同源盒結構基因

同源盒基因均含有180bp的高度保守序列，且在進化上高度保守，位於靠近3′端的分散的外顯子上。這段序列編碼60個胺基酸的同源結構域。HD摺疊成3個α-螺旋結構。X-射線晶體學研究表明，螺旋Ⅰ與Ⅱ平行，螺旋Ⅲ與前2個基本垂直，Ⅱ、Ⅲ螺旋和它們之間的轉折形成HTH（helix-turn-helix）結構。

基本介紹

• 中文名：同源盒結構基因
• 含有：180bp的高度保守序列
• 位置：靠近3′端的分散的外顯子上
• 序列編碼：60個胺基酸的同源結構域
• 最早發現動物：果蠅
• 型號分類：A-P型和非A-P型

同源盒

是一段編碼60個胺基酸的DNA序列，最早在果蠅中發現，隨後在多細胞生物三個王國均發現有同源盒基因。同源盒基因按其在染色體上的排列方式，分為A-P型和非A-P型。含有同源盒的基因編碼DNA結合蛋白，調控基因的表達和控制器官發生與細胞分化。本綜述簡要論述同源盒基因在脊椎動物頭面部發育中的作用。

[關鍵字]同源盒基因；脊椎動物；發育

同源盒基因（homeobox gene）是控制發育的主要基因，對動物的器官發生和細胞分化調控起關鍵作用。同源盒基因含有一個共同的180 bp的序列，稱為同源盒（homeobox）。最早在果蠅中發現，隨後發現所有多細胞生物，從寄生蟲到脊椎動物以及植物和菌類中都有同源盒存在，且在進化上高度保守。同源盒編碼60個胺基酸的同源結構域（homeodomain，HD）[1]。含有HD的蛋白是轉錄因子，可激活或抑制靶基因的表達。

脊椎動物中同源盒基因家族很大，按一個基因組中10萬個基因估計超過0.2%的基因含有同源盒[2]。傳統上同源盒基因分為兩個亞家族，一類是成簇排列在染色體上，並按前後軸（antero-posterior，A-P）方式表達，稱之為A-P型，即Hox基因或Ⅰ類同源盒基因。另一類是非A-P型同源盒基因，非成簇排列，而是散布於不同的染色體上，基於序列的相似性分為一系列組（group），例如：Emx家族、Pax、Msx和Otx家族的同源盒基因[3]。

本綜述將分別闡述Hox基因和非A-P型同源盒基因在脊椎動物頭面部發育中的作用，以及這些基因突變導致的人類畸形。

1同源盒基因的結構

HTH與鋅指結構、亮胺酸拉鏈一樣是真核生物DNA結合蛋白的特徵之一。第2和第3個螺旋間的淺溝結構，可以與特異核苷酸序列結合，而第1和第2個螺旋則為HD與DNA結合提供空間和結構完整性。同源盒基因的產物是真核轉錄因子，它的HD特異性識別以5′—TAAT—3′為核心的10-12bp的DNA序列，從而激活或抑制基因的表達[4]。

HOX基因在後腦構建

和頭面發育中的作用2.1哺乳動物Hox基因的命名

哺乳動物的Hox基因根據與果蠅同源複合體（HOM-C）同源性命名，至少有39個Hox基因分為4個簇（cluster）：Hox A、B、C、D，排列在不同的染色體上，在人類分別是定位於7p15.3（HoxA）、17q21.3(HoxB)、12q13.3（HoxC）和2q31（HoxD）。每簇包含9-11個基因，基於序列相似性和複合體相對位置，不同簇間單個Hox基因可排成一線，與HOM-C也可以，表明4個簇可能來自於一個祖先複合體[3,5]。

2.2 Hox基因的作用

脊椎動物後腦或菱腦沿著前後軸暫時分為一系列片段（鼠和人中7個）稱為菱腦原節[6]。後腦的這一片段組織決定了神經嵴細胞（neural crest cell，NCC）由神經外胚層向外普遍的片段性遷移以及咽和咽弓的形態構建。原位雜交分析發現，表達於某特定菱腦原節的Hox基因集合的一部分也表達於由該菱腦原節遷移來的NCC中，這提示Hox基因可能指導頭部鰓區的形態構建[7]。

為證實此假設，1993年Rijli FM和Gendron-MaguireM分別進行了鼠的Hoxa-2基因功能失活實驗[8,9]。正常情況下，來自於前兩個菱腦原節和尾側中腦的NCC正常遷移於第一弓（上下頜弓）中，在那裡產生牙、上頜骨、鱗部（顳骨）、鼓室、錘骨和砧骨以及Meckel軟骨。自第4菱腦原節發出的NCC正常移於第二弓（舌骨弓）中並形成鐙骨、莖突骨和舌骨較小的角。Hoxa-2是Hox基因的“最前端”，因為它是這一家族中唯一表達於第二菱腦原節。在前-後軸的這一水平，它的表達僅限於神經外胚層，所以第一咽弓的NCC沒有任何Hox基因表達。Hoxa-2表達於第二咽弓的NCC中。Hoxa-2無義突變的胎鼠中，第二弓中產生於NCC的骨骼選擇性缺失（如鐙骨）。第二弓的骨骼位置出現了第一弓尾側的骨骼成分異位表達，與正常位的對應成鏡象。異位表達的成分包括：1）中耳區內，多出砧骨、鐙骨、切斷的Meckel軟骨以及鼓室骨骼；2）中耳區外，多出一個小的鱗部（顳骨）[8]。骨骼分析的資料結合基因表達數據說明Hoxa-2基因的破壞導致第二咽弓同源轉化為第一咽弓性質。這一轉化揭示來自於前兩個菱腦原節的NCC的形態發生程式與骨骼的基礎形態發生程式（ground patterning program，GPP）相符。野生型鼠中，GPP由Hoxa-2指定。象果蠅的同源盒基因一樣

，Hoxa-2作為一個選擇基因起作用，指導第二弓特異的形態發生。有趣的是，Hoxa-2突變鼠的第二弓發育出一個相當於爬行岡的上頜軟骨的返祖的骨骼結構，所以，缺乏Hoxa-2時，第二弓的NCC執行的GPP相當於哺乳動物進化的獸孔目（therapsid）階段[8,10]。

另外，其它的基因失活研究也證實Hox基因在後腦和咽弓的形態構建中起著重要作用。例如，Hoxa-3失活導致甲狀旁腺機能減退和胸腺、甲狀腺的發育低下。這些缺陷在Di George綜合徵中也觀察到（Di George綜合徵不是Hox基因突變所致）[11]。Hoxa-1無義突變中發現第4和5菱腦原節缺陷，腦神經和內耳異常[12,13]；Hoxb-1和Hoxb-2敲除的鼠有選擇性面神經運動神經元缺陷。所表現的特點如：面肌麻痹，類似於人類Bell麻痹和Moebius綜合徵[14,15]。

3散在的同源盒基因在頭部發育中的作用

Hox基因在第二菱腦原節前的神經外胚層中沒有表達，所以不能參與後腦的前部、中腦或前腦的發育。同樣，在產生頭面橫紋肌的非（過度）片段的軸旁中胚層中也無Hox基因表達。在第一咽弓的間質和額鼻團弓中也缺少Hox表達，後者形成大部分顱骨和牙的間質成分。

蠅的頭部發育控制取決於不成簇的同源盒基因，包括odt和ems基因。用果蠅的序列鑑定脊椎動物的同源物，從而克隆出與ems相關的Emx-1和Emx-2基因，與odt相關的Otx-1和Otx-2基因[16]。鼠的兩個Emx和兩個Otx基因表達於發育中的前腦和中腦明確且重疊的區域，常與解剖學標誌相一致。功能缺失性研究發現它們對這些結構的形態構建起重要作用。這兩個基因家族的序列保守和相關的表達模式表明，蠅和人的頭部優勢發育都建立於一個原始的祖先基因上[17-19]。有報導人類腦裂患者中發現Emx-2基因的突變。腦裂是一種罕見的先天疾病，特徵是腦皮質全層裂隙，最終可缺失大部分腦半球，導致充滿腦脊液的中空半球裂隙。這些患者的表現表明Emx-2蛋白對正常的腦皮質形成是必須的[20]。Otx-1無義突變鼠有與輕度腦異常相關的自發癲癇行為，這表明人類Otx-1基因突變可能是一些與皮質生成障礙有關的癲癇病例的病因[21]。

Engrailed同源盒基因En-1和En-2表達範圍跨越第一菱腦原節和中腦。靶基因破壞實驗發現En-1對其表達的整個區域的特異性起關鍵作用，而En-2的功能限於小腦葉。但是，En-1無義突變的表型：頂端和小腦發育不全，可通過在En-1位點插入En-2的CDNA完全糾正。這提示En-1、En-2突變的不同表型反映相應的蛋白暫時表達的區別，而不是它們生化活性存在差別[22]。

Pax家族由9個不相連的基因組成，每個人類Pax基因位於不同的染色體。除了有特徵性的配對域（128個胺基酸的DNA結合域）外，Pax3、4、6和7還編碼全長的同源域。鼠,螈,烏賊等胚胎中，Pax基因表達於中樞神經系統。正如Otx、Emx和En基因一樣，它們在腦的表達範圍表明了在腦的區域性作用。Pax6還表達於眼泡和未來的晶體中。Pax6基因在小鼠位於2號染色體上，在人類位於11q13。Pax6的雜合突變已在多種眼缺陷家族中發現。如：1）無虹膜，一種全眼疾病，其虹膜、角膜、晶體和視網膜的發育被擾亂；2）Peter異常，一種眼前室缺陷，伴角膜畸形以及晶體附著於角膜的中央；3）分離的上凹發育低下[23,24]。必須注意Pax6的突變包括失活和整個基因缺失，所以它導致的常染色體顯性本質與HOXA13、HOXD13和PITI基因突變不同，不是由於突變蛋白的顯性失活效應干擾了正常蛋白或相關蛋白的功能。相反，它反映了“單倍不足”，即產自一個單一功能性等位基因的蛋白的量不足以控制下游基因的表達。在此方面，值得注意的是一例Pax6純合突變導致無眼和嚴重的腦缺陷[23]。

內眥皺襞耳聾綜合徵（Waardenburg Syndrome，WS）是一種伴有聽力感覺神經元丟失和色素紊亂的顯性遺傳綜合徵，它占先天性耳聾的2%。Pax3基因功能缺失性突變在WSⅠ型和Ⅲ型中均有發現[25]。

牙齒的數目、大小、和形狀部分反映了第一咽弓的形態。Msx-1和2在鼠胚胎中的表達以及Msx-1無效突變鼠的表型（無牙、完全的牙齒髮育不全）證明這兩個基因在牙發生的早期階段起著關鍵性作用[26]。這些基因和其它同源盒基因如：Distal-less 1和2（DLX1，DLX2）、Goosecoid（GSC）表達於發育中的下頜骨的局限且重疊的區域。基於以上發現，人們推測存在一個牙源性同源盒密碼指定牙齒位置和類型（切牙，臼齒、前磨牙、磨牙）[27]。有趣的是，人類Msx1基因的單一點突變導致一常染色體顯性遺傳的牙齒髮育不全家系，表現為選擇性牙齒髮育不全（缺少所有恆牙的第2前磨牙和第3磨牙）。但Msx1與較普遍的人類牙發育低下，側切牙和第2前磨牙發育不全無關。對一個Rieger綜合徵的家系進行突變分析發現一種新的同源盒基因—RIEG，它的突變導致了Rieger綜合徵（一種常染色體顯性疾病，特徵是牙齒髮育低下，眼前室異常）[28]。

人類Msx2基因突變與一種罕見的Boston型顱縫早閉相關。注意，較常見的顱縫早閉綜合徵（Crouzon、Jackson-Weiss、Pfeiffer和Apert綜合徵）是由於FGFR基因的點突變所致[29]。

轉錄因子Pit-1，同源蛋白POU家族成員之一，僅在垂體腺前部合成，調控生長激素、催乳激素和TSH-β的β-糖蛋白亞單位的表達。編碼Pit-1的基因突變在複合垂體激素缺乏的患者中發現，由於生長激素、催乳激素以及TSH的缺失，導致智力低下和生長缺陷。突變的Pit-1蛋白依然可同靶基因的DNA結合區結合，但同正常轉錄因子不同，它不激活轉錄，且阻止正常蛋白結合DNA。這些是該病顯性的基礎[30]。POU3F4基因突變可導致耳聾和鐙骨固定，它代表了最常見的X-連鎖聽力損害[31]。表1綜合了同源盒基因突變引起的人類顱腦出生缺陷。

同源盒基因是軀體形態的分子構架，除了調控顱腦發育，對中軸骨、肢體發生、泌尿生殖系統和消化道的形態構建都起基礎性作用，另外同源盒基因失控還可以導致瘤。例如：Hoxa9參與t（7，11）（p15：p15）染色體轉位，一種罕見但復發的染色體重組，與AML有關[32]。Psx3和Psx7與一些具有染色體轉位特點的橫紋肌肉瘤相關[33]。

同源盒基因作為轉錄因子，與其它轉錄因子聯合起作用，同時又受到環境和機體轉錄調節蛋白的調控，例如：維A酸可通過改變Hox基因的表達而發揮致畸作用。在體內，MLL蛋白對Hox基因表達具有正性調節作用，參與維持Hox基因的表達；MEL18蛋白也參與調節Hox基因的轉錄[34]。同源盒基因連同轉錄調節蛋白參與的轉錄調控機制研究，將為研究同源盒基因的特性及細胞生長和分化的機制提供新的信息。

總之，鼠的同源盒基因突變研究已經明確確立了它們的蛋白產物在器官發生和形態構建中的基礎作用，人類中一些早期的自發流產可能就是由於這些重要基因突變所致，將來會發現更多的先天畸形綜合徵與同源盒基因突變相關。

參考文獻

[1] Gehring WJ. A history of the homeobox .In :Double D(ed) Guidebook to the Homeobox Genes.Oxford University Press .Oxford 1994,pp3-10.[2] Stein S, Fritsh R, Lemaire L, et al. Checklist: vertebrate homeobox genes. Mech Dev ,1996,55:91-108.[3] Manak JR, Scott MP.A class act:conservation of homeodomain protein functions. Development , 1994, Suppl, 61-71.[4] Giintert P, Qian Y Q,Otting G,et al. J Mol Biol ,1990,214:183. [5] Apiou F, Flagiello D, Cillo C, et al .Fine mapping of human HOX gene clusters. Cytogenet Cell Genet ,1996,73:114-115.[6] Keynes R, Lumsden A . Segmentation and the origin of regional diversity in the vertebrate central nervous system. Neuron, 1990,4:1-9. [7] Krumlauf R. Hox genes and pattern formation in the branchial region of the vertebrate head .Trend Genet , 1993,9: 106-112.[8] Rijli FM , Mark M, Lakkaraju S,et al .A homeotic transformation is generated in the rostral branchial region of the head by disruption of Hoxa-2,who act as a select gene. Cell,1993, 75:1333-1349.[9] Ge

ndron-Maguire M, Mallo M, Zhang M,et al. Hoxa-2 mutation mice exhibit homeotic transformation of skeletal elements derived from cranial neutral crest. Cell ,1993,75:1317-1331.[10] Mark M, Rijli FM , Chambon P. Alteration of Hox gene expression in the branchial region of the head cause homeotic transformations,hindbrain segmentation defects and atavistic changes. Semin Dev,1995,6:275-284.[11] Daw SCM,Taylor C,Kraman M,et al. A comman region of 10bp deleted in DiGeorge and velocardiofacial syndrome. Nat Genet,1996,13:458-460.[12] Mark M,Lufkin T,Vonesch JL,et al .Two rhombomeres are altered in Hoxa-1 mutant mice. Development, 1993, 119: 319-388.[13] Carpenter EM,Goddard JM,Chisaka O,et al. Loss of Hoxa-1 function results in the reorganization of the murine hindbrain . Development,1993,118:1063-1075.[14] Goddard JM,Rossel M,Manley NR,et al .Mice with targeted disruption of Hoxb-1 fail to form the motor nucleus of theⅦth nerve. Development,1996,122:3217-3228.[15]Studer M,Lumsden A,Ariza-McNaughton L,et al .Alter

ed segmental identity and abnormal migration of motor neurons in mice lacking Hoxb-1.Nature ,1996,384:630-634.[16]Finkelstein R,Boncinelli E.From fly head to mammalian forebrain the story of otd and Otx.Trends Genet,1994, 10:310-315.[17]Acampora D,Magan S, Lallemand Y,etl.Forebrain and midbrain region are deleted in Otx2-/-mutuants due to defective anterior neurectoderm specifiction during gastrulation. Development,1995,121:3279-3290.[18]Ang sl,Jin O, Rhinn M, et al. Atargeted mouse Otx-2 mutation leads to severe defects in gastrulation and formation of axial mesoderm and to deletion of rostral brain. Development,1996,122:243-252.[19]Pelligrin M,Mansouri A,Simeone A,et al.Dentate gyrus formation require Emx2. Development, 1996,122: 3893-3898.[20]Brunelli S,Faiella A,Capra V,et al.Germline mutations in the homeobox gene EMX2 in patients with severe schizencephally. [21]Acampora D,Mazan S,Avantaggiato v,et al. Epilepsy and brain abnormalities in mice lacking the Otx1 gene. Nat Genet ,1996,14:218-222.[22]Hanks M

,Wurst W,Anson L,et al.Rescue of the En-1 mutuant phenotype by replacement of En-1 with En- 2. Science, 1995, 269: 679-682.[23]Glaser T.Jepeal L.Edwards JG, Young SR.Favor J,Mass RL.1994 Pax6 gene dosage effect in a family with congenital catarcts, anophthalmia and central nervous system defects .Nat Genet 7:463-471.[24]Azuma N,Nishina S,Yanagisawa H,Okuyama T, Yamada M 1996 Pax6 missense mutation in isoiated foveral hypoplasia. Nat Genet 13:141-142.[25]Stuart ET. Kioussi C,Gruss P 1993 Mammalian Pax genes. Amu Rev Genet 27:219-236.[26]Thesleft I. Nicminen P 1996 Tooth morphpogenesis and cell differenation Current Opin Cell Biol 8:844-850.[27]Sharpe PT 1995 Homeobox genes in orofacial development. Connect Tissue Res 32:17-25.[28]Semina EV. Reiter R.Leysens NJ. Alward WLM. Small KW. Datson NA. Siegel Bartelt J. Bierke-Nelson D. Bitoun P,Zabel BU,Carey JC, Murray JC 1996. Nat Genet 14:392-399.[29]Richman JM 1995 Craniofacial genetics makes headway. Curr Biol 5:345-348.[30]Rhodes SJ, D.Mattia GE. Rosenfeld MG 19

94 Transcriptional mechamisms in anterior pituitary cell ditcrentiation. Curr Opin Genet Dev 4:709-717.[31]Kok YJM. Maarel SM. Bitner-Glindzicz M,Huber I. Monaco AP.Maleolm S. Pembrey ME. Ropers HH. Gremers FPM 1995 Association between X-linked mixed deafness and mutations in the POU domain gene POU3F4. Science 267:685-688.[32]Lawrence HJ. Sauvageau G, Humphries RK. Largman C. 1996 The role of HOX homeobox genes in normal and leukemic hematppoiesis. Stem Cells 14:281-291.[33]Sorensen PHB, Triche TJ 1996 Gene fusions encoding chimaeric transcription factors in solid tumours. Sernin Cancer Biol 7:3-14.