Oct4--胚胎干細胞多能性的看門人
日期:2019-10-21 15:41:55
Oct4(Octamer-binding transcription factor)因能與八聚體模體的DNA結合而命名,也被稱為Oct3、POU5F1、Oct-3/4、Otf3或NF-A3,由Pou5f1基因編碼,屬于POU轉錄因子家族第Ⅴ亞家族。Oct4是胚胎干細胞多能性的看門人,對于維持胚胎干細胞的多潛能性和自我更新具有極其重要的作用,也是產生誘導多能干細胞的必要因子。此外,Oct4在多種腫瘤中高表達,Oct4可能參與惡性腫瘤的發生發展過程。
1. Oct4的組織特異性
Oct4表達于發育中的大腦,在皮質、嗅球、海馬和小腦的特定細胞層中有高水平的表達。此外,Oct4基因還主要表達于胚胎干細胞、胚胎生殖細胞和胚胎/生殖細胞腫瘤。Oct4雖然在成人組織中表達水平較低,但其廣泛表達于各種成體干細胞,主要包括:
- 乳腺、胰腺、胃、肝、腎和間充質等組織來源的干細胞;
- 外周血、乳房上皮、子宮內膜和毛囊濾泡等的祖細胞;
- 多能前體細胞等。
在體外,Oct4在未分化的胚胎干細胞(ES)、胚胎癌(EC)細胞和胚胎生殖細胞中高表達。隨著這些細胞的分化,Oct4的表達下調[1]。
在人類,從未受精的卵母細胞到未壓實的桑葚胚,Oct4 mRNA表達于胚胎發育的各個階段[2]。
2. 什么是Oct4基因?
Oct4由Pou5fl基因編碼產生,定位于人類染色體6p21.3,是轉錄因子家族POU中的一員。Oct4具有多個轉錄起始位點,轉錄不同的mRNA亞型(Isoform),從而翻譯成多種蛋白質。
2.1 Oct4基因的亞型
人類Oct4基因通過選擇性剪切可以產生三種亞型:Oct4A、Oct4B、Oct4B1[3] [4]。Oct4可翻譯成四種蛋白亞型(Oct4A、Oct4B-190、Oct4B-265和Oct4B-164)[5]。
2.1.1 Oct4A
Oct4A轉錄物包含外顯子1、2b、2d、3和4,其中外顯子1是Oct4A的特有部分。
Oct4A由360個氨基酸組成,主要表達于未分化細胞的胞核,是多能干細胞特異轉錄因子,與細胞的未分化性狀有關。
2.1.2 Oct4B
Oct4B包含外顯子2a、2b、2d、3和4。與Oct4A相比,Oct4B無外顯子1而特有外顯子2a。
Oct4B由265個氨基酸組成,表達于多種非多能細胞的胞質,如終末分化的外周血單核細胞、膀胱腫瘤細胞等。Oct4B與Oct4A擁有相似的POU結合區域和羧基末端,但在氨基末端的轉錄激活區域存在差異[6]。Oct4B的氨基末端抑制與DNA的結合,并抑制Oct4激活物激活其轉錄的活性,從而失去對細胞多能性的調節功能。
2.1.3 Oct4B1
Oct4B1轉錄物和Oct4B高度相似,但含有額外的外顯子2c。
OctB1主要表達于人ESC和胚胎癌細胞(embryonal carcinoma cell,ECC),隨著細胞分化,表達迅速下調。
OctB1與Oct4B有相同的氨基末端和部分POU結合區域,其余的氨基酸序列不同。Oct4B1可增強細胞的抗凋亡潛能,調節細胞的多能狀態。此外,Oct4B1與腫瘤的進展有關。

圖1 Oct4基因的亞型及其結構
2.2 Oct4基因結構
Oct4 Isoform 1是轉錄的主要亞型之一,具有5個外顯子,4個內含子,該基因編碼的蛋白包含324個氨基酸,長度約為16.40Kb,相對分子量為18Kd。
Oct4包括3個結構域:N-轉錄域、POU結合域和C-轉錄域。
N端區域:該區域是轉錄激活區域,富含脯氨酸,具有與DNA的結合和激活轉錄功能,有助于穩定生物分子結構、降低細胞酸性及調節細胞氧化還原勢等;
POU結合域:是一個保守的DNA結合結構域,它能與含八聚體基序(octamer motif)的DNA結合從而調控下游靶基因的轉錄。
POU結合域包含兩個亞單位:N端和C端,N端是POU家族特有的保守結構域(POUs),富含脯氨酸和酸性殘基;C端是傳統的同源異型結構域(POUh),富含脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸殘基;POUs和POUh之間由連接肽相連。
C端區域:富含絲氨酸/蘇氨酸,控制Oct4A在不同細胞類型中的反式激活功能。
2.3. Oct4假基因
目前共發現6個Oct4假基因,分別為Oct4pg1、Oct4pg2、Oct4pg3、Oct4pg4、Oct4pg5、Oct4pg6。這些假基因與Oct4 mRNA具有高度同源性,但并無Oct4的功能。Oct4假基因的存在能引起實驗結果的假陽性,給腫瘤和干細胞Oct4的研究帶來一定的困擾。
3. Oct4基因的調節
Oct4基因的上游調控元件包括一個近端增強子(PE)和遠端增強子(DE),它們在不同發育階段起不同作用。如近端增強子作用于外胚層干細胞時,遠端增強子則作用于內細胞團、原始生殖細胞以及胚胎干細胞[7]。很多因子通過作用于這兩個調控元件,來調節Oct4的表達,例如孤兒核受體超家族因子可以與PE結合,影響Oct4的表達。
此外,一些物質也可直接與Oct4啟動子發生作用,參與Oct4的表達活化,比如說Paf1復合物。它作為Oct4的激活子,在維持胚胎干細胞Oct4的轉錄活化方面發揮重要作用。
Oct4還受到Sox2的調節。Sox2通過直接或者間接方式調節Oct4的表達,進而影響胚胎干細胞的多潛能性。
哺乳動物中主要通過磷酸化或磺酰化對Oct4蛋白活性進行調控。
比如說,通過蛋白激酶A和/或ERK MAPK磷酸化Oct4蛋白POU結合域中高度保守的殘基Ser 229(小鼠)或Ser 236(人類)[8],可在空間上阻礙了DNA結合和同型二聚體組裝。
Oct4參與多條信號通路的調節,包括轉化生長因子(transforming growth factor,TGF)β通路、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)通路、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)通路、Wnt通路等。在心臟中胚層特定分化過程中,TGF-β信號通路與經典的Wnt信號通路聯合誘導Oct4的產生[9]。

圖2 小鼠Oct4基因的基因組結構和轉錄調控[10]
4. Oct4的功能
Oct4通過與啟動子或增強子區域內的八聚體元件(ATGCAAAT)結合來調控靶基因的表達[11] [12]。這些靶基因主要包括YES1、FGF4、UTF1、ZFP206等控制哺乳動物胚胎發育相關的基因。通過調控其下游的靶基因而參與正常發育過程,尤其在早期胚胎發育中起重要作用。此外,Oct4的表達與干細胞的多能性有關。

圖3 Oct4的功能
4.1 Oct4與胚胎發育
胚胎干細胞(embryonic stem cell,ESC)是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細胞,它能夠分化形成機體的各種類型的組織細胞。
Oct4是ESC中重要的轉錄因子,在維持ESC的多能性和自我更新能力方面發揮著舉足輕重的作用。
Oct4通過激活多能性相關基因和抑制分化相關基因的表達,保持ESC的自我更新和維持其未分化狀態。
Oct4在體內并非單獨起作用,它與Nanog、Sox2共同構成了多能性調控網絡的核心。并被認為位于細胞全能性調控網絡的頂端。這三種轉錄因子結合到自身基因的啟動子上[13],并激活自身基因的表達。
一方面,它們能激活那些與維持ES細胞自我更新相關基因的轉錄。比如Dppa4、Tdgf1、Oct4、Nanog和Lefty2均受Oct4、Sox2和Nanog的正向調控,并優先在ES細胞中表達。
另一方面,Oct4,Sox2和Nanog共同占據了分化和發育相關基因的啟動子,并促進其失活[14]。
4.1.1 Oct4劑量對細胞命運的影響
Oct4作為轉錄調節因子在轉錄過程中具有雙重調節作用(轉錄抑制和轉錄激活),既能維持干細胞的未分化狀態,又能控制它向某一種細胞類型分化。
在胚胎發育過程中,Oct4的水平決定干細胞的分化或去分化,ES細胞的命運由Oct4的表達量精確調控。Oct4過表達時,胚胎干細胞分化為原始內胚層和中胚層細胞;當Oct4表達水平低時,ES細胞喪失多能性并分化為滋養層細胞;只有Oct4表達適量,胚胎干細胞才能維持其自我更新狀態。
研究發現,缺乏Oct4的胚胎只能發育到囊胚階段,其內細胞團細胞不具有多能性,而只能分化為滋養層細胞。并且該囊胚在植入時死亡[15]。
在成體干細胞,Oct4維持多能性的調節機制與ESC類似。
4.2 延緩細胞老化
Oct4基因能夠阻止或者至少延遲老化的效果,或將給老齡化研究帶來重大影響。Oct4基因在所有生物體的發育中有著重大意義,并且在細胞的一生中都保持活躍,它能保護血管內的動脈粥樣硬化斑塊,這些斑塊的破碎就是心臟病和中風的根本原因。
4.3 Oct4在重新編程中的作用
通常認為細胞狀態轉變是從分化程度較低的狀態轉變為分化程度更高的狀態,但研究表明,從體細胞到原始態多能性(naive pluripotency)的細胞狀態轉變也是可能的。該過程由Oct4,Sox2,Klf4和c-Myc等轉錄因子的過表達誘導。
其中Oct4被認為是重編程中不可缺少的核心轉錄因子。Oct4可調節細胞狀態轉變,如多能性的建立和胚胎生殖系的分化。Oct4過表達可產生誘導多能干細胞(iPS)。誘導多能干細胞(iPS)是從不同種類和類型的體細胞中獲得的。
在上皮間質轉化過程中,Oct4可通過抑制TGFβR3和TGFβ3以及激活miR-200 miRNA家族,從而能分別抑制上皮-間充質轉化(EMT)調節因子Snail和Zeb2,最終促進間充質到上皮的轉化(MET)。
在重編程過程中,Oct4、Sox2、Klf4起先鋒作用。外源性OCT4A等重編程因子可直接或間接沉默體細胞基因,激活多能性基因。內源性OCT4A等多能基因可維持誘導多能干細胞的多能狀態。

圖4 Oct4在重新編程中的作用
4.4 Oct4和致瘤性
Oct4在胚胎生殖細胞腫瘤和成體細胞腫瘤中均存在高表達,這表明Oct4可能參與惡性腫瘤的發生發展過程。
Nanog和Oct4在乳腺癌組織中高度表達[16]。Oct4的表達與前列腺癌的分化程度相關[17]。Nanog、Oct4和CD133在口腔鱗狀細胞癌中的高表達與患者的臨床預后差相關。Oct4的表達是維持部分肺癌細胞具有干細胞樣特性的關鍵所在[18]。
多個研究表明Nanog和Oct4在多種無限制、低分化、具有侵襲性的實體腫瘤中過度表達,且其表達下調可能抑制腫瘤的發生發展過程[19]。
Oct4過表達可導致不同類型癌癥的致瘤性、腫瘤轉移,甚至放化療后遠處復發[20] [21]。
因此,若以Oct4基因作為靶點,抑制它們的表達,降低腫瘤細胞的自我更新能力,那么腫瘤治療可能取得理想療效。
研究表明Oct4可能參與維持腫瘤干細胞的存活,沉默Oct4有望成為腫瘤干細胞靶向治療的新途徑。
Oct4在維持腫瘤干細胞的多能性和自我更新方面有重要作用,因此Oct4對腫瘤生長、轉移和復發有重大影響。有研究表明,Oct4在人乳腺癌細胞系7(MeF7)細胞中高表達,通過RNAi技術沉默Oct4可促使腫瘤干細胞的凋亡。
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