nkx2-5、gata-4轉(zhuǎn)錄因子在心臟發(fā)育中的作用

1、醫(yī)學(xué)分 子生物學(xué)雜志 2 0 0 4 ，1 ( 4 ) ： 2 5 7 - 2 6 0J t M e dM o lB i o l2 0 0 4 ， 1( 4 ) ：2 5 7 - 2 6 0N k x 2 — 5 、G A T A 4 轉(zhuǎn) 錄因子在心臟發(fā)育牛 的作用 張勇’綜述 陳如坤’ ， 蔡振杰 審閱。 浙 江大學(xué)醫(yī)學(xué) 院第 二附屬 醫(yī)院胸心外科 杭州市 ， 3 1 0 0 0 9第 四軍醫(yī)大學(xué)西京 醫(yī)院心血 管外科 西安 市

2、， 7 1 0 0 3 3【 摘要】心臟是胚胎發(fā)育過程中最先形成的器官。導(dǎo)致心臟形成和發(fā)育的確切機(jī)制 目前還不清楚。轉(zhuǎn)錄因子 以組織特異 性和定量 的方式調(diào)節(jié)其 它器官形成 和發(fā)育 ， 從 而 在胚胎 發(fā)育過 程 中起主 要的調(diào) 節(jié)作用 。轉(zhuǎn) 錄 因子在心 臟發(fā)育過程 中可 以調(diào)節(jié)心肌 特異性基 因的表達(dá) ?！?關(guān)鍵詞】 N k x 2 - 5 ；G A T A - 4 ；轉(zhuǎn)錄因子 ；心臟發(fā)育 【 中圖分類號(hào)】 R 3 4Ro l eo

3、 fTr a n s c r i p t i o n a lF a c t o r sNk x 2- 5a n dGATA- 4i nHe a r tDe v e l o p me n tZ H A N GY o n g， C H E NR u k u n，C A IZ h e n j i eD e p a r t m e n to fT h o r a c i ca n dC a r d i o v a s c u l a rS u

4、r g e r y ， t h eS e c o n d A f f i l i a t e dH o s p i t a l ， C o l l e g eo f Me d i —c a lS c i e n c e s ， Z h e j i a n gU n i v e r s i t y ， H a n g z h o u ， 3 1 0 0 0 9， C h i n aD e p a r t m e n to f C a

5、r d i o v a s c u l a rS u r g e r y ， X ~ i n gH o s p i t a l ， t h eF o u r t hM i l i t a r yM e d i c a lU n i v e r s i t y ， X i ’a n7 1 0 0 3 3，C h i n a【 A b s t r a c t 】 T h eh e a r ti st h ef i r s to r g a

6、nt of o r md u r i n ge m b r y o g e n e s i s ．T h ed e v e l o p m e n tm e c h a —n i s mst h a to r c h e s t r a t ei t sf o r m a t i o na n dmo r p h o g e n e s i si sn o tf u l l yu n d e r s t o o d ． T r a n

7、s c r ip t i o nf a c t o r sc a nr e g u l a t et h ee x p r e s s i o no fo t h e rg e n e si nat i s s u e — s p e c i f i ca n dq u a n t i t a t i v ema n n e ra n dt h e r e b ys e r v i n ga sma j o rr e g ul a t

8、o r so fe m b r y o n i cd e v e l o p me n t a lp r o c e s s e s ．T r a n s c r i p t i o n a lf a c t o r sc a nr e g u —l a t ec a r d i a cg e n e ss p e c i f i c a l l yi nh e a r td e v e l o p m e n t ．T h i sr

9、e v i e wd i s c u s s e st h er o l eo ft h et w om a j o rc a r d i a ct r a n s c r i p t i o n a lf a c t o r s— Nk x 2 — 5a n dGAT A- 4i nh e a r tf o r m a t i o n ．【 K e yw o r d s 】 N k x 2 - 5 ； G A T A 4； t r a

10、 n s c r i p t i o n a lf a c t o r s； h e a r td e v e l o p m e n t心臟是脊椎動(dòng)物在胚胎發(fā)育過程中第一個(gè)形成 的器官 ，脊椎動(dòng)物 的心臟 由多細(xì)胞系的特化 ，到管 狀結(jié)構(gòu)的形成 ，最后精確組裝成成熟 的4個(gè)心腔結(jié) 構(gòu) ，經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的發(fā)育過程 ，它涉及到多種基 因不 同時(shí)間和不同空間的先后表達(dá)與相互作用 。脊 椎動(dòng)物心肌基 因表達(dá) 的分子調(diào)控是 了解調(diào)節(jié)心肌發(fā) 生的

11、關(guān)鍵 。G A T A - 4和 N K x 2 - 5是 目前 研究 較 多的 與心臟發(fā)育密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子 。1N k x 2 - 5 轉(zhuǎn)錄因子 最 初 ，人 們 應(yīng) 用 果 蠅 同 源 結(jié) 構(gòu) 域 ( h o m e ．o d o m a i n ， H D )寡核苷酸探針篩查果蠅 c D N A文庫 ，克隆出 N K型同源盒基因 ，隨后分離 出一種與果蠅 作者簡(jiǎn)介 ：張勇，男 ，1 9 7 2年生 ，博士研究生 通訊作者 ：張勇

12、( 電話 ： 0 1 3 5 7 3 1 0 8 4 5 9 ； E — m a i l ： z h y w h z h @1 6 3 ． n e t )背側(cè)血管／ 心臟發(fā)育 密切相關(guān) 的果蠅 N K ． 2型基 因．t i n m a n 基 因。當(dāng) t i n m a n基 因發(fā)生 突變 時(shí)會(huì)導(dǎo)致 果 蠅心臟形成異常。由于該類基因在進(jìn)化 中的高度保 守性 ，人們猜測(cè)是否在脊椎動(dòng)物體 內(nèi)也存在著這一 類基 因并且保留著相似的功能。 目

13、前已從脊椎動(dòng)物 鑒定 出 6 個(gè)結(jié) 構(gòu)和功 能上與 t i n m a n基 因相關(guān) 的基 因 ： n k x 2 ． 3 、 n k x 2 ． 5 、 n k x 2 ． 6 、 n k x 2 - 7、 n k x 2 ． 8 、n k x 2 - 9 。其 中 n k x 2 — 5 ／ C s x ( c a r d i a cs p e c i f i ch o m e —b o x )基 因是影響心臟發(fā)育 的關(guān) 鍵性 的轉(zhuǎn)

14、錄 因子之 一1 1。 1 9 9 3 年 ，研究人員 應(yīng)用 c D N A文庫篩查 、S o u t h e r n印跡雜交 、N o r t h e r n 印跡雜交 、R T ． P C R和 原位雜交等分子技術(shù)分別在兩棲類和嚙齒類動(dòng)物體 內(nèi)分離出 n k x 2 ． 5基 因，并證 明其確 實(shí) 與果蠅 fm a n 基 因高度同源 。1 9 9 5年 ，L y o n s 等 報(bào)道破壞 n k x 2 ． 5 基 因的小 鼠產(chǎn)生

15、心 臟發(fā)育 的異常 。1 9 9 6年 維普資訊 http://www.cqvip.com 醫(yī)學(xué)分子生物 學(xué)雜志 2 0 0 4 ，1( 4 ) ：2 5 7 — 2 6 0JM e dM o lB i o l2 0 0 4 ， 1( 4 ) ：2 5 7 — 2 6 0‘ 2 5 9 ·導(dǎo)致 G A T A家族不 同成員作用于不同的組織。G A —T A 一 1 和 G A T A - 2在紅細(xì)胞分化過程 中起作用 ；G A

16、 —T A 一 3主要在 造血 細(xì)胞 和神經(jīng) 細(xì)胞 的亞群 中表 達(dá)。G A T A ~ 是 目 前研究較多的與心臟發(fā)育密切相關(guān) 的轉(zhuǎn)錄因子基因 ，它首先在心前期中胚層表達(dá) ，隨后 在心 內(nèi)膜與心肌 中表達(dá) ，幾種心臟基 因的控制區(qū)存 在 G A T A 4 結(jié)合位點(diǎn) 。G A T A家族成員序列之 間是 高度保守的，G A T A ~、G A T A 一 5和 G A T A ~有 8 5 ％的結(jié)構(gòu)相同或相近 ，在心肌細(xì)胞分化過程中表

17、達(dá)形 式重疊 ，提示它們之間有相似的作用。有人把 G A —T A 4、G A T A 一 5和 G A T A ~ 單 獨(dú)劃為 G A T A 因子 的 一 個(gè)亞族。與 N K x 2 — 5一樣 ，它們是心肌 細(xì)胞 系的 3 個(gè)最早標(biāo)記物 ，其蛋 白質(zhì)在心臟前體 中胚層和原 始心管 的表達(dá) 比編碼心臟特異性收縮蛋 白要早 6～1 2h 【 1 2 ] 。 大鼠 g a t a ~、 g a t a 一 5 和 g a t a 一 6

18、基因編碼 的蛋白質(zhì)分別為 4 8 、 4 2 和 4 5k u 。雖然 g a t a ~、 g a t a 一5和 g a t a 一 6表面上結(jié)合相似的序列 ，但它們對(duì)每個(gè) 啟動(dòng)子不 同的結(jié)合能力依賴于所結(jié)合核苷酸序列或 相互之間的作用或其他轉(zhuǎn)錄因子上的相互作用。交 互作用提供了一個(gè)復(fù)雜 的轉(zhuǎn)錄密碼以允許不 同組織 特殊 的基 因表達(dá) 。研究發(fā)現(xiàn) ，G A T A ~一 胚胎干細(xì)胞可 以發(fā)育成 心內(nèi)膜 、心 肌 和 心 外 膜 。原

19、 位 雜 交 顯 示 G A T A 一4～ 胚胎干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞表達(dá)出心肌特異性 基因包括 心肌 僅 一 m h c 、cC 、m l c 一 2 v 、n k x 2 — 5 ／ C s x 、dⅣ D、 e H A N D 。但是 G A T A ~一 的胚胎干細(xì)胞不 能形成心臟 的內(nèi)層和腸管 的內(nèi)層。用反義核酸阻斷 g a t a ~ ／ 5 ／ 6 基 因的表達(dá) ，使 鼠胚不能形成正常 的原 始心管 ；嚴(yán)重 者 ，心臟分裂

20、可致雙側(cè)跳 動(dòng)的心臟 ；在某些胚胎 ，還可見匹配的心臟原基部分融合 ，沒 有形成單個(gè)環(huán)狀的心管 。這個(gè)結(jié)果說 明 G A T A ~ 不 是心肌細(xì)胞 分化 的決定 因素 ，在心肌組 織 中別 的G A T A結(jié)合 蛋 白例 如 G A T A - 5或 G A T A ~ 可 能 對(duì) G A T A ~ 功能予以補(bǔ)充¨。純合子的 G A T A ~一 的小鼠在懷孕后 8 ． 5到 1 0 ． 5d死去。G A T A ~一 的

21、胚 胎表現(xiàn)出在嘴側(cè)到尾側(cè)和側(cè)面到腹側(cè) 的折疊過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷，表現(xiàn) 出腹側(cè)身體的分裂。這導(dǎo)致 前腸和頭部的腸孔形成缺陷 ，羊膜腔和卵黃囊閉合 缺陷，以及 心包 腔和心管 ( 最初 的心臟是 單一管 狀)形成缺 陷。分析 G A T A ~一 小 鼠發(fā) 現(xiàn)這些胚 胎發(fā)展成內(nèi)臟的中胚層 ，它們分化出表達(dá)心肌收縮 蛋 白的原始的心肌細(xì)胞。G A T A ~ 功能喪失 的大 鼠因?yàn)樵谂咛?的后期腹側(cè) 不能融合而呈現(xiàn)兩個(gè)心管 。同腹側(cè)形成缺陷

22、相 同，G A T A ~一 原始 的心肌細(xì)胞 不能遷移到腹側(cè)中線形成心管 ，并且導(dǎo)致在胚胎前 側(cè)和背外側(cè) 區(qū)域形成畸形 的心臟結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果說 明，G A T A ~ 并不 是 對(duì) 心肌 細(xì) 胞 所特 殊 的。但 是 G A T A ~在胚胎嘴側(cè)到尾側(cè)和側(cè) 面到腹側(cè) 的折疊過 程 中起 到 關(guān)鍵 性 作 用 ，而 這 是 心臟 形 成 所 必 須 的 。人類 g a t a ~ 基 因位 于染色體 8 p 2 3 ． 1 ，G A —

23、T A 4 突變引起人類先天性心臟病 。在心臟分化 過程 中，G A T A ~ 對(duì)心肌基 因表 達(dá) 的起重要調(diào)節(jié)作 用。G A T A ~ 調(diào)節(jié)許 多心臟結(jié) 構(gòu)基 因的表達(dá) ，如 僅 一 M H C、肌 鈣蛋 白一 C 、心房 利鈉 因 子和腦利鈉 蛋 白的表達(dá) ，心肌 肌鈣蛋 白一 I ，鈉／ 鈣 交換 器 ，心 肌 限制 a n k y f i n蛋 白，僅 ． 腎上腺 素 受 體 ，M 2 毒蕈堿性 受體和肌 球蛋 白輕 鏈。G

24、 A T A蛋 白可促進(jìn)心肌細(xì)胞 A N P和 B N P的表達(dá) ，并且在異 源細(xì)胞強(qiáng)迫表達(dá)的 G A T A蛋 白明顯 的激活從正常心 肌細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞特殊 的 A N P和 B N P啟動(dòng)子 的轉(zhuǎn)錄?。心肌特殊 的收縮表 型是 由一 系列 的心 肌特殊的基因表達(dá)所決定的。同哺乳動(dòng)物其它的系統(tǒng)發(fā)展一樣 ，心肌基 因的協(xié) 同表達(dá)是受細(xì)胞株所特 有 的轉(zhuǎn) 錄因子調(diào)控的 ，它們?cè)谶@些基 因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 區(qū)域的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相互作用。研究發(fā)

25、現(xiàn)慢心肌 特殊的 t r o p o n i nC ( c T n C )增強(qiáng) 因子包含了一個(gè)組 織 限制性 的 G A T A ~ 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn) 。在原始 心肌細(xì)胞中 G A T A ~結(jié)合位點(diǎn)對(duì)于增強(qiáng)子的活性是 必須 的。另外 ，c T n C增 強(qiáng) 因子在非 心肌細(xì)胞例 如 N I H3 1 3細(xì)胞 中可以被過度表達(dá) 的 G A T A ~ 轉(zhuǎn)錄激 活。在移植后的小 鼠胚胎心臟中原位雜交研究 中發(fā) 現(xiàn) G A T A ~ 和

26、 c T n C有相互 重疊的表達(dá)方式 ，并且 G A T A ~基 因的表 達(dá)前 于 c T n C表 達(dá)。非直接 的免 疫熒光顯示在培養(yǎng) 的胎 鼠的心肌細(xì)胞有 G A T A ~ 的 表達(dá)。這些結(jié)果說明了在哺乳動(dòng)物心肌成長過程中G A T A ~ 的功能對(duì)組織特異性基 因的表達(dá)有直接作 用[ 。。有證 據(jù)表 明，在 肥 大 心肌 細(xì) 胞基 因表 達(dá) 中，G A T A ~作用涉及到轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn) 錄后 的各 個(gè)方面。在 培養(yǎng)的胎兒 鼠心肌

27、細(xì)胞 中，電刺激導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥 大 同時(shí)伴隨著 G A T A ~ m R N A表達(dá) 的增強(qiáng) ，說 明在 心肌肥大期間 ，G A T A ~ 總量是增 加的。另外通過 細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶使 G A T A ~ 磷酸化 ，也使 G A ．T A 4 的轉(zhuǎn)錄活性 也提高 了。僅 一 M H C是成年 嚙齒類 動(dòng)物心肌主要的結(jié)構(gòu)蛋白，它的表達(dá)限制于成年心 臟 。在主動(dòng)脈束扎使大鼠心肌肥厚的模型 中，研究 發(fā)現(xiàn) ，兩 個(gè)被 公 認(rèn) 為 G A