HOXC8基因生物學功能研究進展

史曉淵，王天琦，劉紫雯，任薇，王鑫瑞，黃炳艦，李玉華，王長法

(聊城大學農(nóng)學與農(nóng)業(yè)工程學院/毛驢高效繁育與生態(tài)飼養(yǎng)研究院，山東 聊城 252000)

同源異型盒基因(homeobox genes，HOX)家族龐大且豐富，可分為HOXA、HOXB、HOXC、HOXD四個簇，分別位于7、17、12、2號染色體上，根據(jù)簇間基因序列的相似性及基因在染色體上的位置又可分為13組[1]。同源盒基因C8(homeobox gene C8，HOXC8)是一類在進化上高度保守的轉(zhuǎn)錄因子，在家畜及人類等脊椎動物中普遍存在。近年來隨著對HOX基因的深入研究，發(fā)現(xiàn)HOXC8基因?qū)倚蠹叭祟惖陌l(fā)育過程均具有重要影響。HOXC8不僅參與胚胎器官的發(fā)育，還在生物體多個系統(tǒng)的生長發(fā)育中起著調(diào)控作用，是生物個體發(fā)育過程中的主要調(diào)控基因之一。本文綜述了HOXC8基因在生物個體發(fā)育及疾病發(fā)生等方面的功能，以期為HOXC8基因功能的深入挖掘提供一定的理論支撐。

1 HOX基因概述

同源異型盒基因(homeobox genes，HOX)是含有同源框基因的統(tǒng)稱，即均含有一段180 bp高度保守的DNA序列的基因[2]。HOX廣泛存在于生物體內(nèi)，不僅參與胚胎器官的發(fā)育，而且在生命體多個系統(tǒng)的生長發(fā)育中起著調(diào)控作用，是細胞增殖和分化的主要調(diào)控基因之一，主要通過其編碼的蛋白調(diào)控下游的靶基因表達來實現(xiàn)。

對于HOX基因的研究，最早可追溯至1894年，Bateson在自然界多種生物體中發(fā)現(xiàn)了同源異型突變體的存在，即生物體在發(fā)育過程中的非正常轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變通常是身體的某一部位發(fā)育成相似或相關(guān)的身體的另一部分，從此揭開了同源異型盒基因的研究序幕[3]。隨后在果蠅中發(fā)現(xiàn)了BX－C和ANT－C兩個同源基因。Lewis[4]猜測HOX基因極可能是由一個相同的古老祖先基因通過復(fù)制和分化而成，并推斷BX－C和ANT－C兩個基因中可能存在與之相關(guān)的基因結(jié)構(gòu)。McGinnis[5]、Laughon[6]等通過研究證實了Lewis的猜想，發(fā)現(xiàn)在BX－C中的Ubx和ANT－C中的Antp的DNA序列中均含有一段180 bp的基因片段，并將這一基因片段命名為Homeobox(同源異型盒)。

HOX基因可編碼60個氨基酸，其構(gòu)成的多肽區(qū)域稱為同源結(jié)構(gòu)域(homeodomain，HD)。HD呈類球形折疊，其螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋結(jié)構(gòu)可與DNA特異結(jié)合，識別以5′－TAAT－3′為核心的10～12 bp的DNA序列，N－末端臂與DNA小溝的接觸可起穩(wěn)定結(jié)合的作用[7]。HD與DNA結(jié)合并作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子調(diào)節(jié)靶基因的表達，不同的HD與DNA序列的親和性不同，這種差異與同源異型盒基因產(chǎn)物和靶基因間的選擇性相互作用有關(guān)。

HOX基因在進化上高度保守，從低等生物到哺乳動物再到人類都存在HOX家族基因。HOX基因之間存在DNA序列相似性，其同源結(jié)構(gòu)域相似性達70%～80%，通常存在于蛋白質(zhì)的C端，參與基因的表達調(diào)控。在胚胎發(fā)育期，HOX基因在基因簇中的表達按照染色體中3′→5′端以時間先后順序逐個啟動，在特定的空間位置依次表達或沉默，具有嚴格的時空性[8]。同時，在同一表達區(qū)域同一染色體上靠近5′端的基因比其前部的基因在表達上具有功能上的優(yōu)勢，呈現(xiàn)出明顯的后部優(yōu)勢[8]。HOX基因在一定程度上具有功能補償效應(yīng)，即HOX基因可以部分或完全替代被影響的其它HOX基因的功能[9]。HOX基因表達還具有明顯的劑量效應(yīng)，等位基因突變越多，表現(xiàn)型變異越嚴重[10]。每個HOX基因在胚胎發(fā)育的過程中都有各自的作用范圍，一定區(qū)域內(nèi)的HOX基因的表達與特定的體節(jié)形成相關(guān)[11]。

2 HOXC8基因同源性分析

在NCBI中分別檢索豬、馬、小鼠、牛、山羊、驢、人和斑馬魚的HOXC8基因參考序列(表1)，其中驢的基因序列使用聊城毛驢高效繁育與生態(tài)飼養(yǎng)研究院前期全基因組測序結(jié)果[12]。比較發(fā)現(xiàn)HOXC8基因在人、豬、馬、驢、小鼠、牛和山羊等動物中均具有2個編碼區(qū)，編碼區(qū)長度分別為436 bp和293 bp；其在斑馬魚中也具有兩個編碼區(qū)，編碼區(qū)長度分別為436 bp和317 bp，與其他動物存在差異。與人、豬、馬、驢、牛和山羊不同，小鼠的HOXC8基因有3個外顯子，2個轉(zhuǎn)錄本，全長3 737 bp；其他動物HOXC8基因均具有2個外顯子和1個轉(zhuǎn)錄本。與上述幾種動物相比，驢HOXC8基因最長，為3 891 bp。

表1 部分物種HOXC8基因參考序列信息

利用DNAStar軟件中Cluster W Method對得到的驢HOXC8序列與GenBank中其他物種的該基因序列進行比較分析(圖1)，發(fā)現(xiàn)驢與馬、豬、牛、山羊、人和小鼠的同源性均非常高，可達80%以上，但與斑馬魚的同源性較低，只有47.4%。進一步比較分析驢HOXC8基因核苷酸序列結(jié)構(gòu)及編碼區(qū)氨基酸序列(圖2)，發(fā)現(xiàn)雖然該基因在各物種中的全長以及所在染色體不同，但HOXC8基因在人、豬、馬、驢、小鼠、牛和山羊中都編碼242個氨基酸，其中豬、馬、小鼠、牛、山羊和驢的編碼區(qū)氨基酸序列相似性為100%(圖3)。綜上所述，HOX基因在物種的進化中比較保守，各哺乳動物之間HOXC8基因保守性高，但是與魚類之間差異較大。

圖1 不同物種HOXC8基因核苷酸序列相似性分析

圖2 HOXC8基因核苷酸序列結(jié)構(gòu)及編碼區(qū)氨基酸序列

圖3 不同物種HOXC8基因氨基酸序列相似性分析

3 HOXC8基因生物學功能研究

3.1 HOXC8基因?qū)趋婪只挠绊?/h3>

HOX基因已被證明是建立軸向骨骼形態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[13]，也是發(fā)育過程中骨骼正確構(gòu)型所必需的[14－16]。通過對轉(zhuǎn)基因小鼠進行HOXC8基因缺失分析，發(fā)現(xiàn)大約200 bp DNA片段的增強子決定了HOXC8基因的早期表達[17]。還有研究表明，HOXC8基因在胚胎發(fā)育過程中對骨骼形態(tài)形成、造血及軟骨分化至關(guān)重要[18]。

在軟骨發(fā)育過程中，HOXC8過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出嚴重的軟骨發(fā)育缺損，主要發(fā)生在肋骨和脊柱，即軟骨生理不穩(wěn)定，成熟減慢，未成熟軟骨細胞堆積至肥大，缺損的嚴重程度取決于轉(zhuǎn)基因劑量[19]。由于轉(zhuǎn)基因小鼠的肋骨軟骨仍然脆弱，不足以支撐胸腔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致出生后不久肺功能衰竭和死亡[20]。而HOXC8基因敲除小鼠則表現(xiàn)為前肢神經(jīng)肌肉缺陷及胸腔肋骨、椎骨缺陷[21]。由此可見，HOXC8基因是軟骨細胞增殖和成熟的重要調(diào)節(jié)因子。

在成骨分化過程中，HOXC8基因初期低表達，中期上調(diào)(高表達)，晚期表達量顯著下降[22]。HOXC8基因在參與骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)誘導(dǎo)的成骨分化過程中，可抑制轉(zhuǎn)基因小鼠股骨和脛骨骨組織中膠原蛋白、骨橋蛋白和骨唾液蛋白的mRNA表達水 平[23]。HOXC8基 因 還 可與Smads蛋白直接作用，誘導(dǎo)成骨細胞分化[24]。同時有研究表明，BMP/Smad信號可誘導(dǎo)HOXC8基因調(diào)控骨橋蛋白和骨保護素蛋白的表達[25]。

3.2 HOXC8基因?qū)棺底儺惖挠绊?/h3>

大量試驗表明，HOX基因是調(diào)控脊椎動物和哺乳動物體軸骨發(fā)育的主要調(diào)節(jié)基因，HOX基因的突變可導(dǎo)致動物脊椎不同位置椎骨形態(tài)與數(shù)量的變異[26，27]?；蚯贸囼灡砻鳎∈蟮腍OXC8基因突變可使胸椎增加一枚，肋骨多生一對[28，29]，說明HOXC8基因確實參與了胸椎數(shù)量的調(diào)控。部分研究證實HOXC8并非單一基因影響脊椎發(fā)育過程，很有可能是結(jié)合其它基因或者調(diào)控元件來影響脊椎的發(fā)育過程[30]。

HOXC8基因還可影響家畜的脊椎變異，從而改變家畜的生產(chǎn)性能，增加家畜的產(chǎn)肉和產(chǎn)皮性能等，提升養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，全基因組關(guān)聯(lián)分析(Genome－Wide Association Study，GWAS)、相關(guān)數(shù)量性狀位點(Quantitative Trait Locus，QTL)定位和定性分析等新興技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)已將HOXC8基因定位為豬多脊椎變異候選基因[31]。趙靜[32]、陳琦[33]等研究發(fā)現(xiàn)蒙古羊HOXC8基因exon－1甲基化CpG的數(shù)量和密度影響HOXC8基因的表達，并且調(diào)控胸椎的發(fā)育，表明HOXC8基因與蒙古羊多脊椎數(shù)變異性狀存在相關(guān)性。在烏珠穆沁羊群體同樣顯示出HOXC8基因的表達可引起多脊椎變異的出現(xiàn)[34]。

3.3 HOXC8基因?qū)χ拘纬傻挠绊?/h3>

HOXC8基因在不同脂肪組織中差異表達，并在脂肪分化和脂質(zhì)沉淀中發(fā)揮著重要作用[35，36]。對綿羊前體脂肪細胞分化的研究發(fā)現(xiàn)，HOXC8基因mRNA的表達量在綿羊前體脂肪細胞分化前極顯著高于分化后，說明HOXC8基因在前體脂肪細胞分化前發(fā)揮作用。但在分化過程中，雖然HOXC8基因啟動子區(qū)甲基化和第一外顯子區(qū)甲基化都表現(xiàn)為較低水平，但第一外顯子區(qū)甲基化水平都極顯著高于啟動子區(qū)，說明綿羊前體脂肪細胞的分化不受HOXC8基因啟動子區(qū)甲基化的調(diào)控，而受第一外顯子區(qū)甲基化水平調(diào)控，且在分化過程中，HOXC8在轉(zhuǎn)錄水平的表達受第一外顯子區(qū)甲基化的正調(diào)控[37]。

HOXC8基因在人脂肪源性干細胞(adiposederived mesenchymal stem cells，ADSCs)中表達強烈，但僅在脂肪生成過程中表達下調(diào)，在成熟脂肪細胞中表達幾乎消失。研究發(fā)現(xiàn)靶向HOXC8的miR-196a在ADSC中隨著脂肪生成而上調(diào)，miR-196a的上調(diào)可抑制HOXC8的表達，并促進了ADSCs中的脂肪生成。故HOXC8基因可作為ADSCs中脂肪生成的抑制劑，其表達可能受miR－196a微調(diào)[38]。

3.4 HOXC8基因?qū)ι窠?jīng)發(fā)育的影響

HOX基因?qū)τ谏矬w神經(jīng)發(fā)育具有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠HOXC8基因在神經(jīng)系統(tǒng)的多階段表現(xiàn)為沿體軸骨骼方向上的雙向表達模式。小鼠胚胎發(fā)育早期HOXC8基因轉(zhuǎn)錄物主要分布在后神經(jīng)管和后中胚層，隨著發(fā)育進行HOXC8基因的表達沿腹背側(cè)方向分布遞減，而且在頭尾側(cè)方向表達也遞減[39]。

研究顯示HOXC8基因的靶向破壞會導(dǎo)致肢體運動軸突連接的異常，HOXC8基因突變會導(dǎo)致小鼠運動神經(jīng)異常，造成先天性前爪缺陷[40]。在小鼠胚胎發(fā)育早期，HOXC8基因在肱動脈脊髓運動神經(jīng)元中持續(xù)表達，若在肱動脈脊髓運動神經(jīng)元中早期和晚期去除HOXC8基因，則會影響幾個終末分化基因的表達，表明HOXC8基因參與了脊髓運動神經(jīng)元(MN)終末分化的控制[41]。HOXC8基因是區(qū)別外側(cè)運動神經(jīng)柱(lateral motor columns，LMC)細胞內(nèi)側(cè)和外側(cè)的關(guān)鍵[42]，且在LMC細胞定型和早期分化過程中具有雙向調(diào)節(jié)作用，此發(fā)現(xiàn)表明HOXC8基因在脊髓腹側(cè)有絲分裂后細胞表達調(diào)控的重要性；同時HOXC8基因?qū)τ贚im1＋運動神經(jīng)元亞群的表達、Islet1＋運動細胞體的正確定位及其適當?shù)妮S突投射具有重要調(diào)控作用。在脊髓神經(jīng)發(fā)生過程中，維甲酸(retinoic acid，RA)信號調(diào)節(jié)和HOX基因表達之間似乎存在復(fù)雜的相互作用。因此，相互依賴的RA信號傳導(dǎo)和HOX基因功能對于小鼠臂運動神經(jīng)元的特化是必需的[40]。

3.5 HOXC8基因?qū)Π┌Y發(fā)生的影響

HOX基因沿前后軸呈線性排列，如果其家族成員在錯誤的時間或地點出現(xiàn)錯誤的表達，則會導(dǎo)致其調(diào)節(jié)作用出現(xiàn)紊亂，增生與分化之間的平衡被打破，就很可能導(dǎo)致惡性腫瘤的發(fā)生。越來越多研究表明，HOX基因在多種惡性腫瘤中表達均出現(xiàn)異常，因此，HOX基因的表達在惡性腫瘤診斷和治療中可能具有重要作用。相關(guān)研究表明HOXC8可參與調(diào)控人類多種惡性腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[43]。

HOXC8基因是調(diào)控食管發(fā)育的重要基因，同時也參與食管鱗癌的發(fā)生與發(fā)展。杜雅冰等[44]研究發(fā)現(xiàn)HOXC8在食管鱗癌中發(fā)揮癌基因的功能，作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子蛋白可促進食管癌細胞增殖，而敲除HOXC8基因，則可使食管癌細胞周期阻滯在G1期，細胞凋亡率增加，克隆形成能力下降。HOXC8基因可作為轉(zhuǎn)錄激活因子誘導(dǎo)TGFβ1表達，進一步促進癌細胞的增殖以及遷移能力。其主要調(diào)控機制為MiR－23a靶向上調(diào)HOXC8基因的異常高表達，從而促進了宮頸癌的發(fā)生、發(fā)展過程[45]。在胃癌中，HOXC8可作為miR－337－3p的靶基因，XIST通過競爭性結(jié)合miR－337－3p并上調(diào)HOXC8進而促進胃癌細胞增殖、侵襲和上皮細胞－間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，從而促進胃癌的發(fā)展進程[46]。在鼻咽癌中，過表達HOXC8可抑制癌細胞生長，調(diào)節(jié)糖酵解，并調(diào)控三羧酸循環(huán)通路中相關(guān)基因的表達[47]。在乳腺癌晚期，HOXC8表達水平明顯升高，其可作為轉(zhuǎn)錄抑制劑抑制嵌入式跨膜糖蛋白(EMB)的表達，從而促進乳腺癌細胞的生長和遷移[48]。

3.6 HOXC8基因?qū)γ野l(fā)育的影響

HOXC8基因在人類胎兒皮膚發(fā)育過程中表達[49]，其主要在皮膚的毛乳頭細胞中表達，并被認為與毛乳頭細胞的毛發(fā)誘導(dǎo)能力有關(guān)[50]。HOXC8基因可參與小鼠毛囊干細胞的激活，途徑是激活與毛囊干細胞增殖分化至關(guān)重要的信號通路Wnt/β－catenin[51，52]。在小鼠中，HOXC8首先在胸骨區(qū)域的皮膚中表達，隨后擴展到胸腹和腰背部[53]。此外，HOXC8還可在小鼠包括真皮乳頭細胞在內(nèi)的不同毛囊亞區(qū)域中表達[54]，其過表達可加速小鼠毛囊休止期向生長期轉(zhuǎn)換，促進毛囊生長。

在絨山羊毛乳頭細胞全轉(zhuǎn)錄組學分析及與毛母質(zhì)細胞分子互作機制的研究中發(fā)現(xiàn)，毛囊干細胞激活相關(guān)基因HOXC8的表達可受chip－miR－144－5p的負向調(diào)控，從而導(dǎo)致HOXC8基因下調(diào)，抑制毛囊生長；而ceRNAs可特異性結(jié)合chipmiR－144－5p，從而解除HOXC8基因的抑制[55]。Bai等[56]對遼寧絨山羊生長期次級毛囊HOXC8基因外顯子1的甲基化狀態(tài)進行了研究，發(fā)現(xiàn)HOXC8基因外顯子1的甲基化程度與羊絨纖維的直徑、長度和強度等絨纖維性狀相關(guān)，表明遼寧絨山羊毛囊HOXC8基因外顯子1的甲基化程度可參與調(diào)節(jié)羊絨纖維的生長。

4 小結(jié)

綜上所述，HOXC8是一類在進化上高度保守的轉(zhuǎn)錄因子，與胚胎發(fā)育、骨骼分化、脊椎變異、脂肪形成、多種癌癥的發(fā)生和發(fā)展及毛發(fā)發(fā)育密切相關(guān)。隨著對HOXC8基因的深入研究，現(xiàn)已將其作為多種癌癥的診斷基因、產(chǎn)絨動物產(chǎn)絨性狀的潛在候選基因及家畜多脊椎變異的候選基因等。但目前對于HOXC8基因的研究還存在一定的局限，僅證實HOXC8基因與家畜脊椎變異存在相關(guān)性，具體通過何種途徑或調(diào)控元件如何進行調(diào)控還無法給出準確結(jié)論，需進一步深入探究。