OCT4、SOX2 和NANOG对胚胎干细胞的调控

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(embryonic stem cell, EScell)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。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。

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, 超过1/3 的哺乳动物蛋白质编码基因是miRNA 的靶基因, 而缺乏miRNA 转录的ES 细胞则不能进行分化。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。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miRNA基因的表达。有实验结果提示, 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。Boyer 等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。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)。

2. OCT4、SOX2 和NANOG 的调节网络

⑴ 前馈系统和自身调节网络研究表明,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。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“开关”作用。在ES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。

此外, OCT4、SOX2 和NANOG 还通过组成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。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。

⑵ 调节多条关键信号转导通路除了组成前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。

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, 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。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, 在小鼠发育过程中起到重要作用。这提示, 在人类ES 细胞中, OCT4、SOX2 和NANOG 也可能通过调节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。

⑶ 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、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。

3. OCT4、SOX2 和NANOG 的调控结果

作为一个协同作用的团队, OCT4、SOX2 和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。

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, 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 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。当这种表达出现在肠道组织细胞时, 将诱导细胞迅速增殖, 而当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。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。又有研究表明, 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。

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、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。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。

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、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 细胞在诸多领域为人类造福的那一天也终将到来。