DNA雙加氧酶TET在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究進展

劉 潔，米亞靜

(西安醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，陜西 西安 710021)

·綜 述·

DNA雙加氧酶TET在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究進展

劉 潔，米亞靜

(西安醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，陜西 西安 710021)

DNA雙加氧酶TET家族是新發(fā)現(xiàn)的一類表觀遺傳修飾蛋白，能夠?qū)NA的5-甲基胞嘧啶氧化為5-羥甲基胞嘧啶，進而調(diào)控基因的表達。多項研究顯示，TET1-3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達豐富，其潛在的生物功能也被廣泛關(guān)注。本文從TET蛋白結(jié)構(gòu)功能概述、TET蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表達及功能以及針對TET家族的基因敲除小鼠實驗三方面作一綜述。

TET；表觀遺傳修飾；中樞神經(jīng)系統(tǒng)；基因敲除

表觀遺傳學(xué)修飾(Epigenetic modification)是指DNA堿基序列沒有改變的前提下，基因表達水平發(fā)生改變。主要包括DNA胞嘧啶(Cytosine，C)的甲基化、組蛋白翻譯后修飾、染色體重塑和非編碼RNA。其中，DNA的甲基化調(diào)控在個體發(fā)育、組織發(fā)生及分化過程中扮演著重要角色。TET蛋白屬于α-酮戊二酸(Alpha-ketoglutaric acid，α-KG)和Fe2+依賴的雙加氧酶，可以將DNA序列中的5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥甲基胞嘧啶5-hydroxymethylcytosine，5hmC)，并且可以進一步氧化5hmC最終引起胞嘧啶的去甲基化。普遍認(rèn)為，TET蛋白可以通過表觀遺傳修飾影響DNA的甲基化水平進而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。

1 TET蛋白家族的結(jié)構(gòu)特征及功能概述

TET家族共有3個成員，分別為TET1、TET2和TET3，編碼基因分別定位于10q21、4q24、2p13。3種TET蛋白在靠近羧基端的位置擁有1個具有高度同源性的催化結(jié)構(gòu)域(Catalytic domain，CD)，包括一段富含半胱氨酸區(qū)(Cys-rich domain)和雙鏈DNA結(jié)合區(qū)域(DSBH)。該結(jié)構(gòu)域具有3個Fe2+和1個α-KG的結(jié)合位點。在CD區(qū)和DSBH區(qū)之間還有一段連接區(qū)，可能介導(dǎo)蛋白的翻譯后修飾[1]。在骨髓異常增生綜合征患者中，TET2基因的突變率極高，其中大約四分之一的突變點就發(fā)生在此連接區(qū)。

TET1和TET3在靠近氨基端的位置擁有一個CXXC鋅指結(jié)構(gòu)。研究表明，CXXC可以與DNA序列中未修飾的以及修飾的胞嘧啶結(jié)合，但更傾向與富含CpG的區(qū)域結(jié)合。CXXC結(jié)構(gòu)主要介導(dǎo)TET蛋白與DNA特定區(qū)域的直接結(jié)合，以及TET蛋白在染色體的定位[1]。而TET2缺失CXXC結(jié)構(gòu)(圖1)[2-3]。研究表明，原本位于TET2基因內(nèi)的CXXC結(jié)構(gòu)域在進化過程中已經(jīng)脫離于TET2，成為一個獨立的基因IDAX。而IDAX可以直接與TET2的催化結(jié)構(gòu)域相互作用，繼而下調(diào)TET2的表達[4]。利用在線序列同源性比對(3D-JIGSAW Server)發(fā)現(xiàn)，TET1-3的氨基段序列并不像羧基段那樣保守，三個成員之間差異很大。同時，TET2基因擁有不同的選擇性剪接體，而這幾種剪接體的氨基段序列則具有高度的同源性。因此，除了保守的雙加氧酶催化結(jié)構(gòu)域，TET家族的每個成員可能依賴其獨特的氨基段序列行使其特定的功能。然而，目前對于TET氨基段的功能結(jié)構(gòu)域鮮有報道。

圖1 TET蛋白的結(jié)構(gòu)示意圖

三種TET蛋白在表達上具有顯著的組織特異性，TET1主要在胎兒組織和多種干細(xì)胞中表達，參與干細(xì)胞的干性維持；TET2基因突變則與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)，尤其是造血系統(tǒng)的腫瘤；TET3則在結(jié)腸和肌肉等組織中表達，主要參與受精卵父本基因的重編程。近年來大量研究發(fā)現(xiàn)，TET1-3及其催化產(chǎn)物5hmC在中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達豐富，提示在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生發(fā)育過程中扮演著重要角色。

2 TET-5hmC在中樞神經(jīng)病理生理過程中的表達及功能

2010年的一項研究利用實時定量PCR檢測TET在各個組織的表達情況，結(jié)果顯示，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)例如大腦皮層，腦干和小腦中，TET1-3都有大量表達[3]。此外，在某些病理條件下，TET蛋白的表達水平也發(fā)生相應(yīng)變化。例如，精神病患者的頂葉皮層中，TET1表達顯著上調(diào)[5]。DMSO誘導(dǎo)MC3T3-E1分化模型的早期，TET1和TET2蛋白出現(xiàn)一過性上升繼而下降至正常水平[6]。Cell Report近期一篇報道發(fā)現(xiàn)，鈣調(diào)蛋白(Calpains)可以介導(dǎo)TET1-3的蛋白降解[7]，而多種神經(jīng)病變都可以導(dǎo)致胞內(nèi)鈣離子的升高，進而激活Calpains。這些結(jié)果都提示，TET1-3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理生理過程中具有潛在功能。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，作為TET催化產(chǎn)物的5hmC主要富集于神經(jīng)元活動性功能基因和突觸相關(guān)基因[8]，并且隨著神經(jīng)元的分化發(fā)育，5hmC含量逐漸增加[9]。此外，5hmC還富集于神經(jīng)發(fā)育相關(guān)基因的外顯子-內(nèi)含子接頭區(qū)域，提示可能參與此類基因的選擇性剪接。研究顯示，轉(zhuǎn)錄因子Mecp2能夠負(fù)向調(diào)控5hmC，二者互作共同參與神經(jīng)系統(tǒng)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控。此外，5hmC丟失可能是舞蹈病等神經(jīng)退行性疾病新的表觀特征標(biāo)記[10]。

由于TET蛋白CD結(jié)構(gòu)域的保守性和具備催化5hmC生成的活性，目前絕大多數(shù)研究都是從TET改變特定基因的5hmC水平和表觀遺傳調(diào)控的角度去探討其在中樞神經(jīng)發(fā)育中的功能。例如，2013年一項研究顯示，TET1通過影響前體細(xì)胞增殖相關(guān)基因的5hmC水平進而調(diào)控此類基因表達水平，最終調(diào)控海馬組織神經(jīng)元發(fā)生、學(xué)習(xí)和記憶能力[11]。在探索5hmC和H3K27me3協(xié)同促進腦發(fā)育的研究中發(fā)現(xiàn)，如果將TET2和TET3干擾后，神經(jīng)元分化則出現(xiàn)缺陷，說明TET與神經(jīng)發(fā)生密切相關(guān)[9]。非洲爪蟾受精卵TET3通過其CXXC結(jié)構(gòu)域和雙加氧酶活性共同調(diào)節(jié)pax6、sox2、sox9、ngn2等發(fā)育相關(guān)基因，最終促進視神經(jīng)的發(fā)育成熟[12]。盡管如此，已經(jīng)有部分學(xué)者證實，TET可以直接募集轉(zhuǎn)錄因子或者沉默復(fù)合物進而開啟或者關(guān)閉基因表達。結(jié)合前述，TET家族成員都具有各自獨特的氨基段序列。因此，TET調(diào)控基因的方式可能不僅僅依賴其催化結(jié)構(gòu)域CD段[1]。

3 TET基因敲除小鼠模型

為了更好地研究TET家族的功能，多個研究小組進行了TET1-3基因敲除實驗。TET1基因敲除小鼠在胚胎發(fā)育期和成年期的表型和生理功能和野生型小鼠之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，只是較野生型小鼠的體積略小些[13]。缺失TET2的小鼠也只是呈現(xiàn)出髓系分化異常以及容易自發(fā)地形成白血病，而小鼠整體的發(fā)育也是正常的[14-16]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，無論是TET1還是TET2基因敲除小鼠的5hmC水平降低的幅度均很小。因此，這兩種敲除小鼠在表型上沒有顯著的改變，很可能是由于單獨敲除其中一個基因，會使得其他兩個TET基因發(fā)生劑量補償效應(yīng)[1]。TET3基因敲除會導(dǎo)致新生小鼠的大量死亡，因此，要考察TET3在生后小鼠發(fā)育中的作用只能借助于出生后特定組織的條件性基因敲除技術(shù)[17]。更值得關(guān)注的是，2012年的一項科研成果顯示，利用Gene trap技術(shù)敲除全長TET2基因的小鼠在出生后3 d出現(xiàn)大批量的死亡[18]。而另外幾個基因敲除小鼠的研究則顯示，如果僅僅缺失TET蛋白保守的CD段，小鼠只是表觀遺傳修飾發(fā)生部分改變，而存活表型并未發(fā)生顯著的改變，神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育也未出現(xiàn)明顯的異常[13-17，19]。這就進一步說明，TET獨特的氨基段序列可能在胚胎及個體發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用。

4 結(jié)語

自從2009年發(fā)現(xiàn)DNA的第六堿基5hmC開始，胞嘧啶的去甲基化以及雙加氧酶TET的功能就被科學(xué)家廣泛關(guān)注。今后，條件性的基因敲除實驗可以幫助我們更好地區(qū)分在個體發(fā)育的不同階段、不同組織器官中TET成員的潛在功能。此外，關(guān)于TET的機制研究，我們有必要區(qū)分TET蛋白的生物學(xué)功能是否依賴其碳端的雙加氧酶活性結(jié)構(gòu)域。

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Research progress of DNA dioxygenase TET in the central nervous system.

LIU Jie,MI Ya-jing.Institute of Basic Medicine Science,Xi'an Medical University,Xi’an 710021,Shaanxi,CHINA

DNA dioxygenase TET family is a recently discovered proteins involved epigenetic modification, which can oxidize the 5-methylcytosine of DNA into 5-hydroxymethylcytosine and thereby regulate gene expression. Accumulative studies have shown that TET1-3 was abundantly expressed in the central nervous system,and its potential functions were beginning to be studied.This paper gives an overview of the structure and functions of TET,its potential roles in the central nervous system,and also the TET gene knockout experiments.

TET;Epigenetic modification;Central nervous system;Gene knockout

R338.2

A

1003—6350（2015）14—2107—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.14.0759

2014-11-27)

國家自然科學(xué)基金(編號：31400913)；陜西省科技計劃經(jīng)費資助項目(編號：2013JQ3017)

米亞靜。E-mail：miyajing@163.com