Pax6 基因研究进展1.doc
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1、精品论文推荐Pax6 基因研究进展1朱利瑞,贾彦娟,高岚*兰州大学生命科学学院,兰州(730000)http:/- 3 -Email:摘要:Pax6 基因对脊椎动物及无脊椎动物眼、鼻、中枢神经系统以及内分泌腺等器官的发 育起到重要作用。它能调节多种下游分子的表达,包括转录因子、细胞黏附因子、短距离细 胞-细胞信号分子、激素及结构蛋白等。Pax6 突变导致多种症状,如人类无虹膜、虹膜发育 不全、角膜炎、瞳孔异位、眼球振颤、神经发育紊乱、视神经发育不良等,鼠小眼畸形 (small eye),果蝇眼睛缺失(eyeless,ey)等。本文从 Pax6 基因及其编码产物结构特点、表达部位、 功能及其缺陷
2、、主要上下游调控因子以及 Pax 家族其他成员功能等方面介绍目前 Pax6 基因 的相关研究进展。关键词:Pax6,编码产物,调控因子,发育,缺陷 中图分类号:Q7861. 引言Pax 在脊椎动物与无脊椎动物发育过程中广泛表达,它们在胚胎发育过程中起着重要的 调控作用1-6。Pax 基因表达的蛋白是一类重要的转录调控因子,Pax 基因家族有九个成员, 分别命名为 Pax1-Pax91。其中 Pax6 在生物生长发育中起重要作用,它调节很多生命活动中 的分子表达,包括转录因子、细胞黏附因子、短距离细胞-细胞信号分子、激素及结构蛋白 等2。Pax6 在眼睛、神经系统、鼻、胰腺和内分泌腺等组织器官的
3、发育中起着重要作用,它 广泛的参与细胞增殖、迁移、分化和黏附等生命活动,通过不同的剪接变异体与多种蛋白结 合,在不同的组织和细胞中发挥不同的功能3-6。人与鼠的 Pax6 基因具有高度同源性,杂合 子 Pax6 基因突变导致鼠小眼畸形;纯合子 Pax6 突变导致胚胎出生前死亡,除了脑缺陷外, 还有眼睛和鼻腔缺失,胰腺形态异常7。在人类,杂合子 Pax6 突变导致无虹膜症,该疾病 有多种表现形式,如晶状体、虹膜、角膜、视网膜畸形,将导致白内障、绿内障等;Peter 异常是人类又一个与 Pax6 突变相关的稀有异常病,症状为中心角膜不透明、晶状体与角膜 连体;纯合子 Pax6 突变导致眼缺失且存在
4、面部畸形、脑缺陷8。Pax6 基因在脊椎动物和无 脊椎动物均十分保守,研究表明果蝇、小鼠、乌贼、海鞘的 Pax6 同系物可以诱导果蝇成虫 盘产生异位眼9-11。本文主要针对 Pax6 基因及其编码产物的结构特点、Pax6 表达作用部位、 Pax6 功能及其缺陷、Pax6 上下游调控因子以及 Pax 家族其他成员的作用进行综述。2. Pax6 基因及其编码蛋白结构特点Pax 基因家族的共同特点是含有配对盒基元序列。Pax6 除有配对盒序列外还有同源结构 域序列。Pax6 配对盒基元保守序列为 387bp,编码 129 个氨基酸。Pax6 同源结构域小于配 对盒结构域的一半,编码 61 个氨基酸。
5、Pax6 编码产物属于 DNA 结合蛋白家族,其结构中1本课题得到国家自然科学基金委员会(No:30570224)、甘肃省自然科学基金(No:3ZS061-A25-060)资助。精品论文推荐含有配对盒结构域 (Paired domain,PD) 和同源结构域 (homeodomain,HD),二者在功能上均属于高度保守的转录因子,通过识别、结合特定 DNA 序列而调节其靶基因的表达。Pax6 蛋白还能与许多其他蛋白结合,它们通常是一些转录因子。此外,其羧基端为一富含脯氨酸、 丝氨酸及苏氨酸结构域 (PST-rich),说明 Pax6 同时具有潜在的 DNA 激活功能12。Pax6 定位于人染色
6、体第 11 号染色体长臂 13 位点 (11p13),小鼠 2 号染色体。Pax6 基 因在脊椎动物和无脊椎动物均十分保守9-11。果蝇 ey 基因在爪蟾 (Xenopus) 胚胎内过表达 同样可导致脊椎动物眼结构的发育,结果表明果蝇 Pax6 同系物与脊椎动物 Pax6 具有同等的 机能作用13。人和小鼠的 Pax6 蛋白是相同的,在脊椎动物中保留超过 96%蛋白结构的一致 性;人类与啮齿类动物的整个编码区域相似性为 100%,与家禽类和斑马鱼(zebrafish)的相似 性也非常高,分别为 96%和 93%;哺乳类动物 PRD 和 HD 编码区与果蝇和线虫存在 80%-90% 的相似性14
7、。文昌鱼 Pax6 基因编码的蛋白质,同样也包含一个配对域和一个结构域,其80%-100%序列都显示与另外一些脊椎和无脊椎动物的一致性,以及与这些保守的 DNA 结 合域之外的较高的序列一致性,尤其是在 C 末端15。同样比较被囊类与文昌鱼 Pax6 蛋白, 配对域和同源域相同氨基酸序列则相对较低(87%和 95%),未发现保守的 C 末端序列。前期 本实验室克隆出无尾两栖类花背蟾蜍 (Bufo raddei Strauch) Pax6 同系物(NCBI-GeneBank 序 列号 EF685708.1), Pax6 全长 cDNA 的同源性比对分析结果显示花背蟾蜍与非洲爪蟾、人 和小鼠的同源
8、性分别都高达 83,84和 82。花背蟾蜍 Pax6 对应的蛋白与其他脊椎动物 该蛋白相比有超过 95%的同源性。对花背蟾蜍、非洲爪蟾、人、小鼠四种脊椎动物的 Pax6 蛋白的三个功能区进行分别的同源性分析显示这些区域在氨基酸水平上有超过 90%的同 源性。这些说明 Pax6 基因在整个进化过程中是一个高度保守的序列,意味着该基因在基础 发育过程中起到重要作用5。Pax6 基因编码的蛋白质分布于细胞核,越来越多的资料表明 Pax6 蛋白是一重要的转录 调控因子,此即 Pax6 基因功能的分子生物学基础16-18。Pax6 蛋白配对域二级结构含有 3 个 螺旋,其间可插入一 14 氨基酸的短肽而
9、成为一有独特 DNA 结合特性的蛋白,可使 Pax6 以其羧基端与 DNA 结合,而一般 Pax 蛋白的 DNA 结合部位多在其配对区的氨基端16。Pax6 蛋白第二 DNA 结合位点同源域亦含有 3 个 螺旋,分别以其第三个 螺旋和游离氨基端与 DNA 深、浅沟结合。这种 Pax6 蛋白的多结合位点对于在分子水平研究眼睛的发育和进化以 及遗传性疾病的发生具有重要意义18。Pax6 蛋白能够于体外结合某些 DNA 靶序列并激活下 游报告基因的转录,Pax6 蛋白的 PD、HD 均参与对 DNA 的结合19。目前只有少数 Pax6 蛋 白的靶基因被鉴定,因此 Pax6 蛋白的转录调控功能有待深入
10、研究18。3. Pax6 基因功能多细胞器官的正常生长和发育需要基因的精确调控,Pax6 是多种器官发生发育的必需 条件19-21,还是一些功能维持的必要条件22-23。Pax6 的表达局限在眼睛、中枢神经系统、 鼻和内分泌胰腺,对他们的发育起到重要作用24。3.1 Pax6 基因与眼发育据研究,眼睛的发育很大程度上受 Pax6 基因的调节3,8,21。Pax6 基因作为眼睛发育的重要基因,对控制细胞的增殖和分化起着重要作用25。眼睛发育过程中,Pax6 表达于眼球 各种组织中,包括视盘、视泡、晶状体、角膜上皮、虹膜、睫状体、神经视网膜各层以及视 网膜色素上皮中20,26。Pax6 基因的表达
11、与感觉器官形成的分化诱导作用是一致的。在鼠眼 发育过程中,起初 Pax6 广泛表达于头表皮外胚层,然后局限于预定晶状体和角膜区域,之 后顺次表达于视窝、视神经沟、视泡内;Pax6 mRNA 还表达于胚胎晶状体初级纤维细胞及 之后的次级纤维细胞内;除晶状体外,在即将发育为角膜的表面外胚层以及之后的角膜上皮 中也检测到 Pax6 mRNA 的表达。视泡内表达 Pax6 与神经视网膜内层发育相关8。Pax6 对 于脊椎动物眼睛的发育是必需的,晶状体板的形成、晶状体的发育、晶状体上皮细胞特性维 持、视网膜各层的正确定位、虹膜形成、角膜上皮的维持、视网膜祖细胞的命运都离不开 Pax6 的正确表达21。P
12、ax6 基因不仅与虹膜发育有关,同时亦与晶状体形成后期、角膜及神 经视网膜形成等密切相关3。在眼发育过程中 Pax6 表达异常导致眼发育异常,如人类无虹膜症,鼠“小眼”畸形, 果蝇“无眼”畸形。小鼠小眼突变型 (Sey) 是缘于 Pax6 的丢失、点突变、mRNA 剪接异常 27。小鼠 Sey 突变为半显性突变,纯合鼠无眼、无鼻。这是因为 Pax6 突变影响前中脑神经 嵴细胞向眼原基、或者自眼原基向鼻原基的迁移。在正常的发育过程中,Pax6 的表达对眼 睛晶状体决定、鼻外层向基板转变是必需的4。尽管 Pax6 基因在脊椎动物眼发育中的作用 尚不太清楚,但是,Pax6 在表皮外胚层的表达和纯合子
13、小眼球胚胎不能形成晶状体基板与 Pax6 基因在晶状体发育过程中的决定作用是一致的4。并且,Pax6 基因的早期表达和畸变 胚胎缺陷的形成决定了在视泡发生中的重要作用28。鼠 Sey/Sey 胚胎无晶状体板、晶状体窝、 晶状体泡,这和 Pax6 对晶状体板的形成是必需的相一致8。人的无虹膜症 (aniridia) 同样是 因为 Pax6 发生突变造成的。无虹膜症是半显性遗传病,表现为虹膜完全缺失或部分缺失, 角膜混浊、晶状体、视网膜发育紊乱27,进行性发展的角膜病变最终可导致角膜基质瘢痕 形成,视功能丧失29。果蝇“无眼”畸形最早发现于 1915 年,是由于 ey 基因突变造成的, 表型为复眼
14、的部分或全部缺失30。3.2 Pax6 基因与晶状体、视网膜再生目前多数学者认为Pax6是晶状体形成的主导基因4,9,Pax6基因结合位点的启动子对于 晶状体的特定表达是必需的21,30。晶状体再生过程并不是正常发育的一个简单重复,但是目 前已经检测出有些基因在胚胎发育和晶状体再生过程中都表达,如Pax6、Six3、Prox1等31。 表达Pax6的一些非晶状体组织具有转分化为晶状体的能力,如预定松果腺体,它有多种潜能, 具有形成晶状体的能力;此外,胚胎视网膜、虹膜、色素视网膜上皮以及角膜上皮均表达Pax6 基因,这些组织均具有转分化为晶状体的能力4,20。在晶状体摘除后,蝾螈虹膜背缘色素上
15、皮细胞、非洲爪蟾外角膜内层细胞均能转分化再生出一个新的晶状体,并且在晶状体再生过 程中Pax6在这些组织中表达32-33。因此,Pax6表达是晶状体形成的前提,而在非晶状体组织 中Pax6的表达反映了晶状体形成的能力,只是这种能力通常被转移到其他途径而无效。相关研究表明,Pax6基因在缺乏晶状体再生能力的动物,如美西螈眼睛中的表达量随着动物的生长而下降,导致其不能再生晶状体;而在能再生晶状体动物,如成熟赤腹蝾螈眼睛中及晶状体再生过程中,Pax6基因均有表达,并且在成体后肢中检测到该基因的表达 34-35。说明该基因在晶状体再生过程中起着很重要的作用。在摘除晶状体的蝾螈眼睛内, 通过morpho
16、linas处理来敲除Pax6基因,发现在再生不同时期敲除该基因可以阻止细胞增殖 和晶状体蛋白的表达,但是,原位杂交和免疫组织化学的研究显示一旦晶状体蛋白表达、 晶状体纤维分化开始了,即使没有该基因的表达,晶状体蛋白仍然能够持续表达32。说明 该基因是在晶状体再生的早期阶段起作用的,一个主要作用是调控细胞的增殖,另一个作 用是调控随后的晶状体蛋白表达进而控制晶状体纤维分化32。Pax6 基因能够直接调节晶状体蛋白的转录,其中包括 -晶体蛋白(豚鼠)36、A-晶体蛋 白(小鼠)37、-晶体蛋白(鸡)38。有关 Pax6 在晶状体胚胎发育过程中的转录方式和遗传证据 表明,Pax6 在晶状体的形成和再
17、生方面起决定性作用,它的基因缺陷或表达改变将直接影 响晶状体的正常功能。Avdonin 等研究了蝾螈视网膜再生过程中调控基因 Pax6、Otx2、Six3 及 FGF2 的表达, 结果表明这些因子在视网膜再生过程中发挥多种功能,它们不但控制视网膜色素细胞(RPE) 的转分化(视网膜再生的关键时期),还控制再生视网膜的分化39。3.3 Pax6 基因与中枢神经系统发育鼠胚胎中,Pax 基因表达于中枢神经系统,他们在脑的表达范围表明了在脑的区域化作 用,Pax 基因表达对中枢神经系统分区和神经干细胞(NSCs)分化为不同的神经元也有重要作 用40。除 Pax1、Pax9 外,小鼠的 Pax 基因均
18、在发育中的神经管表达17,41。Pax6 基因是 Pax 家族中最早表达的 (交配后 8d),它的表达在前脑和后脑检测到,在交配后 15.5d 时,Pax6 开始在末脑表达,Pax6 的表达贯穿整个发育过程。Pax6 在 8-8.5d 的鼠胚中就开始表达,即 其表达发生在神经管细胞开始分化之前,主要见于有丝分裂旺盛的细胞。Pax6 可能与脊索 的诱导信号介导脊髓背腹方向极化有关18。Pax6、Sox2、EGFR 是在皮层的神经发生过程中 起着决定性作用的分子,EGFR 主要参与迁移和向胶质的分化;Sox2 主要调控细胞周期与 增殖;Pax6 则主要调控向神经元的定向分化42。动物实验表明,Pa
19、x6 基因在发育过程中的 脑和成体脑中都有表达,且对脑发育和脑结构有重要作用19。Pax6 基因突变能够引起人脑结构异常。研究发现对一个由 Pax6 c1080 CT 突变引起无 虹膜的家系中,大部分 Pax6 基因突变患者表现出不同程度的脑质退化变性、胼胝体变薄萎 缩和嗅球萎缩等脑结构的异常。有关 Pax6 基因突变对人脑结构影响的研究表明,Pax6 基因 突变能够引起一定的脑结构异常,并且 Pax6 基因纯合突变鼠表现出严重的脑畸形,而杂合 突变(SeyNeu) 鼠的脑结构异常程度则明显减轻41。3.4 Pax6 基因与眼的进化目前发育生物学家已经证实人与鼠的 Pax6 基因无论在结构上还
20、是在功能上都具有很高 的同源性,Gehring 等研究结果证明果蝇基因组中含有 Pax6 同源基因,其编码的蛋白质序列 与人的 Pax6 蛋白具有 94%的同源性15。显然,不管在脊椎动物还是在无脊椎动物昆虫中, Pax6 基因都扮演着调控眼睛发育的角色。但是,目前科学家仍不清楚进化过程中脊椎动物- 4 -和昆虫发育途径是如何歧化的,这有待进一步研究来阐明。Pax6 基因可能是脊椎动物和无脊椎动物所共有的眼形态发生的主导基因。果蝇的Eyeless基因和小鼠的Pax6 基因是与眼发育有密切关系的基因转录调节因子。果 蝇eyeless的突变可造成眼部分或全部的缺失,而Pax6 可拯救这种突变的表型
21、。此外,脊椎 动物的Pax6 在果蝇中同样可以诱导易位眼的发生43。在线虫中Pax6 的同源基因VAB3 在头 部和感觉器官的发育中发挥重要作用,因此这可能是Pax6 更基础和原始的功能,而在高等 动物的进化中它的功能被修饰后发展出专一应答光刺激的眼44。眼的结构在进化的历史上20 多次独立发生,头足纲动物与脊椎动物独立发展出高度发达的眼器官。达尔文曾经把复 杂而又毫无瑕疵的眼是怎样一步步产生视觉作为进化论中的难解之谜,如果了解到Pax6 基 因在脊椎动物和无脊椎动物中的高度保守性,眼的发生也就不难理解了。在文昌鱼,头部视 觉感受器遵循以上规律,但较靠后的视觉感受器的发育过程似乎由一个非Pax
22、6 基因引导的 基因组调控45。3.5 Pax6 基因其他功能小鼠的 Sey 基因在发育中的胰腺、嗅腔上皮均有表达,研究表明 Pax6 基因在动物胰腺 和嗅球发育过程中起重要作用4。Pax6 基因在胰腺内分泌细胞分化中起关键作用。Pax6 从 胰芽发育的初始阶段就开始表达,直到胰腺分化成内、外分泌系统后,表达仅限于胰岛细胞 前体46。在鼠胚第九天 (E9) 时,Pax6 表达在背侧和腹侧胰芽内,也表达在分化的 4 种内 分泌细胞内47。Pax6 缺失, 细胞缺如,而胰岛素和生长抑素分泌细胞却可出现6。由此推 断出 Pax6 是 细胞发育所必需,而非 、 细胞发育所必需。Pax6 还参与内分泌细
23、胞形成 肠胃道表皮的发育过程,降低 Pax6 的表达量会直接减少胃分泌激素、胃生长激素抑制素以 及肠内胰高血糖素的合成46。胚胎嗅觉系统正常发育过程中,鼠胚 9.5d 由表面外胚层诱导 出鼻基板,之后形成嗅上皮。研究发现,Pax6 表达于以上嗅上皮形成的整个过程中,Pax6 在嗅觉上皮中表达,然后在嗅球中表达20,47。Pax6 突变鼠的鼻发育终止于胚胎 9.5 天20。 Glardon 的实验资料表明,Pax6 在文昌鱼的嗅上皮和垂体前叶的发生起重要作用,但不参与 胰腺细胞和脊索的发育48。此外,研究发现 Pax6 在大鼠触须的毛囊组织中也有表达,说明触须作为头面部的一种 特殊的毛发器官,P
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