生殖细胞特异性基因SOHLH1 与SOHLH2 的研究进展

乔延召，刘国乾,2，陶 剑，石俊松，卫恒习，张守全*

（1.华南农业大学动物科学学院，国家生猪种业工程技术研究中心，广东省农业动物基因组学与分子育种重点实验室，广东广州 510642；2.广东科贸职业学院动物科技学院，广东广州 510640；3.广东温氏食品集团有限公司，广东新兴 527439）

生殖细胞是多细胞生物体内能繁殖后代的细胞总称，包括原始生殖细胞（Primordial Germ Cells，PGCs）、生殖母细胞和成熟配子（精子和卵子）。生殖细胞的形成是一个细胞特异性分化过程，这种特异性分化最早体现在PGCs 的形成，PGCs 是最早出现的生殖细胞，其在细胞结构、遗传学和表观遗传学方面与体细胞均有不同，PGCs 发育过程大致分为3 个阶段：胚胎尿囊早期形成及命运决定过程；后肠和肠系膜的中期迁移；生殖嵴的后期分化[1]。在小鼠生殖细胞发育中，PGCs 经过有丝分裂和减数分裂过程最终形成成熟配子[2]，该过程是在生殖细胞特异性基因及相关信号通路的调控下完成，体现在转录水平与转录后调控水平，包括转录因子、表观修饰、RNA 结合蛋白等作用方式[3]。SOHLH1（Spermatogenesis-and Oogenesisspecific Basic Helix-loop-helix-containing Protein 1）与SOHLH2（Spermatogenesis-and Oogenesis-specific Basic Helix-loop-helix-containing Protein 2）是一类螺旋-环-螺旋蛋白（Helix-loop-helix，HLH），具备DNA 结合蛋白的2 个共同特点，即存在与DNA 结合的螺旋区及能形成二聚体。此类蛋白具有HLH 基序，并且在其相邻区域存在着强碱性，是与DNA 结合所必需的。Ballow 等[4-5]在2006 年首先发现SOHLH1 与SOHLH2为生殖细胞特异性转录因子，并证明其对生殖细胞的早期分化具有重要作用。赵涵[6]研究表明，SOHLH1缺失能导致小鼠卵巢早衰（Premature Ovarian Failure，POF），SOHLH1是卵巢早衰的候选基因之一。本文就生殖细胞特异性基因SOHLH1与SOHLH2在转录水平调控的最新进展进行综述，以期利用生殖细胞特异性启动子制备人类生殖疾病动物模型，为人类生殖器官或生殖障碍疾病的治疗提供参考。

1 生殖细胞特异性转录因子SOHLH1 与SOHLH2的进化

笔者从NCBI 数据库下载了SOHLH1与SOHLH2基因的氨基酸序列，以各物种SOHLH1、SOHLH2基因所编码的氨基酸为基础进行遗传进化分析，采用自动填充缺口的ClustalW 方法比对，使用临近比较法作图（1 000 个bootstrap 重复）[7-8]。图1 和图2 显示了两者在哺乳动物上从低等的鼠科到高等的灵长类人的演化过程。

2 SOHLH1 与SOHLH2 在小鼠中的时空表达

小鼠胚胎期12.5 d 卵泡即可检测到SOHLH1基因mRNA 的表达，15.5 d 卵泡即可检测到蛋白质水平的表达[6]。出生7 d 后的小鼠以及成年小鼠的睾丸A 型精原细胞中均能检测到SOHLH1 蛋白，但刚出生的小鼠睾丸内检测不到，进一步检测成年小鼠睾丸中各形态精子，发现SOHLH1最初在生精上皮周期IV 阶段的精原细胞（Spermatogonia）中表达，在Aal、A1、A2、A3、A4 各类型精原细胞中强表达，在B 型精原细胞上中等表达，这表明SOHLH1表达伴随着精子的分化形成过程[4]。Suzuki 等[9]利用SOHLH1基因的这种特性，使用小鼠SOHLH1基因启动子制备了携带CherryFlag 标签的转基因小鼠，以此来研究早期精子分化的动态变化及纯化各种类型的精子。在卵子发生过程中，SOHLH1基因mRNA 在13.5 d 可被检测到低水平转录，在卵子进入减数分裂Ⅰ期（15.5 d）时显著表达，直到小鼠出生后原始卵泡（Primordial Follicles）中仍可检测到SOHLH1基因的mRNA；SOHLH1基因表达的蛋白在原始生殖细胞囊、原始卵泡、初级卵泡（Primary Follicle）中均能检测到，但在次级卵泡（Secondary Follicles）中未检测到；SOHLH1 蛋白不同于其他卵细胞特异性调控子，其存在于细胞质与细胞核中，缺少核定位信号，这种作用方式表明SOHLH1 在卵泡早期发育中发挥着独特作用[10]，其在卵子发生及正常形态卵子的生成中所发挥的重要作用亦被证实（图3 和4）[11-12]。

SOHLH2基因mRNA 在13.5 d 的小鼠雌雄生殖腺内能够被检测到，在雄性小鼠的精原干细胞（Spermatogonia Stem Cells,SSCs）至精母细胞（spermatocyte）中都可以检测到，而在雌性小鼠中只持续到原始卵泡这一阶段；SOHLH2 蛋白可以在雄性小鼠胚胎期18.5 d 生殖母细胞中检测到，然后一直持续到成年小鼠的B 型精原细胞，在雌性小鼠17.5 d 生殖母细胞中检测到SOHLH2 蛋白的表达，并且蛋白的表达持续到成年小鼠的小卵泡、原始卵泡及初级卵泡中[5,13]。无论在雄性小鼠还是在雌性小鼠上，SOHLH2基因总是先于SOHLH1基因表达[14]。

3 SOHLH1 与SOHLH2 的功能和调控机制

SOHLH1 与SOHLH2 作为生殖细胞特异性基础型螺旋-环-螺旋（Basic helix-loop-helix，bHLH）转录调控因子，在配子生成过程中发挥着重要的作用[15]，其作用机制随着研究的深入被逐步阐明。在卵子生成及早期发育过程中，SOHLH1与SOHLH2基因mRNA、蛋白的表达主要在原始卵母细胞中进行，小鼠SOHLH1与SOHLH2基因的缺失会导致Nobox、Figla、Lhx8和Pou5f1基因的表达异常，也会导致Kit基因显著下调，其作用方式是通过启动子上的E-box 区域[16]来实现，但对这2 个转录因子在卵子生成的上游基因的报道还比较少。精子生成过程中，这2 个转录调控因子在未分化与分化的精原细胞中共表达，并以同二聚体和异二聚体的形式发挥作用，但在精原干细胞上不表达[15]。小鼠的SOHLH1与SOHLH2基因缺失会导致与减数分裂相关的基因表达，如Dmrtc2/Dmrt和Piwil1/Miwi，而且有Stra8（Stimulated By Retinoic Acid Gene 8）基因表达但无Kit表达的曲精细管数量增加，其他生殖细胞会出现浓缩态的HORMAD1 螺纹状染色体[17]，这是因为Stra8基因调控着减数分裂的起始，HORMAD1 则为联会复合物的关键成分[18-19]。

对SOHLH1与SOHLH2上游调控基因的研究发现，在精原细胞中，DMRT1（一种两性相关转录因子）直接调控SOHLH1与Stra8的表达，但是否调控SOHLH2仍未知[20]，在原始卵泡中SMAD1/5/8 参与SOHLH2与c-Kit基因[21]的调控。除了通过转录因子调控SOHLH1与SOHLH2基 因 外，Pan 等[22]研 究表明，甲基化（Methylation）对生殖细胞特异性基因SOHLH2的表达亦发挥重要作用，由视黄酸（Retinoic Acid，RA）介导的MicroRNA 146 也参与SOHLH2基因[23]的调控。对SOHLH1与SOHLH2下游调控基因的研究发现，在精原细胞发育过程中，这2 种转录因子直接调控Gfra1、Sox3、SOHLH1、SOHLH2与Kit基因[15]（图5）。

Kit介导的信号通路对PGCs 的增殖和生存极为重要，对雌雄生殖细胞的分化是必不可少的[24-25]。在胎儿的卵母细胞（Oocyte）中，Kit随着减数分裂的启动而下调，却在胎儿出生前后上调来控制卵母细胞的生长。在雄性胎儿生殖细胞中，Kit在有丝分裂（Mitosis）受到阻遏时下调，一直持续到出生前3～4 d，此时Kit表达的抑制作用高度依赖于早幼粒细胞白血病锌指基因（Promyelocytic Leukemia Zinc Finger，PLZF）活性[26]并且能阻遏精原干细胞的损耗[27-28]。而SOHLH1与SOHLH2是通过调控Kit启动子活性来控制生殖细胞分化的[14]，具体作用模式见图6。

4 结 语

bHLH 转录因子，特别是组织特异性bHLH 转录因子，在细胞分化各阶段发挥至关重要的作用。SOHLH1与SOHLH2作为睾丸、卵巢的特异性bHLH基因，在精子生成与卵子生成过程中是不可或缺的，这2 个转录因子主要通过作用Kit基因启动子来调控生殖细胞的发育。阐明其在生殖细胞发育过程的作用机制，有利于揭示少精、无精及不孕不育等繁殖障碍问题的深层原因；根据其组织特异性的特点，可以运用生殖细胞特异性启动子，制备动物模型研究生殖细胞的发生与发育，或制备“生物导弹”，治疗生殖类疾病。