oct4、sox、klf4和nanog基因簡介

1、oct4、sox2、klf4和nanog基因簡介1、Oct4基因就是其中一個關(guān)鍵基因，也被稱為Oct3、POU5F1、Oct3或Oct4,是POU轉(zhuǎn)錄因子家族中的一員。人的Oct4基因位于6號染色體上(6p21.31)，長度為16.40kb,具有多個轉(zhuǎn)錄起始位點，轉(zhuǎn)錄不同的mRNA亞型(Isoform),從而翻譯成多種蛋白質(zhì)°Oct4Isoform1是轉(zhuǎn)錄的主要亞型之一，具有5個外顯子，4個內(nèi)含子，翻譯的蛋白質(zhì)含有一個保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域一一POU結(jié)合域，它能與含八聚體基序(octamermotif)的DNA結(jié)合從而調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。目前關(guān)于Oct4基因的研究主要針對Isofo

2、rm1,在鼠和人體內(nèi)，它主要表達(dá)于胚胎干細(xì)胞及生殖干細(xì)胞中，對于維持胚胎干細(xì)胞的多潛能性和自我更新具有極其重要的作用。Oct4基因的調(diào)節(jié)通路BOYER等鑒定出人類胚胎干細(xì)胞中有623個(3%)蛋白質(zhì)編碼基因和5個(3%)miRNA編碼基因的啟動子與Oct4關(guān)聯(lián)。這些基因包括許多以往在小鼠胚胎干細(xì)胞研究工作中所確定或假定的Oct4靶基因，如S0x2、Nanog、LEFTY2/EBAF、CDX2、HAND1、DPPA4、GJA1/CONNEXIN43、FOX01A、CRIPTO/T1)GFl和ZIC3等。這些基因大約一半是Oct4、Sox2和Nanog共同的靶基因，包括參與維持胚胎細(xì)胞多潛能性和自

3、我更新的重要調(diào)節(jié)通路Tgf-1(如TDGF1、LEFTY2/EBAF)和Wnt(女口DKK1、FRA=r2)的基因。多項研究也表明了Oct4基因?qū)π纬珊途S持胚胎干細(xì)胞的多能性和自我更新是和sox2和Nanog共同完成的。在人胚胎干細(xì)胞中，Oct4、Sox2和Nanog也可能通過調(diào)節(jié)STAT3的表達(dá)來調(diào)控JAK-STAT3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而對細(xì)胞的增殖分化產(chǎn)生作用。RODDA等研究認(rèn)為Sox2-Oct4屬于多能性基因調(diào)節(jié)的頂級層次，它們聯(lián)合控制Nanog并通過下游基因Esrrb、Rifl等調(diào)節(jié)細(xì)胞的多能性oTAKAHASHI和YAMANAKA28研究發(fā)現(xiàn)，多潛能性干細(xì)胞可以通過加入4種因子Oct

4、3/4、Sox2，c-Myc和KIf4從鼠成纖維細(xì)胞中得到，而Nanog并不是必要的。Oct4缺失的胚胎于細(xì)胞即使有Nanog表達(dá)，也不能起到維持胚胎干細(xì)胞不分化的作用29|。MASUI等30研究認(rèn)為Sox2通過直接或者間接方式調(diào)節(jié)Oct4的表達(dá)，進(jìn)而影響胚胎干細(xì)胞的多潛能性，Sox2敲除的鼠胚胎干細(xì)胞只要維持Oct4的表達(dá)就可以阻止其分化。因此，Oct4在維持胚胎干細(xì)胞方面可能更據(jù)主導(dǎo)地位，這與誘導(dǎo)多潛能性干細(xì)胞的實驗結(jié)論一致。Oct4基因與腫瘤作為胚胎干細(xì)胞的特異性基因，Oct4主要表達(dá)于胚胎和生殖細(xì)胞腫瘤中，如睪丸生殖細(xì)胞瘤、精原細(xì)胞瘤、胚胎性癌和胚胎癌細(xì)胞系中。非生殖系統(tǒng)腫瘤細(xì)胞中表達(dá)

5、Oct4的現(xiàn)象可以解釋為細(xì)胞癌變過程中胚胎基因的激活，或者說是干細(xì)胞致癌的一種證據(jù)。然而，LEENDERT等利用100多種腫瘤組織芯片的3439個標(biāo)本進(jìn)行Oct4基因表達(dá)情況篩查時卻發(fā)現(xiàn)該基因在非生殖細(xì)胞腫瘤中幾乎不表達(dá)，偶見于肺鱗癌和大細(xì)胞癌以及腎透明細(xì)胞癌中。這就出現(xiàn)了Oct4基因在腫瘤細(xì)胞系中的大量表達(dá)現(xiàn)象和目前研究結(jié)果在組織水平上(除膀胱癌外)基本不表達(dá)的結(jié)論之間的矛盾。有趣的是對于這種現(xiàn)象的解釋，研究者很自然地傾向于腫瘤于細(xì)胞，因為腫瘤干細(xì)胞在腫瘤組織中所占比例極少。Oct4基因與腫瘤作為胚胎干細(xì)胞的特異性基因，Oct4主要表達(dá)于胚胎和生殖細(xì)胞腫瘤中，如睪丸生殖細(xì)胞瘤、精原細(xì)胞瘤、胚

6、胎性癌和胚胎癌細(xì)胞系中。部分研究者開始質(zhì)疑Oct4蛋白在非胚胎性腫瘤細(xì)胞系和組織中的表達(dá)可能是假基因和亞型的影響，甚至是實驗過程中對照設(shè)置的不合理而過度曝光造成的。參見“Oct4基因的研究進(jìn)展2010”。2、晡乳動物性別決定基因sry決定著正常雄性睪丸的發(fā)育，其缺失或突變與性逆轉(zhuǎn)密切相關(guān)。sry基因的突變，可產(chǎn)生XY個體的性逆轉(zhuǎn)，使個體發(fā)育為雌性。1990年首先克隆了人的sry基因。在人和鼠中，sry基因位于Y染色體上，其編碼的蛋白SRY包括一個79個氨基酸的DNA結(jié)合區(qū)域，此區(qū)域和細(xì)胞核內(nèi)非組蛋白染色體蛋白HMG1和HMG2同源，稱為HMGbox(high-mobilitygroupbox)

7、。HMGbox在許多蛋白中廠泛存在，從而構(gòu)成了HMGbox超家族。正是由于sry基因的發(fā)現(xiàn)才導(dǎo)致了一個新的基因家族-sox(sry-relatedHMGbox-containing)基因家族的發(fā)珊”。sox基因家族編碼一組進(jìn)化上高度保守、結(jié)構(gòu)上與SRY相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，其包含的HMG-box與SRYlsry的HMG-box具有高度(>50%)的氨基酸序列相似性。1995年,Yuan等們首先從胚胎癌細(xì)胞的cDNA文庫中克隆了小鼠sox2的全長cDNA。1996年，Collignon等又用人的sry基因作探針篩選8.5日的老鼠胚胎cDNA文庫，分離出sox2的全長cDNA。小鼠的sox2基因定

8、位于第3號染色體上。研究表明，sox2與大多數(shù)sox基因一樣為單外顯子結(jié)構(gòu)，并隨機(jī)分散存在于整個基因組，不形成基因簇。HMG-box中可能曾經(jīng)包含一個內(nèi)含子，此內(nèi)含子仍在tcf基因及一些sox基因中出現(xiàn)，但在sox2等大多數(shù)基因中早已丟失。推測缺乏內(nèi)含子的基因由逆轉(zhuǎn)錄及倒位產(chǎn)生。參加“轉(zhuǎn)錄因子Sox2的研究進(jìn)展2004姚鑫院士”。3、2006年，Kazutoshi等1首次證實，Klf4、Sox2、Oct4和c-Myc轉(zhuǎn)錄因子能夠?qū)⑿∈蟪衫w維細(xì)胞誘導(dǎo)成iPS細(xì)胞，因此，這4種轉(zhuǎn)錄因子在體細(xì)胞重編程中的作用機(jī)制和功能研究已成為相關(guān)領(lǐng)域的熱點。人的Klf4基因定位于染色體9q31，覆蓋6.3kb的基

9、因段，有5個外顯子。其cDNA編碼區(qū)長度為1413bp，編碼一個由470個氨基酸殘基組成的多肽；?而小鼠的klf4定位于染色體4B3，小鼠Klf4蛋白全長包含483個氨基酸殘基，與人Klf4蛋白氨基酸序列的同源性為91%，在羧基端有103個氨基酸殘基完全一致2。通過RNA轉(zhuǎn)移吸印技術(shù)分析顯示，人和鼠的Klf4轉(zhuǎn)錄物長度均為3.5kb，相對分子質(zhì)量為53k，但在小鼠組織中表達(dá)水平更高。豬的Klf4基因位于染色體1q28-29處，編碼序列全長為1533bp。Klf4曾被命名為胃腸富集Kruppel樣因子或表皮鋅指因子2,主要在消化道和上皮細(xì)胞中表達(dá)，在口腔、食管上皮、皮膚表皮、胸腺上皮及血管內(nèi)皮等

10、處也有廣泛表達(dá)6。Klf4是一種具有結(jié)合位點特異性真核生物鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子，屬于Klf蛋白家族一員，具備Klf蛋白家族的結(jié)構(gòu)特性。Klf4主要特征是包含3個結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域和核定位序列。高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域位于羧基端，一般用來調(diào)節(jié)DNA結(jié)合的特異性；而高變性的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域位于氨基端，主要發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活和抑制作用。目前推測Klf4在iPS細(xì)胞中參與維持細(xì)胞多潛能性的機(jī)制有以下幾方面：首先，Klf4能和c-Myc起改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而使決定細(xì)胞多潛能性的Oct4和Sox2兩種基因能結(jié)合到它們的靶部位，以便提高細(xì)胞誘導(dǎo)的效率39;?其次，是Klf4在細(xì)胞生長、增殖、分

11、化及胚胎發(fā)育中都發(fā)揮著重要作用，Klf4既可作為原癌基因又可作為腫瘤抑制蛋白，過量表達(dá)抑制ES細(xì)胞分化，但能促進(jìn)自我更新41;?再次，Klf4在誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞過程中可以與p300組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶相互作用調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄18。研究發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定傳代的iPS細(xì)胞中出現(xiàn)轉(zhuǎn)基因沉默,由此推測外源性Klf4、Sox2、Oct4、c-Myc僅參與啟動體細(xì)胞重編程過程，而并非維持細(xì)胞多能性，細(xì)胞多能性的維持主要是由外源Klf4激活的內(nèi)源Klf4參與調(diào)節(jié)42。至于Klf4在誘導(dǎo)iPS細(xì)胞中發(fā)揮的其他功能及具體的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。在這四種轉(zhuǎn)錄因子中，Klf4的表達(dá)模式與Oct4相近，當(dāng)Klf4過表達(dá)時能維持O

12、ct4的表達(dá)1。Klf4通過直接抑制p53的表達(dá)來抑制c-Myc誘導(dǎo)編程性細(xì)胞死亡，同樣c-Myc也反過來抑制Klf4的抗增殖能力43°Klf4與c-Myc這種動態(tài)平衡在誘導(dǎo)iPS細(xì)胞的過程中發(fā)揮著重要作用，但Klf4和c-Myc這兩個基因既是多潛能相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，也是潛在的致癌基因，這使人們擔(dān)心iPS細(xì)胞的應(yīng)用可能會誘導(dǎo)癌癥的發(fā)生。在臨床應(yīng)用中為了尋找一種更簡單、更安全，并能減少所需轉(zhuǎn)基因數(shù)量和避免對原癌基因c-Myc需要的程序，Kim等44報道僅需Oct4與Klf4或c-Myc兩種轉(zhuǎn)錄因子中的一種組合就能從成年小鼠神經(jīng)干細(xì)胞中獲得iPS細(xì)胞，因為內(nèi)源性Sox2和c-Myc在神經(jīng)細(xì)

13、胞中的表達(dá)水平遠(yuǎn)高于ES細(xì)胞。另有研究者試圖使用小分子化合物來替代潛在致癌轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行iPS細(xì)胞的誘導(dǎo)，或通過替換病毒載體來誘導(dǎo)iPS細(xì)胞。Shi等45用BIX-01294和BayK8644兩種小分子混合物處理轉(zhuǎn)染Oct4/Klf4的小鼠胎兒成纖維細(xì)胞，也成功產(chǎn)生iPS細(xì)胞。Okita等46使用兩個質(zhì)粒取代病毒載體，一個質(zhì)粒運載c-Myc基因，另一個質(zhì)粒運載Oct4、Klf4和Sox2基因；然后把兩個質(zhì)粒同時導(dǎo)入小鼠胎兒成纖維細(xì)胞，成功培育出iPS細(xì)胞。這些研究成果為我們提供了一種獲得iPS細(xì)胞更簡便，相對較安全的新思路。參見“Klf4的功能研究進(jìn)展2009安徽農(nóng)大動科學(xué)院劉亞”。4、2003

14、年，Mitsui和Chambers等幾乎同對報道，并且正式命名了Nanog基因，這是一種在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)、原始生殖細(xì)胞以及ESCs表達(dá)的新轉(zhuǎn)錄因子。Nanog基因?qū)儆贏NTP類,NK家族基因，在人定位于12號染色體12p1331。其cDNA由2184個核苷酸組成，包含一個開放閱讀框，編碼305個氨基酸。Nanog基因在ESCs的作用機(jī)制與調(diào)控特點無論小鼠還是人的ESCs轉(zhuǎn)錄調(diào)控，都以O(shè)ct4、Sox2和Nanog這3個轉(zhuǎn)錄因子為核心。這3個調(diào)控因子，缺少任何一個，ESCs都會發(fā)生分化，它們都是維持ESCs特性所必需的。其中，Sox2屬于高泳動類非組蛋白盒結(jié)構(gòu)域蛋白，Nanog和Oct4屬于同源盒結(jié)構(gòu)

15、域蛋白。Sox2是通過保持Oct4的適當(dāng)表達(dá)水平穩(wěn)定ESCs的多能性，而Nanog和Oct4主要通過阻斷ESCs的分化維持多能性。FoxD3是Wingedhelix/forkhead轅錄因子家族中的一員，主要在ESCs等多能細(xì)胞中表達(dá)。有學(xué)者認(rèn)為，Oct4、Nanog、FoxD3之間形成了一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)路來控制ESCs亞全能性與白我增殖，即Oct4直接作用于Nanog，使Nanog維持在一個亞穩(wěn)定狀態(tài)的濃度（而不會達(dá)到或超過穩(wěn)定狀態(tài)的水平）；然而FoxD3可以抑制Oct4對Nanog的這種效應(yīng)；同時FoxD3和Nanog可以促進(jìn)Oct4的表達(dá)，而Oct4的過表達(dá)又會受到白身反饋抑制，這樣，這

16、三者之間就形成了一個相互依賴的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)以維持ESCs的自我更新能力。也有研究表明，F(xiàn)oxD3作為一個調(diào)控分子，能直接與Nanog啟動子區(qū)結(jié)合，從而對Nanog發(fā)揮正調(diào)控作用。p53是Nanog的一個負(fù)調(diào)控子。轉(zhuǎn)錄因子3為Nanog的另一個負(fù)調(diào)控子，能結(jié)合到Nanog啟動子區(qū)，并限制Nanog的表達(dá)，最新研究顯示，Wnt途徑中轉(zhuǎn)錄因子3通過調(diào)控ESCs的Nanog和Oct4等核心因子，使ESCs在維持多能性與分化之間保持平衡。維生素A也能夠使Nanog的表達(dá)上調(diào)，但這種上調(diào)作用不依賴LIF/gpl30/JAK/STAT3、Wnt、臂形成蛋白、成纖維細(xì)胞生長因子以及轉(zhuǎn)化生長因子3/activin/

17、noda及Oct4-Sox2等途徑，表明對于Nanog的表達(dá)調(diào)控還存在除上述信號通路以外的其他未知途徑。Nanog基因與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系Nanog不但在多能性細(xì)胞中表達(dá)，而且還在乳腺癌、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤、生殖細(xì)胞瘤和前列腺癌等多種腫瘤細(xì)胞中表達(dá)。因此，Nanog不僅是維持ESCs自我增殖和亞全能性起關(guān)鍵性作用的因子，而且似乎與腫瘤有著千絲萬縷的聯(lián)系。由于腫瘤細(xì)胞同干細(xì)胞一樣，都具有自我增殖更新能力，而且有多條相同的信號通路（Wnt、SHH、Notch等），因此有研究者推測：Nanog可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮著重要作用，所以對Nanog基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制的深入研究有助于探索控制和治療癌癥的新方法193。Nanog基因與生殖細(xì)胞腫瘤的關(guān)系?？Nanog基因與生殖細(xì)胞腫瘤之間的關(guān)系一直是研究熱點，目前已研究證實人類ESCs與原始生殖細(xì)胞共同表達(dá)的基因有Nanog、GDF3和STELLAR.