Sox-Wnt相互作用在發(fā)育和疾病發(fā)生中的作用

熊浩嵐綜述,張慶玲審校

（南方醫(yī)科大學(xué)：1.第一臨床醫(yī)學(xué)院；2.病理學(xué)系,廣州510515）

Sox基因是一大類編碼轉(zhuǎn)錄因子的發(fā)育相關(guān)基因家族,其編碼超過20種Sox蛋白。近年研究發(fā)現(xiàn)Sox基因與Wnt/β-連環(huán)素信號(hào)通路關(guān)系密切,通過參與調(diào)節(jié)Wnt/β連環(huán)素信號(hào)通路活性,在生物發(fā)育和腫瘤發(fā)生等多種生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。本文總結(jié)近年國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果,綜合分析Sox-Wnt相互作用及其對(duì)Wnt/β連環(huán)素信號(hào)通路的調(diào)節(jié)機(jī)制。

1 Sox基因家族簡(jiǎn)介

Sox基因家族參與胚胎發(fā)育、性別分化、神經(jīng)發(fā)生、軟骨形成以及胸腺細(xì)胞的分化等多種發(fā)育過程的調(diào)控。該基因家族的共有特征是所有編碼Sox蛋白均具有一個(gè)由約79個(gè)氨基酸組成的保守序列——HMG盒（HMG-box）,該序列可以與DNA特異性結(jié)合；Sox蛋白與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用形成復(fù)合體而發(fā)揮作用。在脊椎動(dòng)物基因組中有大約20種不同的Sox基因,根據(jù)HMG盒的序列同源性,它們被分為8個(gè)亞族（Sox A～H）。該家族的第一個(gè)成員是哺乳動(dòng)物的性別決定基因SRY/Sry。人類及小鼠體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的Sox基因家族成員有24個(gè)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)Sox基因的突變和異常表達(dá)與多種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。由于Sox基因可能在腫瘤進(jìn)展中起重要作用,因而對(duì)其研究進(jìn)展十分迅速。

2 Wnt信號(hào)通路

Wnt蛋白是一類分泌型糖蛋白,分布在所有多細(xì)胞動(dòng)物體內(nèi),并且調(diào)節(jié)個(gè)體發(fā)育和疾病發(fā)生等許多方面。標(biāo)準(zhǔn)的Wnt信號(hào)通路激活β連環(huán)素（β-連環(huán)蛋白）,β連環(huán)素進(jìn)一步激活胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子——T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子/淋巴增強(qiáng)因子（TCF/LEF）等從而調(diào)節(jié)在不同生命活動(dòng)中的一系列目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。Wnt信號(hào)必須被嚴(yán)格控制,因?yàn)椴贿m當(dāng)升高的β連環(huán)素/TCF活性會(huì)導(dǎo)致許多組織腫瘤的發(fā)生。雖然已知脊椎動(dòng)物有19種Wnt蛋白和10種跨膜受體卷曲蛋白,但標(biāo)準(zhǔn)Wnt通路的轉(zhuǎn)錄信號(hào)只由β連環(huán)素和4種TCF調(diào)節(jié),于是就提出了不同類型的細(xì)胞如何調(diào)節(jié)不同Wnt目標(biāo)基因的問題。一種解釋是β連環(huán)素和TCF與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用以調(diào)節(jié)其活性使目標(biāo)基因的選擇更容易[1]。因此,鑒定β連環(huán)素/TCFs相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子并探討其調(diào)節(jié)機(jī)制一直是功能基因組學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

3 Sox-Wnt相互作用系統(tǒng)在生長(zhǎng)發(fā)育和腫瘤發(fā)生中的作用

Sox蛋白顯然具有獨(dú)立于Wnt的作用,但也有很多研究證明Sox蛋白通過調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)通路而廣泛參與生長(zhǎng)發(fā)育和疾病發(fā)生過程。很多報(bào)道證實(shí)Sox蛋白有抑制Wnt轉(zhuǎn)錄信號(hào)的作用,然而部分Sox蛋白似乎可以加強(qiáng)Wnt目標(biāo)基因的表達(dá),Wnt也調(diào)節(jié)某些Sox蛋白的表達(dá)。因此Sox-Wnt相互作用似乎可以調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)Wnt信號(hào)通路的活性。

3.1 Sox-Wnt通路在胚胎發(fā)育中的作用 首先對(duì)非洲蟾蜍胚胎研究揭示Sox因子和Wnt信號(hào)通路在功能上能夠相互作用。一個(gè)母系Wnt/β連環(huán)素信號(hào)通路在非洲蟾蜍囊胚的一側(cè)很活躍,這可以刺激組織者基因轉(zhuǎn)錄,從而定義將來(lái)的背側(cè)-腹側(cè)身體軸[2]。用分子顯微注射抑制這條通路可以禁止軸線形成,最終形成無(wú)頭胚胎。這是鑒別Wnt信號(hào)通路組成成分的一種常用方法,運(yùn)用這種方法發(fā)現(xiàn)非洲蟾蜍的Sox17和Sox3可以抑制β連環(huán)素的活性[3-6]。在非洲蟾蜍發(fā)育過程中,Sox17和Sox3分別在預(yù)定的內(nèi)胚層和外胚層中表達(dá),在囊胚的背側(cè)它們與有活性的β連環(huán)素交錯(cuò)表達(dá)。功能缺失研究發(fā)現(xiàn),除使內(nèi)胚層和外胚層受損外,Sox17或Sox3的反義缺失也能增加Wnt依賴性基因的表達(dá)。這表明Sox17和Sox3通過限制β連環(huán)素/TCF所激活的轉(zhuǎn)錄來(lái)協(xié)調(diào)非洲蟾蜍胚層的形成和圖式發(fā)育[7]。有趣的是,Sox17和β連環(huán)素之間的相互作用似乎可以加強(qiáng)Sox17的功能進(jìn)而激活Sox17的目標(biāo)基因。

3.2 Sox-Wnt相互作用在腫瘤發(fā)生中的作用 Wnt信號(hào)通路的組成成分[例如活化蛋白C（APC）和β連環(huán)素]的突變與許多類型的癌癥有關(guān) 。最近研究證實(shí)在人類的許多腫瘤中Sox基因表達(dá)下調(diào)[8-9],還有研究表明Sox因子通過調(diào)節(jié)β連環(huán)素/TCF活性和以Wnt為靶點(diǎn)的致癌基因[如細(xì)胞周期蛋白D1（Cyclin-D1）和c-myc）]的表達(dá)而影響腫瘤發(fā)生。有的Sox基因例如Sox7和Sox17在許多腫瘤的發(fā)生過程中是逐漸沉默的,他們發(fā)揮抑癌基因的作用[10-11]。例如,Sox17通過抑制Wnt信號(hào)發(fā)揮抑癌基因的作用。胃腸腫瘤發(fā)生的最初階段Sox17是由Wnt激活的,但在腫瘤惡化過程中Sox17被甲基化使其水平下降。在腫瘤發(fā)生初期Sox17保護(hù)其不向惡化方向發(fā)展,Sox17的下調(diào)使Wnt活性增強(qiáng)從而促使腫瘤惡化[12]。其他Sox基因,例如Sox4通常在腫瘤中過度表達(dá)或被遺傳放大,表現(xiàn)為致癌基因[9,13]。研究發(fā)現(xiàn) Sox4的穩(wěn)定轉(zhuǎn)染可以轉(zhuǎn)化前列腺細(xì)胞,然而Sox4的反義缺失可以降低前列腺癌和結(jié)腸癌中Cyclin-D1的表達(dá)和抑制癌細(xì)胞增殖[14]。還有研究表明同種Sox基因在不同的腫瘤中表現(xiàn)不同。例如,Sox2在人類乳腺癌中經(jīng)常過度表達(dá),并且通過β連環(huán)素使腫瘤增殖；然而,Sox2在胃癌中經(jīng)常表達(dá)下調(diào),如果它過度表達(dá)則會(huì)抑制Cyclin-D1表達(dá)以及腫瘤細(xì)胞增殖[15]。

3.3 Sox-Wnt與性別決定 作為第一個(gè)被報(bào)道的Sox基因，Sox9基因被證實(shí)與位于男性Y染色體上的Sry基因一起決定哺乳動(dòng)物的性別。Sry和Sox9基因都能夠引起XX個(gè)體（女性個(gè)體）的睪丸發(fā)育和人類Sry和Sox9基因的突變,從而使性別反轉(zhuǎn)[16]。最近有研究表明Sry和Sox9基因的部分功能是通過抑制標(biāo)準(zhǔn)Wnt信號(hào)而行使的[17],而Wnt信號(hào)可以促進(jìn)卵巢發(fā)育和阻斷睪丸發(fā)育。

4 Sox-Wnt相互作用的機(jī)制

Sox轉(zhuǎn)錄因子可以與β連環(huán)素和TCF相互作用,從而調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)通路；Wnt通路也可以調(diào)節(jié)Sox基因轉(zhuǎn)錄。許多研究表明Sox蛋白與 Wnt信號(hào)通路之間存在一個(gè)反饋調(diào)節(jié)環(huán)。

4.1 Sox-β連環(huán)素相互作用 許多Sox蛋白都能與β連環(huán)素在結(jié)構(gòu)上相互作用,這似乎是Sox蛋白能夠調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)的關(guān)鍵點(diǎn)。在許多研究中,這種相互作用只能在體外或通過免疫共沉淀在組織培養(yǎng)中過表達(dá)的蛋白質(zhì)里被證實(shí)。在小鼠胚胎和人類直、結(jié)腸癌提取物中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)源性Sox1、Sox17與β連環(huán)素結(jié)合成復(fù)合物[14]。不同的Sox蛋白與β連環(huán)素相互作用區(qū)域不同,例如Sox6蛋白通過亮氨酸拉鏈和鄰近的富含谷氨酰胺的區(qū)域與β連環(huán)素相互作用；Sox9和 Sox17用它們羧基末端的TA區(qū)域與β連環(huán)素相互作用[18-19]。不同的Sox蛋白作用于β連環(huán)素的不同區(qū)域。Sox6以armadillo重復(fù)序列1～4為靶點(diǎn),Sox17以armadillo重復(fù)序列3～6為靶點(diǎn),而Sox9作用于armadillo重復(fù)序列4～10[2,18]。考慮到 TCF/LEF蛋白通常以β連環(huán)素、armadillo重復(fù)序列4～9為靶點(diǎn),可能某些Sox蛋白不僅與β連環(huán)素結(jié)合而且也與β連環(huán)素/TCF復(fù)合物相互作用。在胃上皮中,Sox17優(yōu)先作用于β連環(huán)素/TCF復(fù)合物而不是β連環(huán)素。在復(fù)合物內(nèi)部,TCF/LEF因子的DNA結(jié)合區(qū)域和Sox17之間有聯(lián)系[14]。隨著蛋白酶體的降解,三元絡(luò)合物的量增加,表明 Sox17通過降低β連環(huán)素和TCF/LEF的穩(wěn)定性以拮抗 Wnt信號(hào)在胃上皮中的作用。Sox9則通過與TCF/LEF因子競(jìng)爭(zhēng)β連環(huán)素結(jié)合位點(diǎn)而控制wnt信號(hào)在軟骨母細(xì)胞中的作用[18]。但在這個(gè)系統(tǒng)中沒有發(fā)現(xiàn)三元絡(luò)合物,只發(fā)現(xiàn)二元的Sox9/β連環(huán)素復(fù)合物,證明Sox蛋白可以通過其他方式拮抗Wnt信號(hào)的作用。

4.2 Sox-TCF相互作用 體外蛋白結(jié)合試驗(yàn)表明哺乳動(dòng)物Sox17和Sox4能通過它們各自的 HMG保守序列直接與TCF-3、TCF-4和LEF-1相互作用[14]。與此一致的是,Sox的HMG序列除了結(jié)合DNA還可以調(diào)節(jié)Sox與許多轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用[20]。在 T細(xì)胞發(fā)育過程中,Sox13可以通過與TCF-1相互作用抑制Wnt靶點(diǎn)。有趣的是,Sox13可以與細(xì)胞提取物中的TCF-1全長(zhǎng)結(jié)合,但是不能與缺乏氨基末端和β連環(huán)素結(jié)合區(qū)域的mRNA剪接的變異型TCF-1結(jié)合,表明Sox13與TCF-1的氨基末端結(jié)合,并通過拮抗β連環(huán)素而抑制Wnt信號(hào)通路。

4.3 Sox-Wnt反饋調(diào)節(jié)環(huán) 除了Sox蛋白調(diào)節(jié)Wnt活性外,在許多生命活動(dòng)中Wnt信號(hào)通路也調(diào)節(jié)Sox基因表達(dá)。許多研究表明Sox蛋白與Wnt信號(hào)通路之間存在一個(gè)反饋調(diào)節(jié)環(huán)。果蠅和海膽的SoxB蛋白都提供了相互抑制作用的例子。在海膽胚胎中,局限分布在營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中的胞核β連環(huán)素是中、內(nèi)胚層分化所必需的,而SoxB1對(duì)外胚層分化亦很重要[21]。SoxB1局部抑制β連環(huán)素/TCF活性,而β連環(huán)素通過兩種機(jī)制抑制SoxB1的表達(dá)[22]。SoxB1最初在所有細(xì)胞核中都表達(dá),而漸漸地局限表達(dá)在外胚層。因此,根據(jù)SoxB1和β連環(huán)素相對(duì)活性的變化可以分離譜系。與此類似,果蠅Wnt信號(hào)也可以下調(diào)SoxN和Dichaete的表達(dá),同時(shí),SoxN和Dichaete蛋白能降低Wnt目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄,這一相互的抑制作用建立了非連續(xù)性 Wnt活性的空間分布以維持真皮層組織的分界[23]。果蠅的SoxF和Sox9在鼠類腸中與Wnt信號(hào)通路以一個(gè)經(jīng)典的負(fù)反饋環(huán)的形式相互作用。Wnt信號(hào)加強(qiáng)SoxF的表達(dá),SoxF蛋白可以抑制Wnt基因轉(zhuǎn)錄[24],從而限制細(xì)胞內(nèi)分泌型Wnt配體在一個(gè)很窄的范圍,可以防止翼上皮的過度增殖。相似的是,鼠腸上皮的Sox9表達(dá)需要Wnt信號(hào),但Sox9會(huì)在局部減弱 Wnt目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[25]。像這樣的負(fù)反饋環(huán)似乎是標(biāo)準(zhǔn) Wnt信號(hào)通路的一個(gè)共同特征,β連環(huán)素/TCF可直接激活一系列Wnt拮抗劑的轉(zhuǎn)錄,反饋性地降低Wnt信號(hào)的活性。在某些研究中Wnt信號(hào)可直接調(diào)節(jié)Sox基因的表達(dá)。例如,在鼠味蕾和小雞髓板中,Sox2啟動(dòng)子中的TCF DNA結(jié)合區(qū)可以調(diào)節(jié)Sox2的轉(zhuǎn)錄。這可能解釋為什么Sox2的濃度在乳腺癌中上升,并且與乳腺癌的預(yù)后差有關(guān)[15]?？哼M(jìn)的Wnt信號(hào)可能會(huì)促進(jìn)Sox2的表達(dá),Sox2進(jìn)而協(xié)同激活β連環(huán)素。

5 展望

在進(jìn)化上Sox因子和Wnt信號(hào)通路的關(guān)系很古老,并且它們?cè)诙喾N途徑上相互作用,其中Sox因子可以通過一系列機(jī)制調(diào)節(jié)β連環(huán)素/TCF的活性；其中Sox蛋白通過與β連環(huán)素、TCF相互作用及與Wnt形成反饋調(diào)節(jié)環(huán),形成一個(gè)復(fù)雜的Sox-Wnt信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng),在胚胎發(fā)育、性別決定和腫瘤發(fā)生等多種生理及病理過程中發(fā)揮重要作用。它們的作用在生命過程中意義重大,作用機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜,尚有很多未解問題有待探討,比如Sox-Wnt的相互作用系統(tǒng)在維持胚胎干細(xì)胞的穩(wěn)定性中的意義、Sox蛋白在不同細(xì)胞中的功能特異性的機(jī)制及其意義等；進(jìn)一步探討Sox蛋白與Wnt信號(hào)通路的關(guān)系和作用機(jī)制,無(wú)疑將極大地促進(jìn)對(duì)生物發(fā)育和腫瘤發(fā)生等一系列生理病理過程的了解和認(rèn)識(shí)。

[1]Gordon MD,Nusse R.Wnt signaling：multiple pathways，multiple receptors,and multiple transcription factors[J].J Biol Chem,2006,281（32）：22429-22433.

[2]Zorn AM,Barish GD,Williams BO,et al.Regulation of Wnt signaling by Sox proteins：XSox17alpha/beta and XSox3physically interact with beta-catenin[J].Mol Cell，1999,4（4）：487-498.

[3]Iguchi H,Urashima Y,Inagaki Y,et al.Sox6suppresses cyclin D1promoter activity by interacting with beta-catenin and histone deacetylase 1,and its down-regulation induces pancreatic beta-cell proliferation[J].J Biol Chem，2007,282（26）：19052-19061.

[4]Zhang Y,Huang S,Dong W,et al.Sox7,down-regulated in colorectal cancer,induces apoptosis and inhibits proliferation of colorectal cancer cells[J].Cancer Lett,2009，277（1）：29-37.

[5]Wilson M,Koopman P.M atching Sox：partner proteins and co-factors of the Sox family of transcriptional regulators[J].Curr Opin Genet Dev,2002,12（4）：441-446.

[6]Wissmuller S,Kosian T,Wolf M,et al.The high-mobilitygroup domain of Sox proteins interacts with DNA-binding domains of many transcription factors[J].Nucleic Acids Res,2006,34（6）：1735-1744.

[7]Zhang C,Basta T,Jensen ED,et al.The beta-catenin/VegT-regulated early zygotic gene Xnr5is a direct target of Sox3regulation[J].Development,2003,130（23）：5609-5624.

[8]Dong C,Wilhelm D,Koopman P.Sox genes and cancer. [J].Cytogenet Genome Res,2004,105（2-4）：442-447.

[9]Reichling T,Goss KH,Carson DJ,et al.Transcriptional profiles of intestinal tumors in Apc（Min）mice are unique from those of embryonic intestine and identify novel gene targets dysregulated in human colorectal tumors[J]. Cancer Res,2005,65（1）：166-176.

[10]Zhang W,Glockner SC,Guo M,et al.Epigenetic inactivation of the canonical Wnt antagonist SRY-box containing gene 17in colorectal cancer[J].Cancer Res,2008,68（8）： 2764-2772.

[11]Fu DY,Wang ZM,Li C,et al.Sox17,the canonical Wnt antagonist,isepigenetically inactivated by promoter methylation in human breast cancer[J].Breast Cancer Res T reat,2010,119（3）：601.

[12]Du Y,Oshima H,Oguma K,et al.Induction and downregulation of Sox17and its possible roles during the curse of gastrointestinal tumorigenesis[J].Gastroenterology，2009,137（4）：1346.

[13]De Bont JM,Kros JM,Passier MM,et al.Differential expression and prognostic significance of Sox genes in pediatric medulloblastoma and ependymoma identified by microarray analysis[J].Neuro Oncol,2008,10（5）：648-660.

[14]Sinner D,Kordich JJ,Spence JR,et al.Sox17and Sox4differentially regulate beta-catenin/T-cell factor activity and proliferation of colon carcinoma cells[J].Mol Cell Biol,2007,27（22）：7802-7815.

[15]Chen Y,Shi L,Zhang L,et al.The molecular mechanism governing the oncogenic potential of Sox2in breast cancer [J].J Biol Chem,2008,283（26）：17969-17978.

[16]Koopman P,Gubbay J,Vivian N,et al.Male development of chromosomally female mice transgenic for Sry[J].Nature,1991,351（6322）：117-121.

[17]Tamashiro DA,Alarcon VB,Marikawa Y.Ectopic expression of mouse Sry interferes with Wnt/beta-catenin signaling in mouse embryonal carcinoma cell lines[J].Biochim Biophys Acta,2008,1780（12）：1395-1402.

[18]Akiyama H,Lyons JP,Mori-Akiyama Y,et al.Interactions between Sox9and beta-catenin control chondrocyte differentiation[J].Genes Dev,2004,18（9）：1072-1087.

[19]Sinner D,Rankin S,Lee M,et al.Sox17and beta-catenin cooperate to regulate the transcription of endodermal genes[J].Development,2004,131（13）：3069-3080.

[20]Wiebe MS,Nowling TK,Rizzino A.Identification of novel domains within Sox-2and Sox-11involved in autoinhibition of DNA binding and partnership specificity[J].J Biol Chem,2003,278（20）：17901-17911.

[21]Kenny AP,Kozlowski D,Oleksyn DW,et al.SpSoxB1,a maternally encoded transcription factor asymmetrically distributed among early sea urchin blastomeres[J].Development,1999,126（23）：5473-5483.

[22]Angerer LM,Newman LA,Angerer RC.SoxB1downregulation in vegetal lineages of sea urchin embryos is achieved by both transcriptional repression and selective protein turnover[J].Development,2005,132（5）：999-1008.

[23]Overton PM,Chia W,Buescher M.The Drosophila HMG-domain proteins SoxNeuro and dichaete direct trichome formation via the activation of shavenbaby and the restriction of wingless pathway activity[J].Development，2007,134（15）：2807-2813.

[24]Dichtel-Danjoy ML,Caldeira J,Casares F.SoxF is part of a novel negative-feedback loop in the wingless pathway that controls proliferation in the drosophila wing disc[J]. Development,2009,136（5）：761-769.

[25]Bastide P,Darido C,Pannequin J,et al.Sox9regulates cell proliferation and is required for Paneth cell differentiation in the intestinal epithelium[J].J Cell Biol,2007,178（4）： 635-648.