【GATA-4、NKx2-5转录因子的研究进展】转录因子

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  文章编号:1009-5519(2008)15-2287-02 中图分类号:R363 文献标识码:A      转录因子GATA家族是能与核酸共同序列(A/T)GATA(A/G) 结合的细胞核转录因子,包括6个成员,即GATA-1、-2、-3、-4、 -5和-6。1995年Huang等[1]通过筛查人类心脏cDNA文库首次克隆出人类GATA-4 cDNA,以后相继在人类肺、肝脏和小肠等器官中检测到GATA-4 mRNA和蛋白的表达。人们应用果蝇同源结构域( homeodomain,HD) 寡核苷酸探针筛查果蝇cDNA文库,克隆出NK型同源盒基因, 随后分离出一种与果蝇背侧血管/ 心脏发育密切相关的果蝇NK-2型基因tinman基因。GATA-4和NKx2-5是目前研究较多的与心脏发育密切相关的转录因子。
  
  1 GATA-4转录因子
  
  GATA是一组组织特异性表达的转录因子,具有结合核酸共同序列(A/T)GATA(A/G)的特性,其中某些成员参与心脏的发育过程。脊椎动物有6个GATA转录因子,每个包含一个高度保守的DNA结合区域,这个区域由2锌指结构(Cys-X2-Cys-X17-Cys-X2-Cys)组成,其C末端主要结合DNA。许多离体实验中显示只有羧基末端锌指结构和其毗连领域是DNA特殊的结合位点。而氨基末端锌指与GATA伴侣蛋白( friend of GATA, FOG)转录因子相互作用锌指不仅可以结合于DNA,还能与RNA, DNA-RNA杂交体和其他锌指蛋白结合,控制生物体中蛋白的转录和翻译过程。虽GATA家族各个因子均认可一种GATA DNA 结合序列, 但因结合序列核心DNA的轻微不同,导致GATA 家族不同成员作用于不同的组织。人类GATA-4基因位于染色体8p23.1~p22,包括7个外显子,编码442个氨基酸,分子质量为44 627 u。GATA-4 mRNA在胚胎期和新生小鼠的心脏、原肠、生殖腺、肝脏和原始内胚层中均可以检测到,且在成年小鼠的心脏、性腺、肺、肝脏和小肠中亦有表达[2]。虽然GATA-4 因子表达广泛,其对于心脏发育却是必需的,是心脏前体细胞的最早期标志之一,是心脏发育过程中的重要转录因子,它首先在心前期中胚层表达,随后在心内膜及心肌中表达,几种心脏基因的控制区均存在GATA-4 结合位点。
  1.1 GATA-4与心脏发育:目前对GATA-4的研究主要集中在心脏方面,调节心脏前体细胞的分化、心脏的环化、房室的分隔、传导系统的维持[3]。GATA-4 在小鼠胚胎以及心脏发育的整个过程中表达,最早在小鼠胚胎发育第7~7.5 天出现,表达于体腔上皮细胞;在线性心管形成和卷曲时( 约胚胎发育第8 天) , GATA-4 表达于心内膜、心肌层中隔和胚内体腔上皮细胞到心脏分隔开始(约胚胎发育第9天),GATA-4呈高度表达,遍及心内膜、心内膜垫组织和心肌层。GATA-4在心肌层中的表达一直持续至出生后,GATA-4基因的这种时空表达模式说明其在心脏分化中有重要作用[4]。研究发现,GATA-4蛋白表达量减少70%,鼠胚胎死于孕龄13.5~16.5天,表现为完全性房室通道缺损、右室双流出道、心肌增殖减少所致的心室肌发育不全, 并且伴有严重的舒张功能障碍和房室反流,而收缩功能和冠脉系统均正常,这说明GATA-4表达水平的改变会影响胚胎心脏形态发育和功能[5]。GATA-4在胚胎嘴侧到尾侧和侧面到腹侧的折叠过程中起到关键性作用,这是心脏形成所必须的[6]。GATA-4突变引起人类先天性心脏病[7]。
  1.2 GATA-4与卵泡发育:Gillio-Meina 等[8]研究GATA-4 在小鼠、猪以及人类的卵巢中表达情况,结果显示GATA-4 参与卵泡发育的整个过程,始基卵泡中GATA-4 mRNA和蛋白定位于颗粒细胞,初级卵泡和窦状卵泡中的GATA-4 主要是在增生活跃的颗粒细胞中表达, 其表达水平随颗粒细胞的增殖活性同步增加。其中绝大多数初级卵泡无法发育成窦状卵泡而发生凋亡,卵泡凋亡的增加与 GATA-4表达的降低相关。在窦状卵泡的选择和优势化过程中,GATA-4大量表达,其表达量随着卵泡发育而不断增高,发挥正向调节作用。一旦卵泡发育成排卵前状态时,GATA-4 mRNA表达将达到最高值;而在非优势卵泡中,卵泡通过程序性死亡发生卵泡闭锁之前,GATA-4在所有颗粒细胞中的表达都急剧下降,认为GATA-4 表达降低与卵泡闭锁相关。排卵后,GATA-4在颗粒黄体细胞中表达逐渐降低, GATA-4在黄体中表达比卵泡低,在退化黄体中表达比妊娠黄体低。可以看出GATA-4的表达量随着卵泡发育过程呈现出动态变化,故推测GATA-4的持续表达促进颗粒细胞的增殖分化[8]。
  1.3 GATA-4因子与哺乳动物性别分化:Tremblay等[9]研究结果表明GATA-4转录因子能与SF21转录因子互作激活缪勒氏抑制物质(mullerian-inhibiting substance,MIS) 启动报告基因的活性,从而致缪勒氏导管的单向退化和由胎儿睾丸间质细胞产生的睾丸激素增强中肾导管系统的发育,进而影响性别分化。Watanabe等[10]研究结果表明GATA-4转录因子在初始的支持细胞中能介导MIS 启动荧光素酶活性,而且在克隆细胞中过量表达GATAs-1/4/5/6能够激活MIS 启动子报告基因的活性。Tevo sian等[11] 建立了GATA-4ki纯合小鼠和FOG-2-/-小鼠模型,其中GATA-4ki小鼠模型能够消除GATA-4因子与FOG-2的相互作用,结果显示这两种模型都出现了相同的缺陷。SF-1和WT-1 转录因子的表达与雌性性腺相同。两种模型的雄性性腺SRY 基因表达减少,SOX-9和MIS 消失,用于合成类固醇激素的酶也消失了,而这些基因产物都是睾丸激素合成所必需的,这些结果都表明在雄性动物中GATA-4和FOG-2因子之间的相互作用,是雄性性腺正常性别决定和分化所必需的。
  
  2 NKx2-5转录因子
  
  NK-2 编码转录激活因子是DNA结合蛋白质,结合位点位于目的基因的启动子和(或)增强子的共有序列[T(C/T)AAGTG],它能激活转录。NKx2-5 是NK 型同源盒基因家族Nkx2 型的成员, 位于人类染色体5q35 ,有两个外显子,外显子1,长799bp,包括1a(46bp)、1b(93bp)和1c(655bp),外显子1 c包含起始密码子ATG,外显子2(983bp)包含终止密码子TAG和同源结构域HD。人类NKx2-5基因编码的蛋白具有4类高度保守的结构域,包括N端的TN(tin) 结构域、160个氨基酸组成的同源盒结构域(HD)、位于HD下游的NK2-SD和C端含有GIRAW保守的结构域。NK2家族所特有的HD的第54位氨基酸是酪氨酸,负责特异的识别、结合DNA[12]。此外NKx2-5还有一个富含丙氨酸和脯氨酸残基的阻遏结构域,以及富含氨基酸和天冬氨酸、谷氨酸残基的激活域。它们的变化将引起蛋白质-DNA间亲合力的改变,从而影响基因的转录, 产生相关蛋白的缺陷,形成心脏畸形[13] 。
  2.1 NKx2-5与先天性心脏病:研究人员[14]分别在两栖类和啮齿类动物体内分离出NKx2-5 基因, 并证明确实与果蝇tinman基因高度同源。Lyons等[15]报道破坏NKx2-5基因的小鼠产生心脏发育的异常。Schott 等[16]证实在人类先天性心脏患者中确实存在NKx2-5基因的突变。NKx2-5基因突变大多是外显子的无义突变、错义突变、RNA剪接信号突变,以及寡核苷酸序列插入或缺失导致内含子剪接异常,阅读框架异位引起蛋白质截断等。NKx2-5基因具有显著性的心脏特异性表达的特点,虽然在发育阶段的脾、舌、胃和甲状腺等组织中NKx2-5基因也有低度表达,但出生后除心脏外其他器官中NKx2-5蛋白水平都显著下降。这说明NKx2-5在mRNA和蛋白水平上对多种器官的发育都有着一定的影响,尤其对心脏发育的作用最为显著[17]。
  果蝇tinman基因是NKx2-5基因的同类物。Tinman基因最初表达于所有中胚层细胞中,随后表达于中胚层的背侧部分,发育晚期仅在果蝇背侧血管(类似脊椎动物心脏结构)表达,该基因突变导致果蝇背侧血管完全消失[18]。在哺乳动物中,NKx2-5基因产物是心脏前体细胞最早的标志物,胚胎背侧中胚层形成所必需的,在心肌开始分化前即表达,在心肌发生后板的内胚层和中胚层有高表达,NKx2-5基因参与心脏前体细胞的分化、心脏的环化、房室分隔、房室流出道和传导系统的形成。随着心脏的发育,该基因的表达趋向局限,在发育成熟的心脏只房室肌细胞中有表达,但对成熟心脏发挥正常功能却必不可少。该基因的杂合性突变导致各种CHD,最常见的是房间隔缺损和房室传导阻滞。
  2.2 NKx2-5与心肌重构:NKx2-5除在心脏发生期持续表达外,在成年鼠及人的心脏亦有表达,NKx2-5在成熟心肌的表达提示其对维持心脏表型起作用,近来心脏特异性同源盒基因NKx2-5的特征和其在正常成人心脏组织的测定提出其在心肌重塑作用中的可能性,并发现NKx2-5与两种心脏基因ANF和a-cardiac actin特异性转录活性有关,前者为心肌肥厚的转录标志。研究显示,NKx2-5在右心室心肌细胞肥大开始时表达增加,并激活与心肌肥厚相关的ANF基因表达。NKx2-5与ANF的mRNA的表达均于第14天表达增加,第20~28天持续增高。右室肥厚指数与NKx2-5与ANF的蛋白质的表达呈显著正相关,说明心脏胚胎发育早期表达的心脏同源盒基因NKx2-5在成熟心肌重塑中起作用。
  综上所述,组织特异性GATA-4转录因子和NKx2-5同源核蛋白是心肌细胞前体的两个最早的标记。两个都是心脏形成的关键,它们心脏发育过程中起着互相协同的作用,一起调节心肌特异基因的表达。另外,GATA-4参与了性别分化、类固醇类激素的合成与调节以及生殖激素的调控,可以预见其在繁殖中的作用特别重要。对NKx2-5和GATA-4及其之间的相互作用、以及对它们结构和功能的关系进行更深入的研究,将为我们进一步认识胚胎心肌分化和发育的机理提供重要的线索。我们有可能从中找到合适的途径来诱导非心源性的细胞向心肌细胞分化。
  
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  收稿日期:2008-01-16 修回日期:2008-03-31

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