Oct4--胚胎干細(xì)胞多能性的看門人
日期：2019-10-21 15:41:55
Oct4（Octamer-binding transcription factor）因能與八聚體模體的DNA結(jié)合而命名，也被稱為Oct3、POU5F1、Oct-3/4、Otf3或NF-A3，由Pou5f1基因編碼，屬于POU轉(zhuǎn)錄因子家族第Ⅴ亞家族。Oct4是胚胎干細(xì)胞多能性的看門人，對于維持胚胎干細(xì)胞的多潛能性和自我更新具有極其重要的作用，也是產(chǎn)生誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的必要因子。此外，Oct4在多種腫瘤中高表達(dá)，Oct4可能參與惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。
1. Oct4的組織特異性
Oct4表達(dá)于發(fā)育中的大腦，在皮質(zhì)、嗅球、海馬和小腦的特定細(xì)胞層中有高水平的表達(dá)。此外，Oct4基因還主要表達(dá)于胚胎干細(xì)胞、胚胎生殖細(xì)胞和胚胎/生殖細(xì)胞腫瘤。Oct4雖然在成人組織中表達(dá)水平較低，但其廣泛表達(dá)于各種成體干細(xì)胞，主要包括：
- 乳腺、胰腺、胃、肝、腎和間充質(zhì)等組織來源的干細(xì)胞；
- 外周血、乳房上皮、子宮內(nèi)膜和毛囊濾泡等的祖細(xì)胞；
- 多能前體細(xì)胞等。
在體外，Oct4在未分化的胚胎干細(xì)胞(ES)、胚胎癌(EC)細(xì)胞和胚胎生殖細(xì)胞中高表達(dá)。隨著這些細(xì)胞的分化，Oct4的表達(dá)下調(diào)[1]。
在人類，從未受精的卵母細(xì)胞到未壓實的桑葚胚，Oct4 mRNA表達(dá)于胚胎發(fā)育的各個階段[2]。
2. 什么是Oct4基因？
Oct4由Pou5fl基因編碼產(chǎn)生，定位于人類染色體6p21.3，是轉(zhuǎn)錄因子家族POU中的一員。Oct4具有多個轉(zhuǎn)錄起始位點，轉(zhuǎn)錄不同的mRNA亞型(Isoform)，從而翻譯成多種蛋白質(zhì)。
2.1 Oct4基因的亞型
人類Oct4基因通過選擇性剪切可以產(chǎn)生三種亞型：Oct4A、Oct4B、Oct4B1[3] [4]。Oct4可翻譯成四種蛋白亞型（Oct4A、Oct4B-190、Oct4B-265和Oct4B-164）[5]。
2.1.1 Oct4A
Oct4A轉(zhuǎn)錄物包含外顯子1、2b、2d、3和4，其中外顯子1是Oct4A的特有部分。
Oct4A由360個氨基酸組成，主要表達(dá)于未分化細(xì)胞的胞核，是多能干細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子，與細(xì)胞的未分化性狀有關(guān)。
2.1.2 Oct4B
Oct4B包含外顯子2a、2b、2d、3和4。與Oct4A相比，Oct4B無外顯子1而特有外顯子2a。
Oct4B由265個氨基酸組成，表達(dá)于多種非多能細(xì)胞的胞質(zhì)，如終末分化的外周血單核細(xì)胞、膀胱腫瘤細(xì)胞等。Oct4B與Oct4A擁有相似的POU結(jié)合區(qū)域和羧基末端，但在氨基末端的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域存在差異[6]。Oct4B的氨基末端抑制與DNA的結(jié)合，并抑制Oct4激活物激活其轉(zhuǎn)錄的活性，從而失去對細(xì)胞多能性的調(diào)節(jié)功能。
2.1.3 Oct4B1
Oct4B1轉(zhuǎn)錄物和Oct4B高度相似，但含有額外的外顯子2c。
OctB1主要表達(dá)于人ESC和胚胎癌細(xì)胞(embryonal carcinoma cell，ECC)，隨著細(xì)胞分化，表達(dá)迅速下調(diào)。
OctB1與Oct4B有相同的氨基末端和部分POU結(jié)合區(qū)域，其余的氨基酸序列不同。Oct4B1可增強細(xì)胞的抗凋亡潛能，調(diào)節(jié)細(xì)胞的多能狀態(tài)。此外，Oct4B1與腫瘤的進(jìn)展有關(guān)。
圖1 Oct4基因的亞型及其結(jié)構(gòu)
2.2 Oct4基因結(jié)構(gòu)
Oct4 Isoform 1是轉(zhuǎn)錄的主要亞型之一，具有5個外顯子，4個內(nèi)含子，該基因編碼的蛋白包含324個氨基酸，長度約為16.40Kb，相對分子量為18Kd。
Oct4包括3個結(jié)構(gòu)域：N-轉(zhuǎn)錄域、POU結(jié)合域和C-轉(zhuǎn)錄域。
N端區(qū)域：該區(qū)域是轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域，富含脯氨酸，具有與DNA的結(jié)合和激活轉(zhuǎn)錄功能，有助于穩(wěn)定生物分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性及調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢等；
POU結(jié)合域：是一個保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，它能與含八聚體基序(octamer motif)的DNA結(jié)合從而調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。
POU結(jié)合域包含兩個亞單位：N端和C端，N端是POU家族特有的保守結(jié)構(gòu)域(POUs)，富含脯氨酸和酸性殘基；C端是傳統(tǒng)的同源異型結(jié)構(gòu)域(POUh)，富含脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸殘基；POUs和POUh之間由連接肽相連。
C端區(qū)域：富含絲氨酸/蘇氨酸，控制Oct4A在不同細(xì)胞類型中的反式激活功能。
2.3. Oct4假基因
目前共發(fā)現(xiàn)6個Oct4假基因，分別為Oct4pg1、Oct4pg2、Oct4pg3、Oct4pg4、Oct4pg5、Oct4pg6。這些假基因與Oct4 mRNA具有高度同源性，但并無Oct4的功能。Oct4假基因的存在能引起實驗結(jié)果的假陽性，給腫瘤和干細(xì)胞Oct4的研究帶來一定的困擾。
3. Oct4基因的調(diào)節(jié)
Oct4基因的上游調(diào)控元件包括一個近端增強子(PE)和遠(yuǎn)端增強子(DE)，它們在不同發(fā)育階段起不同作用。如近端增強子作用于外胚層干細(xì)胞時，遠(yuǎn)端增強子則作用于內(nèi)細(xì)胞團、原始生殖細(xì)胞以及胚胎干細(xì)胞[7]。很多因子通過作用于這兩個調(diào)控元件，來調(diào)節(jié)Oct4的表達(dá)，例如孤兒核受體超家族因子可以與PE結(jié)合，影響Oct4的表達(dá)。
此外，一些物質(zhì)也可直接與Oct4啟動子發(fā)生作用，參與Oct4的表達(dá)活化，比如說Paf1復(fù)合物。它作為Oct4的激活子，在維持胚胎干細(xì)胞Oct4的轉(zhuǎn)錄活化方面發(fā)揮重要作用。
Oct4還受到Sox2的調(diào)節(jié)。Sox2通過直接或者間接方式調(diào)節(jié)Oct4的表達(dá)，進(jìn)而影響胚胎干細(xì)胞的多潛能性。
哺乳動物中主要通過磷酸化或磺?；瘜ct4蛋白活性進(jìn)行調(diào)控。
比如說，通過蛋白激酶A和/或ERK MAPK磷酸化Oct4蛋白POU結(jié)合域中高度保守的殘基Ser 229(小鼠)或Ser 236(人類)[8]，可在空間上阻礙了DNA結(jié)合和同型二聚體組裝。
Oct4參與多條信號通路的調(diào)節(jié)，包括轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)β通路、成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)通路、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)通路、Wnt通路等。在心臟中胚層特定分化過程中，TGF-β信號通路與經(jīng)典的Wnt信號通路聯(lián)合誘導(dǎo)Oct4的產(chǎn)生[9]。
圖2 小鼠Oct4基因的基因組結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控[10]
4. Oct4的功能
Oct4通過與啟動子或增強子區(qū)域內(nèi)的八聚體元件（ATGCAAAT）結(jié)合來調(diào)控靶基因的表達(dá)[11] [12]。這些靶基因主要包括YES1、FGF4、UTF1、ZFP206等控制哺乳動物胚胎發(fā)育相關(guān)的基因。通過調(diào)控其下游的靶基因而參與正常發(fā)育過程，尤其在早期胚胎發(fā)育中起重要作用。此外，Oct4的表達(dá)與干細(xì)胞的多能性有關(guān)。
圖3 Oct4的功能
4.1 Oct4與胚胎發(fā)育
胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell，ESC)是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細(xì)胞，它能夠分化形成機體的各種類型的組織細(xì)胞。
Oct4是ESC中重要的轉(zhuǎn)錄因子，在維持ESC的多能性和自我更新能力方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。
Oct4通過激活多能性相關(guān)基因和抑制分化相關(guān)基因的表達(dá)，保持ESC的自我更新和維持其未分化狀態(tài)。
Oct4在體內(nèi)并非單獨起作用，它與Nanog、Sox2共同構(gòu)成了多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心。并被認(rèn)為位于細(xì)胞全能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的頂端。這三種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到自身基因的啟動子上[13]，并激活自身基因的表達(dá)。
一方面，它們能激活那些與維持ES細(xì)胞自我更新相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。比如Dppa4、Tdgf1、Oct4、Nanog和Lefty2均受Oct4、Sox2和Nanog的正向調(diào)控，并優(yōu)先在ES細(xì)胞中表達(dá)。
另一方面，Oct4，Sox2和Nanog共同占據(jù)了分化和發(fā)育相關(guān)基因的啟動子，并促進(jìn)其失活[14]。
4.1.1 Oct4劑量對細(xì)胞命運的影響
Oct4作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子在轉(zhuǎn)錄過程中具有雙重調(diào)節(jié)作用(轉(zhuǎn)錄抑制和轉(zhuǎn)錄激活)，既能維持干細(xì)胞的未分化狀態(tài)，又能控制它向某一種細(xì)胞類型分化。
在胚胎發(fā)育過程中，Oct4的水平?jīng)Q定干細(xì)胞的分化或去分化，ES細(xì)胞的命運由Oct4的表達(dá)量精確調(diào)控。Oct4過表達(dá)時，胚胎干細(xì)胞分化為原始內(nèi)胚層和中胚層細(xì)胞；當(dāng)Oct4表達(dá)水平低時，ES細(xì)胞喪失多能性并分化為滋養(yǎng)層細(xì)胞；只有Oct4表達(dá)適量，胚胎干細(xì)胞才能維持其自我更新狀態(tài)。
研究發(fā)現(xiàn)，缺乏Oct4的胚胎只能發(fā)育到囊胚階段，其內(nèi)細(xì)胞團細(xì)胞不具有多能性，而只能分化為滋養(yǎng)層細(xì)胞。并且該囊胚在植入時死亡[15]。
在成體干細(xì)胞，Oct4維持多能性的調(diào)節(jié)機制與ESC類似。
4.2 延緩細(xì)胞老化
Oct4基因能夠阻止或者至少延遲老化的效果，或?qū)⒔o老齡化研究帶來重大影響。Oct4基因在所有生物體的發(fā)育中有著重大意義，并且在細(xì)胞的一生中都保持活躍，它能保護血管內(nèi)的動脈粥樣硬化斑塊，這些斑塊的破碎就是心臟病和中風(fēng)的根本原因。
4.3 Oct4在重新編程中的作用
通常認(rèn)為細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變是從分化程度較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉只潭雀叩臓顟B(tài)，但研究表明，從體細(xì)胞到原始態(tài)多能性(naive pluripotency)的細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變也是可能的。該過程由Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc等轉(zhuǎn)錄因子的過表達(dá)誘導(dǎo)。
其中Oct4被認(rèn)為是重編程中不可缺少的核心轉(zhuǎn)錄因子。Oct4可調(diào)節(jié)細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變，如多能性的建立和胚胎生殖系的分化。Oct4過表達(dá)可產(chǎn)生誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)是從不同種類和類型的體細(xì)胞中獲得的。
在上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，Oct4可通過抑制TGFβR3和TGFβ3以及激活miR-200 miRNA家族，從而能分別抑制上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)調(diào)節(jié)因子Snail和Zeb2，最終促進(jìn)間充質(zhì)到上皮的轉(zhuǎn)化（MET）。
在重編程過程中，Oct4、Sox2、Klf4起先鋒作用。外源性O(shè)CT4A等重編程因子可直接或間接沉默體細(xì)胞基因，激活多能性基因。內(nèi)源性O(shè)CT4A等多能基因可維持誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的多能狀態(tài)。
圖4 Oct4在重新編程中的作用
4.4 Oct4和致瘤性
Oct4在胚胎生殖細(xì)胞腫瘤和成體細(xì)胞腫瘤中均存在高表達(dá)，這表明Oct4可能參與惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。
Nanog和Oct4在乳腺癌組織中高度表達(dá)[16]。Oct4的表達(dá)與前列腺癌的分化程度相關(guān)[17]。Nanog、Oct4和CD133在口腔鱗狀細(xì)胞癌中的高表達(dá)與患者的臨床預(yù)后差相關(guān)。Oct4的表達(dá)是維持部分肺癌細(xì)胞具有干細(xì)胞樣特性的關(guān)鍵所在[18]。
多個研究表明Nanog和Oct4在多種無限制、低分化、具有侵襲性的實體腫瘤中過度表達(dá)，且其表達(dá)下調(diào)可能抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程[19]。
Oct4過表達(dá)可導(dǎo)致不同類型癌癥的致瘤性、腫瘤轉(zhuǎn)移，甚至放化療后遠(yuǎn)處復(fù)發(fā)[20] [21]。
因此，若以O(shè)ct4基因作為靶點，抑制它們的表達(dá)，降低腫瘤細(xì)胞的自我更新能力，那么腫瘤治療可能取得理想療效。
研究表明Oct4可能參與維持腫瘤干細(xì)胞的存活，沉默Oct4有望成為腫瘤干細(xì)胞靶向治療的新途徑。
Oct4在維持腫瘤干細(xì)胞的多能性和自我更新方面有重要作用，因此Oct4對腫瘤生長、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)有重大影響。有研究表明，Oct4在人乳腺癌細(xì)胞系7（MeF7）細(xì)胞中高表達(dá)，通過RNAi技術(shù)沉默Oct4可促使腫瘤干細(xì)胞的凋亡。
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