HOXC8基因生物學功能研究進展

史曉淵，王天琦，劉紫雯，任薇，王鑫瑞，黃炳艦，李玉華，王長法

(聊城大學農學與農業工程學院/毛驢高效繁育與生態飼養研究院，山東 聊城 252000)

同源異型盒基因(homeobox genes，HOX)家族龐大且豐富，可分為HOXA、HOXB、HOXC、HOXD四個簇，分別位于7、17、12、2號染色體上，根據簇間基因序列的相似性及基因在染色體上的位置又可分為13組[1]。同源盒基因C8(homeobox gene C8，HOXC8)是一類在進化上高度保守的轉錄因子，在家畜及人類等脊椎動物中普遍存在。近年來隨著對HOX基因的深入研究，發現HOXC8基因對家畜及人類的發育過程均具有重要影響。HOXC8不僅參與胚胎器官的發育，還在生物體多個系統的生長發育中起著調控作用，是生物個體發育過程中的主要調控基因之一。本文綜述了HOXC8基因在生物個體發育及疾病發生等方面的功能，以期為HOXC8基因功能的深入挖掘提供一定的理論支撐。

1 HOX基因概述

同源異型盒基因(homeobox genes，HOX)是含有同源框基因的統稱，即均含有一段180 bp高度保守的DNA序列的基因[2]。HOX廣泛存在于生物體內，不僅參與胚胎器官的發育，而且在生命體多個系統的生長發育中起著調控作用，是細胞增殖和分化的主要調控基因之一，主要通過其編碼的蛋白調控下游的靶基因表達來實現。

對于HOX基因的研究，最早可追溯至1894年，Bateson在自然界多種生物體中發現了同源異型突變體的存在，即生物體在發育過程中的非正常轉變。這些轉變通常是身體的某一部位發育成相似或相關的身體的另一部分，從此揭開了同源異型盒基因的研究序幕[3]。隨后在果蠅中發現了BX－C和ANT－C兩個同源基因。Lewis[4]猜測HOX基因極可能是由一個相同的古老祖先基因通過復制和分化而成，并推斷BX－C和ANT－C兩個基因中可能存在與之相關的基因結構。McGinnis[5]、Laughon[6]等通過研究證實了Lewis的猜想，發現在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，并將這一基因片段命名為Homeobox(同源異型盒)。

HOX基因可編碼60個氨基酸，其構成的多肽區域稱為同源結構域(homeodomain，HD)。HD呈類球形折疊，其螺旋－轉角－螺旋結構可與DNA特異結合，識別以5′－TAAT－3′為核心的10～12 bp的DNA序列，N－末端臂與DNA小溝的接觸可起穩定結合的作用[7]。HD與DNA結合并作為轉錄調控因子調節靶基因的表達，不同的HD與DNA序列的親和性不同，這種差異與同源異型盒基因產物和靶基因間的選擇性相互作用有關。

HOX基因在進化上高度保守，從低等生物到哺乳動物再到人類都存在HOX家族基因。HOX基因之間存在DNA序列相似性，其同源結構域相似性達70%～80%，通常存在于蛋白質的C端，參與基因的表達調控。在胚胎發育期，HOX基因在基因簇中的表達按照染色體中3′→5′端以時間先后順序逐個啟動，在特定的空間位置依次表達或沉默，具有嚴格的時空性[8]。同時，在同一表達區域同一染色體上靠近5′端的基因比其前部的基因在表達上具有功能上的優勢，呈現出明顯的后部優勢[8]。HOX基因在一定程度上具有功能補償效應，即HOX基因可以部分或完全替代被影響的其它HOX基因的功能[9]。HOX基因表達還具有明顯的劑量效應，等位基因突變越多，表現型變異越嚴重[10]。每個HOX基因在胚胎發育的過程中都有各自的作用范圍，一定區域內的HOX基因的表達與特定的體節形成相關[11]。

2 HOXC8基因同源性分析

在NCBI中分別檢索豬、馬、小鼠、牛、山羊、驢、人和斑馬魚的HOXC8基因參考序列(表1)，其中驢的基因序列使用聊城毛驢高效繁育與生態飼養研究院前期全基因組測序結果[12]。比較發現HOXC8基因在人、豬、馬、驢、小鼠、牛和山羊等動物中均具有2個編碼區，編碼區長度分別為436 bp和293 bp；其在斑馬魚中也具有兩個編碼區，編碼區長度分別為436 bp和317 bp，與其他動物存在差異。與人、豬、馬、驢、牛和山羊不同，小鼠的HOXC8基因有3個外顯子，2個轉錄本，全長3 737 bp；其他動物HOXC8基因均具有2個外顯子和1個轉錄本。與上述幾種動物相比，驢HOXC8基因最長，為3 891 bp。

表1 部分物種HOXC8基因參考序列信息

利用DNAStar軟件中Cluster W Method對得到的驢HOXC8序列與GenBank中其他物種的該基因序列進行比較分析(圖1)，發現驢與馬、豬、牛、山羊、人和小鼠的同源性均非常高，可達80%以上，但與斑馬魚的同源性較低，只有47.4%。進一步比較分析驢HOXC8基因核苷酸序列結構及編碼區氨基酸序列(圖2)，發現雖然該基因在各物種中的全長以及所在染色體不同，但HOXC8基因在人、豬、馬、驢、小鼠、牛和山羊中都編碼242個氨基酸，其中豬、馬、小鼠、牛、山羊和驢的編碼區氨基酸序列相似性為100%(圖3)。綜上所述，HOX基因在物種的進化中比較保守，各哺乳動物之間HOXC8基因保守性高，但是與魚類之間差異較大。

圖1 不同物種HOXC8基因核苷酸序列相似性分析

圖2 HOXC8基因核苷酸序列結構及編碼區氨基酸序列

圖3 不同物種HOXC8基因氨基酸序列相似性分析

3 HOXC8基因生物學功能研究

3.1 HOXC8基因對骨骼分化的影響

HOX基因已被證明是建立軸向骨骼形態的關鍵調節因子[13]，也是發育過程中骨骼正確構型所必需的[14－16]。通過對轉基因小鼠進行HOXC8基因缺失分析，發現大約200 bp DNA片段的增強子決定了HOXC8基因的早期表達[17]。還有研究表明，HOXC8基因在胚胎發育過程中對骨骼形態形成、造血及軟骨分化至關重要[18]。

在軟骨發育過程中，HOXC8過表達的轉基因小鼠表現出嚴重的軟骨發育缺損，主要發生在肋骨和脊柱，即軟骨生理不穩定，成熟減慢，未成熟軟骨細胞堆積至肥大，缺損的嚴重程度取決于轉基因劑量[19]。由于轉基因小鼠的肋骨軟骨仍然脆弱，不足以支撐胸腔結構，導致出生后不久肺功能衰竭和死亡[20]。而HOXC8基因敲除小鼠則表現為前肢神經肌肉缺陷及胸腔肋骨、椎骨缺陷[21]。由此可見，HOXC8基因是軟骨細胞增殖和成熟的重要調節因子。

在成骨分化過程中，HOXC8基因初期低表達，中期上調(高表達)，晚期表達量顯著下降[22]。HOXC8基因在參與骨形態發生蛋白2(BMP2)誘導的成骨分化過程中，可抑制轉基因小鼠股骨和脛骨骨組織中膠原蛋白、骨橋蛋白和骨唾液蛋白的mRNA表達水 平[23]。HOXC8基 因 還 可與Smads蛋白直接作用，誘導成骨細胞分化[24]。同時有研究表明，BMP/Smad信號可誘導HOXC8基因調控骨橋蛋白和骨保護素蛋白的表達[25]。

3.2 HOXC8基因對脊椎變異的影響

大量試驗表明，HOX基因是調控脊椎動物和哺乳動物體軸骨發育的主要調節基因，HOX基因的突變可導致動物脊椎不同位置椎骨形態與數量的變異[26，27]。基因敲除試驗表明，小鼠的HOXC8基因突變可使胸椎增加一枚，肋骨多生一對[28，29]，說明HOXC8基因確實參與了胸椎數量的調控。部分研究證實HOXC8并非單一基因影響脊椎發育過程，很有可能是結合其它基因或者調控元件來影響脊椎的發育過程[30]。

HOXC8基因還可影響家畜的脊椎變異，從而改變家畜的生產性能，增加家畜的產肉和產皮性能等，提升養殖的經濟效益。隨著生物技術的不斷發展，全基因組關聯分析(Genome－Wide Association Study，GWAS)、相關數量性狀位點(Quantitative Trait Locus，QTL)定位和定性分析等新興技術的出現，現已將HOXC8基因定位為豬多脊椎變異候選基因[31]。趙靜[32]、陳琦[33]等研究發現蒙古羊HOXC8基因exon－1甲基化CpG的數量和密度影響HOXC8基因的表達，并且調控胸椎的發育，表明HOXC8基因與蒙古羊多脊椎數變異性狀存在相關性。在烏珠穆沁羊群體同樣顯示出HOXC8基因的表達可引起多脊椎變異的出現[34]。

3.3 HOXC8基因對脂肪形成的影響

HOXC8基因在不同脂肪組織中差異表達，并在脂肪分化和脂質沉淀中發揮著重要作用[35，36]。對綿羊前體脂肪細胞分化的研究發現，HOXC8基因mRNA的表達量在綿羊前體脂肪細胞分化前極顯著高于分化后，說明HOXC8基因在前體脂肪細胞分化前發揮作用。但在分化過程中，雖然HOXC8基因啟動子區甲基化和第一外顯子區甲基化都表現為較低水平，但第一外顯子區甲基化水平都極顯著高于啟動子區，說明綿羊前體脂肪細胞的分化不受HOXC8基因啟動子區甲基化的調控，而受第一外顯子區甲基化水平調控，且在分化過程中，HOXC8在轉錄水平的表達受第一外顯子區甲基化的正調控[37]。

HOXC8基因在人脂肪源性干細胞(adiposederived mesenchymal stem cells，ADSCs)中表達強烈，但僅在脂肪生成過程中表達下調，在成熟脂肪細胞中表達幾乎消失。研究發現靶向HOXC8的miR-196a在ADSC中隨著脂肪生成而上調，miR-196a的上調可抑制HOXC8的表達，并促進了ADSCs中的脂肪生成。故HOXC8基因可作為ADSCs中脂肪生成的抑制劑，其表達可能受miR－196a微調[38]。

3.4 HOXC8基因對神經發育的影響

HOX基因對于生物體神經發育具有重要影響。研究發現，小鼠HOXC8基因在神經系統的多階段表現為沿體軸骨骼方向上的雙向表達模式。小鼠胚胎發育早期HOXC8基因轉錄物主要分布在后神經管和后中胚層，隨著發育進行HOXC8基因的表達沿腹背側方向分布遞減，而且在頭尾側方向表達也遞減[39]。

研究顯示HOXC8基因的靶向破壞會導致肢體運動軸突連接的異常，HOXC8基因突變會導致小鼠運動神經異常，造成先天性前爪缺陷[40]。在小鼠胚胎發育早期，HOXC8基因在肱動脈脊髓運動神經元中持續表達，若在肱動脈脊髓運動神經元中早期和晚期去除HOXC8基因，則會影響幾個終末分化基因的表達，表明HOXC8基因參與了脊髓運動神經元(MN)終末分化的控制[41]。HOXC8基因是區別外側運動神經柱(lateral motor columns，LMC)細胞內側和外側的關鍵[42]，且在LMC細胞定型和早期分化過程中具有雙向調節作用，此發現表明HOXC8基因在脊髓腹側有絲分裂后細胞表達調控的重要性；同時HOXC8基因對于Lim1＋運動神經元亞群的表達、Islet1＋運動細胞體的正確定位及其適當的軸突投射具有重要調控作用。在脊髓神經發生過程中，維甲酸(retinoic acid，RA)信號調節和HOX基因表達之間似乎存在復雜的相互作用。因此，相互依賴的RA信號傳導和HOX基因功能對于小鼠臂運動神經元的特化是必需的[40]。

3.5 HOXC8基因對癌癥發生的影響

HOX基因沿前后軸呈線性排列，如果其家族成員在錯誤的時間或地點出現錯誤的表達，則會導致其調節作用出現紊亂，增生與分化之間的平衡被打破，就很可能導致惡性腫瘤的發生。越來越多研究表明，HOX基因在多種惡性腫瘤中表達均出現異常，因此，HOX基因的表達在惡性腫瘤診斷和治療中可能具有重要作用。相關研究表明HOXC8可參與調控人類多種惡性腫瘤的發生與發展[43]。

HOXC8基因是調控食管發育的重要基因，同時也參與食管鱗癌的發生與發展。杜雅冰等[44]研究發現HOXC8在食管鱗癌中發揮癌基因的功能，作為轉錄調節因子蛋白可促進食管癌細胞增殖，而敲除HOXC8基因，則可使食管癌細胞周期阻滯在G1期，細胞凋亡率增加，克隆形成能力下降。HOXC8基因可作為轉錄激活因子誘導TGFβ1表達，進一步促進癌細胞的增殖以及遷移能力。其主要調控機制為MiR－23a靶向上調HOXC8基因的異常高表達，從而促進了宮頸癌的發生、發展過程[45]。在胃癌中，HOXC8可作為miR－337－3p的靶基因，XIST通過競爭性結合miR－337－3p并上調HOXC8進而促進胃癌細胞增殖、侵襲和上皮細胞－間充質轉化(EMT)，從而促進胃癌的發展進程[46]。在鼻咽癌中，過表達HOXC8可抑制癌細胞生長，調節糖酵解，并調控三羧酸循環通路中相關基因的表達[47]。在乳腺癌晚期，HOXC8表達水平明顯升高，其可作為轉錄抑制劑抑制嵌入式跨膜糖蛋白(EMB)的表達，從而促進乳腺癌細胞的生長和遷移[48]。

3.6 HOXC8基因對毛囊發育的影響

HOXC8基因在人類胎兒皮膚發育過程中表達[49]，其主要在皮膚的毛乳頭細胞中表達，并被認為與毛乳頭細胞的毛發誘導能力有關[50]。HOXC8基因可參與小鼠毛囊干細胞的激活，途徑是激活與毛囊干細胞增殖分化至關重要的信號通路Wnt/β－catenin[51，52]。在小鼠中，HOXC8首先在胸骨區域的皮膚中表達，隨后擴展到胸腹和腰背部[53]。此外，HOXC8還可在小鼠包括真皮乳頭細胞在內的不同毛囊亞區域中表達[54]，其過表達可加速小鼠毛囊休止期向生長期轉換，促進毛囊生長。

在絨山羊毛乳頭細胞全轉錄組學分析及與毛母質細胞分子互作機制的研究中發現，毛囊干細胞激活相關基因HOXC8的表達可受chip－miR－144－5p的負向調控，從而導致HOXC8基因下調，抑制毛囊生長；而ceRNAs可特異性結合chipmiR－144－5p，從而解除HOXC8基因的抑制[55]。Bai等[56]對遼寧絨山羊生長期次級毛囊HOXC8基因外顯子1的甲基化狀態進行了研究，發現HOXC8基因外顯子1的甲基化程度與羊絨纖維的直徑、長度和強度等絨纖維性狀相關，表明遼寧絨山羊毛囊HOXC8基因外顯子1的甲基化程度可參與調節羊絨纖維的生長。

4 小結

綜上所述，HOXC8是一類在進化上高度保守的轉錄因子，與胚胎發育、骨骼分化、脊椎變異、脂肪形成、多種癌癥的發生和發展及毛發發育密切相關。隨著對HOXC8基因的深入研究，現已將其作為多種癌癥的診斷基因、產絨動物產絨性狀的潛在候選基因及家畜多脊椎變異的候選基因等。但目前對于HOXC8基因的研究還存在一定的局限，僅證實HOXC8基因與家畜脊椎變異存在相關性，具體通過何種途徑或調控元件如何進行調控還無法給出準確結論，需進一步深入探究。