蔡永強(qiáng),李 園,劉文艷,張利環(huán),李慧鋒,李 宏,朱芷葳
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西 太谷 030801)
小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(MITF)的研究進(jìn)展
蔡永強(qiáng),李 園,劉文艷,張利環(huán),李慧鋒,李 宏,朱芷葳
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西 太谷 030801)
小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(MITF)是一種具有典型螺旋—環(huán)—螺旋—亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其存在于許多物種中,參與生物體生長(zhǎng)、發(fā)育、分化和功能調(diào)節(jié)等各個(gè)方面。對(duì)MITF的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,以期為今后相關(guān)研究的開(kāi)展提供有益參考。
MITF;轉(zhuǎn)錄因子;色素細(xì)胞;表達(dá)調(diào)控
小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(microphthalmiaassociated transcription factor,MITF) 具有典型的螺旋—環(huán)—螺旋—亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)(basic helix-loophelix leucine zipper,bHLHZip), 屬于 MiT 轉(zhuǎn)錄因子超家族,其中還包括EB(transcription factor EB,TFEB)、EC(transcription factor EC,TFEC) 和 E3(transcription factor E3,TFE3)。 1942 年,Hertwig 等人利用放射性誘導(dǎo)突變的方法處理小鼠,發(fā)現(xiàn)其后代中出現(xiàn)小眼畸形、早發(fā)性耳聾、皮毛和虹膜色素減退等性狀;經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該類(lèi)小鼠都是同一個(gè)等位基因發(fā)生突變,他們將這些小鼠命名為microphthalmia(小眼畸形)(mi/mi)小鼠,并將突變位點(diǎn)稱(chēng)為 mi[1]。 1990 年,Hara 等人在研究血管加壓素啟動(dòng)子的調(diào)控機(jī)制時(shí)獲得一種轉(zhuǎn)基因小鼠VGA-9,該類(lèi)小鼠表現(xiàn)出小眼畸形和白色皮毛等性狀;他們發(fā)現(xiàn)VGA-9小鼠表型與mi小鼠類(lèi)似,等位基因研究證實(shí)VGA-9小鼠轉(zhuǎn)基因插入突變恰好發(fā)生在 mi位點(diǎn)[2]。 1993 和 1994 年,Hodgkinson 和Tachibana等人分別利用VGA-9小鼠成功克隆出microphthalmia基因[3]。經(jīng)過(guò)科學(xué)家多年的不斷研究,到目前為止,已分離出的與mi相關(guān)的等位基因有 20 余種[4]。
研究發(fā)現(xiàn),MITF主要在色素細(xì)胞中表達(dá),包括成黑色素細(xì)胞(melanoblast)和視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelium,RPE)。 同時(shí)也會(huì)在其他細(xì)胞中表達(dá),如肥大細(xì)胞和破骨細(xì)胞等[5]。mitf基因的突變會(huì)導(dǎo)致許多物種出現(xiàn)一系列的表型變化,尤其是在色素細(xì)胞中,部分突變可影響RPE,導(dǎo)致眼的色素缺失、減退及小眼畸形。人類(lèi)mitf基因表達(dá)缺失會(huì)引起Waardenburg綜合征Ⅱ型[6]。該類(lèi)型的患者表現(xiàn)為先天性白內(nèi)障和神經(jīng)性耳聾。還有少數(shù)的mitf等位基因可通過(guò)影響破骨細(xì)胞導(dǎo)致骨硬化等[7]。
人類(lèi)mitf基因位于3號(hào)染色體3p12.3-3p14.1,全長(zhǎng) 228 900 bp,包含 23個(gè)外顯子,共有18個(gè)轉(zhuǎn)錄本,編碼蛋白長(zhǎng)度為71~526個(gè)氨基酸;小鼠mitf基因位于6號(hào)染色體,由9個(gè)外顯子構(gòu)成[8];果蠅 mitf基因定位于 4號(hào)染色體上,全長(zhǎng)25 616 bp,編碼730~4 032個(gè)氨基酸。目前,在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)確定mitf基因所在染色體位置的還有黑猩猩、獼猴、倉(cāng)鼠、斑馬魚(yú)、兔、狗、家貓、奶牛、山羊、綿羊、豬、馬、雞等物種。
小鼠mitf基因編碼的蛋白稱(chēng)為MITF蛋白,由419個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成,其中的bHLHZip結(jié)構(gòu)為蛋白質(zhì)功能區(qū)。bHLH轉(zhuǎn)錄因子包括2個(gè)保守區(qū)域:一個(gè)堿性區(qū)域,分布于肽鏈的N端,與DNA結(jié)合有關(guān);另一個(gè)是HLH區(qū)域,分布于C端,主要是一些疏水性氨基酸,有利于互作形成二聚體。bHLHZip與自身或具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子 (又稱(chēng)MiT家族)形成同源或異源二聚體行使功能,與啟動(dòng)子區(qū)域的 5′-CACGTG-3′或 5′-TCATGTG-3′結(jié)構(gòu) (E-box或M-box)特異性結(jié)合。不同啟動(dòng)子調(diào)控mitf,導(dǎo)致編碼多個(gè)蛋白異構(gòu)體,包括MITF-A、B、C、D、E、H、J、Mc、CM 和 M 等。 其中,MITF-M 最為豐富,特異性表達(dá)于成黑色素細(xì)胞中;MITF-A主要在RPE中表達(dá),在胚胎期的RPE中富集,最終存在于眼球中;MITF-H主要存在于心臟組織,在多種類(lèi)型的細(xì)胞中都有表達(dá);MITF-C在黑色素細(xì)胞中不表達(dá);MITF-D在RPE、巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞中表達(dá);MITF-E和MITF-Mc優(yōu)先表達(dá)于肥大細(xì)胞[9-11]。
MITF屬于24個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子超家族中的一員,其中有6個(gè)家族含有亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域,包括 MYC、MAd、SREBP、AP-4、USF 和 TFE 家族。研究發(fā)現(xiàn),這些家族都是多源性的[12]。MITF與TFEC、TFE3和TFEB的親緣關(guān)系最近,因此也可以認(rèn)為MITF屬于MiT家族中的一員[13-14]。對(duì)親緣關(guān)系遠(yuǎn)近不同的多種生物的mitf基因作系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析,結(jié)果顯示,mitf的bHLHZip結(jié)構(gòu)域、N端、C端活性結(jié)構(gòu)域和微管相關(guān)蛋白激酶靶基因序列是高度保守的。除斑馬魚(yú)外,其他物種的糖原合酶和絲氨酸/蘇氨酸激酶靶基因序列也是相對(duì)保守的[15]。
3.1 MITF在小鼠色素細(xì)胞中的表達(dá)過(guò)程 小鼠胚胎的原位雜交研究表明,MITF在神經(jīng)嵴細(xì)胞的發(fā)育早期表達(dá),首先在頭部,最后出現(xiàn)在尾部[16]。在胚胎期9.5 d,視神經(jīng)上皮層最早觀察到MITF陽(yáng)性細(xì)胞。在胚胎期10.5 d,MITF表達(dá)受限于RPE。直到胚胎期16.5 d,在RPE中仍然可以觀察到MITF陽(yáng)性細(xì)胞,之后在由神經(jīng)嵴細(xì)胞分化而來(lái)的視杯細(xì)胞中也出現(xiàn),后者可能分化成脈絡(luò)膜和虹膜色素細(xì)胞。胚胎期10 d時(shí),可在神經(jīng)嵴頭側(cè)和迷走神經(jīng)嵴首次觀察到MITF陽(yáng)性細(xì)胞。隨著胚胎的發(fā)育,MITF陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)目開(kāi)始增加,在背—側(cè)和腹—中線神經(jīng)嵴遷移通路中都可以觀察到這些細(xì)胞。例如,MITF陽(yáng)性細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)在27~28體節(jié)期的聽(tīng)囊和后腦的神經(jīng)上皮,在胚胎期10.5 d時(shí)位于耳囊和后腦的神經(jīng)上皮之間,數(shù)量逐漸增加,并與視泡在隨后的幾天緊密相關(guān),最后在胚胎期16.5 d時(shí),在既定的紋脈管處累積。在胚胎期12.5 d,MITF陽(yáng)性細(xì)胞沿神經(jīng)嵴背—側(cè)通路出現(xiàn)在皮膚的上皮細(xì)胞層,在胚胎期16.5 d時(shí)的真皮和表皮中仍可以觀察到。一般情況下,MITF陽(yáng)性細(xì)胞在胚胎期數(shù)量先增加,達(dá)到最大值后開(kāi)始減少,出生時(shí)消失,但毛囊除外[17]。
3.2 MITF在皮膚、耳和眼睛的表達(dá) 皮膚黑色素細(xì)胞來(lái)源于神經(jīng)嵴,MITF深入?yún)⑴c其分化[18]。原位雜交試驗(yàn)結(jié)果表明,毛囊是成年小鼠唯一表達(dá)MITF的組織,表明MITF在毛囊黑色素細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程中也是作為轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮其功能。而在人類(lèi)的表皮也分布有大量的成黑色素細(xì)胞,這些表皮色素細(xì)胞具有分裂功能和殺菌作用,能夠抵抗紫外線和其他外界刺激,MITF也可能參與其中。
在內(nèi)耳,黑色素細(xì)胞起源于神經(jīng)嵴,最后遷移到耳蝸和前庭器官。雖然黑色素細(xì)胞在前庭器官的功能還有待發(fā)現(xiàn),但是它們?cè)诙佒袇s扮演了重要的角色[19]。黑色素細(xì)胞以中間細(xì)胞的形式存在于耳蝸血管紋,并和其中的鉀離子通道構(gòu)成膜內(nèi)電位的主要來(lái)源。血管紋產(chǎn)生耳蝸電位向耳蝸內(nèi)淋巴分泌鉀離子[20]。人類(lèi)和小鼠突變MITF/Mitf往往與聽(tīng)力障礙相關(guān),會(huì)引起失聰,但是MITF突變不會(huì)對(duì)鵪鶉造成聽(tīng)力缺陷[21]。
眼睛含有2種類(lèi)型的色素細(xì)胞:神經(jīng)嵴發(fā)育而來(lái)的成黑色素細(xì)胞和源于神經(jīng)上皮的RPE。它們的前體細(xì)胞的分化分別受到MITF-M和MITF-A的調(diào)控。Mochii等人對(duì)白來(lái)航雞和日本鵪鶉進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)MITF-A參與調(diào)控眼睛的發(fā)育[22]。通過(guò)標(biāo)記色素細(xì)胞特有基因,如Mmp115(編碼1個(gè)115 ku的黑色素瘤基質(zhì)金屬蛋白酶)基因,發(fā)現(xiàn)MITF-A主要在雞胚胎RPE表達(dá)。在體外培養(yǎng)的RPE中過(guò)表達(dá)MITF-A會(huì)抑制由bFGF誘導(dǎo)的脫分化和去分化形成水晶體和神經(jīng)細(xì)胞。因此,下調(diào)MITF-A表達(dá)也被認(rèn)為對(duì)RPE的去分化是至關(guān)重要的。
研究表明,MITF參與色素沉著過(guò)程,它會(huì)直接作用于基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)(見(jiàn)圖1)。MITF通過(guò)激活黑色素細(xì)胞的特定基因,如酪氨酸酶(tyrosinase,TYR)、酪氨酸酶相關(guān)蛋白 1(tyrosinase related protein 1,TYRP1)、酪氨酸酶相關(guān)蛋白 2(tyrosinase related protein 2,TYRP2)、MART1/MLANA、SILV/PMEL17、AIM1和TRPM1。這些基因連同它們的激活過(guò)程,表現(xiàn)出譜系特異性表達(dá)模式,因此,MITF有潛力作為細(xì)胞系標(biāo)記的重要基因而被廣泛應(yīng)用[23]。
黎釗等[24]對(duì)人工培養(yǎng)的原代正常人黑色素細(xì)胞,利用miRNA干擾技術(shù)(慢病毒感染)進(jìn)行mitf基因沉默,運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR和免疫印跡的方法,分別檢測(cè)mitf基因沉默前后,MITF、TYR、TYRP1和TYRP2/DCT的mRNA與蛋白表達(dá)水平。結(jié)果表明,MITF轉(zhuǎn)錄調(diào)控人類(lèi)黑色素細(xì)胞的TRPs蛋白酶家族,但TYRP2可能不完全依賴(lài)于MITF的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。將MITF cDNA轉(zhuǎn)染至成纖維NIH3T細(xì)胞,可使成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化成樹(shù)突狀細(xì)胞并表達(dá)TYR和TYRP-1等黑色素細(xì)胞特異性標(biāo)志物[25]。此外,MITF還調(diào)控眾多與黑素體成熟及轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)的基因[26]。
圖1 MITF參與黑素相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控的信號(hào)通路
MITF還與細(xì)胞周期、分化、衰老、凋亡、增殖和遷移等生物學(xué)行為相關(guān),此外還與cAMP水平、新陳代謝、miRNA 加工 (DICER)[27]、DNA 修復(fù)等有關(guān)。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)具有促增殖特性的MITF靶基因是T-box轉(zhuǎn)錄因子2(T-box transcription factor 2,TBX2),MITF過(guò)表達(dá)于黑色素瘤細(xì)胞系,通過(guò)上調(diào)TBX2基因發(fā)揮促增殖和抗衰老的作用[28]。此外,MITF還可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞周期依賴(lài)性蛋白激酶2(cyclin-dependent kinase 2,CDK2)、 細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶抑制因子1A/B(cyclin-dependent kinase inhibitor 1A/B,CDKN1A/B)和 CDKN2A 等[29-31],從而抑制細(xì)胞周期。MITF通過(guò)上調(diào)B細(xì)胞淋巴瘤因子-2(B cell lymphoma-2,Bcl-2)和 C-MET 等抗凋亡蛋白促進(jìn)腫瘤發(fā)展[32]。 缺氧誘導(dǎo)因子-1ɑ(hypoxia inducible factor-1ɑ,HIF-1ɑ) 在黑色素瘤中不僅具有抗凋亡作用,還可刺激血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的生成。 Cheli等[33]研究發(fā)現(xiàn) MITF 可轉(zhuǎn)錄激活 HIF-1ɑ,從而促進(jìn)腫瘤血管生成。蛋白透光形成素(diaphanous related formin 1,Dia1)、miR-211 和 β-catenin 等與黑色素瘤浸潤(rùn)密切相關(guān)的蛋白編碼基因也受到MITF調(diào)控[34-35]。
MITF是重要的轉(zhuǎn)錄因子,它在生物體生命活動(dòng)過(guò)程中扮演著不可或缺的角色,影響著生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育、分化和衰亡的各個(gè)時(shí)期,特別是對(duì)動(dòng)物毛發(fā)形成具有重要的生物學(xué)意義。目前,對(duì)MITF的研究越來(lái)越多,尤其是在黑色素細(xì)胞及色素生成調(diào)控方面的研究日益完善。MITF的生理作用只在少數(shù)幾個(gè)物種中被人們關(guān)注,而在其他相關(guān)物種中,關(guān)于MITF參與機(jī)體生理功能調(diào)控作用的機(jī)制方面的研究還相對(duì)較少,因此,有必要進(jìn)一步開(kāi)展這方面的研究。
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Research Progress on Microphthalmia Associated Transcription Factor(MITF)
CAI Yong-qiang,LI Yuan,LIU Wen-yan,ZHANG Li-huan,LI Hui-feng,LI Hong,ZHU Zhi-wei
(College of Life Science,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)
Microphthalmia associated transcription factor(MITF) which has a typical helix-loop-helix-leucine zipper structure is found to exist in many species.MITF is involved in the growth,development,differentiation and function regulation of the organisms.The research progress on MITF was reviewed in this paper,so as to provide useful references for the further study on MITF.
MITF;transcription factor;pigment cell;expression regulation
Q75;S813.1
A文章順序編號(hào):1672-5190(2016)10-0016-04
2016-09-05
項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31402156);山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014021028-2);山西省科技重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2015-TN-10);山西農(nóng)業(yè)大學(xué)青年拔尖創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(TYIT201403);山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目基金(20140311021-4)。
蔡永強(qiáng)(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閯?dòng)物生物化學(xué)與分子生物學(xué)。
朱芷葳(1981—),女,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)椴溉閯?dòng)物毛色基因調(diào)控。
(責(zé)任編輯:趙俊利)