Sox-Wnt相互作用在发育和疾病发生中的作用

熊浩岚综述,张庆玲审校

（南方医科大学：1.第一临床医学院；2.病理学系,广州510515）

Sox基因是一大类编码转录因子的发育相关基因家族,其编码超过20种Sox蛋白。近年研究发现Sox基因与Wnt/β-连环素信号通路关系密切,通过参与调节Wnt/β连环素信号通路活性,在生物发育和肿瘤发生等多种生命活动中发挥重要作用。本文总结近年国内外相关研究成果,综合分析Sox-Wnt相互作用及其对Wnt/β连环素信号通路的调节机制。

1 Sox基因家族简介

Sox基因家族参与胚胎发育、性别分化、神经发生、软骨形成以及胸腺细胞的分化等多种发育过程的调控。该基因家族的共有特征是所有编码Sox蛋白均具有一个由约79个氨基酸组成的保守序列——HMG盒（HMG-box）,该序列可以与DNA特异性结合；Sox蛋白与其他转录因子相互作用形成复合体而发挥作用。在脊椎动物基因组中有大约20种不同的Sox基因,根据HMG盒的序列同源性,它们被分为8个亚族（Sox A～H）。该家族的第一个成员是哺乳动物的性别决定基因SRY/Sry。人类及小鼠体内已发现的Sox基因家族成员有24个。近年来研究发现Sox基因的突变和异常表达与多种肿瘤的发生、发展有关。由于Sox基因可能在肿瘤进展中起重要作用,因而对其研究进展十分迅速。

2 Wnt信号通路

Wnt蛋白是一类分泌型糖蛋白,分布在所有多细胞动物体内,并且调节个体发育和疾病发生等许多方面。标准的Wnt信号通路激活β连环素（β-连环蛋白）,β连环素进一步激活胞核内的转录因子——T细胞转录因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）等从而调节在不同生命活动中的一系列目标基因的转录。Wnt信号必须被严格控制,因为不适当升高的β连环素/TCF活性会导致许多组织肿瘤的发生。虽然已知脊椎动物有19种Wnt蛋白和10种跨膜受体卷曲蛋白,但标准Wnt通路的转录信号只由β连环素和4种TCF调节,于是就提出了不同类型的细胞如何调节不同Wnt目标基因的问题。一种解释是β连环素和TCF与其他转录因子相互作用以调节其活性使目标基因的选择更容易[1]。因此,鉴定β连环素/TCFs相关转录因子并探讨其调节机制一直是功能基因组学研究的热点之一。

3 Sox-Wnt相互作用系统在生长发育和肿瘤发生中的作用

Sox蛋白显然具有独立于Wnt的作用,但也有很多研究证明Sox蛋白通过调节Wnt信号通路而广泛参与生长发育和疾病发生过程。很多报道证实Sox蛋白有抑制Wnt转录信号的作用,然而部分Sox蛋白似乎可以加强Wnt目标基因的表达,Wnt也调节某些Sox蛋白的表达。因此Sox-Wnt相互作用似乎可以调节标准Wnt信号通路的活性。

3.1 Sox-Wnt通路在胚胎发育中的作用 首先对非洲蟾蜍胚胎研究揭示Sox因子和Wnt信号通路在功能上能够相互作用。一个母系Wnt/β连环素信号通路在非洲蟾蜍囊胚的一侧很活跃,这可以刺激组织者基因转录,从而定义将来的背侧-腹侧身体轴[2]。用分子显微注射抑制这条通路可以禁止轴线形成,最终形成无头胚胎。这是鉴别Wnt信号通路组成成分的一种常用方法,运用这种方法发现非洲蟾蜍的Sox17和Sox3可以抑制β连环素的活性[3-6]。在非洲蟾蜍发育过程中,Sox17和Sox3分别在预定的内胚层和外胚层中表达,在囊胚的背侧它们与有活性的β连环素交错表达。功能缺失研究发现,除使内胚层和外胚层受损外,Sox17或Sox3的反义缺失也能增加Wnt依赖性基因的表达。这表明Sox17和Sox3通过限制β连环素/TCF所激活的转录来协调非洲蟾蜍胚层的形成和图式发育[7]。有趣的是,Sox17和β连环素之间的相互作用似乎可以加强Sox17的功能进而激活Sox17的目标基因。

3.2 Sox-Wnt相互作用在肿瘤发生中的作用 Wnt信号通路的组成成分[例如活化蛋白C（APC）和β连环素]的突变与许多类型的癌症有关 。最近研究证实在人类的许多肿瘤中Sox基因表达下调[8-9],还有研究表明Sox因子通过调节β连环素/TCF活性和以Wnt为靶点的致癌基因[如细胞周期蛋白D1（Cyclin-D1）和c-myc）]的表达而影响肿瘤发生。有的Sox基因例如Sox7和Sox17在许多肿瘤的发生过程中是逐渐沉默的,他们发挥抑癌基因的作用[10-11]。例如,Sox17通过抑制Wnt信号发挥抑癌基因的作用。胃肠肿瘤发生的最初阶段Sox17是由Wnt激活的,但在肿瘤恶化过程中Sox17被甲基化使其水平下降。在肿瘤发生初期Sox17保护其不向恶化方向发展,Sox17的下调使Wnt活性增强从而促使肿瘤恶化[12]。其他Sox基因,例如Sox4通常在肿瘤中过度表达或被遗传放大,表现为致癌基因[9,13]。研究发现 Sox4的稳定转染可以转化前列腺细胞,然而Sox4的反义缺失可以降低前列腺癌和结肠癌中Cyclin-D1的表达和抑制癌细胞增殖[14]。还有研究表明同种Sox基因在不同的肿瘤中表现不同。例如,Sox2在人类乳腺癌中经常过度表达,并且通过β连环素使肿瘤增殖；然而,Sox2在胃癌中经常表达下调,如果它过度表达则会抑制Cyclin-D1表达以及肿瘤细胞增殖[15]。

3.3 Sox-Wnt与性别决定 作为第一个被报道的Sox基因，Sox9基因被证实与位于男性Y染色体上的Sry基因一起决定哺乳动物的性别。Sry和Sox9基因都能够引起XX个体（女性个体）的睾丸发育和人类Sry和Sox9基因的突变,从而使性别反转[16]。最近有研究表明Sry和Sox9基因的部分功能是通过抑制标准Wnt信号而行使的[17],而Wnt信号可以促进卵巢发育和阻断睾丸发育。

4 Sox-Wnt相互作用的机制

Sox转录因子可以与β连环素和TCF相互作用,从而调节Wnt信号通路；Wnt通路也可以调节Sox基因转录。许多研究表明Sox蛋白与 Wnt信号通路之间存在一个反馈调节环。

4.1 Sox-β连环素相互作用 许多Sox蛋白都能与β连环素在结构上相互作用,这似乎是Sox蛋白能够调节Wnt信号的关键点。在许多研究中,这种相互作用只能在体外或通过免疫共沉淀在组织培养中过表达的蛋白质里被证实。在小鼠胚胎和人类直、结肠癌提取物中发现的内源性Sox1、Sox17与β连环素结合成复合物[14]。不同的Sox蛋白与β连环素相互作用区域不同,例如Sox6蛋白通过亮氨酸拉链和邻近的富含谷氨酰胺的区域与β连环素相互作用；Sox9和 Sox17用它们羧基末端的TA区域与β连环素相互作用[18-19]。不同的Sox蛋白作用于β连环素的不同区域。Sox6以armadillo重复序列1～4为靶点,Sox17以armadillo重复序列3～6为靶点,而Sox9作用于armadillo重复序列4～10[2,18]。考虑到 TCF/LEF蛋白通常以β连环素、armadillo重复序列4～9为靶点,可能某些Sox蛋白不仅与β连环素结合而且也与β连环素/TCF复合物相互作用。在胃上皮中,Sox17优先作用于β连环素/TCF复合物而不是β连环素。在复合物内部,TCF/LEF因子的DNA结合区域和Sox17之间有联系[14]。随着蛋白酶体的降解,三元络合物的量增加,表明 Sox17通过降低β连环素和TCF/LEF的稳定性以拮抗 Wnt信号在胃上皮中的作用。Sox9则通过与TCF/LEF因子竞争β连环素结合位点而控制wnt信号在软骨母细胞中的作用[18]。但在这个系统中没有发现三元络合物,只发现二元的Sox9/β连环素复合物,证明Sox蛋白可以通过其他方式拮抗Wnt信号的作用。

4.2 Sox-TCF相互作用 体外蛋白结合试验表明哺乳动物Sox17和Sox4能通过它们各自的 HMG保守序列直接与TCF-3、TCF-4和LEF-1相互作用[14]。与此一致的是,Sox的HMG序列除了结合DNA还可以调节Sox与许多转录因子间的相互作用[20]。在 T细胞发育过程中,Sox13可以通过与TCF-1相互作用抑制Wnt靶点。有趣的是,Sox13可以与细胞提取物中的TCF-1全长结合,但是不能与缺乏氨基末端和β连环素结合区域的mRNA剪接的变异型TCF-1结合,表明Sox13与TCF-1的氨基末端结合,并通过拮抗β连环素而抑制Wnt信号通路。

4.3 Sox-Wnt反馈调节环 除了Sox蛋白调节Wnt活性外,在许多生命活动中Wnt信号通路也调节Sox基因表达。许多研究表明Sox蛋白与Wnt信号通路之间存在一个反馈调节环。果蝇和海胆的SoxB蛋白都提供了相互抑制作用的例子。在海胆胚胎中,局限分布在营养细胞中的胞核β连环素是中、内胚层分化所必需的,而SoxB1对外胚层分化亦很重要[21]。SoxB1局部抑制β连环素/TCF活性,而β连环素通过两种机制抑制SoxB1的表达[22]。SoxB1最初在所有细胞核中都表达,而渐渐地局限表达在外胚层。因此,根据SoxB1和β连环素相对活性的变化可以分离谱系。与此类似,果蝇Wnt信号也可以下调SoxN和Dichaete的表达,同时,SoxN和Dichaete蛋白能降低Wnt目标基因的转录,这一相互的抑制作用建立了非连续性 Wnt活性的空间分布以维持真皮层组织的分界[23]。果蝇的SoxF和Sox9在鼠类肠中与Wnt信号通路以一个经典的负反馈环的形式相互作用。Wnt信号加强SoxF的表达,SoxF蛋白可以抑制Wnt基因转录[24],从而限制细胞内分泌型Wnt配体在一个很窄的范围,可以防止翼上皮的过度增殖。相似的是,鼠肠上皮的Sox9表达需要Wnt信号,但Sox9会在局部减弱 Wnt目标基因的转录[25]。像这样的负反馈环似乎是标准 Wnt信号通路的一个共同特征,β连环素/TCF可直接激活一系列Wnt拮抗剂的转录,反馈性地降低Wnt信号的活性。在某些研究中Wnt信号可直接调节Sox基因的表达。例如,在鼠味蕾和小鸡髓板中,Sox2启动子中的TCF DNA结合区可以调节Sox2的转录。这可能解释为什么Sox2的浓度在乳腺癌中上升,并且与乳腺癌的预后差有关[15]。亢进的Wnt信号可能会促进Sox2的表达,Sox2进而协同激活β连环素。

5 展望

在进化上Sox因子和Wnt信号通路的关系很古老,并且它们在多种途径上相互作用,其中Sox因子可以通过一系列机制调节β连环素/TCF的活性；其中Sox蛋白通过与β连环素、TCF相互作用及与Wnt形成反馈调节环,形成一个复杂的Sox-Wnt信号调节系统,在胚胎发育、性别决定和肿瘤发生等多种生理及病理过程中发挥重要作用。它们的作用在生命过程中意义重大,作用机制错综复杂,尚有很多未解问题有待探讨,比如Sox-Wnt的相互作用系统在维持胚胎干细胞的稳定性中的意义、Sox蛋白在不同细胞中的功能特异性的机制及其意义等；进一步探讨Sox蛋白与Wnt信号通路的关系和作用机制,无疑将极大地促进对生物发育和肿瘤发生等一系列生理病理过程的了解和认识。

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