POU同源域蛋白的结构及其在发育中的作用(精)

POU同源域蛋白的结构及其在发育中的作用

综述

POU(Pit-Oct-Unc)同源域蛋白是一组真核生物转录调控因子，由众多POU同源盒基因家族成员编码，在脊椎动物和无脊椎动物中，参与胚胎发生的早期过程，在细胞谱系的分化及神经、内分泌和免疫等多系统发育过程中起重要的调控作用。POU同源盒基因最早是根据哺乳动物转录因子Pit-1(存在于大鼠垂体中的一种转录调节因子)、Oct-1和Oct-2 (B 淋巴细胞转录因子)与线虫Unc-86(线虫发育相关调控因子)都能与一段特定序列的DNA区域结合而归族的[1]。POU同源盒基因家族是众多同源盒基因家族中的一组成员，具有同源盒基因的特征性结构特点，且其特殊的POU区也是转录因子与DNA结合的重要结构形式[2]。

一、同源盒基因的结构及分类

1、同源盒基因的结构模式

1983年在瑞士的Gehring实验室，在绘制果蝇触角足基因(antennapedia, Antp)外显子图谱的过程中发现Antp的cDNA克隆和染色体上距Antp基因左侧30kb部位有弱的交叉信号，并发现这一交叉杂交顺序是ftz基因转录单位的一部分，很快在Ubx基因中也发现相同的DNA片段。用这一片段作为探针进行杂交试验，发现在果蝇染色体上有10多个位点有阳性杂交信号。DNA序列分析表明，这些位点所属基因均含有约183 bp的特征性核酸结构，称为同源盒(homeobox, HOX)。将含有这段同源盒DNA序列的基因称为同源盒基因，由同源盒基因编码的蛋白质则称为同源域蛋白(homeodomain protein)。同源盒结构具有较高的保守性，并保持相同的阅读框架，编码61个氨基酸残基的肽段，称为同源异形域或同源结构域(homeodomain, HD)。同源结构域与螺旋－转角－螺旋(helix-turn-helix, HTH)、锌指结构、亮氨酸拉链等结构一样，是真核生物DNA结合蛋白中一类特殊的结构式样。

接着，在具有同源异形突变现象的甲虫和属于环节动物的蠕虫等无脊椎动物中发现了同源盒结构。随后，在脊椎动物也发现有同源盒结构存在。先是在爪蟾早期胚胎的mRNA中发现同源盒序列，后来在小鼠与人的基因组中也找到这段特殊的DNA序列。

同源域蛋白含有同源结构域和特异结构域(specific domain，SD)，连接两者的是一段长度变化较大的连接区(linker)。通常特异结构域位于同源结构域的上游，靠近同源域蛋白的N-末端，同源结构域靠近C-末端，这两个结构域在同源域蛋白作为转录因子发挥作用时均起重要作用。

同源结构域是同源盒基因序列编码的61个氨基酸构成的肽段，是具有高度保守性的氨基酸域。它的一个显著特点是碱性氨基酸残基高达30％，这符合同源域蛋白是DNA结合蛋白的特点。X-射线衍射晶体学研究表明：同源结构域，折叠成3个α-螺旋，在第2和第3个螺旋间构成螺旋－转角－螺旋结构，这是DNA结合蛋白的主要特征结构[3]。同源结构域能特异性地识别以5'-TAAT-3'为核心的10～12bp的DNA序列[4]。第2和第3个螺旋间形成的浅沟结构，可以与特异的核苷酸序列结合，而第l和第2个螺旋则为同源结构域与DNA的结合提供了空间和结构的完整性[5]。2、同源盒基因的分类

迄今已发现300多个同源盒基因，广泛分布于从酵母到人类的各种真核生物中。哺乳动物同源盒基因根据其在染色体上的分布可分为复合型和分散型。复合型同源盒基因在染色体上成簇串联分布，并按前后轴(antero- posterior，A-P)的方式表达，称之为A-P型同源盒基因，又称为HoxⅠ类基因，与Antp基因有很高的同源性( > 80% )。小鼠及人类的A-P 型同源盒基因分为A、B、C、D四个簇，分别位于7、17、12、2号染色体上的特定区域(7p14-15、17q21、12q12-13、2q31)[6]，每簇中又按基因序列的同源性分为13个组。这一类同源盒基因统称为Hox基因，目前共发现39个Hox基因[7]。

图1 果蝇和哺乳动物Hox a~d同源盒基因的成簇排列，箭头表示各基因的转录方向。

另一类分散型称非A-P型同源盒基因，也被称为HoxⅡ类基因，或歧异Hox genes、non-Hox genes。它们不成簇排列，而是散布在不同染色体上，与Antp基因的同源性较低( < 50% )。根据同源结构域以外保守序列的同源性分类，又可分为：eve、ems、Dll、cad、Hlx、msh、TLC/NEC、NK-1、NK-2、en、prd、prd-like、cut、LIM、ZF和POU等16种类型。它们之间同源结构域的同源程度存在差异，分子内其他肽段差异性更大，显示出蛋白质水平上的多样性。

同源域蛋白是一大类重要的转录调控因子，作为反式作用因子，它既可以是转录的激活子，也可以是转录的抑制子，其靶基因包括其他同源盒基因、粘附分子、胞外蛋白和生长因子等。同源盒基因作为胚胎发育的主控基因，在胚胎发育、细胞生长、分化、迁移和某些组织特异性基因的表达中起重要作用[8]。当同源盒基因表达调控异常会使个体发育或组织器官在形成过程中出现异常形态结构, 产生疾病, 严重者可使细胞恶性转化形成肿瘤。

图2：各种分散型同源域蛋白的结构式样

二、POU同源域蛋白的结构及与DNA的结合

1、POU同源域蛋白的结构

POU家族成员都有共同的结构式样，称为POU结构域，由147～156个氨基酸组成，包括二个亚结构域及其连接区，靠近Ｎ-末端的是含69～78个氨基酸的POU特异性结构域(POU-SD)，靠近C-末端是含61个氨基酸的POU同源结构域(POU-HD)。两者之间是一段长度变化较大的连接区，含15～56个氨基酸残基[9,10]。POU-SD和POU-HD偶联存在，是独立的HTH结构单位，都直接结合到DNA序列上，与DNA的碱基和磷酸基团作广泛的接触，两者都是POU蛋白高亲和性识别并结合特异DNA序列所必需的[8]。

POU蛋白的POU-HD禀承着同源盒结构的共同特点，含有3个α-螺旋结构，螺旋Ⅱ和Ⅲ之间形成HTH结构[9]。核磁共振和X-射线衍射分析表明如，HD在第52/53残基形成一个转折，这样可认为螺旋Ⅲ形成两个螺旋(Ⅲ/Ⅳ)[11]，这附和某些文献中对POU-HD的描述是形成4个α-螺旋结构。组成Ⅲ、Ⅳ螺旋的氨基酸残基极为保守，几乎所有的POU家族蛋白都含有RVWFCN序列。在POU-HD的N端和C端各有一组保守的碱性氨基酸残基：N端8个残基中有5～6个碱性残基，C端7个中有4～5个碱性残基，这些碱性残基对于POU蛋白的DNA结合功能及转录激活是必不可少的。

POU-SD分为两个亚结构域A和B，两个亚结构域的中心都含有一个碱性氨基酸簇，使两个亚结构域分别在C-末端和N-末端都形成一个α-螺旋结构[12,13]，这样两个亚结构域共形成4个α-螺旋结构，可形成与POU-HD相似的立体构象。

图3：POU同源域蛋白的结构