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角朊细胞基因表达的转录调控

来源:论文汇编 作者:自动采集 2005-1-1
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摘要: 摘要 角朊细胞的增殖和分化是一个受到精细调节的过程,并伴随着一系列形态学和生化改变,最终形成角质细胞,这就必然涉及到许多结构基因的同时活化与灭活,即基因表达的调控,而转录水平的调控尤为重要。现已发现许多转录因子如AP1、AP2、Sp1、POU结构域及C/EBP等可调节角朊细胞基因的表达。表皮各层细胞在形态学和生化水......



  摘要 角朊细胞的增殖和分化是一个受到精细调节的过程,并伴随着一系列形态学和生化改变,最终形成角质细胞,这就必然涉及到许多结构基因的同时活化与灭活,即基因表达的调控,而转录水平的调控尤为重要。现已发现许多转录因子如AP1、AP2、Sp1、POU结构域及C/EBP等可调节角朊细胞基因的表达。

  表皮是人体的第一道防护屏障,其主要组成细胞为角朊细胞,为了完成其屏障功能,角朊细胞必须进行复杂而且受到严密调控的分化过程,最终形成包括基底层、棘层、颗粒层、透明层及角质层的复层结构[1]。表皮各层细胞在形态学和生化水平均有差异,如在棘层与颗粒层表达的蛋白在基底层中却缺如,这主要是与角朊细胞分化过程中特定时间内基因的“开”(激活)或“关”(灭活)有关,因此近10年来角朊细胞的基因调控已成为角朊细胞生物学研究的热点之一[2]。基因调控可分为几个层次:转录水平、翻译水平及翻译后水平,其中最常见的调控方式就是转录调控。现已发现AP1、AP2、NFκB、C/EBP、ets、Sp1及POU结构域等转录因子可作为表皮中的调控蛋白,从而调节编码套膜蛋白(involucrin, iNV)、转谷氨酰胺酶(transglutaminase,TG)、SPRR2A、兜甲蛋白(loricrin)、角蛋白及BPAG1等蛋白的基因的表达。本文就与角朊细胞基因表达有关的转录因子作一简要综述。

  一、转录因子的一般特征

  转录因子(transcription factor)是能与位于转录起始位点上游50~5000bp的顺式作用元件(cis-acting elements)、沉默子(silencer)或增强子(enhancer)结合并参与调节靶基因转录效率的一组蛋白,并能将来自细胞表面的信息传递至核内基因。转录因子通常有几个功能域,可分为DNA结合域、转录调控域及自身活性调控域,DNA结合域可与特定的DNA序列(一般长8~20bp)相互作用,使转录因子与靶基因结合起来,随之转录调控域就可发挥其激活或抑制作用,通常这些结构域在结构与功能上是独立分开的。不同的转录因子还可结合于紧密相邻的DNA序列而形成一种多聚体结构来调节基因表达,这种组合调控(combinatorial regulation)不论转录因子是否激活及其含量多少均可激活基于靶基因中特定转录因子结合位点的转录。除启动基础转录活性外,转录因子还能整合从细胞表面经信号转导途径传递而来的信号[2]。

  二、激活角朊细胞基因表达的转录因子

  (一)AP1:AP1转录因子通常以jun(c-jun、junB、junD)与Fos(Fra-1、Fra-2、c-fos、fosB)家族成员组成的同源或异源二聚体表达其活性,即结合于5’-GTGAGCTCAG-3’序列。目前已知AP1位点对于编码角蛋白(K1、K5、K6及K19)、丝聚合蛋白原(profilaggrin)基因的最适转录活性十分重要[3,7],编码角质化包膜(cornified envelope)相关蛋白-TG1、兜甲蛋白及INV的基因也含有功能性AP1位点[8,9],如hINV基因启动子在其转录起始位点上游2.5kb内有5个AP1共有结合位点(AP1-1~5),其中2个AP1位点AP1-1和AP1-5若同时发生突变时角朊细胞的转录水平就可下降80%;佛波酯(TPA)则可使AP1与hINV启动子处AP1-1及AP1-5位点的结合能力增强10~100倍,后经点突变实验证实AP1-1和AP1-5位点可部分介导佛波酯(TPA)诱导的效应[10]。丝聚合蛋白原、K1、兜甲蛋白及K19基因中的AP1位点可活化转录[3,6,7],单层上皮角蛋白K8和K18基因的最适转录活性也有赖于AP1位点[2]。在人乳头瘤病毒(HPV)16和HPV18的上游调节区中也有功能性AP1位点[11,12]。从已有实验资料来看,AP1的作用特点有:①AP1可作为基因表达的活化蛋白;②AP1的活化作用并不仅仅限于某一类角朊细胞基因或编码某一特定蛋白的基因;③不同的AP1家族成员可调节不同的角朊细胞基因,如junB、junD和Fra-1可调节INV的表达[10],c-jun和c-fos可调节丝聚合蛋白原基因在角朊细胞内的特异性转录[7],而junB和junD对于HPV18的组织特异性表达也较重要[12];④AP1作用的靶位点可位于结构基因的上游、下游及内含子中,如K19基因的3'增强子含有AP1结合位点,牛KS基因的AP1元件位于5'上游区,而K18基因的第1个内含子中就含有1个保守的AP1结合位点[2,4.6]。

  与此同时,AP1在表皮中的表达类型也受到研究者的重视,因为转录因子的分布是决定靶基因表达类型的重要因素。实验证实第一AP1家族成员均有各自特异的时间与空间表达类型,在人包皮表皮处,c-fos、Fra-1及c-jun表达于棘层和(或)颗粒层,而fosB、Fra-2、junD表及junB则可见于基底层和基底层上的细胞[13]。在小鼠中,junD和Fra-1表达于棘层而Fra-2和junB则可表达于颗粒层[14],这种表达类型的差异提示不同的AP1因子可调节不同分化时期的角朊细胞的基因表达。此外,靶基因启动子内的AP1位点也可区分不同的AP1成员,如hINV基因中AP1位点可结合Fra-1、junB及junD[10],丝聚合蛋白原基因AP1位点可被c-fos与c-jun以一种依赖于DNA结合位点的方式激活[7],而HPV18的AP1位点则可结合junB和junD[12]。其他可能与基因表达类型有关的因素有A7P-1表达于胞浆抑或胞核及其活化是否需要共价修饰。

  (二)AP2:AP2转录因子的DNA结合域位于其羧基末端并含有一个二聚化的结构域,其氨基末端富含脯氨酸,这一区段对于转录活化是必需的。AP2作用时以同源二聚体形式与富含GC的共有结合位点(5’-GN4GGG-3’)相结合[2]。AP2可作为hINV基因表达的转录活化蛋白,而在hINV启动子近侧调节区(PRR)的AP2位点则可抑制启动子的活性[15]。远侧启动子中的AP2样位点也是一种转录激活物,其可与角朊细胞分化因子(KDF-1)结合而促进hINV依赖分化的表达[16]。此外,在表达于非洲爪蟾表皮的63kD角蛋白基因、人K14基因、K5基因、TG1基因及BPAG1基因中已鉴定出功能性AP2位点[2,17,18]。与AP1不同,AP2位点均位于靶基因的上游调节区中。K14基因启动子中AP2位点的突变可导致转录活性丧失[2],瞬时转染试验表明在距TG1基因转录起始位点约0.5kb处有3个AP2样应答元件,其中2个是功能性的[17]。因为AP2可表达于表皮细胞系,所以AP2还可能是表皮发育过程中基因转录的活化蛋白。

  (三)Sp1:Sp1转录因子是一种含有锌指结构、序列特异性的DNA结合蛋白,含有A、B、C、D4个结构域。Sp1可与GC盒共有序列5’-GGGCGG-3’相结合,并可与其他转录因子一起参与基因表达的共同调控[2]。现已发现在几个表达于角朊细胞的基因中存在着功能性Sp1结合位点。在人3型转谷氨酰胺酶(TG3)基因中,Sp1可与相邻的 ets因子结合位点(EBS)协同作用,激活TG3启动子的表达[19]。在hINV基因中,Sp1位点则可与AP1-5协同作用而激活转录,这2个位点均于转录起始位点上游2kb的1个增强子元件中[20]。HPV16早期区基因可表达于复层上皮,其上游调节区也含有Sp1位点[2]。在兔K3基因中,其长约300bp的5'上游调节区可启动角朊细胞的转录,经电泳迁移率变动分析及紫外线交联分析发现此区域内Sp1样结合位点,若其发生突变,转染角朊细胞的启动子功能可丧失50%[21]。近来还发现Sp1可激活SPRR2A基因的表达[22]。与AP1、AP2一样,Sp1也是表皮基因转录的正性激活蛋白,其所作用的基因可编码不同类型的蛋白,如角质化包膜前体蛋白和角蛋白,这些基因在角朊细胞分化过程中的调控类型也有所不同。Sp1与Sp2、Sp3及Sp4同属一个家族,Sp3在依赖周期素激酶抑制剂p21的诱导的小鼠角朊细胞分化过程中起着重要作用,因为Sp3超表达(over expression)可促进分化过程中启动子的诱导性,若破坏富含GC的区域则可使转录因子结合活性、启动子活性及p21的诱导性急剧下降[23]。

  (四)ets:ets因子包括20余种不同的蛋白,其特征是均具有ets结构域,即DNA结合域。ets蛋白作用时以单体形式存在,但往往可与其他转录因子协同作用。ets因子对基因表达的调控效应可能是激活也可能是抑制,这可能有两方面的原因:①ets蛋白可与结合于邻近顺式作用元件的非Sp1转录因子相互作用;②ets共有元件周围的DNA序列可影响ets结合DNA的能力[3]。已有资料显示在小鼠表皮中可检出ets-1和ets-2,而且在TG3、INV及SPRR2A基因启动子中均含有ets结合位点,其中INV启动子近侧调节区含有2个ets位点,即EBS-1和EBS-2。在SPRR2A、TG3启动子及hINV启动子EBS-1中ets可增强转录活性[15,19,22]。

  三、抑制角朊细胞基因表达的转录因子

  前一部分主要介绍的是角朊细胞基因转录的正性调控因子,但角朊细胞基因表达的调控不可能都是激活因素,实际上也存在着许多抑制基因表达的因子。

  (一)POU结构域蛋白:POU蛋白可以单体形式与八聚体结合基序5'-ATGCAAAT-3’结合而调节基因转录。已定位于表皮的POU因子有Oct-11(Skn-1a/Epoc-1)和Oct-6,其中Skn-1a/Skn-1i仅表达于毛囊间表皮及毛皮质细胞[2,8]。功能分析表明POU结构域蛋白(Oct-1、Oct-2、Brn-4、SCIP、Skn-1a及Skn-1i)可抑制角朊细胞中hINV启动子的转录,连续截短hINV启动子5’末端后检测hINV启动子活性证实POU结构域结合位点并不是必需因素,POU蛋白的抑制作用可能是其通过与TATA盒附近的其他蛋白的间接相互作用所致。除对基础转录有抑制作用外,POU转录因子还可抑制TPA介导的hINV启动子活性。与SCIP共转染可使TPA刺激的hINV转启动子活性下降80%[24]。POU结构域因子还可抑制基底层角朊细胞中K5启动子的活性,而Skn-1a则可激活K10和SPRR2A启动子[2],由此可见POU结构域蛋白作用的复杂性。最近有研究表明Skn-1a、Tst-1及Oct-1是表皮中表达的主要八聚体结合蛋白,经瞬时转染试验证实Skn-1a和Tst-1可通过与八聚体结合位点相结合而激活表皮特异性HPV-1A的E6启动子,这样就为HPV-1A基因表达与表皮分化间建立起一个分子联系(molecular link)[25]。

  (二)C/EBP:C/EBP是一大类转录因子的总称,其特点是能结合CCAAT和病毒的增强子,常以同源二聚体及异源二聚体形式与DNA结合,并具有亮氨酸拉链(leucine zipper)结构域[2]。现对C/EBP在表皮中的表达知之甚少,仅有凝胶迁移率变动分析试验证实C/EBP家族成员可与INV启动子近侧调节区、HPV11启动子的上游调节区及BPV4长控制区的C/EBP应答元件相结合。C/EBP可激活INV启动子的转录并可介导依赖TPA的转录活性增强,C/EBP可与AP1、ets及AP2因子一起协同调节hINV近侧启动子的转录活性[15]。此外,C/EBP可与BPV-4长控制区中的负性调控元件结合,使病毒转录受到阻遏,若此应答元件缺失,此段长控制区的增强子活性可增高5倍[26]。

  四、其他转录因子

  除上述主要的两大类转录因子外,还有其他类型的转录因子参与角朊细胞基因表达的调控。K17基因的上游启动子中有γ干扰素激活的STAT因子的结合位点,被称为γ干扰素活化序列(GAS),在皮肤发生迟发型接触性过敏时,STAT-91可转位至角朊细胞核内与启动子中的GAS元件结合而激活K17的表达[8]。兔K3基因的5'上游序列中则有NFκB的结合位点(5’GGGCTTTCC-3’),瞬时转染实验表明NFκB基序在体外经诱变后可使兔K3启动子活性丧失20%[21]。此外,在增生过度的小鼠表皮中还可检出高水平的同源异型盒蛋白Hoxb-4、b-6、b-7及a-10[27]。

  五、组合调控

  转录因子间的相互协作(即组合调控)是保证角朊细胞基因的组织特异性表达的重要机制之一,因为在上述转录因子中,大部分属于遍在转录因子(ubiquitous transcription factor),如AP1、Sp1。在角朊细胞基因表达的调控中组合调控较为常见。

  六、结束语

  综上所述,每一个转录因子家族成员既可调节分化早期基因的表达,又可调节分化后期的基因表达,所以在某一分化时期,特定的转录因子可选择性地激活或抑制特定的基因的表达,这就是表皮各层在形态上逐渐发生变化的分子基础;再者,虽然大多数调节元件位于转录起始位点上游,但仍有少数调节元件,尤其是那些调节发育过程中基因表达的元件则可位于内含子中及转录终止位点;此外,在某些角朊细胞的基因表达过程中还涉及到组合调控。正是由于转录因子在角朊细胞基因表达调控中的重要作用,我们可以预料今后会在表皮中鉴定出更多的转录因子,并逐步阐明其作用机理以及与信号转导途径的关系。

  本文所用主要缩写:INV:套膜蛋白,TG:转谷氨酰胺酶,TPA:佛波酯,KDF-1:角朊细胞分化因子,EBS:ets因子结合位点

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