遗传HEREDITAS (Beijing) 20(2): 35-x38 1998续宗主匕在小鼠早期胚胎发育和种系中特异表达的转录因子OCT4童英尚克刚(北京大学生命科学学院,北京100871)OCT4: a Transcription Factor Expressed Specificallyin Mouse Early Development and GermlineTONG Ying SHANG Kegang(College of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871)在小鼠的胚胎发育过程中,成熟的种系细胞是由一群前体细胞即原始生殖细胞(Primordial Germ Cells,PGQ演变而来的,利用一些非种系特异的标记如碱性磷酸酶和多种细胞表面标记,最早可在原条期的胚胎中检测到原始生殖细胞的存在。但谱系分析的结果表明,从囊胚期到原条期,将来发育为种系细胞的那群前体细胞就已从体细胞中出来。要确定这个‘・奠基者群体”的大小和精确的起源,需要更早期的标记〔197。因此,目前发现的唯一能在小鼠早期胚胎发育和种系中特异表达的转录因子OCT4,就成为人们特别关注的焦点。1989年,Schole:等人〔153在小鼠成体的各种组织和不同发育阶段的胚胎中检测到一系列OCT因子(此类因子能与八聚体序列结合,因而命名为OCT因子),其中OCT4只在原始生殖细胞、卵母细胞和体外培养的胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells, ES cells)中表达Lenardo等人〔4〕曾经报道在体外培养的畸胎瘤干细胞(Embryon-ic Carcinoma cells, EC cells)中发现的NF-A3后来被证明与OCT4是同一因子。1990年,Okamotot}l、Scholer'IS)和Rosner CIO)等人分别在各自的实验室里克隆出OCT4的cDNA序列(Okamoto, Rosner等人曾将之命名为OC T3,后来亦有人称之为OCT3 /4)‘同年,oct4基因被定位在小鼠的第17号染色体七〔141。1991年,oct4基因被克隆并进行了测序和结构分析C 10, 21)。随后的3, 4年间,人们对oct4基因在小鼠早期胚胎发育和各种体外培养的胚胎多能干细胞(EC, ES, EG细胞)中的表达进行了一系列研究,寻找到了其上游与核激素受体相互作用的各种元件。在1996年〔20),更发现了。ct4基因在种系中特异作用的远端增强子这个种系特异的顺式元件的发现.强烈地暗示存在着一种与种系相关的保持细胞全能性的状态,使人们对小鼠胚胎发育中种系生成的本质有了更深人的认识。本文对OCT4因子的表达oct4基因的表达以及作为转录因子的OCT4转录的作用进行了综述OCT4因子的表达OCT4因子是PO U家族中的一员,含有家族的保守区:POU特异区和同源异型盒区。其N端和C端各有一个脯氨酸富集区,这些脯氨酸富集区是OC T4因子的转录活性区。OCT4因子能特异地识别八聚体序列;ATTTGCAT。此外,它也能识别另一个AT富集序列:TTAAAATTCA。利用原位杂交〔”〕和免疫荧光〔s〕的方法以及通过对转基因动物〔2o〕的研究,人们可以检测到OCT4因子在小鼠胚胎发育过程中的时空表达。目前已有明确的实验显示,小鼠成熟的卵母细胞具有OCT4活性,而精子却没有,因此,OCT4因子是母性遗传的。母性遗传的OCT4因子是受精卵中OCT4的唯一来源,随后此母性遗传的信息逐渐减弱((2U,直到436遗传HEREDITAS (Beijing) 1998 20卷一8细胞期,胚胎的。ct4基因转录被激活(c1).在2.15天的桑搭胚和3.5天的早期囊胚中,OCT4因子均匀地分布在整个胚胎中。在4.5天的孵化囊胚中,内细胞团(Inner Cell Mass, ICM)细胞强烈地表达OCT4,而滋胚层细胞却没有表达。胚胎着床后,在5.5天的卵柱期胚中,只在原始外胚层中可检测到OCT4的表达,随后7-8天的胚胎中,在神经外胚层中能检测到OCT4的表达。到8.5天时,其表达就已被限定在原始生殖细胞中。通过核移植实验已经证明,在小鼠的胚胎发育中,受精卵和2-8细胞期胚的各个卵裂球具有全能性亡”。随着胚胎发育和分化的发生,各细胞的命运逐渐被限定。囊胚中的部分1CM细胞保留了多能性,卵柱期胚胎中的部分原始外胚层细胞也具有多能性。此后,随着胚胎广泛分化的发生,原始生殖细胞从体细胞中出来。原始生殖细胞又经过分化和受精作用,重新形成具全能性的受精卵。这一过程被称为全能周期〔20)。周期中的细胞通过此周期后能形成一个新的生物体。表达OCT4的细胞具有一个共同特征即属于全能周期中的细胞,具有再分化的能力。此外,Northern杂交和DNA结合实验的结果都显示,在ES, EC和EG胚胎生殖细胞)中,OCT4都能得到表达、而当用视黄酸A (RA)诱导这些细胞分化后,OCT4的表达就消失了。依据这些细胞的来源和若干标记基因的表达,ES, EC和EG细胞分别相似于全能周期中的1CM细胞、外胚层细胞和原始生殖细胞。这些结果表明OCT4的表达与细胞的未分化状态是紧密相关的。与其它同源异型盒基因不同,OCT4在胚胎的早期发育中表达,其活性只在全能细胞或胚胎多能干细胞中具有,细胞分化后就消失了,而且其活性最终在种系细胞中。因此,OCT4是至今发现的唯一可能参与哺乳动物种系建成的一种转录因子,它在早期的种系特化中可能起着重要作用。2 oct4基因表达的在小鼠的胚胎发育过程中,ocr4基因的时空1表达,是通过许多正和负元件的复杂的相互作用来控制的目前所发现的。ct4基因的元件主要有3个〔5. 6. 9):起始位点上游50bp左右的启动子、1.2kb左右的近端增强子(PE)和2kb左右的远端增强子(DE)(图1)0图1 ocr4基因上游元件的示意图DE:远端增强子,有1个核心区2A; PE:近端增强子,有2个核心区IA和IB;Spl: Spl结合位点;HRE:核激素反应元件;oct4: oct4结构基因。oct4基因的启动子缺乏标准的TATA-box。它由2个元件组成:Spl位点和HRE(核激素反应元件)。Spl位点富含GC,能结合Spl,是oct4表达所必需的。HRE由3个直接重复序列串联而成,是核激素受体的结合位点‘’,・18)。3种不同的RAR和RXR组成的异聚体(视黄酸A受体与视黄酸X受体组成的异聚体)与它们的配体结合后能再结合到HRE位点上,从而激活oc14的表达。而孤儿受体COUP-TFI和COUP-TFII与HRE的结合却能抑制oct4启动子的活性(2) w Spl位点和HRE位点有部分重叠。DE能增强oct4在着床前胚胎以及迁移和迁移后的原始生殖细胞中的表达,在ES和EG细胞中也具特殊的作用。因此,DE是种系特异(germline-specific)的增强子‘20)。在着床期胚胎的外胚层细胞中,DE的作用存在一个明显的停顿。此期oct4的表达主要由PE增强。此外,PE在EC细胞中也起作用,但在着床前胚胎和原始生殖细胞中却作用微小。因此,可以说PE是一种外胚层特异的增强子,也是一种阶段特异的增强子.通过对RA诱导的EC和ES细胞分化体系的研究,人们提出了oct4表达的一些模式在未分化的EC2期童英等:在小鼠早期胚胎发育和种系中特异表达的转录因子OCT4 37和ES细胞中,oct4的启动子和增强子上都结合着各种作用因子,能保证oct4的正常表达.当RA诱导细胞分化时,一方面,增强子上结合的各种因子游离出来,从而使增强子失活〔s);另一方面,COUP-TFI和COUP-TFII等孤儿受体的表达被强烈激活,细胞中COUP-TFI, COUP-TFII与RAR, RXR的平衡被打破〔23,COUP-TFI和COUP-TFII结合到HRE位点,阻止了SPI与SPI位点的结合,影响了转录起始复合物的形成,从而使启动子不能启动转录。此外,RA的处理,也引起oct4基因上游序列的甲基化和染色质结构的改变c 1).所有这些变化,最终准确而快速地抑制了oct4的表达.体内oct4基因时空表达的,是一个非常复杂的过程,在胚胎发育的不同阶段,可能有不同的因子对各种不同的信号起反应,各种因子也可能协同作用。要彻底了解oct4基因表达的模式,还需要人们更深人的研究。3 OCT4因子的作用在发育过程中,OCT4主要起转录因子的作用(12)。通过与效应基因中启动子或增强子的八聚体序列结合,OCT4因子能激活或抑制其表达。这种激活或抑制作用,是由细胞的类型、OCT4因子的量以及与八聚体相连的其它元件等因素来决定的。不同的细胞、不同的量以及八聚体与不同的元件相连时,OCT4可能会起正或负的转录效应。目前提出的OCT4调节转录的模型认为:在多能细胞中可能存在一种干细胞特异的桥因子(如EIA类因子),桥因子可以连接相互远离的OCT4因子与转录起始复合物,从而起始转录;同时,正常转录的进行依赖于桥因子与OCT4因子之间量的平衡(图2) ( 13).当细胞中桥因子与OCT4因子的量保持一定的比例时,桥因子一面与OCT4因子结合,另一面与转录起始复合物结合,激发转录的进行。如果OCT4因子的量增加,多余的OC丁4因子竟争性地与桥因子结合,从而抑制了OCT4因子的作用,使转录不能起始,这就是抑制效应。如果桥因子的量增加,则桥因子分别与OCT4因子和转录起始复合物结合,使OCT4因子与转录起始复合物不能相互靠近,转录同样不能进行,这是表面饱和效应.此外,OCT4因子的转录活性区以及桥因子中与OCT4因子的结合区对转录活性也是必需的。oc切rzr,TATABRF增加表面饱和效应OCT4增加抑制效应TATA图2 OCT4与桥因子作用的模式图效应基因正常转录的进行依赖于桥因子与OCT4因子之间量的平衡OCT4因子量的增加,会产生抑制效应;桥因子量的增加,则产生表面饱和效应。OCT: OCT4因子;BRF:桥因子;TIC:转录起始复合物;octamer:八聚体序列;TATA: TATA-box,38遗传HEREDITAS (Beijing) 1998 20卷oct4基因在早期胚胎发育和种系中的特异表达,表明它可能在一系列事件的前端起作用,并且其作用与细胞多能性的维持有一定关联。许多在oct4之后表达的重要的发育基因如hox1.3,很可能是OCT4因子调节的基因川)。此外,还可能存在一些种系特异的调节因子,它们oct4基因远端增强子的作用。因此,确定OCT4因子作用的目标基因和发现oct4基因远端增强子的调节因子已成为目前研究的主要方向之一。这些问题的解决,将使人们更加深人地了解早期胚胎发育和种系特化过程中的分子机制。参考文献1 Ben一shushan E- Pikarsky E, Klar A et al. 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