同源盒轉(zhuǎn)錄因子-NANOG
日期：2019-10-21 16:56:04
胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells, ES cells)是從囊胚期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(inner cell mass, ICM)分離得到的，在體外具有無限增殖、自我更新和多向分化的特性。無論在體外還是體內(nèi)環(huán)境，ES細(xì)胞都能被誘導(dǎo)分化為機(jī)體幾乎所有的細(xì)胞類型。鑒于此種特性, ES細(xì)胞在臨床上具有極其廣闊的應(yīng)用前景。想要將ES細(xì)胞成功的應(yīng)用于臨床，必須解決的首要問題是胚胎干細(xì)胞是如何實(shí)現(xiàn)自我更新及定向分化的。
自從1981年Evans和Kaufman首次成功分離小鼠ES細(xì)胞，關(guān)于ES細(xì)胞的研究一直是研究領(lǐng)域重點(diǎn)及熱點(diǎn)。Nanog是2003年5月發(fā)現(xiàn)的同源盒轉(zhuǎn)錄因子，是一個有助于ES細(xì)胞自我更新的關(guān)鍵因子，被認(rèn)為在ES細(xì)胞的全能性維持中起關(guān)鍵作用，在未分化的胚胎干細(xì)胞中表達(dá)量較高，在分化的胚胎干細(xì)胞中表達(dá)量較低。它在維持胚胎干細(xì)胞的早期胚胎的多功能并阻止其向內(nèi)胚層分化中發(fā)揮十分重要的作用。十年來，關(guān)于NANOG的研究層出不窮，關(guān)于其結(jié)構(gòu)、功能、作用機(jī)制和相關(guān)疾病等方面的研究也取得了重要進(jìn)展。
1. NANOG的結(jié)構(gòu)
目前對Nanog基因研究較多的是小鼠和人源Nanog基因。這里著重介紹下人源Nanog。人源Nanog基因，通常寫成Nanog1（Gene ID：13376297），位于12號染色體上，由4個外顯子和3個內(nèi)含子組成，具有915 bp的開放閱讀框（ORF）（Figure 1）[1]。非常獨(dú)特的是，在進(jìn)化過程中，Nanog1基因已被串聯(lián)復(fù)制成變異基因Nanog2（NanogP1），以及許多假基因（NanogP2-P11）[2] [3]。比較人類和黑猩猩基因組序列發(fā)現(xiàn)，Nanog2保留了其內(nèi)含子序列，而NanogP2至P11是分散的，無內(nèi)含子和逆轉(zhuǎn)錄的整合子[4]。
Figure 1. The Structure of Nanog Gene
人源Nanog蛋白是由Nanog1基因編碼，包含305個氨基酸和高保守的DNA同源結(jié)合區(qū)域。Nanog1蛋白結(jié)構(gòu)可大致分為3個區(qū)域（Figure 2），一是N端“干擾”域（ND），二是結(jié)合DNA的同源域（H），三是C端轉(zhuǎn)錄激活域組成。H區(qū)含60個氨基酸殘基，可與蛋白質(zhì)相互作用及與DNA(如Oct4)結(jié)合；ND區(qū)有95個富含絲氨酸和蘇氨酸的殘基，且在反式作用子中發(fā)現(xiàn)酸性殘基；C端區(qū)含150個氨基酸殘基，無明顯的轉(zhuǎn)錄激活基序，該區(qū)域包含2個亞域（CD1和CD2負(fù)責(zé)反式激活）和一個富含色氨酸的域（WRD）參與二聚化[5]。
Figure 2. The Structure of Nanog Protein
2. NANOG的功能
Nanog主要在胚泡的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(inner cell mass, ICM)中表達(dá)[6]。相關(guān)研究表明[7][8]，Nanog基因表達(dá)與細(xì)胞的分裂、分化情況以及細(xì)胞的干細(xì)胞特性密切相關(guān)。在分裂旺盛的細(xì)胞中，Nanog基因高表達(dá)，而隨著細(xì)胞分化程度的加深Nanog基因的表達(dá)量逐漸降低，直至在完全分化的細(xì)胞中不表達(dá)。所以，深入研究成體組織中Nanog的表達(dá)情況有利于了解成體干細(xì)胞的分子生物學(xué)特性及其分裂分化機(jī)制。
Nanog是2003年才正式鑒定并命名的新基因，在胚胎發(fā)育中內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控方面扮演重要角色，它能維持外胚層的多能性并且能阻止其像原始內(nèi)胚層的分化。除了維持胚胎干細(xì)胞的自我更新和多能性外，Nanog還可以調(diào)節(jié)ESC的細(xì)胞周期。相關(guān)報(bào)道表明，具有超表達(dá)的Nanog的ESC克隆加速了S期進(jìn)入[9]。此外，Nanog的另外一個功能是在腫瘤發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色，可作為腫瘤診斷標(biāo)志物。這兩個功能將會在作用機(jī)制中分別通過與胚胎干細(xì)胞和癌癥干細(xì)胞的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)闡述。
3. NANOG作用機(jī)制
如前所述，NANOG在干細(xì)胞自我更新和多能性維持及腫瘤發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要。這里，我們分別從NANOG在干細(xì)胞和癌癥干細(xì)胞中的作用及相關(guān)聯(lián)的互作蛋白對這兩個機(jī)制進(jìn)行了闡述。
3.1 NANOG在ESCs中的作用機(jī)制
ESC（胚胎干細(xì)胞）是胚泡期胚胎的ICM（內(nèi)部細(xì)胞團(tuán)）衍生的多能細(xì)胞。該細(xì)胞具有兩個獨(dú)特的特性：無限的自我更新和多能性。ESCs的自我更新和多能性受多種轉(zhuǎn)錄因子的控制，其中最常見的是Nanog、Oct4和SOX2。這部分我們重點(diǎn)闡述了NANOG在ESCs中表達(dá)調(diào)控。
Nanog表達(dá)調(diào)控僅存在多能細(xì)胞中，多能細(xì)胞分化后Nanog表達(dá)下調(diào)。Guangjin Pan等人通過分析Nanog5啟動子區(qū)域，發(fā)現(xiàn)上游180 bp處的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)-Oct4/Sox2復(fù)合結(jié)構(gòu)域在Nanog表達(dá)調(diào)節(jié)中起重要作用（Figure 3）[10] [11]。含有Oct4/Sox2結(jié)構(gòu)域的Nanog近端啟動子可驅(qū)動報(bào)告基因在多能和非多能細(xì)胞中適當(dāng)表達(dá)Nanog，而且該結(jié)構(gòu)域在小鼠、大鼠和人之間高度保守。雖然Nanog高表達(dá)有利于ESCs自我更新，但Oct4過表達(dá)會誘導(dǎo)分化。FoxD3是一個叉頭家族轉(zhuǎn)錄因子，在小鼠ES細(xì)胞和早期胚胎的多能細(xì)胞中高度表達(dá)[12]。 有報(bào)道稱FoxD3可與上游270bp處的ESC特異性增強(qiáng)子結(jié)合，從而激活Nanog啟動子[13]。一開始，研究者們稱FoxD3為轉(zhuǎn)錄阻遏物，但它仍可以激活Nanog轉(zhuǎn)錄，這也表明基因環(huán)境可以決定FoxD3調(diào)控結(jié)果。
從功能上來說，Nanog可以阻止分化，在胚胎發(fā)育過程中需要下調(diào)Nanog來促進(jìn)分化。如Figure 3所示，腫瘤抑制因子p53可以與Nanog啟動子結(jié)合，可在ES細(xì)胞分化過程中下調(diào)Nanog。但是，當(dāng)用視黃酸（RA）處理p53-/-ESC時，Nanog在分化過程中仍被下調(diào)[14]。這個結(jié)果表明ESC分化過程中肯定存在其他調(diào)控因子抑制Nanog。Tcf3是在Wnt途徑下游起作用的轉(zhuǎn)錄因子，在未分化的小鼠ESC中高度表達(dá)。小鼠ESC中Tcf3敲除可引起分化延遲，上調(diào)Nanog [15]。
Figure 3. Regulation of Nanog Expression
3.2 NANOG與腫瘤發(fā)生發(fā)展
自從首次在急性髓性白血病中發(fā)現(xiàn)癌癥干細(xì)胞（Cancer Stem Cell，CSC）后，我們對癌變的認(rèn)知從根本上發(fā)生了改變[16]。癌癥干細(xì)胞，又稱腫瘤干細(xì)胞，是指具有干細(xì)胞性質(zhì)的癌細(xì)胞，包括“自我復(fù)制”以及“多細(xì)胞分化”能力。通常這類的細(xì)胞被認(rèn)為有形成腫瘤，發(fā)展成癌癥的潛力，特別是隨著癌癥轉(zhuǎn)移出去后，產(chǎn)生新型癌癥的來源。相關(guān)研究已證實(shí)，NanogP8，腫瘤細(xì)胞中Nanog1同源物，在調(diào)節(jié)CSC特性中起關(guān)鍵作用。腫瘤細(xì)胞中NANOG的過表達(dá)可通過相關(guān)信號傳導(dǎo)途徑對一些重要癌癥表型產(chǎn)生影響（Figure 4），包括細(xì)胞增殖、細(xì)胞遷移與侵襲、耐藥性和缺氧應(yīng)激。
如Figure 4所示，NANOG可由惡性腫瘤中多種刺激因素激活。低氧環(huán)境下，NANOG可由HIF-1α或HIF-2α信號通路作用激活[17]。STAT3作為 NANOG下游的靶點(diǎn)，在NANOG介導(dǎo)的免疫逃逸、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和耐藥性中扮演重要角色。而且，NANOG還能夠通過活化Akt和TGF-β1調(diào)節(jié)抵抗CTL介導(dǎo)的裂解作用，同時募集Treg細(xì)胞[18]。另外，NANOG可通過上調(diào)MDR-1、IGF2BP3和YAP1調(diào)節(jié)耐藥性[19]。此外，NANOG還可以對多個細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子產(chǎn)生影響，其中cyclin D1已被證實(shí)直接受NANOG調(diào)節(jié)[20]。
Figure4. NANOG signaling pathways in human malignancies
4. NANOG與癌癥
如前所述，Nanog不僅是維持ESCs自我增殖和亞全能性的關(guān)鍵因子，而且與腫瘤的關(guān)系也不簡單。因?yàn)镃SCs和ESCs一樣，都具有自我增殖更新能力，而且有多條相同的信號通路?；诖耍芯空邆兺茰y對Nanog基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制的深入研究有助于探索控制和治療癌癥的新方法[21]。
目前，多項(xiàng)研究已證實(shí)Nanog在多種上皮來源的腫瘤細(xì)胞、體外培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞及異體移植物等都有不同程度的表達(dá)，且在腫瘤的表達(dá)高于正常組織。Nanog在胚胎瘤細(xì)胞、畸胎瘤組織、睪丸原位癌及精原細(xì)胞瘤中特異性表達(dá)，而正常睪丸中未見Nanog表達(dá)[22]。Siu等人發(fā)現(xiàn)Nanog在絨毛膜癌細(xì)胞中的表達(dá)水平顯著高于正常胎盤，并且干擾Nanog表達(dá)可導(dǎo)致絨毛膜癌細(xì)胞系JEG-3凋亡增強(qiáng)[23]。在乳腺癌、膠質(zhì)瘤、膀胱癌、肺癌及人肉瘤細(xì)胞系等體細(xì)胞腫瘤中同樣發(fā)現(xiàn)有Nanog表達(dá)，而且腫瘤分化級別越高，其表達(dá)越強(qiáng)。另外，沉默Nanog基因可導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯，抑制腫瘤發(fā)展，同時可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化[24]。這些研究結(jié)果充分表明，Nanog基因的表達(dá)與腫瘤分化狀態(tài)密切相關(guān)，在促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的發(fā)生發(fā)展以及抗凋亡方面具有重要作用，可作為細(xì)胞全能性和腫瘤診斷的標(biāo)志物。
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