调控红细胞生成的转录因子及其作用

综述 调控红细胞生成的转录因子及其作用

陈渝萍 刘德培 薛社普

哺乳类红细胞生成分为胚胎型(或称原始型)和成年型(或称定型)两个不同的发育时期,前者主要在卵黄囊的血岛中进行,产生有核红细胞;后者则集中于胚胎,骨髓及脾脏,产生无核红细胞。如果从红系分化角度出发,则可分为两个阶段:红系早期分化(由造血干细胞到红系祖细胞)和终末分化(由红系祖细胞到成熟红细胞)。在整个分化过程中,红系特异基因相继开启并呈优势表达,非红系基因则逐渐关闭,细胞最终呈现红系特有表型。调控基因特异表达的主要方式之一是由公用转录因子与红系特异转录因子共同参与的基因转录水平的调控。红系特异转录因子的分布具有组织特异性,其表达水平随红系的发育和分化的进行而变化,这种严格的谱系限制性直接导致靶基因在红系组织细胞中的特异表达。而任何影响这些转录因子控制基因表达能力的改变,均会严重干扰乃至完全破坏红系的正常发育和分化;它们自身的异常表达也会导致一系列血液疾病的发生。我们从早期造血发生开始,介绍调控红系早、晚期发育和分化的转录因子及其作用。

1 红系早期分化过程中的转录调控因子 红系早期分化始于自我更新状态的造血干细胞(Hematopoietic stem cells, HSC),经过定向谱系的造血祖细胞(Hematopietic p rogeni tor cells,HPC)阶段,进而分化产生红系祖细胞(Erythropoietic HPC,E HPC)。从小鼠基因敲除,胚胎干细胞的体外分化和嵌合体的实验结果可知,失活SCL或LMO2均可导致原始型和定向型造血完全丧失,表明二者至少参与了造血谱系和髓系定向的调控,可能还包括从腹部中胚层细胞到造血细胞的定向,并显示出维持细胞增殖和生存的功能[1],HSC自我更新和分化的行为则受到GATA2控制,增强该因子的活性将抑制细胞扩增,促进HSC往单核系和粒系发育,抑制红系分化[2]。另外,c myb也可能调控了造血定向,并促进HSC往一定方向分化,当它在ES细胞中过度表达时,可促进HSC的形成并进一步分化产生红系和髓系的混合克隆[3]。

调控HPC增殖的转录因子主要有GATA2/3,AML1和c myb等。这些基因的敲除个体虽能产生正常造血细胞,但祖细胞的数量显著降低,造成成熟血细胞的数目大为减少[4,5]。其中GATA3的作用限于胎肝的定向型造血过程。部分Id (Id1,2,3)和Hoxs(Hox9,10,Hox3 6)因子,可刺激祖细胞增殖,抑制祖细胞成熟分化。它们的过度表达将抑制HPC的进一

作者单位:100005 北京,中国医学科学院、中国协和医科大学基础医学研究所;国家医学分子生物学重点实验室;中国协和医科大学基础医学院细胞生物室步成熟[6]。

从红系多能造血细胞到红系前体细胞,E HPC的分化、增殖和分裂的调控是由某些在造血早期有重要作用的因子承担,如SCL和LMO2。它们在多能的HPC中表达水平极低,随着E HPC的产生,其表达上调,并持续高水平至红系前体细胞[7];与此同时,一些在多能HPC中高表达(如GATA2,c myb等)或非红系分化必需的转录因字(如PU.1,Fli 1等)的表达动态正好相反,它们的表达下调是HPC向红系分化的先决条件[8]。

2 红系晚期分化过程中的转录调控因子 进入红系分化晚期以后,定向祖细胞经过有限次数的分裂,逐步分化直至产生成熟红细胞。细胞在增殖、分化和凋亡之间维持着动态平衡。某些相对特异的转录因子参与了该时期红系分化的调控,敲除这些转录因子只会影响红系的成熟分化,其它谱系发育正常。其中,GATA1是红系分化至C FU E期后调控细胞存活和红系特异基因转录的中心因子,一旦该基因被敲除,多种红系特异基因不能表达,细胞阻滞于前体细胞期不能继续分化,并开始大量凋亡[9]。NF E2则确保珠蛋白基因LCR 中HS2增强子活性的发挥以维持珠蛋白高表达,并调控涉及几个合成关键酶分子的基因正常表达[10]。然而NF E2-/-个体却并不发生红系发育和分化异常,推侧可能有其它C NCs 蛋白家族成员(如Nrf1,2,3,Bach1/2)进行代偿[11]。Ets 1是另一个直接控制某些红系特异基因(如转铁蛋白受体TR,珠蛋白和PBGD等)表达的转录因子,若MafB和Ets 1结合,将导致红系分化受阻。有的转录因子调控基因不同发育时期的表达,如控制珠蛋白基因发育阶段特异性的三个转录因子:EKLF、BKLF、FKLF,其靶基因分别是 珠蛋白、其它不依赖E KLF的基因和 -、-珠蛋白基因。敲除其中一个单一基因只会使得某类蛋白(如某类珠蛋白)在特定时期不表达,在其它时期则正常表达。但个体最终因某些基因丧失正常的发育时相性而不能完成终末分化[12]。

从中、晚幼红细胞到成熟红细胞,血红蛋白进一步在细胞中积累,细胞核开始浓缩并被排放于胞外,最终产生成熟红细胞。有关核浓缩和排核发生机制的研究目前仅限于一些细胞骨架系统的报道,如微管蛋白和某些中等纤维蛋白;相应基因的表达调控机制尚不清楚。最近国内有报道,红系终末分化涉及一种具有可能的亮氨酸拉链结构和激酶活性的蛋白。该蛋白在处于终末分化时期的红系细胞中优势表达,于排核前从胞质中转移至核内,表现出和排核相关的定位改变。

3 其它和红系相关的转录因子 有的转录因子并不直接和

基因结合,而是通过与红系特异转录因子相互作用形成多聚体来发挥调控作用:如CBF ,E2A和MAFs等。它们或具严格的谱系限制性分布,如FOG1;或呈广谱性分布,如E2A, CB P/P300和MAFs等。其中有的是转录因子和DNA结合所必需的成分,如E2A,或可提高转录因子结合的特异性,如MAFs;有的可增强蛋白 DNA复合体的稳定性,如CBF ;有的还充当了多个转录因子的共激活子,确保转录因子调控功能的发挥。因此,它们和相应的转录因子之间的正常联系是保证基因得到精确调控和红系正常分化的基础。例如,MafK过表达能诱导红白血病细胞分化,过量的Ids蛋白会干扰SCL/ E2A二聚体的形成,从而抑制分化;CB F 和FOG1的敲除小鼠分别表现出与AML1和GATA1敲除个体相似的表型;而CB P/P300 / 小鼠在造血和心血管发育上表现异常,显示了该因子同多种造血因子间的广泛联系对造血和红系的发育分化有极其重要的调控作用[13,14]。

有些转录因子在正常情形下集中分布于非红系组织和器官,调控非红系的发育分化,但却与多种红系疾病及其病毒感染引起的红系细胞转化相关。例如PU.1/Spi 1和Fli 1,二者是B细胞和T细胞发育和分化所必需的调控因子,敲除实验也显示它们几乎不影响红系的发育。但是当它们在红系早期祖细胞中表达异常增强时却会造成红系成熟分化障碍;同时,它们也是Friend s病毒感染细胞时攻击的主要对象[8]。近来的研究结果表明,细胞微环境的改变也可间接控制红系的发育和分化。比如,尽管Lh x2 / 小鼠胎肝中的定型红系生成严重缺陷,但如将Lhx2 / ES细胞植入由正常的ES 细胞产生的囊胚中,却可获得正常表型的嵌合个体[15]。再如,PU.1敲除小鼠的红系发育分化正常,但这样的HPC却不能支持骨髓中有定型红系生成。这是因为细胞中c kit受体表达严重降低,使得细胞对Epo和SCF不反应,一些粘附分子不能产生,影响了HPC由胎肝向骨髓的迁移[16]。

值得一提的是,某些核激素受体(Nuclear hormone recep tors,NHRs)如雌激素受体(estrogene receptor,ER),糖皮质激素受体(Glucocorticoid receptor,GR),RAR/RXR(Retinoid acid/X receptor)和胸腺激素受体(thymoid hormone recep tor,TR)等,表现出开关红系分化的功能:未与配体结合的NHRs维持细胞处于未成熟的祖细胞期,抑制分化;一旦同配体(ER,维生素D,视黄醛和TR)结合,却表现出刺激红系祖细胞产生、促进红系分化的调控作用。但是,从一些NHRs的敲除实验结果发现,NHRs并不直接参与一般的红系发育和分化调控,推测其作用时期可能是个体因贫血或缺氧而在脾脏中发生的代偿性红细胞生成[17,18]。

4 转录调控因子间的级联关系 从多能造血干细胞到成熟红细胞,红系生成的整个过程是有条不紊的,调控该过程的分子机制也必然是复杂而精确的。每个发育分化阶段均为相应的转录因子所调控,各个因子的表达水平和作用方式也随红系的发育和分化而发生相应改变,呈现出显著的发育时期和分化阶段的特异性,颇类似上下级的级联调控规律。祖细胞时期GATA2和c myb表达水平很高,GATA1则只有低水平表达;红系分化开始时,前二者表达下调,后者上调。这种改变是红系分化的先决条件,如人为逆转这一表达形式会引起红系分化障碍[19]。同样,在HPC中表达的Ids抑制分化进行,维持细胞处于未成熟状态;一旦红系分化开始,其表达水平则降低、最终关闭。有关PU.1和GATAs蛋白的研究也显示,两者间的相互作用在确定细胞向红系或髓系中具有极其重要的意义,这种彼此拮抗又相互关联的转录因子之间的平衡与否常常是决定细胞正常分化和恶性转化的关键[20]。

转录因子基因自身的表达调控也呈现出类似的级联规律。例如,SCL的靶基因很可能就是GAT;GATA2则可能作用于GATA1基因的启动子引起表达上调;在EKLF的上游远端启动子上并列着GATA E 盒 GATA位点,其转录水平可能受到GATA1和bHLH因子的联合控制[21]。研究表明,在红系分化后期细胞中高水平的GATA1可导致GATA2的下调,引起SC L、FOG、Ets 1和GATA1自身表达上调,从而维持红系基因高表达;而诱导GATA1上调的信号则可能来自Epo的刺激[22]。另外,Spi 1/PU.1可增强Fli 1的表达,HERF1是AML1/CBF 的靶基因,Ets 1诱导GATA1和SC L表达等等。显然,各个调控成分之间彼此相互作用组成一个复杂有序的网络系统,共同维持红系发育和分化所需要的正常内外环境。值得指出的是,迄今所发现的转录调控因子的作用多集中于红系早期分化时期,找寻其它新的调控基因正是当前发育分化和基因调控研究领域的热点。

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