同源盒结构基因

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同源盒基因均含有180bp的高度保守序列,且在进化上高度保守,位于靠近3′端的分散的外显子上。这段序列编码60个氨基酸的同源结构域。HD折叠成3个α-螺旋结构。X-射线晶体学研究表明,螺旋Ⅰ与Ⅱ平行,螺旋Ⅲ与前2个基本垂直,Ⅱ、Ⅲ螺旋和它们之间的转折形成HTH(helix-turn-helix)结构。 [1] 
中文名
同源盒结构基因
含    有
180bp的高度保守序列
位    置
靠近3′端的分散的外显子上
序列编码
60个氨基酸的同源结构域
最早发现动物
果蝇
型号分类
A-P型和非A-P型

同源盒结构基因同源盒

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是一段编码60个氨基酸的DNA序列,最早在果蝇中发现,随后在多细胞生物三个王国均发现有同源盒基因。同源盒基因按其在染色体上的排列方式,分为A-P型和非A-P型。含有同源盒的基因编码DNA结合蛋白,调控基因的表达和控制器官发生与细胞分化。本综述简要论述同源盒基因在脊椎动物头面部发育中的作用。
[关键词]同源盒基因;脊椎动物;发育
同源盒基因(homeobox gene)是控制发育的主要基因,对动物的器官发生和细胞分化调控起关键作用。同源盒基因含有一个共同的180 bp的序列,称为同源盒(homeobox)。最早在果蝇中发现,随后发现所有多细胞生物,从寄生虫到脊椎动物以及植物和菌类中都有同源盒存在,且在进化上高度保守。同源盒编码60个氨基酸的同源结构域(homeodomain,HD)[1]。含有HD的蛋白是转录因子,可激活或抑制靶基因的表达。
脊椎动物中同源盒基因家族很大,按一个基因组中10万个基因估计超过0.2%的基因含有同源盒[2]。传统上同源盒基因分为两个亚家族,一类是成簇排列在染色体上,并按前后轴(antero-posterior,A-P)方式表达,称之为A-P型,即Hox基因或Ⅰ类同源盒基因。另一类是非A-P型同源盒基因,非成簇排列,而是散布于不同的染色体上,基于序列的相似性分为一系列组(group),例如:Emx家族、Pax、Msx和Otx家族的同源盒基因[3]。
本综述将分别阐述Hox基因和非A-P型同源盒基因在脊椎动物头面部发育中的作用,以及这些基因突变导致的人类畸形。

同源盒结构基因1同源盒基因的结构

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HTH与锌指结构、亮胺酸拉链一样是真核生物DNA结合蛋白的特征之一。第2和第3个螺旋间的浅沟结构,可以与特异核苷酸序列结合,而第1和第2个螺旋则为HD与DNA结合提供空间和结构完整性。同源盒基因的产物是真核转录因子,它的HD特异性识别以5′—TAAT—3′为核心的10-12bp的DNA序列,从而激活或抑制基因的表达[4]。

同源盒结构基因HOX基因在后脑构建

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和头面发育中的作用2.1哺乳动物Hox基因的命名
哺乳动物的Hox基因根据与果蝇同源复合体(HOM-C)同源性命名,至少有39个Hox基因分为4个簇(cluster):Hox A、B、C、D,排列在不同的染色体上,在人类分别是定位于7p15.3(HoxA)、17q21.3(HoxB)、12q13.3(HoxC)和2q31(HoxD)。每簇包含9-11个基因,基于序列相似性和复合体相对位置,不同簇间单个Hox基因可排成一线,与HOM-C也可以,表明4个簇可能来自于一个祖先复合体[3,5]。
2.2 Hox基因的作用
脊椎动物后脑或菱脑沿着前后轴暂时分为一系列片段(鼠和人中7个)称为菱脑原节[6]。后脑的这一片段组织决定了神经嵴细胞(neural crest cell,NCC)由神经外胚层向外普遍的片段性迁移以及咽和咽弓的形态构建。原位杂交分析发现,表达于某特定菱脑原节的Hox基因集合的一部分也表达于由该菱脑原节迁移来的NCC中,这提示Hox基因可能指导头部鳃区的形态构建[7]。
为证实此假设,1993年Rijli FM和Gendron-MaguireM分别进行了鼠的Hoxa-2基因功能失活实验[8,9]。正常情况下,来自于前两个菱脑原节和尾侧中脑的NCC正常迁移于第一弓(上下颌弓)中,在那里产生牙、上颌骨、鳞部(颞骨)、鼓室、锤骨和砧骨以及Meckel软骨。自第4菱脑原节发出的NCC正常移于第二弓(舌骨弓)中并形成镫骨、茎突骨和舌骨较小的角。Hoxa-2是Hox基因的“最前端”,因为它是这一家族中唯一表达于第二菱脑原节。在前-后轴的这一水平,它的表达仅限于神经外胚层,所以第一咽弓的NCC没有任何Hox基因表达。Hoxa-2表达于第二咽弓的NCC中。Hoxa-2无义突变的胎鼠中,第二弓中产生于NCC的骨骼选择性缺失(如镫骨)。第二弓的骨骼位置出现了第一弓尾侧的骨骼成分异位表达,与正常位的对应成镜象。异位表达的成分包括:1)中耳区内,多出砧骨、镫骨、切断的Meckel软骨以及鼓室骨骼;2)中耳区外,多出一个小的鳞部(颞骨)[8]。骨骼分析的资料结合基因表达数据说明Hoxa-2基因的破坏导致第二咽弓同源转化为第一咽弓性质。这一转化揭示来自于前两个菱脑原节的NCC的形态发生程序与骨骼的基础形态发生程序(ground patterning program,GPP)相符。野生型鼠中,GPP由Hoxa-2指定。象果蝇的同源盒基因一样
,Hoxa-2作为一个选择基因起作用,指导第二弓特异的形态发生。有趣的是,Hoxa-2突变鼠的第二弓发育出一个相当于爬行冈的上颌软骨的返祖的骨骼结构,所以,缺乏Hoxa-2时,第二弓的NCC执行的GPP相当于哺乳动物进化的兽孔目(therapsid)阶段[8,10]。
另外,其它的基因失活研究也证实Hox基因在后脑和咽弓的形态构建中起着重要作用。例如,Hoxa-3失活导致甲状旁腺机能减退和胸腺、甲状腺的发育低下。这些缺陷在Di George综合征中也观察到(Di George综合征不是Hox基因突变所致)[11]。Hoxa-1无义突变中发现第4和5菱脑原节缺陷,脑神经和内耳异常[12,13];Hoxb-1和Hoxb-2敲除的鼠有选择性面神经运动神经元缺陷。所表现的特点如:面肌麻痹,类似于人类Bell麻痹和Moebius综合征[14,15]。

同源盒结构基因3散在的同源盒基因在头部发育中的作用

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Hox基因在第二菱脑原节前的神经外胚层中没有表达,所以不能参与后脑的前部、中脑或前脑的发育。同样,在产生头面横纹肌的非(过度)片段的轴旁中胚层中也无Hox基因表达。在第一咽弓的间质和额鼻团弓中也缺少Hox表达,后者形成大部分颅骨和牙的间质成分。
蝇的头部发育控制取决于不成簇的同源盒基因,包括odt和ems基因。用果蝇的序列鉴定脊椎动物的同源物,从而克隆出与ems相关的Emx-1和Emx-2基因,与odt相关的Otx-1和Otx-2基因[16]。鼠的两个Emx和两个Otx基因表达于发育中的前脑和中脑明确且重叠的区域,常与解剖学标志相一致。功能缺失性研究发现它们对这些结构的形态构建起重要作用。这两个基因家族的序列保守和相关的表达模式表明,蝇和人的头部优势发育都建立于一个原始的祖先基因上[17-19]。有报道人类脑裂患者中发现Emx-2基因的突变。脑裂是一种罕见的先天疾病,特征是脑皮质全层裂隙,最终可缺失大部分脑半球,导致充满脑脊液的中空半球裂隙。这些患者的表现表明Emx-2蛋白对正常的脑皮质形成是必须的[20]。Otx-1无义突变鼠有与轻度脑异常相关的自发癫痫行为,这表明人类Otx-1基因突变可能是一些与皮质生成障碍有关的癫痫病例的病因[21]。
Engrailed同源盒基因En-1和En-2表达范围跨越第一菱脑原节和中脑。靶基因破坏实验发现En-1对其表达的整个区域的特异性起关键作用,而En-2的功能限于小脑叶。但是,En-1无义突变的表型:顶端和小脑发育不全,可通过在En-1位点插入En-2的CDNA完全纠正。这提示En-1、En-2突变的不同表型反映相应的蛋白暂时表达的区别,而不是它们生化活性存在差别[22]。
Pax家族由9个不相连的基因组成,每个人类Pax基因位于不同的染色体。除了有特征性的配对域(128个氨基酸的DNA结合域)外,Pax3、4、6和7还编码全长的同源域。鼠,螈,乌贼等胚胎中,Pax基因表达于中枢神经系统。正如Otx、Emx和En基因一样,它们在脑的表达范围表明了在脑的区域性作用。Pax6还表达于眼泡和未来的晶体中。Pax6基因在小鼠位于2号染色体上,在人类位于11q13。Pax6的杂合突变已在多种眼缺陷家族中发现。如:1)无虹膜,一种全眼疾病,其虹膜、角膜、晶体和视网膜的发育被扰乱;2)Peter异常,一种眼前室缺陷,伴角膜畸形以及晶体附着于角膜的中央;3)分离的上凹发育低下[23,24]。必须注意Pax6的突变包括失活和整个基因缺失,所以它导致的常染色体显性本质与HOXA13、HOXD13和PITI基因突变不同,不是由于突变蛋白的显性失活效应干扰了正常蛋白或相关蛋白的功能。相反,它反映了“单倍不足”,即产自一个单一功能性等位基因的蛋白的量不足以控制下游基因的表达。在此方面,值得注意的是一例Pax6纯合突变导致无眼和严重的脑缺陷[23]。
内眦皱襞耳聋综合征(Waardenburg Syndrome,WS)是一种伴有听力感觉神经元丢失和色素紊乱的显性遗传综合征,它占先天性耳聋的2%。Pax3基因功能缺失性突变在WSⅠ型和Ⅲ型中均有发现[25]。
牙齿的数目、大小、和形状部分反映了第一咽弓的形态。Msx-1和2在鼠胚胎中的表达以及Msx-1无效突变鼠的表型(无牙、完全的牙齿发育不全)证明这两个基因在牙发生的早期阶段起着关键性作用[26]。这些基因和其它同源盒基因如:Distal-less 1和2(DLX1,DLX2)、Goosecoid(GSC)表达于发育中的下颌骨的局限且重叠的区域。基于以上发现,人们推测存在一个牙源性同源盒密码指定牙齿位置和类型(切牙,臼齿、前磨牙、磨牙)[27]。有趣的是,人类Msx1基因的单一点突变导致一常染色体显性遗传的牙齿发育不全家系,表现为选择性牙齿发育不全(缺少所有恒牙的第2前磨牙和第3磨牙)。但Msx1与较普遍的人类牙发育低下,侧切牙和第2前磨牙发育不全无关。对一个Rieger综合征的家系进行突变分析发现一种新的同源盒基因—RIEG,它的突变导致了Rieger综合征(一种常染色体显性疾病,特征是牙齿发育低下,眼前室异常)[28]。
人类Msx2基因突变与一种罕见的Boston型颅缝早闭相关。注意,较常见的颅缝早闭综合征(Crouzon、Jackson-Weiss、Pfeiffer和Apert综合征)是由于FGFR基因的点突变所致[29]。
转录因子Pit-1,同源蛋白POU家族成员之一,仅在垂体腺前部合成,调控生长激素、催乳激素和TSH-β的β-糖蛋白亚单位的表达。编码Pit-1的基因突变在复合垂体激素缺乏的患者中发现,由于生长激素、催乳激素以及TSH的缺失,导致智力低下和生长缺陷。突变的Pit-1蛋白依然可同靶基因的DNA结合区结合,但同正常转录因子不同,它不激活转录,且阻止正常蛋白结合DNA。这些是该病显性的基础[30]。POU3F4基因突变可导致耳聋和镫骨固定,它代表了最常见的X-连锁听力损害[31]。表1综合了同源盒基因突变引起的人类颅脑出生缺陷。
同源盒基因是躯体形态的分子构架,除了调控颅脑发育,对中轴骨、肢体发生、泌尿生殖系统和消化道的形态构建都起基础性作用,另外同源盒基因失控还可以导致瘤。例如:Hoxa9参与t(7,11)(p15:p15)染色体转位,一种罕见但复发的染色体重组,与AML有关[32]。Psx3和Psx7与一些具有染色体转位特点的横纹肌肉瘤相关[33]。
同源盒基因作为转录因子,与其它转录因子联合起作用,同时又受到环境和机体转录调节蛋白的调控,例如:维A酸可通过改变Hox基因的表达而发挥致畸作用。在体内,MLL蛋白对Hox基因表达具有正性调节作用,参与维持Hox基因的表达;MEL18蛋白也参与调节Hox基因的转录[34]。同源盒基因连同转录调节蛋白参与的转录调控机制研究,将为研究同源盒基因的特性及细胞生长和分化的机制提供新的信息。
总之,鼠的同源盒基因突变研究已经明确确立了它们的蛋白产物在器官发生和形态构建中的基础作用,人类中一些早期的自发流产可能就是由于这些重要基因突变所致,将来会发现更多的先天畸形综合征与同源盒基因突变相关。

同源盒结构基因参考文献

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参考资料
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非生物