Hox基因家族及其對動物脊椎形成的影響

李桃桃，金美林，費曉娟，王慧華，陸 健，狄 冉，魏彩虹*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.全國畜牧總站，北京 100193)

1 Hox家族概述

同源異型盒基因(homeobox genes)編碼的轉(zhuǎn)錄因子包含一個由61個氨基酸組成的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，稱為同源結(jié)構(gòu)域(homeodomain，HD)[1-2]。HD呈類球形折疊，它的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋超二級結(jié)構(gòu)可識別以5′-TAAT-3′為核心的DNA序列，N-末端臂與DNA小溝的接觸起穩(wěn)定結(jié)合的作用[1,3]。這些轉(zhuǎn)錄因子可通過序列特異性結(jié)合DNA并且與蛋白輔因子相互作用來調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄進而影響細胞行為和活性[4]。從酵母到人類幾乎所有真核生物中都有同源異型盒基因的多個拷貝，同源異型盒基因在正常胚胎發(fā)育中的作用以Hox基因家族最為突出[5]。

Hox基因最初是在果蠅的研究中發(fā)現(xiàn)聚集于觸角(ANT-C)和雙觸角(BX-C)復(fù)合體中的兩簇基因，它們指定頭部和軀干區(qū)域的身份[6]，缺失突變或者異位表達可以引起果蠅身體的同源異型轉(zhuǎn)化，從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為相鄰的另一種形態(tài)[4]。在進化過程中，經(jīng)歷共同祖先兩次全基因組復(fù)制以及基因丟失，脊椎動物形成了4個Hox基因簇[7-8]。高等脊椎動物這4個Hox基因簇，稱為Hoxloci，人類表示為HOXA、HOXB、HOXC、HOXD；小鼠表示為Hoxa、Hoxb、Hoxc、Hoxd[9-10]。每個簇位于不同的染色體上，具體來說，Hoxa-d位于小鼠的6、11、15和2號染色體上，HOXA-D位于人類的7、17、12和2號染色體上[11]。脊椎動物至少有39個Hox基因分布在4個簇中，根據(jù)序列相似性又可分為13個旁系同源組，Hoxa-d這4個簇中，每簇由9～11個基因組成，沒有一簇包含全部13個Hox基因。這被認為是全基因組復(fù)制后進化過程中基因丟失導(dǎo)致的，因此每一旁系同源組中含有2～4個Hox基因家族成員[12]。

2 Hox基因表達特點

2.1 時空共線性

在胚胎發(fā)育期，所有Hox基因有相同的轉(zhuǎn)錄方向。Hox基因轉(zhuǎn)錄激活以染色體中3′→5′方向按時間先后順序逐個啟動，特定Hox基因在特定的時間和位置表達或沉默。即最3′端的Hox1基因最先激活，在最前端的胚胎組織表達；最5′端的Hox13基因最后激活，在最后端的胚胎組織表達[10]。Hox基因在染色體上的排列順序與其沿著胚胎前-后軸連續(xù)的表達域之間存在緊密的對應(yīng)關(guān)系。這個性質(zhì)，被稱為“空間共線性”，最初在果蠅中觀察到[13]，隨后研究發(fā)現(xiàn)在脊椎動物中同樣適用。脊椎動物中，Hox基因表達域的空間共線性分布還與它們轉(zhuǎn)錄激活的時間相關(guān)，即靠近3′端的基因(“前”Hox基因，如PG1中的基因)比靠近5′端的基因(“后”Hox基因，如PG13中的基因)更早表達，Hox基因時間上的這種先后激活反映出它們在染色體上的排列順序以及在胚胎軸上的表達域[14-15]。即脊椎動物的Hox基因表達具有“時空共線性”特點[16]。這種特定的表達域以及相應(yīng)的表達時間對于正常的胚胎發(fā)育至關(guān)重要，胚胎中任何前-后軸水平HOX蛋白組合的變化通常都會導(dǎo)致軸向模式的改變[17-18]。Hox基因表達的時空共線性確保Hox基因有序轉(zhuǎn)錄激活，在前部Hox基因激活前保持后部Hox基因的沉默狀態(tài)。

2.2 功能冗余性及互補性

進化過程中的全基因組復(fù)制，導(dǎo)致Hoxa、Hoxb、Hoxc以及Hoxd4個基因簇的存在，位于4個簇中相同位置的Hox基因顯示出高度的序列相似性，因此具有一定的功能等效性[19]。同一旁系同源組以及不同旁系同源組基因之間具有功能冗余性和互補性。Hox基因單一突變和組合突變的表型比較證實了同一旁系同源組成員之間的功能冗余，相比單一突變，幾個同源基因突變或者整個同源組突變都會導(dǎo)致更嚴重的表型缺陷[20-22]，在Hox3、Hox4、Hox10和Hox11等旁系同源基因間均存在功能冗余現(xiàn)象。猜測這種現(xiàn)象是因為單一突變時的表型被其他同源基因補償而不會導(dǎo)致很嚴重的缺陷。而在不同同源組間，Hox基因表達域有重疊，會表現(xiàn)為功能上的冗余。

2.3 Hox基因的作用

Hox基因?qū)儆诎l(fā)育基因，在整個生命過程中調(diào)節(jié)特定于細胞的活動。胚胎發(fā)生過程中，沿前-后軸和近-遠軸Hox基因表達的組合模式是相對嚴格定義的，并且這種位置記憶信息一直持續(xù)到成年期[23]。Hox基因以時空共線性原則在胚胎的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和各個胚層的特定位置表達，協(xié)調(diào)和控制動物的多個生長發(fā)育系統(tǒng)。無論是肢體、大腦、內(nèi)臟、肌肉、血液、骨骼的發(fā)育分化，還是免疫系統(tǒng)的形態(tài)發(fā)生、身體的模式化，都受到Hox基因的影響[24]。

Hox基因家族在身體形態(tài)的發(fā)育模式中起重要作用。Hox基因參與身體形態(tài)決定的形成過程，其突變或者異位表達會導(dǎo)致脊椎形態(tài)缺陷，這些缺陷表現(xiàn)為沿前-后軸的椎骨形態(tài)轉(zhuǎn)化,包括椎骨畸形、椎骨融合、肋骨融合和椎骨同源異型轉(zhuǎn)化等。

Hox基因家族參與動物附肢的發(fā)育，脊椎動物Hoxa和Hoxd簇基因是正常肢體發(fā)育所必需的[20, 25-26]。Hox9-Hox13對肢體近-遠軸的發(fā)育不可或缺，并且參與形態(tài)決定，如Hox9決定肱骨和股骨形態(tài)；Hox11決定前后肢的尺骨、脛骨和腓骨形態(tài)；Hox13決定腕關(guān)節(jié)、指/趾形態(tài)[19-20, 27-28]。

Hox基因家族參與調(diào)控生殖系統(tǒng)的發(fā)育，雌性生殖道產(chǎn)生于繆勒氏管(Mullerian ducts，MDs)結(jié)構(gòu)。MDs的前-后軸發(fā)育模式以特定的順序進行，依次發(fā)展成輸卵管、子宮、子宮頸和上陰道，這主要由5′-Hoxa控制[9]。如，Hoxa9在輸卵管區(qū)表達，Hoxa10在子宮中表達，Hoxa11在子宮下段和宮頸的原基中表達，Hoxa13在上陰道表達[9, 29]。Hoxa10缺失導(dǎo)致子宮轉(zhuǎn)化為輸卵管樣結(jié)構(gòu)[30]。Hoxa13突變導(dǎo)致泌尿生殖竇發(fā)育不良，MDs后部發(fā)育不全。在成年的人和其他動物中，子宮內(nèi)膜會經(jīng)歷一個有序的分化過程，存在著床容受性現(xiàn)象。Hox/HOX基因通過激活或抑制靶基因的表達來控制子宮內(nèi)膜周期性發(fā)育和著床容受性。HOXA10和HOXA11的表達在分泌中期，即胚胎植入時急劇增加，并且它們在整個分泌期保持升高，這是胚胎植入所必需的[31]。Hoxa10/HOXA10和Hoxa11/HOXA11表達的降低導(dǎo)致小鼠和人的胚胎植入率降低，造成子宮內(nèi)膜發(fā)育受損，阻止胚胎著床并導(dǎo)致不孕[9, 32]。

Hox基因家族參與造血祖細胞(hematopoietic progenitor cells，HPCs)的增殖、分化和成熟。Hox基因在細胞系和骨髓中以譜系特異性方式表達。HOXB4和HOXA9是造血干細胞中的主要調(diào)節(jié)因子，在胚胎發(fā)生過程中促進自我更新，并且與重要的造血基因增強子相互作用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄[33-35]。HOXA5、HOXA9和HOXA10在T淋巴細胞生成中發(fā)揮重要作用[36]。大多數(shù)Hox基因可以促進造血祖細胞的增殖并抑制其分化[37]。Hox基因的過表達引起造血細胞過度增殖并導(dǎo)致白血病[38]，而其缺失或者敲除導(dǎo)致血細胞數(shù)量減少以及造血能力下降[37]。造血能力失調(diào)以及白血病惡性轉(zhuǎn)化與Hox基因表達失調(diào)直接相關(guān)[39]。

Hox基因家族參與癌癥調(diào)控。在胚胎發(fā)育過程中，細胞增殖與分化之間的平衡對于胎兒的正常發(fā)育至關(guān)重要，但是在癌癥中，這兩個過程之間的平衡被打破。Hox基因在惡性腫瘤中差異表達，根據(jù)腫瘤類型不同充當原癌基因或抑癌基因，它們通過上調(diào)或下調(diào)來發(fā)揮作用[40]。如，HOXA9作為原癌基因在白血病中過度表達，但在乳腺癌中下調(diào)[41]；HOXB7作為原癌基因在乳腺癌和肺癌中上調(diào)[42-43]。Hox基因誘導(dǎo)各種癌癥的發(fā)生，與細胞自噬、增殖、分化、凋亡和遷移等過程中Hox表達失調(diào)有關(guān)[44-46]。

3 Hox基因家族與動物脊椎

脊椎是哺乳動物整個軀體的框架及支柱。一般包括頸椎、胸椎、腰椎、薦椎和尾椎5部分，在進化過程中，每種動物都形成特定于物種的“椎骨公式”，小鼠典型的椎骨公式由7個頸椎、13個胸椎、5或6個腰椎、4個薦椎以及28個尾椎組成，而蛇胸椎數(shù)超過200個，猴子有超過30個尾椎，人類卻只有相對較少的3～5個融合尾椎。雖然各種動物各椎骨數(shù)有所差異，但每類脊椎的共同形態(tài)特征得以保留。脊椎由胚胎發(fā)育過程中的體節(jié)分化而來，體節(jié)在近軸中胚層形成，隨后分化為不同形態(tài)的椎骨以及骨骼肌[47]。體節(jié)向椎骨的分化由Hox基因調(diào)控[47]。對具有不同椎骨公式的脊椎動物胚胎進行比較分析，發(fā)現(xiàn)特定的Hox基因與脊椎的特定形態(tài)密切相關(guān)，表明Hox基因在建立脊椎動物中軸骨骼中的關(guān)鍵作用。

Hox基因在脊椎動物胚胎近軸中胚層的特定位置表達，指導(dǎo)體節(jié)發(fā)育成各類脊椎。從果蠅、線蟲到小鼠等各種動物的研究中得知，Hox基因在確定身體前后軸椎骨身份中的作用，其突變或者異位表達時脊椎形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化。

3.1 Hox基因與頸椎

頸部是由一系列頸椎組成的形態(tài)獨特且至關(guān)重要的功能系統(tǒng)，是對基本功能需求的形態(tài)學(xué)適應(yīng)。與頭骨形成關(guān)節(jié)的椎骨寰椎，是頸部骨骼的第一個組成部分，而后是樞椎與之相連。頸椎具有基本的功能區(qū)域寰樞椎復(fù)合體(促進頭部的活動)和頸胸過渡區(qū)。對進食行為和運動行為至關(guān)重要。在脊椎動物中，頸椎數(shù)一般差異較大，但是哺乳動物頸椎數(shù)比較保守，一般均為7個頸椎，除樹懶(5～10個不等)和海牛(一般為6個)的頸椎數(shù)打破了頸椎限制[48-49]。Hox3、Hox4和Hox5的功能缺失試驗證明了它們在建立頸椎形態(tài)中的作用。Horan等[50]研究發(fā)現(xiàn)，Hox4同源基因中3個基因的缺失導(dǎo)致第三至第七頸椎形態(tài)向第一和第二頸椎形態(tài)轉(zhuǎn)化。體節(jié)中Hox4表達域的前邊界在雞和小鼠中相似，即Hoxb4對應(yīng)前頸椎的位置，Hoxa4和Hoxc4映射到兩種動物頸椎的中部椎骨[51]。Hox5同源基因的缺失導(dǎo)致第三至第七頸椎形態(tài)轉(zhuǎn)變[21]。Hoxc5的原位雜交試驗結(jié)果顯示其在小鼠和雞頸椎的不同體節(jié)表達，表達邊界代表相同的解剖學(xué)水平，即對應(yīng)第二至最后一節(jié)頸椎[51]，Hoxa3和Hoxd3主要控制寰椎的生成[52]。綜上，Hox3、Hox4和Hox5基因在胚胎發(fā)育過程中決定頸椎形態(tài)。

3.2 Hox基因與胸腔

動物的胸腔由3部分組成，分別為胸椎、肋骨和胸骨，并且共同組成胸腔。進化過程中，哺乳動物的胸椎含有相對固定的數(shù)目，一般為13～14個，同時有相同數(shù)目的肋骨與之相連。前部的8根肋骨在遠端與胸骨相連，其余后部肋骨為浮肋。Hox基因在胸腔的表達模式不遵循共線性特征，胸椎和近端肋骨由近軸中胚層的體節(jié)發(fā)育而來，而胸骨和遠端肋骨由側(cè)板中胚層發(fā)育而來[21, 53]。在這兩個組織中，Hox基因具有不同的表達模式，可能涉及兩個獨立的機制。在Hox9同源基因完全突變的小鼠中，觀察到所有肋骨均與胸骨相連，這表明Hox9對于浮肋的產(chǎn)生起主要作用[21]。在前體中胚層(PSM)中異位表達Hox6的轉(zhuǎn)基因小鼠在頸椎和腰椎區(qū)域發(fā)育出肋骨[54]，形態(tài)與胸椎相似，表明Hox6能夠使胸部前后的椎骨表現(xiàn)出胸部特征。結(jié)合Hox6在近軸中胚層的表達域前邊界對應(yīng)頸胸轉(zhuǎn)化的體節(jié)區(qū)域[51]，說明Hox6在脊椎形成過程中誘發(fā)肋骨生成。在Hox基因的功能突變研究中，唯一沒有發(fā)生形態(tài)變化的就是胸椎[55]，所有的胸椎形態(tài)相似，這些胸椎形態(tài)基本不受Hox基因突變的影響。綜上，認為Hox6誘發(fā)肋骨生成；Hox9維持正確數(shù)目的肋骨與胸骨連接，確保后部肋骨為浮肋；Hox6-Hox8使體節(jié)發(fā)育成胸椎。而胸椎不依賴Hox基因突變的形態(tài)特征，可能由于胸椎是一種發(fā)育進化中的基礎(chǔ)狀態(tài)[55]，也可能由于Hox6-Hox8組基因在胸椎所對應(yīng)的體節(jié)中表達域重疊，存在功能冗余和互補，單一組的突變不會產(chǎn)生明顯的形態(tài)轉(zhuǎn)變，需要更復(fù)雜的Hox基因組合突變來進行驗證，在體節(jié)水平進行Hox6-Hox8所有基因的缺失突變研究可能會產(chǎn)生關(guān)于Hox基因在胸椎形態(tài)決定更合理的解釋。

3.3 Hox基因與腰椎

在陸地脊椎動物中，腰椎是承重骨骼，通常是最大的椎骨，腰椎數(shù)目在不同的動物中不同，哺乳動物腰椎一般為5～6個。最初是在探究Hox10對腰椎的形態(tài)決定中發(fā)現(xiàn)了Hox基因控制脊椎形態(tài)特征的。Hox10的突變分析證明，Hox基因參與控制沿前-后軸的脊椎區(qū)域模式化[20]。Hox10同源基因失活導(dǎo)致小鼠的腰薦區(qū)域生出胸椎樣肋骨，表現(xiàn)出胸部特征。在包括胸椎在內(nèi)的PSM中異位表達任一Hox10同源基因，觀察到完全沒有肋骨生成[56]，證明Hox10基因有抑制肋骨的活性。因此，胸腰椎過渡和腰椎形態(tài)的模式化需要Hox10基因發(fā)揮肋骨抑制作用。在玉米蛇中，Hoxa10和Hoxc10的表達域向前移動，在胸椎所對應(yīng)的體節(jié)中表達但是沒有發(fā)揮肋骨抑制作用，蛋白序列比對發(fā)現(xiàn)Hoxa10和Hoxc10蛋白序列發(fā)生改變，從而使肋骨抑制活性降低，說明進化過程的自然選擇導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)改變，從而導(dǎo)致蛇擁有獨立于一般脊椎動物的椎骨形態(tài)[57]。

3.4 Hox基因與薦椎和尾椎

薦椎在動物成年后融合成薦骨，是骨盆附著的部位。脊椎終止于尾椎，在進化過程中，不同的物種為適應(yīng)環(huán)境變化，尾椎數(shù)目變化較大。研究發(fā)現(xiàn)Hox11參與決定薦椎形態(tài)，缺失Hox11的小鼠薦椎形態(tài)改變，形成與腰椎一樣的特點[20]。在PSM中異位表達Hoxa11的轉(zhuǎn)基因小鼠胚胎顯示出相鄰椎骨的融合[56]，并且把這種轉(zhuǎn)化稱為椎骨“薦化”。在所有Hox10基因突變體中，不僅在腰椎上有肋骨生成，甚至薦骨側(cè)突也向肋骨狀突起轉(zhuǎn)化，比較Hox10和Hox11突變小鼠的表型發(fā)現(xiàn)，Hox10突變引起整個薦椎側(cè)突向胸椎的肋骨樣轉(zhuǎn)化，Hox11突變時薦椎向腰椎樣表型轉(zhuǎn)化[21]。說明薦骨的形成既需要Hox10提供的肋骨抑制活性，也需要Hox11來促進相鄰椎骨的側(cè)向生長物產(chǎn)生和融合，以形成薦骨翼。即這兩組基因同在薦骨形態(tài)中起作用。Hox11還參與尾椎的形態(tài)決定[20]，轉(zhuǎn)基因試驗表明Hox11的組織特異性可能在這一過程中起作用，Hoxa11在體節(jié)表達形成尾椎，而在PSM中表達導(dǎo)致椎骨“薦化”。這種組織特異性背后的分子機制仍有待確定。Hoxa13和Hoxd13在蛇胚胎的尾芽和PSM中不表達使蛇尾部區(qū)域較長[57]，小鼠體內(nèi)Hoxb13的失活導(dǎo)致小鼠尾椎的小范圍延長[58]，表明Hox13基因可能對后軸延伸產(chǎn)生負調(diào)控而非簡單的形態(tài)決定[59]。與上述情況一致，在轉(zhuǎn)錄因子Cdx2調(diào)控下表達Hoxa13、Hoxb13或Hoxc13的轉(zhuǎn)基因動物過早終止了軸向延伸[60]。因此，Hox13活性的降低可能是細長身體模式進化的關(guān)鍵事件。綜上，Hox10的肋骨抑制活性以及Hox11促進相鄰椎骨融合活性共同維持薦骨正常形態(tài)；Hox13具有終止體軸伸長的功能，對于進化過程身體尾部的終止有重要作用。

綜合Hox基因在模式動物小鼠以及非洲爪蟾、雞、蛇上的研究，發(fā)現(xiàn)在早期胚胎中，Hox基因決定了軀干的不同軸向結(jié)構(gòu)形態(tài)以及它們之間的轉(zhuǎn)換。Hox4表達域前邊界接近枕/頸部的過渡邊界，Hox6表達域前邊界總是在頸胸交界處[61]，Hoxa10表達域前邊界幾乎總是在胸腰椎過渡處[21]，這些關(guān)系在進化上是保守的。關(guān)于Hox基因?qū)τ诩棺瞪矸莸拇_定，不同的Hox基因與特定的形態(tài)特征相聯(lián)系，例如Hox6促使胸椎上形成肋骨，Hox9確保正確數(shù)量的肋骨附著于胸骨，Hox10抑制肋骨生成，確保正常的腰椎形態(tài)，Hox13負調(diào)控尾椎的伸長。

4 Hox基因在動物脊椎的調(diào)控特點

4.1 Hox基因的調(diào)控類型

時空共線性是Hox基因精準有序表達來調(diào)控脊椎軸向模式的關(guān)鍵。而Hox基因時空共線性表達的具體原因仍存在不同的爭議?；谑状卧诠壷邪l(fā)現(xiàn)的表型抑制現(xiàn)象，“后端優(yōu)勢”模型被提出，用來解釋后部Hox基因的功能優(yōu)于一同表達的前部Hox基因的功能[62]。該模型認為“特定身份區(qū)域的模式信息主要依賴于一種Hox基因(同源基因組)，并且在兩個或多個Hox基因(同源基因組)表達域重疊的情況下，模式化信息由更后的基因提供[16, 63]”。根據(jù)這個模型，脊椎身份由更后部的Hox基因起主要決定作用。在一些情況下，Hox等位基因功能缺失導(dǎo)致的缺陷并不符合后端優(yōu)勢模型。有研究發(fā)現(xiàn)，動物脊椎形態(tài)是由幾組Hox基因共同決定的。所以“Hox編碼”模型被提出，用來描述Hox基因的組合表達最終決定了不同椎骨的形態(tài)[62]。該模型認為，體節(jié)從表達Hox基因的特定組合中獲得其特定形態(tài)特征。這個模型的一個推論是，不同的HOX蛋白具有不同的功能，Hox基因的每個同源組在軸向模式中的遺傳功能不同，最終的脊椎形態(tài)是共同表達基因中每一個基因所賦予的獨特形態(tài)的組合。Hox同源基因的缺失不會顯著影響下一個相鄰基因組的表達支持了“Hox編碼”模型[21]，不同基因組合突變時表型不同也說明每個Hox基因發(fā)揮不同作用。然而，非洲爪蟾Hox1下調(diào)或者失活導(dǎo)致后續(xù)Hox基因表達的下調(diào)[64]，同樣，非洲爪蟾胚胎中Hoxd1、Hoxb4、Hoxa7和Hoxb9的異位表達誘導(dǎo)了它們自身的表達以及旁系同源物和更多后部Hox基因的表達[61]。這種前部Hox基因誘導(dǎo)后部Hox基因表達的現(xiàn)象稱為“后向誘導(dǎo)”[16]。后向誘導(dǎo)也在正常胚胎發(fā)育過程中起作用。這些模型提出關(guān)于Hox基因在動物脊椎中的重要作用，但是目前關(guān)于Hox基因的調(diào)控模式仍存在爭議，還需要更多的分子研究以及更加統(tǒng)一的模式來進行Hox基因的功能說明。

4.2 Hox基因的調(diào)控機制

Hox轉(zhuǎn)錄啟動的正確時間是介導(dǎo)胚胎期脊椎生成和模式化的基礎(chǔ)。脊椎動物中，Hox基因的時空共線性表達確保正確的身體模式。因此，在空間和時間上對基因轉(zhuǎn)錄的嚴格控制對胚胎正常發(fā)育至關(guān)重要，胚胎中任何給定前-后軸HOX蛋白組合的變化通常會導(dǎo)致軸向模式的改變[18]。在原腸胚時期最初激活后，大多數(shù)Hox基因(Hox3-Hox13)在體節(jié)及其衍生物(前體椎骨)動態(tài)表達，建立最初的Hox表達域。在體節(jié)發(fā)育和分化過程中，早期建立的Hox基因表達域可以向前或向后移動。這些變化的模式因基因而異，并且由額外的調(diào)節(jié)輸入選擇性地改變Hox基因的初始表達域[65]。

體節(jié)是近軸中胚層細胞塊，產(chǎn)生脊椎及相關(guān)的肌肉和肌腱。在發(fā)育過程中，體細胞形成通過一系列形態(tài)發(fā)生因子的動態(tài)梯度表達與脊椎軸形成緊密結(jié)合[65-66]，即成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、Wnt蛋白、Notch信號通路和維甲酸(retinoic acid，RA)的動態(tài)梯度表達。而FGF、Wnt、Notch和RA等都是近軸中胚層Hox基因表達的上游調(diào)節(jié)因子，將體節(jié)發(fā)生和脊椎形態(tài)聯(lián)系起來[67]。FGF、Wnt、Notch和RA等信號因子的缺失表達或通路異常導(dǎo)致脊椎形態(tài)的同源異型轉(zhuǎn)化以及Hox基因表達域移動或不表達[68]。RA是Hox基因表達的生理激活劑，以階段依賴的方式在原始條紋中對Hox激活進行調(diào)節(jié)輸入[69]。RA可能參與原始條紋中幾乎所有Hox基因的初始誘導(dǎo)，而其他因素則更多調(diào)節(jié)Hox基因的子集。在典型的Wnt信號通路中，Wnt3形成于胚胎的原始條紋形成之前，Wnt3缺失突變時胚胎不表達Hox基因。位于Hoxa簇3′端的亞拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域內(nèi)的一系列增強子(Ades1和Ades2等)是Wnt依賴性的，在Wnt信號傳入時啟動3′-Hoxa轉(zhuǎn)錄[70]。FGF可通過Cdx間接激活爪蟾和小鼠中心Hox基因，但不激活3′-Hox基因，主要誘導(dǎo)Hoxb6、Hoxc6、Hoxa7、Hoxb7、Hoxb8、Hoxb9表達[71]。此外，Notch信號通路中的基因也調(diào)控Hox基因的表達，該通路中基因的功能缺失或功能獲得性突變，會影響PSM中Hox基因的表達[72]以及隨后的脊椎模式[73]。Notch信號通路的效應(yīng)器RBP-JK失活時，導(dǎo)致中胚層Hox基因表達下調(diào)[72]。Notch配體Dll1的顯性抑制引起Notch信號減少，導(dǎo)致椎骨身份的前向轉(zhuǎn)化和幾個Hox基因表達域的后向轉(zhuǎn)移[73]。

Cdx同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子在脊椎動物體軸和腸上皮的發(fā)育中起重要作用。Cdx基因?qū)儆诟盚ox基因，與Hox基因有共同的祖先[74]。Cdx基因產(chǎn)物對Hox啟動子具有調(diào)節(jié)能力，Cdx突變時觀察到一些Hox基因表達域的轉(zhuǎn)移以及脊椎的同源異型轉(zhuǎn)化。在Wnt信號快速而強烈地誘導(dǎo)3′-Hox基因激活后，Cdx轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)激活中心Hox基因，并且也能激活5′-Hox基因，直到最后一個基因Hox13阻止該過程[59]。Cdx2突變時胚胎體軸生長終止，這是因為Hox13競爭結(jié)合靶基因來拮抗Cdx2，阻止軸向延伸[17]。而中心Hox基因、Wnt以及FGF可以部分補償Cdx突變導(dǎo)致的體軸過早終止[60, 75]。因此，F(xiàn)GF、Wnt和RA等信號傳導(dǎo)對Hox基因的調(diào)控與Cdx轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)[17,75]。FGF、Wnt、RA等信號分子可直接靶向或間接(通過與Cdx作用)作用于Hox基因來調(diào)控體軸末端的延伸。

Gdf11是妊娠中期在胚胎后部區(qū)域表達的轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)家族成員，是軀干到尾部轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵激活因子。Gdf11在Hox基因的上游發(fā)揮作用，使5′-Hox基因在與后肢對應(yīng)的軸向水平上激活。Gdf11信號傳導(dǎo)受損的小鼠具有較長的軀干，相反，Gdf11過早激活導(dǎo)致軀干更早向尾部過渡，使后肢位于前肢旁邊，導(dǎo)致胚胎沒有軀干[76]。Gdf11在不同脊椎動物中的表達進一步支持了這種信號在脊椎動物身體長度進化中的作用[77-78]。

綜上，胚胎發(fā)生過程中不同信號的精確定時決定了Hox基因轉(zhuǎn)錄激活的時空共線性:Wnt3和Wnt3a信號誘導(dǎo)3′-Hox基因激活[70]，F(xiàn)GF-Cdx蛋白刺激中心Hox基因表達[59]，而Gdf11進一步激活Hox11-Hox13基因[76,78]。雖然這些對同一調(diào)控因子有反應(yīng)的不同基因組的時間進程仍有待研究，但這可能依賴于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的漸進性改變和定向開放。

在胚胎發(fā)育過程中，染色體結(jié)構(gòu)變化增加了基因調(diào)控的復(fù)雜性。它有助于在相對較遠的DNA區(qū)間調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[79]。Hox基因調(diào)控是研究染色質(zhì)修飾在發(fā)育過程中維持可遺傳轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的經(jīng)典模型。局部組蛋白修飾和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化都參與Hox簇的轉(zhuǎn)錄控制。特殊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是Hox基因共線性表達的原因之一，染色質(zhì)狀態(tài)的漸進改變使Hox基因從抑制狀態(tài)依次轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。維持Hox基因轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的是兩組反向作用的蛋白質(zhì)：Polycomb組的轉(zhuǎn)錄抑制蛋白(PcG)和Trithorax組的轉(zhuǎn)錄激活蛋白(TrxG)，PcG維持著Hox簇基因位點的沉默，TrxG控制Hox簇的轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)[80-81]。PcG蛋白通過2個主要的蛋白復(fù)合物：PRC1和PRC2來抑制Hox基因的表達，PRC2通過催化組蛋白H3賴氨酸27(H3K27)甲基化來抑制初始轉(zhuǎn)錄[82]，PRC1催化組蛋白H2A第119位賴氨酸(H2AK119)的泛素化，增強染色質(zhì)凝聚以維持基因沉默[83]。而TrxG拮抗PcG活性，同時催化組蛋白H3賴氨酸4(H3K4)的甲基化，這種甲基化是活性基因的標記，Hox基因因而轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄激活狀態(tài)[81, 83]。小鼠尾芽Hox基因的時空共線激活過程中，Hoxd簇上H3K4 me3標記的逐漸增加伴隨著H3K27 me3標記的丟失，染色質(zhì)這兩種狀態(tài)之間的過渡區(qū)域?qū)?yīng)于Hoxd基因轉(zhuǎn)錄活性的動態(tài)窗口[79]。因此，Hox基因轉(zhuǎn)錄的維持由PcG蛋白和TrxG蛋白調(diào)節(jié)。

Hox基因的上游調(diào)控機制仍然有很多問題需要解決，對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的調(diào)控因子的深入研究有助于更好地理解Hox基因在脊椎調(diào)控中的作用。同時表觀遺傳學(xué)修飾對于Hox基因的時空共線性表達起重要的維持作用。

5 Hox基因的應(yīng)用研究

哺乳動物身體結(jié)構(gòu)的多樣性加速了其生活方式的多樣性和更廣泛的適應(yīng)性，不同物種的脊椎等身體形態(tài)存在差異，甚至在同一物種中也存在變異，如豬和羊等家養(yǎng)動物。椎骨數(shù)，尤其是胸椎數(shù)，是一個重要的經(jīng)濟性狀，可能會影響動物的胴體長度和肉產(chǎn)量。胸腰椎區(qū)域的變異已被報道用于豬的商業(yè)化育種，并且對這種變異的選擇成功地提高了商品豬的脊椎數(shù)量和肉產(chǎn)量[84]。近年來研究發(fā)現(xiàn)一些動物身體形態(tài)的變化可能與進化中Hox基因結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，有研究猜測Hoxc10的陽性選擇和Hoxd10 ω值增加可能與類人猿胸腰椎數(shù)量(17～18個)和奇蹄類動物胸腰椎數(shù)目(22～24個)偏離現(xiàn)代哺乳動物(19個)有關(guān)[48]，在具有表型修飾的哺乳動物譜系中鑒定出49個陽性選擇位點，表明適應(yīng)性進化作用于Hox基因[85]。在杜洛克豬、長白豬和大約克豬的胸椎數(shù)以及胸腰椎數(shù)變異的研究中，發(fā)現(xiàn)HOXA、HOXB和HOXC家族的基因與該性狀顯著關(guān)聯(lián)，這有助于商業(yè)豬的胸腰椎數(shù)變異以及豬背部凹陷的研究[86]。一項有關(guān)北京黑豬胸腰椎數(shù)變異的研究發(fā)現(xiàn)，HOXB家族的多個成員(HOXB1-9和HOXB13)受到選擇，并被確定為豬胸腰椎數(shù)變異的關(guān)鍵候選基因[87]。Li等[88]在哈薩克羊多胸椎數(shù)性狀的選擇信號分析中發(fā)現(xiàn)HOXA家族的7個基因有較高的選擇信號。在美國綿羊成熟體型的GWAS分析中，Posbergh等[89]發(fā)現(xiàn)，HOXA/HOXB家族的基因與受選擇區(qū)域接近。Yurchenko等[90]在俄羅斯本地綿羊品種重要經(jīng)濟性狀的選擇性清除中發(fā)現(xiàn)HOXA/HOXC家族受到選擇，影響綿羊的身體發(fā)育與采食量。因此，HOX基因或成為影響綿羊和豬等主要經(jīng)濟型動物脊椎數(shù)變異的候選基因，有利于今后的多胸椎數(shù)品種選育。

Hox基因決定胚胎期的形態(tài)發(fā)生，而在脊椎動物成年后中，它們參與細胞分裂和肌肉收縮等過程，在比較豬兩種不同肌肉組織的轉(zhuǎn)錄組特征時，發(fā)現(xiàn)HOXA9、HOXA10、HOXB6、HOXB7等幾個基因差異表達[91]，同樣，在小鼠腓腸肌和四頭肌的轉(zhuǎn)錄組譜分析中HOXD8、HOXD9和TBX1也被鑒定為差異基因[92]，楚金雨等[93]研究發(fā)現(xiàn)，HOXA9可能為影響藏羊立毛肌發(fā)生的關(guān)鍵候選基因。Armstrong等[94]通過RNA-Seq比較了羔羊9個肌肉組織的表達譜，發(fā)現(xiàn)HOXD8和HOXC10在半腱肌和岡上肌中差異表達。人們猜測，HOX轉(zhuǎn)錄因子可能通過細胞識別和分化決定肌纖維類型，從而在小鼠、綿羊和豬的骨骼肌中發(fā)揮重要作用。

6 展 望

早期Hox基因主要決定前-后軸的脊椎形態(tài)，胚胎發(fā)育時期每個Hox基因在脊椎形態(tài)的模式化發(fā)揮特定作用。在進化過程中，隨著Hox基因的改變，形成了不同動物類群的形態(tài)學(xué)差異。隨著人們對于動物經(jīng)濟性狀的重視，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)Hox基因會影響動物脊椎的形態(tài)發(fā)育和數(shù)量變化，并且也調(diào)控肌肉和脂肪的發(fā)育，進而影響動物的體型大小以及胴體質(zhì)量。而Hox基因作為身體模式的主要調(diào)控基因，現(xiàn)已對其調(diào)控模式以及時空共線性表達的分子機制有了廣泛研究，有助于人們今后對該基因家族調(diào)控機制的更好解析。Hox基因?qū)游锛棺禂?shù)變異以及肌肉脂肪發(fā)育的影響關(guān)系到經(jīng)濟效益，或成為今后的研究熱點。