Pax6 基因研究进展1

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1、精品论文推荐 Pax6 基因研究进展1 朱利瑞，贾彦娟，高岚* 兰州大学生命科学学院，兰州(730000)  - 3 - Email:zhulr06@ 摘要：Pax6 基因对脊椎动物及无脊椎动物眼、鼻、中枢神经系统以及内分泌腺等器官的发 育起到重要作用。它能调节多种下游分子的表达，包括转录因子、细胞黏附因子、短距离细 胞-细胞信号分子、激素及结构蛋白等。Pax6 突变导致多种症状，如人类无虹膜、虹膜发育 不全、角膜炎、瞳孔异位、眼球振颤、神经发育紊乱、视神经发育不良等，鼠小眼畸形 (small eye)，果蝇眼睛缺失(eyeless，ey)等。本

2、文从 Pax6 基因及其编码产物结构特点、表达部位、 功能及其缺陷、主要上下游调控因子以及 Pax 家族其他成员功能等方面介绍目前 Pax6 基因 的相关研究进展。 关键词：Pax6，编码产物，调控因子，发育，缺陷 中图分类号：Q786 1. 引言 Pax 在脊椎动物与无脊椎动物发育过程中广泛表达，它们在胚胎发育过程中起着重要的 调控作用[1-6]。Pax 基因表达的蛋白是一类重要的转录调控因子，Pax 基因家族有九个成员， 分别命名为 Pax1-Pax9[1]。其中 Pax6 在生物生长发育中起重要作用，它调节很多生命活动中 的分子表达，包括转录因子、细胞黏附因子、短距离细胞-细胞

3、信号分子、激素及结构蛋白 等[2]。Pax6 在眼睛、神经系统、鼻、胰腺和内分泌腺等组织器官的发育中起着重要作用，它 广泛的参与细胞增殖、迁移、分化和黏附等生命活动，通过不同的剪接变异体与多种蛋白结 合，在不同的组织和细胞中发挥不同的功能[3-6]。人与鼠的 Pax6 基因具有高度同源性，杂合 子 Pax6 基因突变导致鼠小眼畸形；纯合子 Pax6 突变导致胚胎出生前死亡，除了脑缺陷外， 还有眼睛和鼻腔缺失，胰腺形态异常[7]。在人类，杂合子 Pax6 突变导致无虹膜症，该疾病 有多种表现形式，如晶状体、虹膜、角膜、视网膜畸形，将导致白内障、绿内障等；Peter 异常是人类又一个与 Pax6

4、突变相关的稀有异常病，症状为中心角膜不透明、晶状体与角膜 连体；纯合子 Pax6 突变导致眼缺失且存在面部畸形、脑缺陷[8]。Pax6 基因在脊椎动物和无 脊椎动物均十分保守，研究表明果蝇、小鼠、乌贼、海鞘的 Pax6 同系物可以诱导果蝇成虫 盘产生异位眼[9-11]。本文主要针对 Pax6 基因及其编码产物的结构特点、Pax6 表达作用部位、 Pax6 功能及其缺陷、Pax6 上下游调控因子以及 Pax 家族其他成员的作用进行综述。 2. Pax6 基因及其编码蛋白结构特点 Pax 基因家族的共同特点是含有配对盒基元序列。Pax6 除有配对盒序列外还有同源结构 域序列。Pax6 配对

5、盒基元保守序列为 387bp，编码 129 个氨基酸。Pax6 同源结构域小于配 对盒结构域的一半，编码 61 个氨基酸。Pax6 编码产物属于 DNA 结合蛋白家族，其结构中 1本课题得到国家自然科学基金委员会(No:30570224)、甘肃省自然科学基金（No:3ZS061-A25-060）资助。 精品论文推荐 含有配对盒结构域 (Paired domain，PD) 和同源结构域 (homeodomain，HD)，二者在功能上 均属于高度保守的转录因子，通过识别、结合特定 DNA 序列而调节其靶基因的表达。Pax6 蛋白还能与许多其他蛋白结合，它们通常是一些转录因子。

6、此外，其羧基端为一富含脯氨酸、 丝氨酸及苏氨酸结构域 (PST-rich)，说明 Pax6 同时具有潜在的 DNA 激活功能[12]。 Pax6 定位于人染色体第 11 号染色体长臂 13 位点 (11p13)，小鼠 2 号染色体。Pax6 基 因在脊椎动物和无脊椎动物均十分保守[9-11]。果蝇 ey 基因在爪蟾 (Xenopus) 胚胎内过表达 同样可导致脊椎动物眼结构的发育，结果表明果蝇 Pax6 同系物与脊椎动物 Pax6 具有同等的 机能作用[13]。人和小鼠的 Pax6 蛋白是相同的，在脊椎动物中保留超过 96%蛋白结构的一致 性；人类与啮齿类动物的整个编码区域相似性为 100

7、%，与家禽类和斑马鱼(zebrafish)的相似 性也非常高，分别为 96%和 93%；哺乳类动物 PRD 和 HD 编码区与果蝇和线虫存在 80%-90% 的相似性[14]。文昌鱼 Pax6 基因编码的蛋白质，同样也包含一个配对域和一个结构域，其 80%-100%序列都显示与另外一些脊椎和无脊椎动物的一致性，以及与这些保守的 DNA 结 合域之外的较高的序列一致性，尤其是在 C 末端[15]。同样比较被囊类与文昌鱼 Pax6 蛋白， 配对域和同源域相同氨基酸序列则相对较低(87%和 95%)，未发现保守的 C 末端序列。前期 本实验室克隆出无尾两栖类花背蟾蜍 (Bufo raddei S

8、trauch) Pax6 同系物（NCBI-GeneBank 序 列号 EF685708.1）， Pax6 全长 cDNA 的同源性比对分析结果显示花背蟾蜍与非洲爪蟾、人 和小鼠的同源性分别都高达 83％，84％和 82％。花背蟾蜍 Pax6 对应的蛋白与其他脊椎动物 该蛋白相比有超过 95%的同源性。对花背蟾蜍、非洲爪蟾、人、小鼠四种脊椎动物的 Pax6 蛋白的三个功能区进行分别的同源性分析显示这些区域在氨基酸水平上有超过 90%的同 源性。这些说明 Pax6 基因在整个进化过程中是一个高度保守的序列，意味着该基因在基础 发育过程中起到重要作用[5]。 Pax6 基因编码的蛋白质分布于细

9、胞核，越来越多的资料表明 Pax6 蛋白是一重要的转录 调控因子，此即 Pax6 基因功能的分子生物学基础[16-18]。Pax6 蛋白配对域二级结构含有 3 个 α 螺旋，其间可插入一 14 氨基酸的短肽而成为一有独特 DNA 结合特性的蛋白，可使 Pax6 以其羧基端与 DNA 结合，而一般 Pax 蛋白的 DNA 结合部位多在其配对区的氨基端[16]。Pax6 蛋白第二 DNA 结合位点同源域亦含有 3 个 α 螺旋，分别以其第三个 α 螺旋和游离氨基端与 DNA 深、浅沟结合。这种 Pax6 蛋白的多结合位点对于在分子水平研究眼睛的发育和进化以 及遗传性疾病的发生具有重要意义[18]。

10、Pax6 蛋白能够于体外结合某些 DNA 靶序列并激活下 游报告基因的转录，Pax6 蛋白的 PD、HD 均参与对 DNA 的结合[19]。目前只有少数 Pax6 蛋 白的靶基因被鉴定，因此 Pax6 蛋白的转录调控功能有待深入研究[18]。 3. Pax6 基因功能 多细胞器官的正常生长和发育需要基因的精确调控，Pax6 是多种器官发生发育的必需 条件[19-21]，还是一些功能维持的必要条件[22-23]。Pax6 的表达局限在眼睛、中枢神经系统、 鼻和内分泌胰腺，对他们的发育起到重要作用[24]。 3.1 Pax6 基因与眼发育 据研究，眼睛的发育很大程度上受 Pax

11、6 基因的调节[3,8,21]。Pax6 基因作为眼睛发育的 重要基因，对控制细胞的增殖和分化起着重要作用[25]。眼睛发育过程中，Pax6 表达于眼球 各种组织中，包括视盘、视泡、晶状体、角膜上皮、虹膜、睫状体、神经视网膜各层以及视 网膜色素上皮中[20,26]。Pax6 基因的表达与感觉器官形成的分化诱导作用是一致的。在鼠眼 发育过程中，起初 Pax6 广泛表达于头表皮外胚层，然后局限于预定晶状体和角膜区域，之 后顺次表达于视窝、视神经沟、视泡内；Pax6 mRNA 还表达于胚胎晶状体初级纤维细胞及 之后的次级纤维细胞内；除晶状体外，在即将发育为角膜的表面外胚层以及之后的角膜上皮 中也

12、检测到 Pax6 mRNA 的表达。视泡内表达 Pax6 与神经视网膜内层发育相关[8]。Pax6 对 于脊椎动物眼睛的发育是必需的，晶状体板的形成、晶状体的发育、晶状体上皮细胞特性维 持、视网膜各层的正确定位、虹膜形成、角膜上皮的维持、视网膜祖细胞的命运都离不开 Pax6 的正确表达[21]。Pax6 基因不仅与虹膜发育有关，同时亦与晶状体形成后期、角膜及神 经视网膜形成等密切相关[3]。 在眼发育过程中 Pax6 表达异常导致眼发育异常，如人类无虹膜症，鼠“小眼”畸形， 果蝇“无眼”畸形。小鼠小眼突变型 (Sey) 是缘于 Pax6 的丢失、点突变、mRNA 剪接异常 [27]。小鼠

13、Sey 突变为半显性突变，纯合鼠无眼、无鼻。这是因为 Pax6 突变影响前中脑神经 嵴细胞向眼原基、或者自眼原基向鼻原基的迁移。在正常的发育过程中，Pax6 的表达对眼 睛晶状体决定、鼻外层向基板转变是必需的[4]。尽管 Pax6 基因在脊椎动物眼发育中的作用 尚不太清楚，但是，Pax6 在表皮外胚层的表达和纯合子小眼球胚胎不能形成晶状体基板与 Pax6 基因在晶状体发育过程中的决定作用是一致的[4]。并且，Pax6 基因的早期表达和畸变 胚胎缺陷的形成决定了在视泡发生中的重要作用[28]。鼠 Sey/Sey 胚胎无晶状体板、晶状体窝、 晶状体泡，这和 Pax6 对晶状体板的形成是必需的

14、相一致[8]。人的无虹膜症 (aniridia) 同样是 因为 Pax6 发生突变造成的。无虹膜症是半显性遗传病，表现为虹膜完全缺失或部分缺失， 角膜混浊、晶状体、视网膜发育紊乱[27]，进行性发展的角膜病变最终可导致角膜基质瘢痕 形成，视功能丧失[29]。果蝇“无眼”畸形最早发现于 1915 年，是由于 ey 基因突变造成的， 表型为复眼的部分或全部缺失[30]。 3.2 Pax6 基因与晶状体、视网膜再生 目前多数学者认为Pax6是晶状体形成的主导基因[4,9]，Pax6基因结合位点的启动子对于 晶状体的特定表达是必需的[21,30]。晶状体再生过程并不是正常发育的一个简单重复，但是

15、目 前已经检测出有些基因在胚胎发育和晶状体再生过程中都表达，如Pax6、Six3、Prox1等[31]。 表达Pax6的一些非晶状体组织具有转分化为晶状体的能力，如预定松果腺体，它有多种潜能， 具有形成晶状体的能力；此外，胚胎视网膜、虹膜、色素视网膜上皮以及角膜上皮均表达Pax6 基因，这些组织均具有转分化为晶状体的能力[4,20]。在晶状体摘除后，蝾螈虹膜背缘色素上 皮细胞、非洲爪蟾外角膜内层细胞均能转分化再生出一个新的晶状体，并且在晶状体再生过 程中Pax6在这些组织中表达[32-33]。因此，Pax6表达是晶状体形成的前提，而在非晶状体组织 中Pax6的表达反映了晶状体形成的能力，只是这

16、种能力通常被转移到其他途径而无效。 相关研究表明，Pax6基因在缺乏晶状体再生能力的动物，如美西螈眼睛中的表达量随 着动物的生长而下降，导致其不能再生晶状体；而在能再生晶状体动物，如成熟赤腹蝾螈 眼睛中及晶状体再生过程中，Pax6基因均有表达，并且在成体后肢中检测到该基因的表达 [34-35]。说明该基因在晶状体再生过程中起着很重要的作用。在摘除晶状体的蝾螈眼睛内， 通过morpholinas处理来敲除Pax6基因，发现在再生不同时期敲除该基因可以阻止细胞增殖 和晶状体蛋白的表达，但是，原位杂交和免疫组织化学的研究显示一旦晶状体蛋白表达、 晶状体纤维分化开始了，即使没有该基因的表

17、达，晶状体蛋白仍然能够持续表达[32]。说明 该基因是在晶状体再生的早期阶段起作用的，一个主要作用是调控细胞的增殖，另一个作 用是调控随后的晶状体蛋白表达进而控制晶状体纤维分化[32]。 Pax6 基因能够直接调节晶状体蛋白的转录，其中包括 ξ-晶体蛋白(豚鼠)[36]、αA-晶体蛋 白(小鼠)[37]、δ-晶体蛋白(鸡)[38]。有关 Pax6 在晶状体胚胎发育过程中的转录方式和遗传证据 表明，Pax6 在晶状体的形成和再生方面起决定性作用，它的基因缺陷或表达改变将直接影 响晶状体的正常功能。 Avdonin 等研究了蝾螈视网膜再生过程中调控基因 Pax6、Otx2、Six3 及 FGF

18、2 的表达， 结果表明这些因子在视网膜再生过程中发挥多种功能，它们不但控制视网膜色素细胞(RPE) 的转分化(视网膜再生的关键时期)，还控制再生视网膜的分化[39]。 3.3 Pax6 基因与中枢神经系统发育 鼠胚胎中，Pax 基因表达于中枢神经系统，他们在脑的表达范围表明了在脑的区域化作 用，Pax 基因表达对中枢神经系统分区和神经干细胞(NSCs)分化为不同的神经元也有重要作 用[40]。除 Pax1、Pax9 外，小鼠的 Pax 基因均在发育中的神经管表达[17,41]。Pax6 基因是 Pax 家族中最早表达的 (交配后 8d)，它的表达在前脑和后脑检测到，在交配后 15.5d 时

19、，Pax6 开始在末脑表达，Pax6 的表达贯穿整个发育过程。Pax6 在 8-8.5d 的鼠胚中就开始表达，即 其表达发生在神经管细胞开始分化之前，主要见于有丝分裂旺盛的细胞。Pax6 可能与脊索 的诱导信号介导脊髓背腹方向极化有关[18]。Pax6、Sox2、EGFR 是在皮层的神经发生过程中 起着决定性作用的分子，EGFR 主要参与迁移和向胶质的分化；Sox2 主要调控细胞周期与 增殖；Pax6 则主要调控向神经元的定向分化[42]。动物实验表明，Pax6 基因在发育过程中的 脑和成体脑中都有表达，且对脑发育和脑结构有重要作用[19]。 Pax6 基因突变能够引起人脑结构异常。研究发现

20、对一个由 Pax6 c1080 C→T 突变引起无 虹膜的家系中，大部分 Pax6 基因突变患者表现出不同程度的脑质退化变性、胼胝体变薄萎 缩和嗅球萎缩等脑结构的异常。有关 Pax6 基因突变对人脑结构影响的研究表明，Pax6 基因 突变能够引起一定的脑结构异常，并且 Pax6 基因纯合突变鼠表现出严重的脑畸形，而杂合 突变(SeyNeu) 鼠的脑结构异常程度则明显减轻[41]。 3.4 Pax6 基因与眼的进化 目前发育生物学家已经证实人与鼠的 Pax6 基因无论在结构上还是在功能上都具有很高 的同源性，Gehring 等研究结果证明果蝇基因组中含有 Pax6 同源基因，其编码的蛋白质序

21、列 与人的 Pax6 蛋白具有 94%的同源性[15]。显然，不管在脊椎动物还是在无脊椎动物昆虫中， Pax6 基因都扮演着调控眼睛发育的角色。但是，目前科学家仍不清楚进化过程中脊椎动物 - 4 - 和昆虫发育途径是如何歧化的，这有待进一步研究来阐明。Pax6 基因可能是脊椎动物和无 脊椎动物所共有的眼形态发生的主导基因。 果蝇的Eyeless基因和小鼠的Pax6 基因是与眼发育有密切关系的基因转录调节因子。果 蝇eyeless的突变可造成眼部分或全部的缺失，而Pax6 可拯救这种突变的表型。此外，脊椎 动物的Pax6 在果蝇中同样可以诱导易位眼的发生[43]。在线虫中

22、Pax6 的同源基因VAB3 在头 部和感觉器官的发育中发挥重要作用，因此这可能是Pax6 更基础和原始的功能，而在高等 动物的进化中它的功能被修饰后发展出专一应答光刺激的眼[44]。眼的结构在进化的历史上 20 多次独立发生，头足纲动物与脊椎动物独立发展出高度发达的眼器官。达尔文曾经把复 杂而又毫无瑕疵的眼是怎样一步步产生视觉作为进化论中的难解之谜，如果了解到Pax6 基 因在脊椎动物和无脊椎动物中的高度保守性，眼的发生也就不难理解了。在文昌鱼，头部视 觉感受器遵循以上规律，但较靠后的视觉感受器的发育过程似乎由一个非Pax6 基因引导的 基因组调控[45]。 3.5 Pax6 基因其他功

23、能 小鼠的 Sey 基因在发育中的胰腺、嗅腔上皮均有表达，研究表明 Pax6 基因在动物胰腺 和嗅球发育过程中起重要作用[4]。Pax6 基因在胰腺内分泌细胞分化中起关键作用。Pax6 从 胰芽发育的初始阶段就开始表达，直到胰腺分化成内、外分泌系统后，表达仅限于胰岛细胞 前体[46]。在鼠胚第九天 (E9) 时，Pax6 表达在背侧和腹侧胰芽内，也表达在分化的 4 种内 分泌细胞内[47]。Pax6 缺失，α 细胞缺如，而胰岛素和生长抑素分泌细胞却可出现[6]。由此推 断出 Pax6 是 α 细胞发育所必需，而非 β、δ 细胞发育所必需。Pax6 还参与内分泌细胞形成 肠胃道表皮的发育过程

24、，降低 Pax6 的表达量会直接减少胃分泌激素、胃生长激素抑制素以 及肠内胰高血糖素的合成[46]。胚胎嗅觉系统正常发育过程中，鼠胚 9.5d 由表面外胚层诱导 出鼻基板，之后形成嗅上皮。研究发现，Pax6 表达于以上嗅上皮形成的整个过程中，Pax6 在嗅觉上皮中表达，然后在嗅球中表达[20,47]。Pax6 突变鼠的鼻发育终止于胚胎 9.5 天[20]。 Glardon 的实验资料表明，Pax6 在文昌鱼的嗅上皮和垂体前叶的发生起重要作用，但不参与 胰腺细胞和脊索的发育[48]。 此外，研究发现 Pax6 在大鼠触须的毛囊组织中也有表达，说明触须作为头面部的一种 特殊的毛发器官，Pax6

25、 在其形成和功能的维持上必然发挥一定的作用。另外，大鼠触须毛 囊 Pax6 的表达可能与触须具有独特的神经传导功能有关[23]。由于 Pax6 是一个功能复杂的 蛋白，参与了细胞的许多生命活动，因此它在触须毛囊中的具体作用还有待进一步的探讨。 最新研究发现 Pax6 具有缓解胚胎酒精中毒症状的作用[2]。将表达外源性 Pax6 的质粒通过显 微注射技术作用于胚胎，结果显示外源性 Pax6 对酒精的神经毒性有保护效应。但是 Pax6 缓解胚胎酒精中毒的具体原理及机制还不清楚，并且在临床基因治疗上外源性 Pax6 通过什 么安全而有效的方式作用于宫内胚胎等问题仍有待解决。 虽然随着大部分细胞的

26、分化 Pax6 基因被下调，但在眼睛许多成熟的细胞类型中包括角 膜上皮细胞，晶状体和视网膜中仍然存在表达[49]。Koroma 等用原位杂交、蛋白质印迹和反 转录 PCR 检测了鸡胚、大鼠和猴的角膜、结膜组织中 Pax6 基因蛋白的表达，结果不仅在胚 - 5 - 胎角结膜组织，而且成熟角结膜组织中均有 Pax6 基因蛋白的表达，并由此推断该基因具有 调节组织结构和分泌特性的功能，在角膜干细胞的维持和增殖方面起重要作用[50]。实验测 定了成熟眼组织中 Pax6 的 mRNA 含量，结果显示角膜中的含量超过其它组织 100 倍(视网 膜除外)，并局限于具有增殖能力的角膜基底细

27、胞和角膜缘细胞，当角膜损伤后 Pax6 的 mRNA 表达明显上调，说明 Pax6 基因具有维持上皮细胞增殖能力的作用[22]。 4. Pax 家族其他成员功能 Pax 家族对于动物胚胎正常发育起到重要作用，Pax 家族有九个成员，分别为 Pax1-Pax9。 下面简要叙述除 Pax6 之外 Pax 家族其他成员的作用。 Pax1 和 Pax9 对骨骼系统发育有影响，在脊椎、胸腺、甲状旁腺和第三、四咽囊及其衍 生物和胚胎骨骼组织的生长发育中起重要调控作用。在大鼠实验中已发现 Pax1 与 Pax9 是调 节体节分节的基因。Pax1 是脊柱、胸骨、肩胛骨正常发育所必需的[51]。Pa

28、x1 突变的大鼠出 现波状与丹福斯短尾突变型，脊柱椎体、椎间盘与肋骨都发生了严重畸形。Pax9 的调控范 围则包括头部、尾部、肢芽、食道、牙齿和咽喉。Pax1 和 Pax9 还是胸腺/甲状旁腺雏形早期 形成所必需的转录因子[46,52]。 Pax2/ 5/ 8 则可以控制耳的发育，这些基因的突变可导致耳蜗发育不全等听觉缺陷[53]。 Pax2 在视网膜发育中起重要的调控作用。Pax2 缺失，可导致视网膜光感受器、双极细胞发 生改变。Pax2 还和视网膜神经节细胞向顶盖及视皮层投射有关[54]。Pax2 基因与肾脏的发育 密切相关，是在肾脏发育初期最早表达的基因之一，前期主要调节肾单位前体细

29、胞增殖和中 肾管形成。在输尿管芽诱导下，Pax2 在后肾间质中持续表达，活跃于围绕输尿管的后肾浓 缩物和上皮衍生物中。Pax2 突变型小鼠最初也能够形成输尿管，但之后会被快速分解。Pax8 对肾脏发育也有一定调控作用，但其影响效果远不如 Pax2 明显[46]。Pax8 还是甲状腺合成 必需的。Pax8 对于甲状腺球蛋白基因(Tg)、甲状腺过氧化物酶基因(TPO)以及钠/碘同向转运 体(NIS)(甲状腺激素合成所必需)均有调控作用。Pax5 与 B-淋巴细胞的形成密切相关，是 B 细胞特有的转录因子。Pax5 蛋白通过与 B 细胞发育相关基因结合，影响 B 细胞的增殖、同 型转换、免疫球蛋白

30、基因转录及最终分化[46]。此外，Pax5 还与中脑的发育相关。 Pax3/7 在胚胎发育过程中较早表达。Pax3 的畸变在人类表现为 Waardenburg 氏综合征 (内眦皱襞耳聋综合征)，是一种伴有听力感觉神经元丢失和色素紊乱的显性遗传综合征，它 占先天性耳聋的 2%[55]。组织原位杂交分析显示 Pax3 在鸡胚脊髓内区域状特异分布表达， 说明 Pax3 基因在脊髓发育过程中起到一定的作用[56]。研究表明在神经系统发育过程中 Pax3 表达在整个神经管，Pax3 基因在人和小鼠脑和脊髓中均能够表达，Pax3 突变或缺失将导致 神经系统发育畸形[56]。Pax7 和视网膜神经节细胞

31、向顶盖及视皮层投射有关。Pax3 和 Pax7 还对骨骼肌发育有调控作用。Pax3 和 Pax7 在体节发育早期普遍表达，之后只出现在肌节的 骨骼肌细胞中，当肌细胞分化为肌浆蛋白时，Pax3 和 Pax7 表达量下调；稍晚时，Pax3 在侧 面体节中又强烈表达。Pax3 突变直接影响四肢肌肉的形成，上调 Pax7 的表达可在一定范围 内弥补 Pax3 功能的缺失，但不能起到替代作用。当 Pax7 被敲除时，小鼠在胚胎发育和出生 - 7 - 时都有正常的肌肉组织，可见 Pax7 在肌肉形成中所起的作用不大[46]。 Pax4 表达局限于中枢神经系统和发育中的胰腺[47]。Pax

32、4 在胰岛的前体细胞中有表达， 其在胰腺内分泌细胞分化中起关键作用。Sosa 将 Lac-Z 插入到 Pax 基因中作标记，发现 Pax4 失活的新生鼠经免疫组织化学法显示缺失 β 细胞和 δ 细胞，α 细胞排列不规整[57]。在小鼠胚 胎发育中，到 E9. 5 为止，背侧和腹侧胰芽中都表达 Pax4，到出生时，表达局限于β细胞。 Pax4 基因敲除的小鼠出生后 3d 内即死于高血糖和脱水，该小鼠缺乏β细胞和δ细胞，但是 α细胞增加。因此，Pax4 在胰岛发育早期具有促进β细胞和δ细胞分化的功能[47]。 5. Pax6 上下游调控因子 Pax6 对发育的重要性表现在它能与多种因子

33、结合，直接或间接地调节控制多种其他转 录因子、蛋白、激素等靶目标的活性，从而调节多种生命活动的进行。Pax6 同样也受到其 他因子的调节，它在一个复杂的调节网络中发挥其作用 (图 1, 2)。Grogg 等描述了晶状体再 生过程中涉及的事件及通路，详细介绍了眼睛发育及晶状体再生过程中都发挥重要作用的两 个转录因子 Pax6 和 Six3[31]。Simpson 等对于 Pax6 在胚胎正常发育和肿瘤形成过程中所调控 的下游转录因子的研究，表明 Pax6 在胚胎正常发育和肿瘤形成过程中调节细胞增殖、决定、 分化及死亡[5]。下面综述概括 Pax6 的一些主要上下游调控因子。 Ne

34、uroD/BETA2 Oct4/Sox2/Nanog CTCF Pax6 Ets Ets binding sites  Homeobox genes Six3, Prox1,En1, Pax2, Gsh2 Dlx and Lhx families  bHLH genes Mash1, Math5 and Ngn2  Wnt Frizzled b-catenin  HMG box gene Tcf-4

35、 Tcf binding sites  c-Maf p53 Cell cycle regulation -------- --Cell determination and differentiation ---------- Cell death 图 1 通过影响编码其他转录因子基因的表达，或者通过影响转录因子的功能，Pax6 在胚胎正常发育和肿瘤 形成过程中调节细胞增殖、决定、分化及死亡。（引自于参考文献 5） Fig1 Pax6 may regulate cell proliferation, dete

36、rmination, differentiation and death in normal development and oncogenesis by affecting the expression of genes encoding other transcription factors or by influencing the functions of the transcription factors. (Cited from reference 5) - 8 - FGFR BMP7  Sox2early

37、 Activin A/ Shh Meis1/2  BMP4 Pax6placode  RAR/RXR  Sox2late Pitx3  Six3 FoxE3 Prox1  Mafs Proliferation crystallin expression Lens formation 图 2 晶状体发育过程中涉及的重要转录因子，其中一些因子在晶状体再生过程中检测到表达（红色标记）。 （引自于参考文献 31）

38、 Fig2 A diagram showing several factors involved in lens development. Some of these factors have also been examined in lens regeneration and are depicted with red color in the pathway. (Cited from reference 31) 5.1 Rx Milan Jamrich 描绘了另一种转录因子 Rx (retinal homeobox)，与 Pax6 相比起到更早期 的作用，是 Pax6 的上游

39、调控基因。Rx 家族是一类与视觉神经系统发育密切相关的同源异型 盒基因，调控眼基质、视泡、视网膜、前脑以及中脑部分区域的发育[58]。功能研究显示 Rx 在眼发育的极早期即可发现，但这种表达并不依赖于 Pax6 而存在。若 Rx 缺失，视泡便不 会形成而且视原基中的 Pax6 也不可能出现正调节。然而，Rx 只是在眼的视网膜部分发挥其 作用，在屈光间质中则不然，也就是说 Rx 在视网膜上的表达可扩增却不可发生于整个眼中 [59-60]。 5.2 FGF/BMP 信号 晶状体、神经管发育分化过程中，转录因子 Pax6，Six3，Sox2 受 FGF 和 BMP 信号的 调控[31,61]。脊

40、髓神经组织特定区域不同特性最早的信号标志就是 Pax 基因的表达，特别是 Pax6 及 Pax3/7。Timmer 等研究表明 BMP 信号在 Pax 基因表达定位方面起到重要作用，如 BMP 信号促进 Pax7 在神经管腹侧组织的表达，BMP 信号还通过水平依赖性方式调控 Pax6 的表达，即高水平 BMP 信号可消减 Pax6 表达，中等水平 BMP 信号可使神经管中间区域边 缘高水平表达的 Pax6 向腹侧转移，低水平 BMP 信号适合神经管中间区域表达的 Pax6 向腹 侧扩展。研究发现 BMP 通过调节 Pax 及 HLH 基因表达来调节背腹神经管、中间神经管的 发育分

41、化[61]。 5.3 Meis1/2 Meis1/2是Meis家族成员。Zhang等研究了晶状体形成过程中Pax6基因的上游调控因子， 指出Meis1和Meis2直接调控预定晶状体外胚层Pax6的表达[62]。在鼠中，Meis1和Meis2表达 模式类似于Pax6，它们的表达不依赖于Pax6。生化和转基因实验显示，Meis1和Meis2结合到 Pax6晶状体板增强子特异序列上是Pax6活性激活所必需的。此外，在晶状体发育过程中Pax6 和Meis2显示出强的基因相互作用，在Meis2超表达转基因小鼠晶状体中Pax6表达提高。 5.4 Proxl Proxl是homeodomain基因家族

42、的成员之一，是果蝇转录因子prospero在小鼠中的同源物， Prox1在眼睛发育过程中可能受到Pax6的直接调控[63]。它主要在视泡、晶状体中表达，调节 crystallins基因在初级晶状体纤维中的表达。Proxl可能与晶状体上皮分化为晶状体纤维的过 程有关。Proxl敲除的小鼠晶状体不能发育出纤维细胞而维持空泡状态，晶状体后方的上皮 细胞异常增殖，细胞周期抑制蛋白cdknlb和cdknlc表达下调，并出现异常的凋亡[64]。 5.5 Pax2 Pax2 与 Pax6 同属一个基因家族。在眼睛发育过程中 Pax2 依次表达于视泡、视杯、视 柄内。Pax2 在视网膜发育中起重要的调控作

43、用。Pax2 缺失，可导致视网膜光感受器、双极 细胞发生改变[54]。在视杯和视柄发育过程中 Pax2 受到 Pax6 的直接影响。此外，Pax2 还有 可能是 Pax6 的抑制因子，Pax2 可使 Pax6 表达下调，对于限制 Pax6 在表面外胚层弥散表达 起到作用[8]。 5.6 activin A/sonic hedgehog（shh） activin A (激活素 A) 是 TGF-beta 家族成员之一，sonic hedgehog (shh) 是 Hedgehog (Hh) 基因家族中的一员。晶状体、神经管发育过程中 Pax6 活性被 activin A/shh 下调[8

44、]。Shh 信号 增强可促进视泡内 Pax2 表达，而 Pax6 表达被抑制[65]。在胚胎发育过程中，Pax6 mRNA 首 先被检测出来是在神经管闭合后。在神经管腹侧，Pax6 对 shh 信号水平敏感，在基板附近 Pax6 受到高水平表达的 SHH 抑制，在中间神经管 Pax6 受到低水平表达的 SHH 激活。在神 经管背侧，Pax6 低水平表达。神经系统外植体研究表明，Pax6 在神经管背侧低表达的原因 可能是被 activin 信号调控[61]。 5.7 Otx2 Oxt2 是 homeodomain 基因家族成员之一。在鼠胚发育过程中，Otx2 在早期表达于胚胎 外胚层，之后在

45、前脑间脑的神经外胚层，最后在晶状体板表达[8]。Otx2 基因敲除鼠出现晶状 体板、嗅基板、前脑中脑区域缺失。在视网膜再生过程中与 Pax6 共同作用，调节控制视网 膜上皮色素细胞的转分化及再生视网膜细胞的分化[39]。 5.8 Six3 Six3 是 sine oculis 家族成员之一，它在脊椎动物早期眼睛发育及晶状体发育过程中表 - 9 - 达。Six3 基因的表达模式在很多区域与 Pax6 表达重合，但在预定晶状体外胚层内没有检测 到 Six3 的表达[8]。研究表明 Six3 在 Xenopus 及 Mus 中可能是 Pax6 的直接下游调控因子[43,63]。

46、 此外，Six3 在视网膜再生过程中与 Pax6 共同作用，调节控制视网膜上皮色素细胞的转分化 及再生视网膜细胞的分化[39]。 5.9 Maf Maf 是 γ-晶状体球蛋白启动子的转录因子，主要在晶状体纤维早期发育和分化阶段表 达，是晶状体球蛋白基因调控的中枢，对眼晶状体的早期发育也很重要。Maf 家族的第 3 个 成员 c-Maf 对晶状体的发育很重要，在小鼠中 c-Maf 基因打靶敲除将导致晶状体囊泡阶段的 原始纤维细胞延长终止[66]。Maf 是脊椎动物眼发育过程中 Pax6 调节的又一下游转录因子， Maf 在几种组织细胞分化中发挥重要作用。活体实验显示 Maf 表达受到 Pax

47、6 的调控。研究 表明，在发育的眼中，Maf 和 Pax6 都表达于将要分化为晶状体纤维细胞的晶状体上皮细胞 区域，这暗示 Pax6 有可能直接调节 Maf 的表达[67]。研究显示，Maf 可通过结合 βB1-晶状体 蛋白启动子的相同复合元件促进 βB1-晶状体蛋白的表达，而 Pax6 可抑制该过程[68]。 5.10 Crystallins 可溶性晶状体蛋白高浓度存在于晶状体内，对于晶状体的透明性起到重要作用。 Crystallins 基因表达在不同物种内有所差异。Pax6 编码产物对于晶状体决定及晶状体蛋白基 因表达是一种关键蛋白[69]。Pax6 可以抑制 β-晶状体蛋白基因的表达

48、，在 Pax6 表达减少后 β- 晶状体蛋白才开始表达，Pax6 激活其他晶状体蛋白基因的表达[8]。研究脊椎动物晶状体蛋白 基因转录调控因子发现 Pax6 是晶状体蛋白基因的重要调节因子，如 αA-, αB-, δ1-, βB1-及 ζ- 晶状体蛋白基因的表达受 Pax6 基因的调控与影响[69]。Bharesh 等研究表明 c-Maf 和 MafA 协 同激活 αB-晶状体蛋白，RARβ/RXRβ 和 PAX6/PAX(5a)共激活 γF-晶状体蛋白[70]。 5.11 FoxE3 FoxE3 是 Fox 家族成员，它是晶状体发育调节基因，是眼睛前部形态发生及分化必需的 调控因子。近年

49、发现 FoxE3 是脊椎动物晶状体上皮细胞特异性表达的基因，它在晶状体板 诱导时开始表达，当晶状体纤维分化时局限表达与晶状体上皮细胞，在其它组织和细胞中不 表达。FoxE3 对于维持晶状体上皮细胞的增殖、防止过早分化和凋亡具有重要作用。在晶状 体发育的调控通路中，FoxE3 是 Pax6 的下游调控因子，在晶状体和脑中的表达依赖 Pax6， 对 Pax6 基因剂量敏感[71]。 5.12 Pitx3 Pitx3 是 Pitx（垂体同源盒）基因家族成员之一，主要参与眼组织的早期发育[72]，是晶 状体早期发育阶段一个比较重要的基因[66]。鼠晶状体 Pitx3 表达模式说明 Pitx3 表达

50、可能受 Pax6 的直接调控。研究表明 Pax6 杂合子突变鼠晶状体中 Pitx3 基因表达下降，这表明晶状 体内 Pitx3 表达受 Pax6 的调控[73]。 5.13 Sox2 Sox2 是 HMG-box 基因家族成员之一。在不同组织 Sox2 与 Pax6 之间的作用方式不同。 Sox2 的 DC5 序列与 Pax6 结合形成分子复合体共同激活 δ-晶状体蛋白基因的表达、晶状体 - 12 - 板发育，调节启动晶状体发育[8,74]。在皮层的神经发生过程中 Sox2 与 Pax6、EGFR 起着决 定性作用。染色体免疫共沉淀(CHIP)、荧光素酶报告分析(Luc

51、iferase assay)体外研究证实了 皮层的神经发生过程中 Pax6 对 Sox2 的直接转录调控。此外，Sox2 还能与 Oct4、Nanog 一 起结合并负调控 Pax6，Sox2 是维持 ESCs 全能性的重要转录因子[75]。 5.14 CTCF CTCF(CCTC-binding factor)是在印记表达与发育中起关键作用的调节因子。它与 Pax6 基因 P0 启动子上游的抑制元件结合，封闭了位于启动子上游 3.5Kb 的内胚层增强子的作用， 从而抑制 Pax6 基因的表达，调控眼睛的发育。抑制区含有 80bp 的 CCCTC 重复序列，研究 发现这 80bp 序列是抑

52、制子发挥作用的主要区域[49]。 5.15 Oct4 Oct4 是 POU 家族第五类转录因子。Oct4 特异性表达于具有全能性的未分化细胞中， Oct4 对胚胎干细胞全能性维持是必需的。Oct4 与 Sox2 和 Nanog 一起除了正调控靶基因外， 还结合并负调控了一部分靶基因，这部分靶基因主要包括促进胚胎干细胞向三个胚层和胚外 组织分化的关键基因，其中近一半的靶基因编码了发育相关的同源框蛋白，如 Pax6 等[75]。 5.16 ngn3 ngn3 即神经元素 3，是 Neurogenin 基因家族成员。Ngn3 是胰腺发育过程中短暂表达的 蛋白，可能是胰腺内分泌细胞系的定

53、向因子，且在成熟胰岛中不存在。Lee 认为 ngn3 基因 与胰岛分化有密切关系，因为 ngn3 基因缺陷小鼠不能表达胰岛其它特异性转录因子，包括 islet1、Pax4、Pax6，而缺乏 Pax6、NeuroD1、Nkn6.1 或 Nkx2.2 的动物胰腺中表达 ngn3， 表明 ngn3 位于这些因子的上游，且对启动内分泌细胞分化必不可少，而分化后期关闭[76]。 5.17 NeuroD/BETA2 NeuroD/BETA2 属于 B 类碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)家族，其基因编码的产物为神经源性 分化因子 1。NeuroD/BETA2 在神经分化和发育过程中起重要作用，并参与胰腺的

54、发育和 β 细胞的分化。胰腺形态发生过程中 Pax6 转录因子起到重要作用。研究表明 NeuroD/BETA2 激活 Pax6 基因并在胰腺发育中起作用[77]。在视网膜发育过程中 bHLH 转录因子起到了相当 重要的作用。视网膜无长突细胞分化过程中，NeuroD 或 Math3 和 Pax6 或 Six3 共表达使无 长突细胞的数量明显增加。NeuroD 和 Pax6 共表达主要作用是促使无长突细胞的产生，而 Math3 和 Pax6 的共表达更加有利于水平细胞的产生。因此，在无长突细胞分化中，bHLH 基因和同源结构域基因的共表达是非常重要的[78]。 5.18 RAR/RXR RAR

55、/RXR 即 retinoic acid/retinoid X receptor。Gopal-Srivastava 等研究表明，Pax6 与 RAR/RXR 一起对转染晶状体细胞的 αB-启动子活化有叠加效应。因此，Pax6 和 RAR/RXR 激活鼠 αB-晶状体蛋白等基因，使得这些转录因子在晶状体早期发育及以后的细部分化中发 挥重要作用[79]。 6. 结论与展望 综上所述，由于 Pax6 及其编码蛋白的结构特点，使得 Pax6 及其编码产物能与多种因子 结合，调节它们的活动，从而在胚胎发育过程中发挥重要作用。Pax6 突变将导致多种眼科、 神经系统、内分泌腺、胰腺等疾病

56、的发生，造成相关器官发育障碍。虽然已经确定 Pax6 突 变导致不同疾病及其具体症状，但是 Pax6 在不同组织中的具体调控模式，Pax6 具体上下游 调控网络还没完全清楚。因此研究 Pax6 在不同组织器官中的表达及其作用、Pax6 调控网络 以及 Pax6 突变导致的缺陷将有利于相关疾病的研究与治疗。 Sey 鼠为研究眼睛发育提供了一个理想的哺乳动物模型，对鼠 sey 基因的研究将有利于 人类 Pax6 相关缺陷的研究治疗。随着分子生物学技术的发展，对 Pax6 结构、功能缺陷以及 调控网络有了更深入的了解，为神经系统、眼睛、胰腺、嗅觉器官等的发育和生理学、病理 学研究提供新的见解，并为

57、眼睛发育缺陷、白内障遗传病、脑发育异常、胰腺发育缺陷以及 嗅觉器官发育不全等疾病的诊断和治疗提供依据。然而，这些研究仍处于初步阶段，今后还 会有更大的挑战。 参考文献 [1] P. Stapleton, A. Weith, P. Urbanak, et al. Chromosomal localization of seven Pax genes and cloning of a novel family member, Pax9[J]. Nat. Genet., 1993, 3:292-298. [2] 李艺. 胎儿酒精中毒综合征及其发病机理的研究进展[J]. 中国神经精神

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