Brachyury基因的研究进展

Brachyury基因的研究进展
龙鑫;智达夫;何亭漪;李晓丹;杨红新;曹贵方
【摘要】Brachyury基因是T-box基因家族编码的一种转录因子,该基因已经在包括腔肠动物在内的许多动物中发现.Brachyury基因在调控生物体胚胎发育、细胞迁移等许多方面扮演着重要角色,其功能还涉及胚胎发育过程中器官形成等生理过程.研究发现,人类肿瘤疾病、动物脊索发育、动物尾型的畸形生长都与Brachyury 基因有直接联系.主要就Brachyury基因与肿瘤疾病、动物短尾性状形成的研究进展进行综述,以期为相关研究提供参考.
【期刊名称】《畜牧与饲料科学》
【年(卷),期】2019(040)004
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】Brachyury基因;肿瘤;短尾性状;研究进展
【作者】龙鑫;智达夫;何亭漪;李晓丹;杨红新;曹贵方
【作者单位】内蒙古农业大学生命科学学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古自治区基础兽医学重点实验室,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学兽医学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学兽医学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学兽医学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学兽医学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学兽医学院,内蒙古呼和浩特 010018
【正文语种】中文
【中图分类】R730.231;R394
Brachyury 这个名字来源于希腊语，brakhus 意思是短，oura 意思是尾巴。

Brachyury 基因位于染色体6q27 的区域，它长约10 kb，是T-box 基因家族的
转录因子之一，包含编码着435 个氨基酸组成的开放阅读区的蛋白质以及称为T-box 的DNA 结合域［1］。

绝大多数的哺乳动物都是有尾巴的，尾巴的功能多种多样，如保持平衡、传递信息、保持体温等。

但各种动物的尾巴的形态、大小、颜色又各不相同，表观形态的不
同代表着不同物种的不同进化选择。

在不同的自然选择和进化路径上同一物种或
不同物种之间尾巴的形态存在差异，有些会变短甚至消失。

James 等［2］1991
年在澳大利亚南部发现美利奴绵羊群体中存在短尾的表型。

此外，还有短尾猫、短尾鼠、短尾狗等群体中也存在短尾的表型。

探究物种内尾巴长度多态性的分子遗
传机制，是阐明尾巴发育和进化的重要一步。

研究还发现，在胚胎发育过程中，Brachyury诱导、促进中胚层的形成、分化，是一种关键的转录调节因子［3］。

随着研究的不断深入，也有越来与越多的科学家认为Brachyury 基因在肿瘤发生发展中可能扮演重要角色，并有可能成为治疗脊
索瘤、乳腺癌、前列腺癌、结肠癌等多种肿瘤的关键所在。

1 Brachyury 基因的发现
1927年由Dobrovolskaia-Zavadskaia 首次在小鼠身上描述了Brachyury 基因突变，这是一种影响杂合子动物尾长和骶骨的突变［4］，由于技术的限制并没能在分子领域揭示Brachyury 基因的非正常表达造成短尾和尾部畸形的原因。

直到1953 年沃森和克里克提出DNA 分子的双螺旋结构，加速了分子生物学的发展。

20 世纪80 年代体外基因扩增技术的发展更是加速了分子生物学的研究进程，到
20 世纪90 年代Herrmann 等首次利用分子和遗传技术结合的方式从小鼠上分离克隆了Brachyury 基因，从而使分子工具可用于研究小鼠中胚层形成过程［5-6］。

在研究中发现，Brachyury 蛋白通过其N-端的结合结构域与Brachyury 靶序列的20 bp 的回文序列［TG（C）ACACCTAGGTGTGA AATT］结合，这个特定的DNA 原件即称为T-box［7］。

到目前为止，已经鉴定了20 多个脊椎动物基因组中以及秀丽隐杆线虫基因组中的15 个高度保守且同源的T-box 基因［8-9］。

Brachyury 作为第一个被发现的T-box 家族成员又被称为T 基因。

2 Brachyury 基因的功能作用
自Brachyury 基因被克隆以来，随着分子技术的不断发展，对该基因的研究不断
增多。

研究方向主要有Brachyury 基因与疾病的关系，以及其在胚胎发育尤其是
脊椎发育中的作用两方面。

2.1 Brachyury 基因在肿瘤中的作用
肿瘤形成的原因是细胞间存在的机械力调控细胞运动能力的增强导致细胞侵袭增强，强烈的细胞迁移是癌细胞的特征之一。

起初认为Brachyury 基因与胚胎脊索的发育相关，后来发现该基因的表达与细胞迁移有关，比如Brachyury 基因能够调控
原肠胚的运动。

随着研究的不断深入，越来越多的研究者认为Brachyury 基因与
肿瘤的发生有着重要联系。

Palena 等［10］利用逆转录PCR验证在小肠、胃、肾、膀胱、子宫、卵巢和睾丸的肿瘤以及肺、结肠和前列腺癌的细胞系中Brachyury基因均有表达，但在绝大多数正常组织中未显示，即Brachyury 基因
的表达在正常细胞与肿瘤细胞中存在明显差异，所以被认为是肿瘤的一个决定性的诊断标志物。

通过研究验证，该基因是促进肿瘤上皮细胞—间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）的重要因素。

过度表达Brachyury基因的细胞会使黏附分子E-钙黏蛋白的表达下调，使它们能够进行EMT，该过程至少部分由转录因子Akt 和Snail 的介导［11-12］。

在离体试验中，Brachyury 基因可以通过诱导EMT 的方式影响结肠癌和前列腺癌的恶性表型［13］。

再者，细胞中的Brachyury 基因过度表达与肝细胞癌（HCC，又称恶性
肝癌）有关。

Brachyury 基因在促进EMT 的同时，也能诱导肝癌细胞的转移，癌细胞的转移是病情恶化的表现。

这些研究充分说明了Brachyury 基因在肿瘤中的
作用，它的高表达往往与恶性表型共存，这为探究该基因与肿瘤的发生、迁移等的关系奠定了理论基础。

肿瘤的产生严重威胁人类的生命健康，目前针对脊索瘤等一类的疾病还没有行之有效且彻底的治疗方法。

因此，寻找有效的针对肿瘤的新型治疗靶点逐渐趋于热门。

Otani 等［14］采用定量PCR的方法对27 例脊索瘤标本中Brachyury 基因拷贝数和表达水平进行分析，发现在Brachyury 基因高表达的肿瘤中，PI3K/Akt 通路基因的表达上调，而PI3K 信号的抑制导致脊索瘤细胞系Brachyury 基因表达降低和细胞生长抑制，这可能是脊索瘤生长调控的关键。

Kobayashi 等［15］通过在腺样囊性癌（adenoid cystic carcinoma，ADCC）细胞中将shRNA（short hairpin RNA）转染到ADCC CSC 细胞系ACCS-MGFP 中来敲除Brachyury 基因。

Brachyury基因敲除显著抑制细胞迁移和侵袭并使癌细胞的化学抗性显著降低。

利用定量PCR 对转运蛋白基因的研究显示，Brachyury 的敲除导致ATP 结
合转运蛋白基因的下调。

这些定性或定量的试验直接证明了Brachyury 基因或通过调节信号通路或改变机体敏感性及能量物质运输的方式调控癌症的发展，它的表达水平与癌细胞的增殖和侵袭能力呈正相关，而且对其抑制作用会对癌症的发展起到良性作用。

最新研究表明，Brachyury 基因表达是高危睾丸生殖细胞肿瘤以及
肝癌的预后生物标志物，所以该基因可能是未来癌症治疗的靶点［16］。

此外，Brachyury 基因的过度表达可能在与良性疾病如肾纤维化相关的EMT 中起到一定作用。

总结以上结果表明，Brachyury 基因在肿瘤的发展过程中发挥着重要作用，靶向Brachyury 基因治疗可能是治疗肿瘤的一种有效的新方法。

所以Brachyury 基因的深入研究对于克服人类肿瘤疾病具有重要意义。

当然Brachyury 基因是如
何发挥生物分子学功能的，仍需更加深入的研究予以揭示。

2.2 Brachyury 基因与短尾的关系
Brachyury 基因被提出以来，已经在多种动物群中发现，包括刺胞动物、环节动物、棘皮动物、半脊索动物、尾索动物和头索动物等。

Brachyury 基因最初被认为是调控多细胞生物的形态运动，后来被发现是早期泛中胚层的最具标识的基因之一。

Brachyury 基因在哺乳动物早期胚胎发育期间发挥着十分重要的作用，并广泛用于发育生物学领域以追踪该胚层的发育，Brachyury 基因在原肠胚的胚孔中率先表达，在后期表达逐渐局限于发育中的脊索和尾芽，Brachyury 基因的缺失或不正确的表达都会对胚胎正常发育产生显著的影响［17-18］。

它在所有新生中胚层中表达并且随着这些细胞经历分化和加工进入衍生组织（包括骨骼肌、心肌和结缔组织以及血液和内皮细胞）而下调［19］。

在蛔虫中，T-box 转录因子基因Brachyury 仅在脊索细胞中表达，并在脊索形成中起关键作用［20］。

随着研究的深入，人们从Brachyury 基因在胚胎中的表达与作用逐步探究到各个组织器官，后来发现在脊索发育中它也起到重要的作用。

Hotta等［21］在已经鉴定出30 多个Brachyury 基因下游脊索基因的基础上，利用特定的PMO （phosphorodiamidate morpholino oligomers）对Brachyury 下游基因进行了功能分析。

发现，各种Brachyury 下游基因的敲除导致了脊索细胞在胚胎中收敛性延伸的失败。

遗传分析和分子机理研究表明，体节的区域性特化完成与否取决于脊索和神经管的相关因子，而Brachyury 基因就是其极速发育的决定性因子之一。

基于上述研究结果，有人提出随着胚胎发育的进行，Brachyury 为后脊索的发育和尾轴延伸提供明显的支持作用。

科研人员利用miRNA 干扰等技术对Brachyury 基因进行干扰，发现Brachyury蛋白的功能性缺失会使小鼠胚胎不能正常发育，脊索分化不能完成，导致神经管和体节的异常，并且在左右图示化中存在缺陷，而且在纯合子小鼠中，Brachyury 基因突变在胚胎发育第10 天左右是致命的，因为
中胚层形成缺陷、脊索分化和前肢芽结构无法形成［4，22-23］。

因此，因突变或缺失等原因造成在胚胎时期Brachyury 基因非正常表达，可能是脊索发育不完全导致动物尾部畸形的原因之一，进一步说明该基因可能是影响动物短尾表型形成的分子机制。

为验证这一推测，智达夫［24］对呼伦贝尔短尾羊的全基因进行重测序，并与只有尾部形态不同的巴尔虎羊进行序列分析，利用群体杂合度（Hp）与遗传分化系数（Fst）分析法对得到的SNP 位点进行选择性清除，结果发现其中有与脊椎发育相关的Brachyury 基因（c.G334T 突变）。

通过CRISPR/Cas9 基因编辑技术编辑小鼠受精卵，改变Brachyury 基因表达状况获得小鼠模型，得到尾部长短不一的小鼠与呼伦贝尔短尾羊表观性状相同。

这一试验有力地证明了Brachyury 基因非正常表达是造成脊索发育不完全和尾部畸形的原因。

但通过对呼伦贝尔短尾羊基因测序发现并不存在突变纯合致死的现象，这与小鼠胚胎发育不同，其原因有待进一步探索。

此外，田志鹏［7］采用RNA 原位杂交探针的方法对正常小鼠和突变小鼠进行研究，结果表明，正常小鼠胚胎中Brachyury的表达在7.5 dpc 开始逐渐上调，并在9.5 dpc 达到峰值，随后表达量逐渐下调，而在突变小鼠胚胎中Brachyury 表达趋势虽然与野生小鼠胚胎的表达情况一致，但表达量明显低于同期野生型胚胎。

这些发现将Brachyury 基因与短尾动物的短尾性状紧密联系在一起, 从早期胚胎发育时随着发育的进行表达量的变化，到在脊索形成中的干扰的验证及表达曲线、表达部位的变化，再到编辑Brachyury 基因得到模型动物，一步步验证了Brachyury 基因表达状况与脊索不正常发育和尾部短小畸形有直接关系，为短尾动物的开发利用提供了分子基础和新的平台。

3 结语
Brachyury 基因在胚胎发育中与脊索的形成以及肿瘤中细胞运动有关。

该文从Brachyury 基因在肿瘤中的作用和其与短尾动物的短尾性状、尾部畸形的联系两方面的研究进行综述，总结了该基因在脊索瘤以及其他上皮来源肿瘤的发生、迁移
和预后中的作用及其在胚胎发育过程中造成脊髓非正常发育、尾部畸形的分子机制。

由此可以得出，今后关于Brachyury 基因的研究可以向以下方向开展：①由于Brachyury 基因具有较高的特异度和灵敏度而成为新的肿瘤细胞特异性标记物，
并可能成为潜在的治疗靶点；Brachyury 基因在受到干扰的情况下可以提高癌细
胞对化疗药物的敏感性，可为肿瘤机制的研究和靶向药物的研发提供新思路。

②Brachyury 基因正常表达是脊索动物脊索正常发育、尾部形态正常的保障，这
为短尾动物的研究提供新的途径和思路。

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