic
fiber
(本刊编辑部)
万方数据
鸡卵白蛋白上游启动子转录因子对胚眼发育的调控作用
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
杜亚茹, Du Yaru
同济大学附属第十人民医院眼科,上海,200072中华实验眼科杂志
Chinese Journal of Experimental Ophthalmology2015,33(8)
引用本文格式:杜亚茹.Du Yaru 鸡卵白蛋白上游启动子转录因子对胚眼发育的调控作用[期刊论文]-中华实验眼科杂志 2015(8)