●新进展
文章编号:1000-1336(2006)04-0305-04
《生命的化学》2006年26卷4期
CHEMISTRYOFLIFE2006,26(4)
・305・
胚胎干细胞的基因转录调控
曹曙
1
何志颖桑杰陈宇
1
陈亮
1
胡以平
上海200433)
(第二军医大学细胞生物学教研室、1研究生管理大队学员二队,
摘要:胚胎干细胞作为一种具有多潜能性和自我更新能力的细胞,在人类等高等生物发育中占有重要地位;基
于这一特性,胚胎干细胞在临床上具有极其广阔的应用前景。转录因子OCT4、SOX2和NANOG通过调节胚胎干细胞的基因转录,对其多潜能性和自我更新能力具有关键性的调控作用。对这一作用机制的研究,将对人类早期发育的了解和胚胎干细胞的临床应用具有积极意义。关键词:
胚胎干细胞;
OCT4;SOX2;NANOG
中图分类号:Q21
哺乳动物的发育均需由1个全能细胞分化形
成200多种不同类型的细胞。从囊胚期内细胞群分离得到的胚胎干细胞(embryonicstemcell,ES
cell)在体外具有无限或较长期的自我更新能力,
并能在特定的诱导条件下分化为各种组织特异性细胞[1]。对人类ES细胞多潜能性和自我更新的转录调控体系进行研究,是了解人类早期发育和将
ES细胞成功应用于临床治疗的基础。大量针对这一调控体系的研究表明,OCT4、SOX2和NANOG这三个转录因子对ES细胞基因转录具有关键性的调控作用,可认为它们是保持ES细胞多潜能
性和自我更新的中心物质[2]。
miRNA的靶基因,而缺乏miRNA转录的ES细胞则不能进行分化[4]。此外,miRNA通过调控基因的表达在生物发育中也起到重要作用[5]。OCT4、SOX2和NANOG被发现与14个miRNA基因相关并至少共同调节mir-137和mir-301这两个miR-NA基因的表达。有实验结果提示[2],这些涉及调控人类发育过程的miRNA基因都可能受OCT4、SOX2和NANOG的调节,而它们自身也是细胞基
因转录调控系统的重要组成部分之一。
1.OCT4,SOX2和NANOG的靶基因
有一组被称为miRNA(microRNA)的小型非编
码RNA在基因转录中起着重要作用。最近的研究表明[3],超过1/3的哺乳动物蛋白质编码基因是
———————————
收稿日期:
2006-05-11
国家自然科学基金资助项目(No.30270603);上海市科委重大项目(No.03DJ14020)
作者简介:
曹曙(1985—),男,汉族,本科生,E-mail:
胡以平(1954—),男,教授,联系作者,
何志颖(1976—),男,博士,讲师,
Stephen85611@sina.com;
E-mail:yphu@smmu.edu.cn;
E-mail:ZhiYingHe2002@163.com
Boyer等[2]在基因组水平利用位置分析法,鉴
定出人类ES细胞中有623个(3%)蛋白质编码基因和5个(3%)miRNA基因的启动子与OCT4关联。这些基因包括许多以往在小鼠ES细胞研究工作中所确定或假定的OCT4靶基因,以及一些转录物被高度浓缩的基因,如SOX2、NANOG、LEFTY2/EBAF、CDX2、HAND1、DPPA4、GJA1/CONNEXIN43、FOXO1A、CRIPTO/TDGF1和ZIC3。
同时,还有许多蛋白质编码基因和miRNA基因是SOX2和NANOG的靶基因[2]。人类ES细胞中,分别有1271个(7%)和1657个(9%)蛋白质编码基因的启动子与SOX2和NANOG相关。先前在小鼠ES细胞的研究表明,由于在启动子结合
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
[11]www.biocarta.com/pathfiles/h_chrebpPathway.asp
[12]KabashimaTetal.ProcNatlAcadSciUSA,2003,100(9):
5107—5112
[13]TsatsosNGetal.BiochemBiophysResCommun,2006,340(2):
449—456
[14]LiMVetal.Diabetes,2006,55(5):1179—1189[15]DentinRetal.JClinInvest,2005,115(10):2843—2854[16]
IshiiSetal.ProcNatlAcadSciUSA,2004,101:15597—15602
[17]StoeckmanAKetal.JBiolChem,2004,279:15662—15669[18]MaLetal.JBiolChem,2005,280(12):12019—12027
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●RecentProgresses
位点的并列关系,OCT4和SOX2可以协同诱导靶
基因的转录,而在人类ES细胞中,与OCT4关联的靶基因启动子中大约有一半同时也与SOX2相关。更令人惊讶的是,同时与OCT4和SOX2都相关的靶基因启动子中90%以上也能与NANOG结合。最后经确定,至少有353个靶基因是
互联的自身调节网络来共同调控它们自身编码基因的转录。在小鼠ES细胞,OCT4、SOX2和
NANOG的转录调控由OCT4-SOX2复合物完成,而且这3个转录因子的表达和功能是紧密相关的。这些基因调控机制在人类ES细胞也同样存在,而且NANOG也是这些基因调控机制的重要
组成部分。这种互联的自身调节网络被认为既可以缩短OCT4、SOX2和NANOG对环境刺激的反应时间,又能增加其基因表达的稳定性[6,9]。
前馈系统和自身调节网络对ES细胞响应发育信号有重要意义。改变OCT4、SOX2和
OCT4、SOX2和NANOG三者共同拥有的,且3
个转录因子在这些基因启动子上的结合位点都相互接近。这提示在人类ES细胞,OCT4、SOX2和
NANOG的靶基因有较大部分是由三者协同调节的(图1)。
NANOG的表达水平和功能状态,可以改变小鼠ES细胞的分化方向,这被认为是OCT4和NANOG这两个基本调节器控制的信号传导通路
受到干扰的后果;而这两个基本调节器的表达水平和功能状态,与靶基因和它们自身编码基因的启动子均密切相关。这些因子相对量的改变,会干扰前馈系统和自身调节网络,改变细胞总量和细胞命运[9,10]。
除了组成前2.2调节多条关键信号转导通路
馈系统和自身调节网络,OCT4、SOX2和NANOG进一步通过调节多条关键信号转导通路来调控许
图1
OCT、SOX2和NANOG的靶基因[2]
多靶基因的转录,从而对ES细胞的多潜能性和自我更新产生作用[2]。
在体内,OCT4、SOX2和NANOG会涉及到一些转录活性较高的基因。有研究表明[2],一个或更多的ES细胞转录因子调控1303个这种转录活性较高的基因。ES细胞管家基因中,大约有一半是OCT4、SOX2和NANOG共同的靶基因。这些基因中包括有编码参与信号转导通路Tgf-β(如
2.OCT4、SOX2和NANOG的调节网络
研究表明[2],2.1前馈系统和自身调节网络
OCT4、SOX2和NANOG对大量靶基因及其自身
编码基因的转录调控,主要是通过组成前馈系统和自身调节网络来实现的。由OCT4、SOX2和
NANOG组成的前馈系统,至少涉及到353个蛋白
质编码基因和2个miRNA基因。这个系统包括一
个控制着二级调节器的一级调节器,并能调节
OCT4、SOX2和NANOG共同拥有的大量靶基因。它有多重调节能力,这对于ES细胞而言是具有特殊意义的。当OCT4和NANOG这两个基本调
节器都为正向调节时,前馈系统也会表现出与其水平一致但变化相对迟缓的活性[6]。而当调节器既有正向调节又有负向调节的时候,前馈系统则会通过一段缓冲时间来延迟或抵消上游调节器对下游调节器的调控从而发挥作用[7]。在ES“开关”细胞,这种多重调节能力对于其保持多潜能性的同时,又保持对分化信号作出恰当反应具有一定作用[8]。
此外,OCT4、SOX2和NANOG还通过组成
TDGF1、LEFTY2/EBAF)和Wnt(如DKK1、FRAT2)
的蛋白质的基因。而信号转导通路Tgf-β及Wnt都将对保持ES细胞多潜能性和自我更新发挥作用。这提示,OCT4、SOX2和NANOG会通过诱导或阻遏TDGF1、LEFTY2/EBAF、DKK1、FRAT2、DKK1和FRAT2的表达,来上调或下调Tgf-β及Wnt这两条关键信号转导通路,从而调控ES细胞的多潜能性和自我更新作用。
此外,在这些由OCT4、SOX2和NANOG共
同调控的转录活性较高的基因中,还包括有
STAT3等转录因子的编码基因[2]。在小鼠ES细胞,STAT3是调控自我更新功能的关键调节器,它所参与调控的JAK-STAT3信号转导通路是与细
胞增殖分化有关的重要信号转导通路,
在小鼠发
●新进展
《生命的化学》2006年26卷4期
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育过程中起到重要作用[11]。这提示,在人类ES细
胞中,OCT4、SOX2和NANOG也可能通过调节
在肠道组织细胞时,将诱导细胞迅速增殖,而当
STAT3的表达来调控JAK-STAT3信号转导通路,
从而对细胞的增殖分化产生作用。
2.3阻遏低转录活性的基因OCT4、SOX2和NANOG在体内也涉及到一些转录活性较低的基
因。在这些转录活性较低的基因中,Boyer等[2]发现了一些被显著强化的转录因子编码基因,其中一部分还与生物发育有关。这部分基因编码的转录因子对ES细胞分化为内胚层、中胚层和外胚层细胞具有重要作用。此外,大约有一半受
OCT4基因关闭时则出现相反的情况。已证实OCT4的这种作用是通过其对DNA去甲基作用的控制来实现的[13]。SOX2则通过自身的HMG区域和OCT4的POU区域来介导它与OCT4之间的协
同作用,并在两者其他区域的参与之下实现对其靶基因的转录激活。另外,SOX2还在中枢神经系统的发育中起作用,它可抑制中枢神经系统中成熟神经元的分化[14]。又有研究表明[15],NANOG作用于维持ES细胞的多潜能性,而它的过表达则会导致ES细胞在接触分化诱导因子后仍保持多潜能性和自我更新,并不分化成其他细胞。
OCT4、SOX2和NANOG共同调控的转录因子是
低活性编码和转录的,而它们又是在生物发育过程中占据重要位置的同源结构域蛋白质。这说明
OCT4、SOX2和NANOG可以协同调控一组在生
物发育进程中起关键作用的可阻遏基因,从而调节生物的发育过程。
4.其他调节因子
ES细胞转录调控系统除了OCT4、SOX2和NANOG这3个基本调节因子外,还有许多其他
调节因子参与其中。前面已经提到涉及人类ES细胞发育过程调控的miRNA基因在受OCT4、
3.OCT4、SOX2和NANOG的调控结果
作为一个协同作用的团队,OCT4、SOX2和
SOX2和NANOG调控的同时,本身也是细胞基因
转录调控系统的重要组成部分。另外,一些受
NANOG通过它们共同组成的调控网络,诱导它
们自身的编码基因和编码关键信号转导通路组成部件的基因,并阻遏某些在发育过程中起关键作用的基因,从而调控ES细胞的多潜能性和自我更新以及生物的早期发育[2]。
在保持ES细胞的基本特性和生物的早期发育中,OCT4和NANOG被认为是两个基本调节器,而SOX2则通过和OCT4组成异二聚体发挥协同调控作用。三者的表达水平和功能状态,将直接对ES细胞的多潜能性和自我更新乃至生物的早期发育产生影响。先前在小鼠ES细胞的研究表明[9,11],对OCT4或NANOG的破坏将导致ES细胞不恰当的分化成滋养外胚层和胎膜内皮层,
OCT4、SOX2和NANOG调控的转录因子编码基因(REST、SKIL、HESX1和STAT3等)所编码的转
录因子自身,就可以调控某些特殊基因的转录。比如,在ES细胞中含量丰富的REST可以阻遏神经元特定基因的转录[16]。SKIL则通过控制信号转导通路Tgf-β的下游元件SMAD2和SMAD4来发挥对基因转录的调控作用[17]。
5.结语
对ES细胞基因转录调控机制的研究,有助
于我们加深对细胞生物学、发育学以及人类健康的理解。了解这一作用机制将对我们控制细胞命运,及将ES细胞成功应用于组织修复和肿瘤治疗等临床领域产生积极作用。虽然我们已经清楚
OCT4表达下降诱导ES细胞分化形成滋养外胚层,NANOG缺失则使ES细胞向体壁和内脏内胚层分化,而OCT4表达增加引起ES细胞向原始内胚层和中胚层的分化;若NANOG表达正常或增加,则能维持ES细胞的多能性。Mitsui等[9]针对OCT4与NANOG在ES细胞中的作用特点,提出
了它们可能在胚胎发育的不同阶段起作用。胚胎发育早期有两个阶段:比较早期的桑椹胚阶段和植入前的囊胚阶段。OCT4在这两个阶段中都起作用,而NANOG则在第二个阶段中起关键作用。在人类ES细胞,OCT4的表达可使其保持幼稚状态,不分化为组织特异细胞[12]。当这种表达出现
OCT4、SOX2和NANOG作为基本调节因子,可
以诱导它们自身的编码基因和编码关键信号转导通路组成部件的基因,以及阻遏某些在发育过程中起关键作用的基因,从而调控ES细胞的多潜能性和自我更新以及生物的早期发育,但对ES细胞基因转录调控机制的探究仍有不少问题,如我们对这3个基本调节因子的具体作用原理仍不十分清楚,并且我们也无法确定除这3个基本调节因子之外,是否还存在其他对ES细胞基因转录调控起关键作用的调节因子。然而我们相信,随着研究工作的进一步开展,ES细胞基因转录调控机制的面纱将会逐步揭开,ES细胞在诸多领域
・308・
文章编号:1000-1336(2006)04-0308-03
《生命的化学》2006年26卷4期
CHEMISTRYOFLIFE2006,26(4)
●RecentProgresses
SIRT6:一个新的哺乳动物抗衰老因子
郭晓强张如春
(解放军白求恩军医学院生化教研室、基础医学教学实验中心,
石家庄050081)
摘要:Sir2是一个在低等动物中被广泛研究的抗衰老蛋白因子。最新研究发现,哺乳动物Sir2的同源蛋白家族
Sirtuin(SIRT)中的SIRT6在抗衰老过程中也发挥着重要作用,它的功能缺失将导致碱基切除修复(BER)受阻,
而出现细胞对氧化损伤的敏感性增加、皮肤变薄等衰老症状,使人们对哺乳动物的衰老机制有了初步的认识。关键词:
SIRT6;
Q26
哺乳动物;衰老
中图分类号:
衰老和死亡是任何物种中的个体都难以逃脱的最终结局,因此对衰老的研究一直是生命科学领域的最为基本和重要的问题之一,但细节一直知之甚少。自20世纪80年代开始,这种状况有了明显改观,以酵母、线虫、果蝇等低等动物为材料在分子水平上对衰老和长寿的机制进行了全面深入的研究并获得了巨大的成功。现在已经发现了与衰老有关的胰岛素信号通路(insulinsignal
类似的过程,其中哺乳动物中存在着Sir2同源蛋
白家族Sirtuin(SIRT)[3],并且最新研究表明哺乳动物中的SIRT6在抑制衰老过程中也发挥着重要的作用[4]。
1.SIRT6的基本特征
Sir家族最早在酵母、线虫和果蝇等低等动物
中发现,随后研究发现高等动物中也普遍存在着其同源序列。2000年,从哺乳动物方面鉴定与其同源的一个蛋白质家族,统一称为Sirtuin,简写为SIRT。像小鼠、人等哺乳动物的SIRT家族都包含了7个成员,分别命名为SIRT1 ̄7[3]。根据氨基酸的同源性将SIRT分为了4种类型,其中
pathway,InS)[1]、沉默信息调节蛋白(silentinfor-mationregulator,Sir)介导的抗衰老途径,其中的Sir2是研究得最为清楚的一种[2]。但相对于低等动
物,高等动物如小鼠、人等的衰老机制研究则落后许多,至今进展缓慢。由于高等动物整体结构复杂,因此衰老的分子机制也应该比较多样,但考虑到物种在进化上某种程度的保守性,低等生物衰老的一些基本机制在高等生物方面也应该有
———————————
收稿日期:作者简介:
2006-05-12
郭晓强(1977—),男,硕士,助教,联系作者,
SIRT1 ̄3属于I类,该类型和Sir2的关系最为接
近,SIRT4属于II类,SIRT5属于III类,而SIRT6和7属于第IV类。相对于I类型,SIRT6与Sir2的同源性较差,如小鼠SIRT6与酵母Sir2的同源性只有25%。这个初步结果说明,尽管存
在同源关系,但具体的作用机制可能存在一定的差异。
E-mail:xiaoqiangguo123@163.com
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
为人类造福的那一天也终将到来。
参
[1]
[8][9]
LeeTIetal.Science,2002,298:799—804MitsuiKetal.Cell,2003,113:631—642
考文献
[10]ChambersIetal.Cell,2003,113:643—655[11]HombriaJCetal.CurrBiol,2002,16:R569—R575[12]HochedlingerKetal.Cell,2005,121:465—477[13]SimonssonSetal.NatCellBiol,2004,6:984—990[14]GrahamVetal.Neuron,2003,39:749—765
[15]RoddaDJetal.JBiolChem,2005,280:24731—24737[16]BallasNetal.Cell,2005,121:645—657[17]HeJetal.JBiolChem,2003,278:30540—30547
EvansMJetal.Nature,1981,292:154—156
[2]BoyerLAetal.Cell,2005,122:947—956[3][4][5][6][7]
LewisBPetal.Cell,2005,120:15—20
KanellopoulouCetal.GenesDev,2005,19:489—501PasquinelliAEetal.CurrOpinGenetDev,2005,15:200—205Shen-OrrSSetal.NatGenet,2002,31:64—68ManganSetal.JMolBiol,2003,334:197—204
●新进展
文章编号:1000-1336(2006)04-0305-04
《生命的化学》2006年26卷4期
CHEMISTRYOFLIFE2006,26(4)
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胚胎干细胞的基因转录调控
曹曙
1
何志颖桑杰陈宇
1
陈亮
1
胡以平
上海200433)
(第二军医大学细胞生物学教研室、1研究生管理大队学员二队,
摘要:胚胎干细胞作为一种具有多潜能性和自我更新能力的细胞,在人类等高等生物发育中占有重要地位;基
于这一特性,胚胎干细胞在临床上具有极其广阔的应用前景。转录因子OCT4、SOX2和NANOG通过调节胚胎干细胞的基因转录,对其多潜能性和自我更新能力具有关键性的调控作用。对这一作用机制的研究,将对人类早期发育的了解和胚胎干细胞的临床应用具有积极意义。关键词:
胚胎干细胞;
OCT4;SOX2;NANOG
中图分类号:Q21
哺乳动物的发育均需由1个全能细胞分化形
成200多种不同类型的细胞。从囊胚期内细胞群分离得到的胚胎干细胞(embryonicstemcell,ES
cell)在体外具有无限或较长期的自我更新能力,
并能在特定的诱导条件下分化为各种组织特异性细胞[1]。对人类ES细胞多潜能性和自我更新的转录调控体系进行研究,是了解人类早期发育和将
ES细胞成功应用于临床治疗的基础。大量针对这一调控体系的研究表明,OCT4、SOX2和NANOG这三个转录因子对ES细胞基因转录具有关键性的调控作用,可认为它们是保持ES细胞多潜能
性和自我更新的中心物质[2]。
miRNA的靶基因,而缺乏miRNA转录的ES细胞则不能进行分化[4]。此外,miRNA通过调控基因的表达在生物发育中也起到重要作用[5]。OCT4、SOX2和NANOG被发现与14个miRNA基因相关并至少共同调节mir-137和mir-301这两个miR-NA基因的表达。有实验结果提示[2],这些涉及调控人类发育过程的miRNA基因都可能受OCT4、SOX2和NANOG的调节,而它们自身也是细胞基
因转录调控系统的重要组成部分之一。
1.OCT4,SOX2和NANOG的靶基因
有一组被称为miRNA(microRNA)的小型非编
码RNA在基因转录中起着重要作用。最近的研究表明[3],超过1/3的哺乳动物蛋白质编码基因是
———————————
收稿日期:
2006-05-11
国家自然科学基金资助项目(No.30270603);上海市科委重大项目(No.03DJ14020)
作者简介:
曹曙(1985—),男,汉族,本科生,E-mail:
胡以平(1954—),男,教授,联系作者,
何志颖(1976—),男,博士,讲师,
Stephen85611@sina.com;
E-mail:yphu@smmu.edu.cn;
E-mail:ZhiYingHe2002@163.com
Boyer等[2]在基因组水平利用位置分析法,鉴
定出人类ES细胞中有623个(3%)蛋白质编码基因和5个(3%)miRNA基因的启动子与OCT4关联。这些基因包括许多以往在小鼠ES细胞研究工作中所确定或假定的OCT4靶基因,以及一些转录物被高度浓缩的基因,如SOX2、NANOG、LEFTY2/EBAF、CDX2、HAND1、DPPA4、GJA1/CONNEXIN43、FOXO1A、CRIPTO/TDGF1和ZIC3。
同时,还有许多蛋白质编码基因和miRNA基因是SOX2和NANOG的靶基因[2]。人类ES细胞中,分别有1271个(7%)和1657个(9%)蛋白质编码基因的启动子与SOX2和NANOG相关。先前在小鼠ES细胞的研究表明,由于在启动子结合
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
[11]www.biocarta.com/pathfiles/h_chrebpPathway.asp
[12]KabashimaTetal.ProcNatlAcadSciUSA,2003,100(9):
5107—5112
[13]TsatsosNGetal.BiochemBiophysResCommun,2006,340(2):
449—456
[14]LiMVetal.Diabetes,2006,55(5):1179—1189[15]DentinRetal.JClinInvest,2005,115(10):2843—2854[16]
IshiiSetal.ProcNatlAcadSciUSA,2004,101:15597—15602
[17]StoeckmanAKetal.JBiolChem,2004,279:15662—15669[18]MaLetal.JBiolChem,2005,280(12):12019—12027
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《生命的化学》2006年26卷4期
CHEMISTRYOFLIFE2006,26(4)
●RecentProgresses
位点的并列关系,OCT4和SOX2可以协同诱导靶
基因的转录,而在人类ES细胞中,与OCT4关联的靶基因启动子中大约有一半同时也与SOX2相关。更令人惊讶的是,同时与OCT4和SOX2都相关的靶基因启动子中90%以上也能与NANOG结合。最后经确定,至少有353个靶基因是
互联的自身调节网络来共同调控它们自身编码基因的转录。在小鼠ES细胞,OCT4、SOX2和
NANOG的转录调控由OCT4-SOX2复合物完成,而且这3个转录因子的表达和功能是紧密相关的。这些基因调控机制在人类ES细胞也同样存在,而且NANOG也是这些基因调控机制的重要
组成部分。这种互联的自身调节网络被认为既可以缩短OCT4、SOX2和NANOG对环境刺激的反应时间,又能增加其基因表达的稳定性[6,9]。
前馈系统和自身调节网络对ES细胞响应发育信号有重要意义。改变OCT4、SOX2和
OCT4、SOX2和NANOG三者共同拥有的,且3
个转录因子在这些基因启动子上的结合位点都相互接近。这提示在人类ES细胞,OCT4、SOX2和
NANOG的靶基因有较大部分是由三者协同调节的(图1)。
NANOG的表达水平和功能状态,可以改变小鼠ES细胞的分化方向,这被认为是OCT4和NANOG这两个基本调节器控制的信号传导通路
受到干扰的后果;而这两个基本调节器的表达水平和功能状态,与靶基因和它们自身编码基因的启动子均密切相关。这些因子相对量的改变,会干扰前馈系统和自身调节网络,改变细胞总量和细胞命运[9,10]。
除了组成前2.2调节多条关键信号转导通路
馈系统和自身调节网络,OCT4、SOX2和NANOG进一步通过调节多条关键信号转导通路来调控许
图1
OCT、SOX2和NANOG的靶基因[2]
多靶基因的转录,从而对ES细胞的多潜能性和自我更新产生作用[2]。
在体内,OCT4、SOX2和NANOG会涉及到一些转录活性较高的基因。有研究表明[2],一个或更多的ES细胞转录因子调控1303个这种转录活性较高的基因。ES细胞管家基因中,大约有一半是OCT4、SOX2和NANOG共同的靶基因。这些基因中包括有编码参与信号转导通路Tgf-β(如
2.OCT4、SOX2和NANOG的调节网络
研究表明[2],2.1前馈系统和自身调节网络
OCT4、SOX2和NANOG对大量靶基因及其自身
编码基因的转录调控,主要是通过组成前馈系统和自身调节网络来实现的。由OCT4、SOX2和
NANOG组成的前馈系统,至少涉及到353个蛋白
质编码基因和2个miRNA基因。这个系统包括一
个控制着二级调节器的一级调节器,并能调节
OCT4、SOX2和NANOG共同拥有的大量靶基因。它有多重调节能力,这对于ES细胞而言是具有特殊意义的。当OCT4和NANOG这两个基本调
节器都为正向调节时,前馈系统也会表现出与其水平一致但变化相对迟缓的活性[6]。而当调节器既有正向调节又有负向调节的时候,前馈系统则会通过一段缓冲时间来延迟或抵消上游调节器对下游调节器的调控从而发挥作用[7]。在ES“开关”细胞,这种多重调节能力对于其保持多潜能性的同时,又保持对分化信号作出恰当反应具有一定作用[8]。
此外,OCT4、SOX2和NANOG还通过组成
TDGF1、LEFTY2/EBAF)和Wnt(如DKK1、FRAT2)
的蛋白质的基因。而信号转导通路Tgf-β及Wnt都将对保持ES细胞多潜能性和自我更新发挥作用。这提示,OCT4、SOX2和NANOG会通过诱导或阻遏TDGF1、LEFTY2/EBAF、DKK1、FRAT2、DKK1和FRAT2的表达,来上调或下调Tgf-β及Wnt这两条关键信号转导通路,从而调控ES细胞的多潜能性和自我更新作用。
此外,在这些由OCT4、SOX2和NANOG共
同调控的转录活性较高的基因中,还包括有
STAT3等转录因子的编码基因[2]。在小鼠ES细胞,STAT3是调控自我更新功能的关键调节器,它所参与调控的JAK-STAT3信号转导通路是与细
胞增殖分化有关的重要信号转导通路,
在小鼠发
●新进展
《生命的化学》2006年26卷4期
CHEMISTRYOFLIFE2006,26(4)
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育过程中起到重要作用[11]。这提示,在人类ES细
胞中,OCT4、SOX2和NANOG也可能通过调节
在肠道组织细胞时,将诱导细胞迅速增殖,而当
STAT3的表达来调控JAK-STAT3信号转导通路,
从而对细胞的增殖分化产生作用。
2.3阻遏低转录活性的基因OCT4、SOX2和NANOG在体内也涉及到一些转录活性较低的基
因。在这些转录活性较低的基因中,Boyer等[2]发现了一些被显著强化的转录因子编码基因,其中一部分还与生物发育有关。这部分基因编码的转录因子对ES细胞分化为内胚层、中胚层和外胚层细胞具有重要作用。此外,大约有一半受
OCT4基因关闭时则出现相反的情况。已证实OCT4的这种作用是通过其对DNA去甲基作用的控制来实现的[13]。SOX2则通过自身的HMG区域和OCT4的POU区域来介导它与OCT4之间的协
同作用,并在两者其他区域的参与之下实现对其靶基因的转录激活。另外,SOX2还在中枢神经系统的发育中起作用,它可抑制中枢神经系统中成熟神经元的分化[14]。又有研究表明[15],NANOG作用于维持ES细胞的多潜能性,而它的过表达则会导致ES细胞在接触分化诱导因子后仍保持多潜能性和自我更新,并不分化成其他细胞。
OCT4、SOX2和NANOG共同调控的转录因子是
低活性编码和转录的,而它们又是在生物发育过程中占据重要位置的同源结构域蛋白质。这说明
OCT4、SOX2和NANOG可以协同调控一组在生
物发育进程中起关键作用的可阻遏基因,从而调节生物的发育过程。
4.其他调节因子
ES细胞转录调控系统除了OCT4、SOX2和NANOG这3个基本调节因子外,还有许多其他
调节因子参与其中。前面已经提到涉及人类ES细胞发育过程调控的miRNA基因在受OCT4、
3.OCT4、SOX2和NANOG的调控结果
作为一个协同作用的团队,OCT4、SOX2和
SOX2和NANOG调控的同时,本身也是细胞基因
转录调控系统的重要组成部分。另外,一些受
NANOG通过它们共同组成的调控网络,诱导它
们自身的编码基因和编码关键信号转导通路组成部件的基因,并阻遏某些在发育过程中起关键作用的基因,从而调控ES细胞的多潜能性和自我更新以及生物的早期发育[2]。
在保持ES细胞的基本特性和生物的早期发育中,OCT4和NANOG被认为是两个基本调节器,而SOX2则通过和OCT4组成异二聚体发挥协同调控作用。三者的表达水平和功能状态,将直接对ES细胞的多潜能性和自我更新乃至生物的早期发育产生影响。先前在小鼠ES细胞的研究表明[9,11],对OCT4或NANOG的破坏将导致ES细胞不恰当的分化成滋养外胚层和胎膜内皮层,
OCT4、SOX2和NANOG调控的转录因子编码基因(REST、SKIL、HESX1和STAT3等)所编码的转
录因子自身,就可以调控某些特殊基因的转录。比如,在ES细胞中含量丰富的REST可以阻遏神经元特定基因的转录[16]。SKIL则通过控制信号转导通路Tgf-β的下游元件SMAD2和SMAD4来发挥对基因转录的调控作用[17]。
5.结语
对ES细胞基因转录调控机制的研究,有助
于我们加深对细胞生物学、发育学以及人类健康的理解。了解这一作用机制将对我们控制细胞命运,及将ES细胞成功应用于组织修复和肿瘤治疗等临床领域产生积极作用。虽然我们已经清楚
OCT4表达下降诱导ES细胞分化形成滋养外胚层,NANOG缺失则使ES细胞向体壁和内脏内胚层分化,而OCT4表达增加引起ES细胞向原始内胚层和中胚层的分化;若NANOG表达正常或增加,则能维持ES细胞的多能性。Mitsui等[9]针对OCT4与NANOG在ES细胞中的作用特点,提出
了它们可能在胚胎发育的不同阶段起作用。胚胎发育早期有两个阶段:比较早期的桑椹胚阶段和植入前的囊胚阶段。OCT4在这两个阶段中都起作用,而NANOG则在第二个阶段中起关键作用。在人类ES细胞,OCT4的表达可使其保持幼稚状态,不分化为组织特异细胞[12]。当这种表达出现
OCT4、SOX2和NANOG作为基本调节因子,可
以诱导它们自身的编码基因和编码关键信号转导通路组成部件的基因,以及阻遏某些在发育过程中起关键作用的基因,从而调控ES细胞的多潜能性和自我更新以及生物的早期发育,但对ES细胞基因转录调控机制的探究仍有不少问题,如我们对这3个基本调节因子的具体作用原理仍不十分清楚,并且我们也无法确定除这3个基本调节因子之外,是否还存在其他对ES细胞基因转录调控起关键作用的调节因子。然而我们相信,随着研究工作的进一步开展,ES细胞基因转录调控机制的面纱将会逐步揭开,ES细胞在诸多领域
・308・
文章编号:1000-1336(2006)04-0308-03
《生命的化学》2006年26卷4期
CHEMISTRYOFLIFE2006,26(4)
●RecentProgresses
SIRT6:一个新的哺乳动物抗衰老因子
郭晓强张如春
(解放军白求恩军医学院生化教研室、基础医学教学实验中心,
石家庄050081)
摘要:Sir2是一个在低等动物中被广泛研究的抗衰老蛋白因子。最新研究发现,哺乳动物Sir2的同源蛋白家族
Sirtuin(SIRT)中的SIRT6在抗衰老过程中也发挥着重要作用,它的功能缺失将导致碱基切除修复(BER)受阻,
而出现细胞对氧化损伤的敏感性增加、皮肤变薄等衰老症状,使人们对哺乳动物的衰老机制有了初步的认识。关键词:
SIRT6;
Q26
哺乳动物;衰老
中图分类号:
衰老和死亡是任何物种中的个体都难以逃脱的最终结局,因此对衰老的研究一直是生命科学领域的最为基本和重要的问题之一,但细节一直知之甚少。自20世纪80年代开始,这种状况有了明显改观,以酵母、线虫、果蝇等低等动物为材料在分子水平上对衰老和长寿的机制进行了全面深入的研究并获得了巨大的成功。现在已经发现了与衰老有关的胰岛素信号通路(insulinsignal
类似的过程,其中哺乳动物中存在着Sir2同源蛋
白家族Sirtuin(SIRT)[3],并且最新研究表明哺乳动物中的SIRT6在抑制衰老过程中也发挥着重要的作用[4]。
1.SIRT6的基本特征
Sir家族最早在酵母、线虫和果蝇等低等动物
中发现,随后研究发现高等动物中也普遍存在着其同源序列。2000年,从哺乳动物方面鉴定与其同源的一个蛋白质家族,统一称为Sirtuin,简写为SIRT。像小鼠、人等哺乳动物的SIRT家族都包含了7个成员,分别命名为SIRT1 ̄7[3]。根据氨基酸的同源性将SIRT分为了4种类型,其中
pathway,InS)[1]、沉默信息调节蛋白(silentinfor-mationregulator,Sir)介导的抗衰老途径,其中的Sir2是研究得最为清楚的一种[2]。但相对于低等动
物,高等动物如小鼠、人等的衰老机制研究则落后许多,至今进展缓慢。由于高等动物整体结构复杂,因此衰老的分子机制也应该比较多样,但考虑到物种在进化上某种程度的保守性,低等生物衰老的一些基本机制在高等生物方面也应该有
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收稿日期:作者简介:
2006-05-12
郭晓强(1977—),男,硕士,助教,联系作者,
SIRT1 ̄3属于I类,该类型和Sir2的关系最为接
近,SIRT4属于II类,SIRT5属于III类,而SIRT6和7属于第IV类。相对于I类型,SIRT6与Sir2的同源性较差,如小鼠SIRT6与酵母Sir2的同源性只有25%。这个初步结果说明,尽管存
在同源关系,但具体的作用机制可能存在一定的差异。
E-mail:xiaoqiangguo123@163.com
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为人类造福的那一天也终将到来。
参
[1]
[8][9]
LeeTIetal.Science,2002,298:799—804MitsuiKetal.Cell,2003,113:631—642
考文献
[10]ChambersIetal.Cell,2003,113:643—655[11]HombriaJCetal.CurrBiol,2002,16:R569—R575[12]HochedlingerKetal.Cell,2005,121:465—477[13]SimonssonSetal.NatCellBiol,2004,6:984—990[14]GrahamVetal.Neuron,2003,39:749—765
[15]RoddaDJetal.JBiolChem,2005,280:24731—24737[16]BallasNetal.Cell,2005,121:645—657[17]HeJetal.JBiolChem,2003,278:30540—30547
EvansMJetal.Nature,1981,292:154—156
[2]BoyerLAetal.Cell,2005,122:947—956[3][4][5][6][7]
LewisBPetal.Cell,2005,120:15—20
KanellopoulouCetal.GenesDev,2005,19:489—501PasquinelliAEetal.CurrOpinGenetDev,2005,15:200—205Shen-OrrSSetal.NatGenet,2002,31:64—68ManganSetal.JMolBiol,2003,334:197—204