POU同源域蛋白的结构及发育中的功能

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POU同源域蛋白含有两个保守的亚结构域以及它们之间有变化的连接区.两个亚结构域与DNA相互作用，在连接区可塑性和辅因子的帮助下，POU蛋白作为调控因子和转录因子，显示出错综复杂的DNA结合和识别能力.在脊椎动物和无脊椎动物中，POU蛋白参与胚胎发生的早期过程，在细胞谱系的分化和神经发育中起调控作用.

关键词　POU同源域蛋白，蛋白质-DNA相互作用，胚胎发育，神经细胞分化

学科分类号　Q344

POU-domain Protein Structure and Its Function in Development.YANG Qi-Sheng, WU Min(Department of Biology Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China). Abstract　POU domain proteins contain tow high conserved subdomains ( POUH and POUS) and variable linker between them. POU proteins interact with DNA by POUH and POUS. In aid of the domain flexibility and requirement of cofactors, POU proteins exhibit very complicated ability to bind and recognize DNA in function of regulator and transcription factors. In vertebrate and invertebrate, POU proteins take part in early embryogenesis, exert much regulation in cell lineage differentiation and neural development. Key words　POU homeodomain proteins, protein-DNA interaction, embryonic development, neural cell differentiation 　　

同源域(homeodomain)蛋白是一大类DNA结合蛋白，我们曾经介绍过它们的结构及与DNA相互作用的一些规律［1］.其中POU家族作为代表性的Pit-1、Oct-1、Oct-2和unc-86等，都有共同的结构式样，称为POU结构域，包括二个亚结构域及其连接区，N端是75氨基酸的POU特异性结构域(POUS)，C端60氨基酸为POU同源域结构(POUH).根据POUH氨基酸序列和连接区的保守性，POU蛋白分为6类.近来还在不断分离和鉴定新的蛋白和类型.

1　POU家族的结构 　　

POU结构域的两个独立亚结构POUS和POUH分别为保守的螺旋区，一同以高度亲和性结合于特定DNA元件，连接区肽段起着协调作用.

1.1　Oct-1与八聚体元件结合　　

Oct-1的POUH和POUS有相似的立体构象.其一级结构同典型的同源域有很大差异，但立体结构是保守的.POUS及POUH分别结合在DNA两侧大沟内［2］，同DNA的碱基及磷酸基团作广泛接触，对八聚体元件ATGCAAAT有高亲和性.POUS结合于5′ATGC半位点，POUH结合于3′端富含A/T的AAAT半位点.两亚结构域以尾对尾方向分别位于DNA两侧相背的大沟内，在八聚体元件内接触有重叠，但无相互作用.这种重叠在介导两亚结构协调结合方面有重要作用.

1.2　Pit-1二聚体结合于DNA位点　　

哺乳动物Pit-1蛋白以二聚体结合于某些基因启动子元件上，复合物的晶体结构表明，POUS和POUH在DNA同一侧，而二聚体亚基分别位于DNA的两侧.两亚基通过POU结构域来介导相互间的偶联，一个亚基的POUH中螺旋3的羧基端呈伸展结构，与另一亚基POUS中螺旋1及螺旋3、4间的环形成接触界面，相互作用形成二聚体［3］.POU结构域具有可塑性，单单POUH对DNA的亲和性很弱，POUS参与对形成二聚体具有重要作用.

1.3　连接区在DNA识别中的功能　　

原先认为连接区肽段的功能是连接POUS和POUH，使它们同时结合于DNA.实际上，连接区的长度在15～56氨基酸，序列是可变的，能使POUS与POUH采取各种相对方向，识别各种DNA元件.例如有些第Ⅲ类POU蛋白，有17氨基酸的连接区，结合的半位点之间有0、2或3 bp的间隔，POUS与POUH可采取不同方向.某神经细胞内4种POU蛋白，共同特征是连接区采取特异构象，能同DNA或调控蛋白特异地相互作用，连接区起着调控功能.

1.4　POUH和POUS结合的立体结构　　

Oct-1等研究为POU蛋白识别DNA揭示了二个作用机理.一是氨基酸-碱基相互作用的可塑性，例如Oct-1的POUS识别螺旋Gln44对碱基A有高度选择性，但Arg49可容忍碱基的变化，允许八聚体ATGCAAAT中第3、4个碱基改变，也可识别不同的八聚体.二是POUH和POUS在DNA上定位的可塑性，不同的DNA位点上有不同的立体排列，例如Oct-1或Brn-2的POUS在不同的八聚体上出现180°翻转.Brn-2的POUS和POUH在GCATTAAT上紧靠在一起，还以不同的亲和性结合在有间隔的GCATNNTAAT元件上.Oct-1在不同元件上显示出不同的立体构象和识别亲和性，其原因是DNA结合域及连接区的可塑性.

1.5　与辅因子的相互作用　　

POU蛋白另一特征还表现出与其他蛋白质的相互作用，例如Oct-1可以同许多蛋白质因子偶联，包括Spl、Apl、受体PR/GR等激活因子，VP16、R1A、Oca-B/OBF-1/Bob-1等调控因子，PTF和TBP基础因子等.当不同元件参入启动子，POU结合在不同元件上，能选择、偶联不同的辅因子.这是它们转录调控的重要特性.结合的DNA元件能够决定同哪种辅因子相互作用.Oct-1除了参与持家基因、时空调控基因的表达外，也是HSV感染细胞中病毒基因表达必要的.HSV感染时，激活因子VP16促使在HSV基因IE启动子的TAATGARAT元件上同Oct-1形成Oct-1/VP16/HCF复合物.VP16作为辅因子本身不能结合到DNA上，但同POU偶联后结合于DNA，对POU蛋白的调节活性有深刻的影响［4］.

2　POU家族的功能 　　

脊椎动物及无脊椎动物的发育有一个精细、严密而微妙的调控程序，需要各种调控因子、转录因子参与这个过程.目前人们对它的了解还很肤浅，只是认识一些局部现象，要在分子机理上理解整个程序还很遥远.根据POU蛋白的表达形式，认为它们可能在胚胎发育，特别是神经早期发育及细胞分化中起着重要功能.

2.1　在胚胎早期发育中的调控作用　　

第Ⅴ类POU蛋白几乎在胚胎早期进行表达，对细胞决定和增殖中的关键基因起着调控作用.爪蟾XLPOU-60、鱼类Pou-2和哺乳动物的Oct-3/4等最初都是母系转录产物.Sprm-1在雄性生殖细胞内短暂表达.XLPOU-60从细胞质自主地向核内分配，在受精卵内一开始就起着调控因子的功能，在原肠胚早期表达迅速下降［5］.同时第Ⅴ类的Oct-25和-91、XLPOU-91等有序地上调，推测这些蛋白质是合子的早期转录产物，在原肠胚后期和神经胚阶段分别下调.Pou-2和Oct-3/4也在受精卵中转录，当表达下调时，细胞失去多能性，失去多途径发育的可能性.Pou-2转录物经过裁切，成为缺乏同源域的t-pou-2，推测t-pou-2抑制内源pou-2同特异性辅因子或辅激活因子相互作用.若过量表达，将会阻碍胚胎正常地通过原肠胚期.

2.2　调节细胞谱系的发展　　

unc-86、pdm-1/-2及pit-1等基因的突变研究指出，它们的产物调节着有关细胞的发育.各个基因都以独特的机制调控着某些关键过程.

2.2.1　unc-86：unc-86是腺虫中首先鉴定的POU基因，是几种神经母细胞正确发育及神经元分化所必要的.unc-86在神经母细胞不对称分裂的二个子细胞之一中表达，产生不同的子细胞.如Q神经母细胞的不对称分裂最终产生纤毛感觉神经元、光触感觉神经元、中间神经元和2个程序死亡的细胞［6］.如果缺乏unc-86功能，只会对称地分裂，重复母细胞的特性，不能正确地发育分化.因此，unc-86调节着一些基因的转录，其产物或许决定了子细胞的命运.

2.2.2　pdm-1和pdm-2：果蝇的pdm-1/-2是第Ⅱ类POU基因，与哺乳动物的Oct-1/-2密切相关，在胚胎的肠和翅原基中表达，胚胎早期发育中表现出gap样基因的表达形式.它们在神经母细胞NB4-2中得到广泛的研究.NB4-2不对称分裂产生神经节母细胞（GMC）和一个未分化细胞(sib).pdm-1/-2在GMC中先高水平表达，然后在GMC分裂之前表达水平下降，才产生运动神经元RP2.Pdm-1/-2是保持GMC所必需的，后来的低水平表达也是GMC分化所必需的.如果pdm-1/-2突变，GMC缺乏这两种蛋白质功能，就阻止分化成RP2.所以pdm-1/-2暂短的高水平表达是完成NB4-2发育、分化和RP2的产生所必要的［7］.

2.2.3　Pit-1：Pit-1在哺乳动物垂体细胞分化中发挥功能.小鼠13.5 d胚胎内Pit-1基因已在垂体腺中表达.成熟个体的Pit-1在3种细胞类型中表达，即合成TSHβ的促甲状腺素细胞、产生PRL的催产素细胞和合成GH的生长激素细胞.这些细胞系中，Pit-1作用于细胞特异性基因的启动子元件，分别把分化细胞中这些基因激活［8］.Pit-1基因的突变使脑垂体发育不全，不产生上述3类有功能的细胞.因此，Pit-1同特异性细胞的分化、靶基因的调控以及垂体细胞谱系的增殖和生存都有重要关系.小鼠8.5～9 d胚胎形成Rathke?s囊，是垂体腺的初始.第10.5天开始不对称分裂生成一种前体细胞，它表达垂体特异的Pair型同源域蛋白Prop-1.Prop-1是Pit-1的上游，能结合于Pit-1基因的早期增强子，调控Pit-1基因.当pit-1表达，就生成前体细胞，再进一步分化成3种垂体细胞系.估计Pit-1与垂体细胞不对称分裂有关，造成不同方向的细胞分化.

2.3　在神经发育中的功能　　

许多POU蛋白存在于神经系统中.第Ⅲ和Ⅵ类POU蛋白随着CNS发育和分化的进行，有着广泛而受限制的表达型式.第Ⅳ类蛋白主要存在于PCN.

2.3.1　第Ⅲ类POU蛋白：Brn-2对哺乳动物下丘脑的发育有深刻的影响.产生后叶催产素和促皮质激素释放因子的神经元主要表达Brn-2，而产生加压素的神经元表达Brn-2、Brn-4蛋白以及Brn-1转录物.Brn-2一开始就存在于下丘脑神经元，对起初的神经细胞的决定和迁移并不需要，但对后来的分化、一些神经元的存活及其神经肽的表达是必要的. 　　

XLPOU-2一开始在两栖类的Spemann组织者中，然后在原肠中胚层、神经外胚层和神经板上表达，这同神经诱导在时态上是一致的.XLPOU-2被noggin诱导，可能调控神经发生的早期反应，还影响Spemann组织者内基因表达，有诱导背部化的某些功能［9］. 　　

Tst-1/Oct-6/SCIP在寡突胶质细胞前体和发育着的Schwann细胞内表达，与髓鞘形成有关，也在未分化的胚胎干细胞、胚胎外胚层、神经上皮细胞以及几个脑核内表达.Tst-1/Oct-6/SCIP无效突变的小鼠可以正常地通过胚胎发育早期阶段，但外周神经的髓鞘形成在出生后数天受严重损害，Schwann细胞分化受影响，编码髓鞘结构的几种基因的表达受到了抑制.很可能它们对髓鞘包装过程中有催化功能的某种蛋白质的表达进行调控［10］.

2.3.2　第Ⅳ类POU蛋白：第Ⅳ类POU蛋白与unc-86产物高度相关.近来发现哺乳动物的Brn-3.0，Brn-3.1和Brn-3等在CNS和PNS中都有重叠的表达，具有结合DNA的相似能力.在细胞最终分化中行使关键性功能，使有关基因的表达具有时态和空间独特性［11］.Brn-3.0在神经嵴细胞、成熟的感觉神经节、视网膜细胞层以及CNS的一些特殊核区表达.基因打靶对PNS的发育有深刻的影响，包括运动协调的严重异常，在CNS区域也有异常表达.Brn-3.1的表达更限于感觉神经节和脊髓中，独特地在内耳听觉细胞中强烈表达.突变的小鼠在出生时似乎很正常，但第11天就发展出平衡失调以及多动症.因不能提供必要的营养因子支持，听神经细胞不能恰当地分化，导致神经节衰退、耳聋、感觉神经节丧失.Brn-3.2打靶突变小鼠的主要缺陷是失去约70%视网膜神经节细胞，它最初的表达是这些细胞发育所必要的.

3　结　　语 　　

POU蛋白的结构有共同特点，特征之一是有两个DNA结合域.两个不同而又偶联的结构域可以看作连接在一起的分子内二聚体，在DNA上显示出空间构象的可塑变化，类似核受体或bHTH蛋白的异源二聚体的结合情况.在结合元件上别构地同各种辅因子相互作用.这为POU蛋白能够调控一套时空特异性的基因提供了分子基础. 　　

功能上POU蛋白作为DNA结合因子在发育中起着重要的调控功能，即使同一家族的成员也起着各不相同的作用.极大多数POU蛋白在发育中显示出时空受限制的表达型式，很可能与基因激活、特异的信号传导途径相一致的.视黄酸和骨成形蛋白、hh和Wnt因子等信号途径都会直接、间接地影响POU基因的表达.很多POU蛋白是胚胎早期发育中细胞分化和谱系决定的关键性调控因子.还在神经细胞决定、分化的晚期起作用，基因打靶常常使它们分化的最终阶段受破坏，包括迁移、轴突导向、一系列远端靶基因如神经营养因子及其受体的表达，许多情况下还涉及神经细胞的生存.其实，在可以觉察到形态变化之前，基因表达型式的改变早已开始了.整个而言，POU家族的成员在发育机构中相当晚才起作用，调节着最后的分化事件.