HOXC8基因生物学功能研究进展

史晓渊，王天琦，刘紫雯，任薇，王鑫瑞，黄炳舰，李玉华，王长法

(聊城大学农学与农业工程学院/毛驴高效繁育与生态饲养研究院，山东 聊城 252000)

同源异型盒基因(homeobox genes，HOX)家族庞大且丰富，可分为HOXA、HOXB、HOXC、HOXD四个簇，分别位于7、17、12、2号染色体上，根据簇间基因序列的相似性及基因在染色体上的位置又可分为13组[1]。同源盒基因C8(homeobox gene C8，HOXC8)是一类在进化上高度保守的转录因子，在家畜及人类等脊椎动物中普遍存在。近年来随着对HOX基因的深入研究，发现HOXC8基因对家畜及人类的发育过程均具有重要影响。HOXC8不仅参与胚胎器官的发育，还在生物体多个系统的生长发育中起着调控作用，是生物个体发育过程中的主要调控基因之一。本文综述了HOXC8基因在生物个体发育及疾病发生等方面的功能，以期为HOXC8基因功能的深入挖掘提供一定的理论支撑。

1 HOX基因概述

同源异型盒基因(homeobox genes，HOX)是含有同源框基因的统称，即均含有一段180 bp高度保守的DNA序列的基因[2]。HOX广泛存在于生物体内，不仅参与胚胎器官的发育，而且在生命体多个系统的生长发育中起着调控作用，是细胞增殖和分化的主要调控基因之一，主要通过其编码的蛋白调控下游的靶基因表达来实现。

对于HOX基因的研究，最早可追溯至1894年，Bateson在自然界多种生物体中发现了同源异型突变体的存在，即生物体在发育过程中的非正常转变。这些转变通常是身体的某一部位发育成相似或相关的身体的另一部分，从此揭开了同源异型盒基因的研究序幕[3]。随后在果蝇中发现了BX－C和ANT－C两个同源基因。Lewis[4]猜测HOX基因极可能是由一个相同的古老祖先基因通过复制和分化而成，并推断BX－C和ANT－C两个基因中可能存在与之相关的基因结构。McGinnis[5]、Laughon[6]等通过研究证实了Lewis的猜想，发现在BX－C中的Ubx和ANT－C中的Antp的DNA序列中均含有一段180 bp的基因片段，并将这一基因片段命名为Homeobox(同源异型盒)。

HOX基因可编码60个氨基酸，其构成的多肽区域称为同源结构域(homeodomain，HD)。HD呈类球形折叠，其螺旋－转角－螺旋结构可与DNA特异结合，识别以5′－TAAT－3′为核心的10～12 bp的DNA序列，N－末端臂与DNA小沟的接触可起稳定结合的作用[7]。HD与DNA结合并作为转录调控因子调节靶基因的表达，不同的HD与DNA序列的亲和性不同，这种差异与同源异型盒基因产物和靶基因间的选择性相互作用有关。

HOX基因在进化上高度保守，从低等生物到哺乳动物再到人类都存在HOX家族基因。HOX基因之间存在DNA序列相似性，其同源结构域相似性达70%～80%，通常存在于蛋白质的C端，参与基因的表达调控。在胚胎发育期，HOX基因在基因簇中的表达按照染色体中3′→5′端以时间先后顺序逐个启动，在特定的空间位置依次表达或沉默，具有严格的时空性[8]。同时，在同一表达区域同一染色体上靠近5′端的基因比其前部的基因在表达上具有功能上的优势，呈现出明显的后部优势[8]。HOX基因在一定程度上具有功能补偿效应，即HOX基因可以部分或完全替代被影响的其它HOX基因的功能[9]。HOX基因表达还具有明显的剂量效应，等位基因突变越多，表现型变异越严重[10]。每个HOX基因在胚胎发育的过程中都有各自的作用范围，一定区域内的HOX基因的表达与特定的体节形成相关[11]。

2 HOXC8基因同源性分析

在NCBI中分别检索猪、马、小鼠、牛、山羊、驴、人和斑马鱼的HOXC8基因参考序列(表1)，其中驴的基因序列使用聊城毛驴高效繁育与生态饲养研究院前期全基因组测序结果[12]。比较发现HOXC8基因在人、猪、马、驴、小鼠、牛和山羊等动物中均具有2个编码区，编码区长度分别为436 bp和293 bp；其在斑马鱼中也具有两个编码区，编码区长度分别为436 bp和317 bp，与其他动物存在差异。与人、猪、马、驴、牛和山羊不同，小鼠的HOXC8基因有3个外显子，2个转录本，全长3 737 bp；其他动物HOXC8基因均具有2个外显子和1个转录本。与上述几种动物相比，驴HOXC8基因最长，为3 891 bp。

表1 部分物种HOXC8基因参考序列信息

利用DNAStar软件中Cluster W Method对得到的驴HOXC8序列与GenBank中其他物种的该基因序列进行比较分析(图1)，发现驴与马、猪、牛、山羊、人和小鼠的同源性均非常高，可达80%以上，但与斑马鱼的同源性较低，只有47.4%。进一步比较分析驴HOXC8基因核苷酸序列结构及编码区氨基酸序列(图2)，发现虽然该基因在各物种中的全长以及所在染色体不同，但HOXC8基因在人、猪、马、驴、小鼠、牛和山羊中都编码242个氨基酸，其中猪、马、小鼠、牛、山羊和驴的编码区氨基酸序列相似性为100%(图3)。综上所述，HOX基因在物种的进化中比较保守，各哺乳动物之间HOXC8基因保守性高，但是与鱼类之间差异较大。

图1 不同物种HOXC8基因核苷酸序列相似性分析

图2 HOXC8基因核苷酸序列结构及编码区氨基酸序列

图3 不同物种HOXC8基因氨基酸序列相似性分析

3 HOXC8基因生物学功能研究

3.1 HOXC8基因对骨骼分化的影响

HOX基因已被证明是建立轴向骨骼形态的关键调节因子[13]，也是发育过程中骨骼正确构型所必需的[14－16]。通过对转基因小鼠进行HOXC8基因缺失分析，发现大约200 bp DNA片段的增强子决定了HOXC8基因的早期表达[17]。还有研究表明，HOXC8基因在胚胎发育过程中对骨骼形态形成、造血及软骨分化至关重要[18]。

在软骨发育过程中，HOXC8过表达的转基因小鼠表现出严重的软骨发育缺损，主要发生在肋骨和脊柱，即软骨生理不稳定，成熟减慢，未成熟软骨细胞堆积至肥大，缺损的严重程度取决于转基因剂量[19]。由于转基因小鼠的肋骨软骨仍然脆弱，不足以支撑胸腔结构，导致出生后不久肺功能衰竭和死亡[20]。而HOXC8基因敲除小鼠则表现为前肢神经肌肉缺陷及胸腔肋骨、椎骨缺陷[21]。由此可见，HOXC8基因是软骨细胞增殖和成熟的重要调节因子。

在成骨分化过程中，HOXC8基因初期低表达，中期上调(高表达)，晚期表达量显著下降[22]。HOXC8基因在参与骨形态发生蛋白2(BMP2)诱导的成骨分化过程中，可抑制转基因小鼠股骨和胫骨骨组织中胶原蛋白、骨桥蛋白和骨唾液蛋白的mRNA表达水 平[23]。HOXC8基 因 还 可与Smads蛋白直接作用，诱导成骨细胞分化[24]。同时有研究表明，BMP/Smad信号可诱导HOXC8基因调控骨桥蛋白和骨保护素蛋白的表达[25]。

3.2 HOXC8基因对脊椎变异的影响

大量试验表明，HOX基因是调控脊椎动物和哺乳动物体轴骨发育的主要调节基因，HOX基因的突变可导致动物脊椎不同位置椎骨形态与数量的变异[26，27]。基因敲除试验表明，小鼠的HOXC8基因突变可使胸椎增加一枚，肋骨多生一对[28，29]，说明HOXC8基因确实参与了胸椎数量的调控。部分研究证实HOXC8并非单一基因影响脊椎发育过程，很有可能是结合其它基因或者调控元件来影响脊椎的发育过程[30]。

HOXC8基因还可影响家畜的脊椎变异，从而改变家畜的生产性能，增加家畜的产肉和产皮性能等，提升养殖的经济效益。随着生物技术的不断发展，全基因组关联分析(Genome－Wide Association Study，GWAS)、相关数量性状位点(Quantitative Trait Locus，QTL)定位和定性分析等新兴技术的出现，现已将HOXC8基因定位为猪多脊椎变异候选基因[31]。赵静[32]、陈琦[33]等研究发现蒙古羊HOXC8基因exon－1甲基化CpG的数量和密度影响HOXC8基因的表达，并且调控胸椎的发育，表明HOXC8基因与蒙古羊多脊椎数变异性状存在相关性。在乌珠穆沁羊群体同样显示出HOXC8基因的表达可引起多脊椎变异的出现[34]。

3.3 HOXC8基因对脂肪形成的影响

HOXC8基因在不同脂肪组织中差异表达，并在脂肪分化和脂质沉淀中发挥着重要作用[35，36]。对绵羊前体脂肪细胞分化的研究发现，HOXC8基因mRNA的表达量在绵羊前体脂肪细胞分化前极显著高于分化后，说明HOXC8基因在前体脂肪细胞分化前发挥作用。但在分化过程中，虽然HOXC8基因启动子区甲基化和第一外显子区甲基化都表现为较低水平，但第一外显子区甲基化水平都极显著高于启动子区，说明绵羊前体脂肪细胞的分化不受HOXC8基因启动子区甲基化的调控，而受第一外显子区甲基化水平调控，且在分化过程中，HOXC8在转录水平的表达受第一外显子区甲基化的正调控[37]。

HOXC8基因在人脂肪源性干细胞(adiposederived mesenchymal stem cells，ADSCs)中表达强烈，但仅在脂肪生成过程中表达下调，在成熟脂肪细胞中表达几乎消失。研究发现靶向HOXC8的miR-196a在ADSC中随着脂肪生成而上调，miR-196a的上调可抑制HOXC8的表达，并促进了ADSCs中的脂肪生成。故HOXC8基因可作为ADSCs中脂肪生成的抑制剂，其表达可能受miR－196a微调[38]。

3.4 HOXC8基因对神经发育的影响

HOX基因对于生物体神经发育具有重要影响。研究发现，小鼠HOXC8基因在神经系统的多阶段表现为沿体轴骨骼方向上的双向表达模式。小鼠胚胎发育早期HOXC8基因转录物主要分布在后神经管和后中胚层，随着发育进行HOXC8基因的表达沿腹背侧方向分布递减，而且在头尾侧方向表达也递减[39]。

研究显示HOXC8基因的靶向破坏会导致肢体运动轴突连接的异常，HOXC8基因突变会导致小鼠运动神经异常，造成先天性前爪缺陷[40]。在小鼠胚胎发育早期，HOXC8基因在肱动脉脊髓运动神经元中持续表达，若在肱动脉脊髓运动神经元中早期和晚期去除HOXC8基因，则会影响几个终末分化基因的表达，表明HOXC8基因参与了脊髓运动神经元(MN)终末分化的控制[41]。HOXC8基因是区别外侧运动神经柱(lateral motor columns，LMC)细胞内侧和外侧的关键[42]，且在LMC细胞定型和早期分化过程中具有双向调节作用，此发现表明HOXC8基因在脊髓腹侧有丝分裂后细胞表达调控的重要性；同时HOXC8基因对于Lim1＋运动神经元亚群的表达、Islet1＋运动细胞体的正确定位及其适当的轴突投射具有重要调控作用。在脊髓神经发生过程中，维甲酸(retinoic acid，RA)信号调节和HOX基因表达之间似乎存在复杂的相互作用。因此，相互依赖的RA信号传导和HOX基因功能对于小鼠臂运动神经元的特化是必需的[40]。

3.5 HOXC8基因对癌症发生的影响

HOX基因沿前后轴呈线性排列，如果其家族成员在错误的时间或地点出现错误的表达，则会导致其调节作用出现紊乱，增生与分化之间的平衡被打破，就很可能导致恶性肿瘤的发生。越来越多研究表明，HOX基因在多种恶性肿瘤中表达均出现异常，因此，HOX基因的表达在恶性肿瘤诊断和治疗中可能具有重要作用。相关研究表明HOXC8可参与调控人类多种恶性肿瘤的发生与发展[43]。

HOXC8基因是调控食管发育的重要基因，同时也参与食管鳞癌的发生与发展。杜雅冰等[44]研究发现HOXC8在食管鳞癌中发挥癌基因的功能，作为转录调节因子蛋白可促进食管癌细胞增殖，而敲除HOXC8基因，则可使食管癌细胞周期阻滞在G1期，细胞凋亡率增加，克隆形成能力下降。HOXC8基因可作为转录激活因子诱导TGFβ1表达，进一步促进癌细胞的增殖以及迁移能力。其主要调控机制为MiR－23a靶向上调HOXC8基因的异常高表达，从而促进了宫颈癌的发生、发展过程[45]。在胃癌中，HOXC8可作为miR－337－3p的靶基因，XIST通过竞争性结合miR－337－3p并上调HOXC8进而促进胃癌细胞增殖、侵袭和上皮细胞－间充质转化(EMT)，从而促进胃癌的发展进程[46]。在鼻咽癌中，过表达HOXC8可抑制癌细胞生长，调节糖酵解，并调控三羧酸循环通路中相关基因的表达[47]。在乳腺癌晚期，HOXC8表达水平明显升高，其可作为转录抑制剂抑制嵌入式跨膜糖蛋白(EMB)的表达，从而促进乳腺癌细胞的生长和迁移[48]。

3.6 HOXC8基因对毛囊发育的影响

HOXC8基因在人类胎儿皮肤发育过程中表达[49]，其主要在皮肤的毛乳头细胞中表达，并被认为与毛乳头细胞的毛发诱导能力有关[50]。HOXC8基因可参与小鼠毛囊干细胞的激活，途径是激活与毛囊干细胞增殖分化至关重要的信号通路Wnt/β－catenin[51，52]。在小鼠中，HOXC8首先在胸骨区域的皮肤中表达，随后扩展到胸腹和腰背部[53]。此外，HOXC8还可在小鼠包括真皮乳头细胞在内的不同毛囊亚区域中表达[54]，其过表达可加速小鼠毛囊休止期向生长期转换，促进毛囊生长。

在绒山羊毛乳头细胞全转录组学分析及与毛母质细胞分子互作机制的研究中发现，毛囊干细胞激活相关基因HOXC8的表达可受chip－miR－144－5p的负向调控，从而导致HOXC8基因下调，抑制毛囊生长；而ceRNAs可特异性结合chipmiR－144－5p，从而解除HOXC8基因的抑制[55]。Bai等[56]对辽宁绒山羊生长期次级毛囊HOXC8基因外显子1的甲基化状态进行了研究，发现HOXC8基因外显子1的甲基化程度与羊绒纤维的直径、长度和强度等绒纤维性状相关，表明辽宁绒山羊毛囊HOXC8基因外显子1的甲基化程度可参与调节羊绒纤维的生长。

4 小结

综上所述，HOXC8是一类在进化上高度保守的转录因子，与胚胎发育、骨骼分化、脊椎变异、脂肪形成、多种癌症的发生和发展及毛发发育密切相关。随着对HOXC8基因的深入研究，现已将其作为多种癌症的诊断基因、产绒动物产绒性状的潜在候选基因及家畜多脊椎变异的候选基因等。但目前对于HOXC8基因的研究还存在一定的局限，仅证实HOXC8基因与家畜脊椎变异存在相关性，具体通过何种途径或调控元件如何进行调控还无法给出准确结论，需进一步深入探究。