REST和CoREST在神經(jīng)細(xì)胞分化發(fā)育過程中的調(diào)節(jié)作用

林震 賀曉生

(第四軍醫(yī)大學(xué): 1學(xué)員旅; 2西京醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

·綜述·

REST和CoREST在神經(jīng)細(xì)胞分化發(fā)育過程中的調(diào)節(jié)作用

林震1賀曉生2*

(第四軍醫(yī)大學(xué):1學(xué)員旅;2西京醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

神經(jīng)元限制性沉默因子; REST; CoREST; 神經(jīng)元分化

神經(jīng)元限制性沉默因子(neuron-restrictive silencer factor, NRSF)，是一種重要的鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控因子，它與某些基因中相應(yīng)的神經(jīng)元限制性沉默元件(neuron restrictive silencer element, NRSE)，又稱RE-1(repressor element 1, RE-1)相結(jié)合，從而對許多與神經(jīng)元發(fā)育及功能相關(guān)的基因的表達(dá)發(fā)揮阻遏作用。REST輔助抑制因子(REST corepressor, CoREST)是一種神經(jīng)元表型調(diào)控因子，CoREST與REST的C端結(jié)構(gòu)域(含有一個(gè)C2H2型鋅指結(jié)構(gòu))結(jié)合，形成阻遏復(fù)合物，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用。本文就REST和CoREST在神經(jīng)發(fā)育過程中的調(diào)控作用進(jìn)行綜述。

一、REST和CoREST概述

REST是一分子質(zhì)量為116 kD的鋅指蛋白，屬于具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的Gli-Kruppel家族，包含一個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，一個(gè)賴氨酸富含區(qū)，一個(gè)脯氨酸富含區(qū)，還有兩個(gè)發(fā)揮主要作用的C端和N端阻抑結(jié)構(gòu)域。REST主要調(diào)控神經(jīng)元特異性基因，防止神經(jīng)元基因的異位表達(dá)，維持神經(jīng)元表型，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程。REST在神經(jīng)發(fā)育過程中有著復(fù)雜的調(diào)控功能，部分原因是由于REST輔助蛋白CoREST介導(dǎo)的甲基化作用。CoREST分子質(zhì)量為53 kD，含有兩個(gè)SANT結(jié)構(gòu)域。它與REST形成阻遏復(fù)合物，對某些神經(jīng)特異性基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)揮阻遏作用[1]。在非神經(jīng)元細(xì)胞中，CoREST通過抑制神經(jīng)元表型基因的表達(dá)，維持這些細(xì)胞表型的特異性和穩(wěn)定性[2]。

二、REST和CoREST的作用及機(jī)制

1.REST通過兩端抑制結(jié)構(gòu)域形成阻遏復(fù)合物維持基因沉默，CoREST作為“分子靶標(biāo)”招募多種酶：REST與NRSE結(jié)合后，兩端抑制結(jié)構(gòu)域形成阻遏復(fù)合物，可以獨(dú)立的抑制神經(jīng)元特異性基因，此過程多種酶參與輔助調(diào)節(jié)。REST的N端和C端兩個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制結(jié)構(gòu)域分別結(jié)合不同蛋白，N端阻抑結(jié)構(gòu)域與轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白家族成員A(SIN3 transcription regulator family member A, Sin3A)結(jié)合，C端阻抑結(jié)構(gòu)域與CoREST的SANT結(jié)構(gòu)域結(jié)合，形成共阻遏復(fù)合物后，將組蛋白去乙?；?histone deacetylases, HDACs)和相關(guān)蛋白招募到啟動子區(qū)，使組蛋白的賴氨酸殘基去乙?；?，染色質(zhì)凝縮，轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶難以結(jié)合與啟動子區(qū)啟動轉(zhuǎn)錄，從而使靶基因表達(dá)沉默[3]。另外，REST和CoREST結(jié)合后，CoREST不僅招募HDAC及相關(guān)蛋白，還可以作為“分子靶標(biāo)”進(jìn)一步招募多種酶，如甲基化CpG結(jié)合蛋白(methyl-CpG-binding protein-2, MeCPs)、花斑抑制因子同源物(suppressor of variegation 3-9homolog1, SUV39H1)[4]、組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶(lysine specific demethylase 1, LSD1)、轉(zhuǎn)錄輔助因子C端結(jié)合蛋白1(C-terminal binding protein, CtBP1)以及染色質(zhì)重塑相關(guān)蛋白等。通過組蛋白去乙酰化，染色質(zhì)重塑，相關(guān)酶的甲基化等機(jī)制，REST調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，并維持基因表達(dá)沉默。

如果C端抑制結(jié)構(gòu)域C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，將會導(dǎo)致CoREST和REST分離。有研究表明，CoREST其中的一個(gè)SANT結(jié)構(gòu)域與DNA相互作用，另一個(gè)SANT結(jié)構(gòu)域上蛋白質(zhì)之間相互作用。CoREST的第一個(gè)結(jié)構(gòu)域與C端阻抑結(jié)構(gòu)域結(jié)合，還有可能通過SANT結(jié)構(gòu)域能進(jìn)一步增強(qiáng)REST與DNA的相互作用[5]。C端復(fù)合物和N端復(fù)合物均能下調(diào)基因轉(zhuǎn)錄活性，是REST發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2.REST在神經(jīng)元分化中的作用及其機(jī)制：神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育分化是很多神經(jīng)發(fā)育調(diào)節(jié)分子交叉協(xié)同作用下有序進(jìn)行的。促分化轉(zhuǎn)錄因子哺乳動物無剛毛-鱗甲同源物(mammalian achaete-scute homologue, Mash1)等轉(zhuǎn)錄激活因子可以促進(jìn)神經(jīng)元細(xì)胞表型的獲得；神經(jīng)母細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)移因子抗原(achaete-scute homolog 1, Ascl1)，腦因子2(brain2, Brn2)，髓鞘脂轉(zhuǎn)錄因子1樣基因(myelin transcription factor 1 like gene, Myt1l)[6]等轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子可以迅速有效的將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化成功能性神經(jīng)元,而REST等轉(zhuǎn)錄抑制因子與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育，神經(jīng)細(xì)胞分化等方面密切相關(guān)[7]。在神經(jīng)元分化過程中，REST表達(dá)逐漸下降，神經(jīng)元相關(guān)基因表達(dá)升高，REST表達(dá)的下調(diào)是保證神經(jīng)元正確分化的重要基礎(chǔ)，而REST的過表達(dá)將抑制神經(jīng)元特異基因的表達(dá)并會導(dǎo)致神經(jīng)軸突導(dǎo)向錯誤。在進(jìn)行REST敲除的小鼠實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)小鼠死于發(fā)育早期。這說明REST在神經(jīng)細(xì)胞分化調(diào)控中作為分化抑制物發(fā)揮重要作用。

另外，REST可以和其他發(fā)育分化調(diào)節(jié)途徑交叉作用。參與干細(xì)胞自我更新和分化的miRNA與REST相互作用，兩者之間存在負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制[8]。羧基端小結(jié)構(gòu)域磷酸酶1(small C terminal domain phosphataes 1, SCP1)是miR-124的靶基因，其基因產(chǎn)物也是REST的阻遏復(fù)合物之一，REST表達(dá)水平上升，抑制miR-124發(fā)揮作用，導(dǎo)致分化的神經(jīng)元中SCP1的表達(dá)量增多，從而促進(jìn)REST的轉(zhuǎn)錄抑制，抑制經(jīng)元分化。REST與miRNA相互作用，共同調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)分化發(fā)育。

在神經(jīng)元分化過程中，泛素連接酶復(fù)合物介導(dǎo)REST的泛素化及REST降解，而去泛素化酶(herpesvirus-associated ubiquitinspecific protease, HAUSP)可以維持REST低泛素化狀態(tài)并減少REST的降解。在REST調(diào)節(jié)神經(jīng)元分化過程中，HAUSP減少，而泛素連接酶增加，這一機(jī)制在調(diào)節(jié)REST的穩(wěn)定性起到重要作用[9-10]。

3.REST在不同信號通路中發(fā)揮調(diào)控作用：REST作為一個(gè)神經(jīng)基因組保護(hù)者控制神經(jīng)基因活動中多種信號通路的時(shí)間表，調(diào)節(jié)神經(jīng)分化和維護(hù)成熟神經(jīng)干細(xì)胞功能?；虺聊耐Ｖ购蜕窠?jīng)分化的啟動與REST表達(dá)下降有關(guān)，缺少REST導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育過早和大量REST靶基因的不表達(dá)。多種信號分子，包括果蠅翅膀缺刻因子(Notch)，果蠅無翅基因插入因子(wingless-insert, Wnt)，音猬因子(sonic Hedgehog, Shh)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在其他系統(tǒng)中與REST作用相關(guān)。這顯示REST也許在不同信號通路中控制神經(jīng)元基因組。尤其是骨形成發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)信號在控制成熟星形膠質(zhì)細(xì)胞沉默中起到重要作用[6]。

4.CoREST抑制基因轉(zhuǎn)錄的作用機(jī)制：CoREST以神經(jīng)干細(xì)胞為靶細(xì)胞并與之結(jié)合，相比于REST，CoREST優(yōu)先維護(hù)神經(jīng)干細(xì)胞并對它的發(fā)育進(jìn)行調(diào)控。進(jìn)行CoREST的敲除實(shí)驗(yàn)，顯示CoREST的切除阻礙神經(jīng)干細(xì)胞維護(hù)和改變神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育調(diào)控。

REST招募阻遏復(fù)合物結(jié)合到NRSE位點(diǎn)上從而抑制神經(jīng)元基因，REST阻遏復(fù)合物從NRSE位點(diǎn)的分離促進(jìn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的表達(dá)，從而激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中有兩種不同的神經(jīng)元基因：1型基因(class1 neuronal genes)和2型基因(class2 neuronal genes)。Class1只依賴REST抑制復(fù)合物從NRSE位點(diǎn)分離激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄；Class2，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotroph-ic factor, BDNF)的激活，受到REST復(fù)合物和CoREST復(fù)合物的雙重調(diào)控，他們結(jié)合在啟動子區(qū)域不同位置的CpG位點(diǎn)[11]。神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育早期，REST和CoREST復(fù)合物共同發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，使得基因轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)為高度阻遏，之后，REST表達(dá)下調(diào)，REST抑制復(fù)合物從位點(diǎn)上分離出來，此時(shí)主要由CoREST復(fù)合物介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄抑制。在細(xì)胞膜發(fā)生去極化刺激后，CoREST復(fù)合物中的MeCP2被磷酸化從染色體上分離出來后，僅有CoREST還留在CpG位置，此時(shí)基因呈現(xiàn)相對高表達(dá)狀態(tài)。這種調(diào)節(jié)模式對于神經(jīng)發(fā)育及分化可塑性調(diào)控提供了必要條件[12]。

三、REST和CoREST在病理?xiàng)l件下的作用

REST作為一個(gè)主控轉(zhuǎn)錄沉默因子，其功能的異常及其靶基因的失調(diào)與眾多的神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)，比如腦缺血性損傷[13]、癲癇[14-15]、神經(jīng)性疼痛[16]、亨廷頓病[17-18]、唐氏綜合征[19-20]以及x-連鎖智障[21]等。在缺血性損害或癲癇時(shí)，NRSF的水平會顯著增高[22]，亨廷頓舞蹈癥基因的產(chǎn)物亨廷頓蛋白能與REST蛋白直接作用，調(diào)節(jié)神經(jīng)元特異性基因的轉(zhuǎn)錄[23]。REST控制正常神經(jīng)生長和神經(jīng)干細(xì)胞分化，調(diào)節(jié)與腫瘤發(fā)生相關(guān)的異常改變[24]，尤其是神經(jīng)起源的癌癥，比如神經(jīng)管細(xì)胞瘤，神經(jīng)膠質(zhì)瘤，神經(jīng)母細(xì)胞瘤，這些可能來自癌癥干細(xì)胞[14]。這些研究表明，除了與胚胎早期發(fā)育有關(guān)外，REST在調(diào)節(jié)活性依賴的突觸可塑性以及在一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理過程中也起著重要作用。CoREST在病理?xiàng)l件下也發(fā)揮重要作用。在骨關(guān)節(jié)炎中，CoREST在軟骨細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞正常分化表型II型膠原表達(dá)水平下降，而終末分化表型X型膠原表達(dá)水平升高，這顯示CoREST是骨關(guān)節(jié)炎中軟骨細(xì)胞軟骨細(xì)胞合成代謝的調(diào)控因子[25]。

四、總結(jié)與展望

雖然人們對REST和CoREST的結(jié)構(gòu)和功能有了一定的了解，但隨著研究的深入，涉及到的問題越來越多，比如REST在神經(jīng)元分化中的作用范圍有多大？REST在神經(jīng)元各亞型中的選擇性表達(dá)受什么調(diào)控？CoREST對于REST是否還具有其他作用？REST和CoREST在病理?xiàng)l件下還有何作用？對REST和CoREST的進(jìn)一步研究將有助于闡述神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育模式，也有助于人們了解神經(jīng)系統(tǒng)疾病及一些腫瘤的發(fā)病機(jī)制，從而為相關(guān)疾病提供指導(dǎo)，未來更深入的研究將解決這些問題。

1ANDRES M E, BURGER C, PERAL-RUBIO M J, et al. CoREST: a functional corepressor required for regulation of neural-specific gene expression [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96(17): 9873-9878.

2BALLAS N, GRUNSEICH C, LU D D, et al. REST and its corepressors mediate plasticity of neuronal gene chromatin throughout neurogenesis [J]. Cell, 2005, 121(4): 645-657.

3QURESHI I A, MEHLER M F. Regulation of non-coding RNA networks in the nervous system—What's the REST of the story ? [J]. Neurosci Lett, 2009, 466(2): 73-80.

4OOI L, WOOD I C. Chromatin crosstalk in development and disease: lessons from REST [J]. Nat Rev Genet, 2007, 8(7): 544-554.

5LEE M G, WYNDER C, COOCH N, et al. An essential role for Corest in nucleosomal histone 3 lysine 4 demetylation [J]. Nature, 2005, 437(7057): 432-435.

6GAO Z, URE K, DING P, et al. The master negative regulator REST/NRSF controls adult neurogenesis by restraining the neurogenic program in quiescent stem cells [J]. J Neurosci, 2011, 31(26): 9772-9786.

7HERMANSON O. Stem Cells have different needs for REST [J]. PLoS Biol, 2008, 6(10): 2094-2097.

8PACKER A N, XING Y, HARPER S Q, et al. The bifunctional microRNA miR-9/miR-9 regulates REST and CoREST and is downregulated in Huntington's disease [J]. J Neurosci, 2008, 28(53): 14341-14346.

9GUARDAVACCARO D, FRESCAS D, DORRELLO N V, et al. Control of chromosome stability by the beta-TrCP-REST-Mad2 axis [J]. Nature, 2008, 452(7185): 365-369.

10WESTBROOK T F, HU G, ANG X L, et al. SCF beta-TRCP controls oncogenic transformation and neural differentiation through REST degradation [J]. Nature, 2008, 452(7185): 370-374.

11QURESHI I A, GOKHAN S, MEHLER M F. REST and CoREST are transcriptional and epigenetic regulators of seminal neural fate decisions [J]. Cell Cycle, 2010, 9(22): 4477-4486.

12BALLAS N, MANDEL G. The many faces of REST oversee epigenetic programming of neuronal genes [J]. Opin Curr Neurobiol, 2005, 15(5): 500-506.

13CALDERONE A, JOVER T, NOH K M, et al. Ischemic insults derepress the gene silencer REST in neurons destined to die [J]. J Neurosci, 2003, 23(6): 2112-2121.

14HU X L, CHENG X W, CAI L, et al. Conditional deletion of NRSF in forebrain neurons accelerates epileptogenesis in the kindling model [J]. Cereb Cortex, 2011, 21(9): 2158-2165.

15SPENCER E M, CHANDLER K E, HADDLEY K, et al. Regulation and role of REST and REST4 variants in modulation of gene expression in in vivo and in vitro in epilepsy models [J]. Neurobiol Dis, 2006, 24(1): 41-52.

16UCHIDA H, MA L, UEDA H. Epigenetic gene silencing underlies c-fiber dysfunctions in neuropathic pain [J]. J Neurosci, 2010, 30(13): 4806-4814.

17ZUCCATO C, BELYAEV N, CONFORTI P, et al. Widespread disruption of repressor element-1 silencing transcription factor/neuron-restrictive silencer factor occupancy at its target genes in Huntington's disease [J]. J Neurosci, 2007, 27(26): 6972-6983.

18ZUCCATO C, TARTARI M, CROTTI A, et al. Huntingtin interacts with REST/NRSF to modulate the transcription of NRSE-controlled neuronal genes [J]. Nat Genet, 2003, 35(1): 76-83.

19CANZONETTA C, MULLIGAN C, DEUTSH S, et al. DYRK1A-dosage imbalance perturbs NRSF/REST levels, deregulating pluripotency and embryonic stem cell fate in Down syndrome [J]. AM J Hum Genet, 2008, 83(30): 388-400.

20LEPAGNOL-BESTEL A M, ZVARA A, MAUSSION G, et al. DYRK1A interacts with the REST/NRSF-SWI/SNF chromatin remodelling complex to deregulate gene clusters involved in the neuronal phenotypic traits of Down syndrome [J]. Hum Mol Genet, 2009, 18(8): 1405-1414.

21DING N, ZHOU H, ESTEVE P O, et al. Mediator links epigenetic silencing of neuronal gene expression with x-linked mental retardation [J]. Mol Cell, 2008, 31(3): 347-359.

22PALM K, BELLUARDO N, METSIS M, et al. Neuronal expression of zinc finger transcription factor REST/NRSF/XBR gene [J]. J Neurosci, 1998, 18(4): 1280-1296.

23BUCKLEY N J, JOHNSON R, ZUCCATO C, et al. The role of REST in transcriptional and epigenetic dysregulation in Huntington's desease [J]. Neurobiol Dis, 2010, 39(1): 28-39.

24LAWINGER P, VENUGOPAL R, GUO Z S, et al. The neuronal repressor REST/NRSF is an essential regulator in medulloblastoma cells [J]. Nat Med, 2000, 6(7): 826-831.

25XIAO J, LI T, WU Z H, et al. REST corepressor (CoREST) repression induces phenotypic gene regulation in advanced ostearthritic chondrocytes [J]. J Orthop Res, 2010, 28(12): 1569-1579.

1671-2897(2017)16-187-03

林震，本科生，E-mail:664604864@qq.com

*通訊作者：賀曉生，教授，E-mail:hexiaosheng03752@126.com

Q 291

A

2015-07-10；

2015-09-25)