角朊細胞

来源:www.uuuwell.com

   

1簡介表皮人體第一道防護屏障,其主要組成細胞角朊細胞,為了完成其屏障功能,角朊細胞必須進行複雜而且受到嚴密調控的分化過程,最終形成包括基底層棘層顆粒層、透明層及角質層的復層結構[1]。表皮各層細胞在形態學和生化水平均有差異,如在棘層與顆粒層表達蛋白在基底層中卻缺如,這主要是與角朊細胞分化過程中特定時間基因的「開」(激活)或「關」(滅活)有關,因此近10年來角朊細胞的基因調控已成為角朊細胞生物學研究的熱點之一[2]。基因調控可分為幾個層次:轉錄水平、翻譯水平及翻譯后水平,其中最常見的調控方式就是轉錄調控。現已發現AP1、AP2、NFκB、C/EBP、ets、Sp1及POU結構域等轉錄因子可作為表皮中的調控蛋白,從而調節編碼套膜蛋白(involucrin,iNV)、轉谷氨酰胺酶(transglutaminase,TG)、SPRR2A、兜甲蛋白(loricrin)、角蛋白及BPAG1等蛋白的基因的表達。本文就與角朊細胞基因表達有關的轉錄因子作一簡要綜述。

2轉錄因子的一般特徵轉錄因子(transcription factor)是能與位於轉錄起始位點上游50~5000bp的順式作用元件(cis-acting

elements)、沉默子(silencer)或增強子(enhancer)結合併參與調節靶基因轉錄效率的一組蛋白,並能將來自細胞表面的信息傳遞至核內基因。轉錄因子通常有幾個功能域,可分為DNA結合域、轉錄調控域及自身活性調控域,DNA結合域可與特定的DNA序列(一般長8~20bp)相互作用,使轉錄因子與靶基因結合起來,隨之轉錄調控域就可發揮其激活或抑製作用,通常這些結構域在結構與功能上是獨立分開的。不同的轉錄因子還可結合於緊密相鄰的DNA序列而形成一種多聚體結構來調節基因表達,這種組合調控(combinatorial

regulation)不論轉錄因子是否激活及其含量多少均可激活基於靶基因中特定轉錄因子結合位點的轉錄。除啟動基礎轉錄活性外,轉錄因子還能整合從細胞表面經信號轉導途徑傳遞而來的信號[2]。

3激活角朊細胞基因表達的轉錄因子AP1AP1轉錄因子通常以jun(c-jun、junB、junD)與Fos(Fra-1、Fra-2、c-fos、fosB)家族成員組成的同源或異源二聚體表達其活性,即結合於5』-GTGAGCTCAG-3』序列。目前已知AP1位點對於編碼角蛋白(K1、K5、K6及K19)、絲聚合蛋白原(profilaggrin)基因的最適轉錄活性十分重要[3,7],編碼角質化包膜(cornified

envelope)相關蛋白-TG1、兜甲蛋白及INV的基因也含有功能性AP1位點[8,9],如hINV基因啟動子在其轉錄起始位點上游2.5kb內有5個AP1共有結合位點(AP1-1~5),其中2個AP1位點AP1-1和AP1-5若同時發生突變時角朊細胞的轉錄水平就可下降80%;佛波酯(TPA)則可使AP1與hINV啟動子處AP1-1及AP1-5位點的結合能力增強10~100倍,后經點突變實驗證實AP1-1和AP1-5位點可部分介導佛波酯(TPA)誘導的效應[10]。絲聚合蛋白原、K1、兜甲蛋白及K19基因中的AP1位點可活化轉錄[3,6,7],單層上皮角蛋白K8和K18基因的最適轉錄活性也有賴於AP1位點[2]。在人XX瘤病毒(HPV)16和HPV18的上游調節區中也有功能性AP1位點[11,12]。從已有實驗資料來看,AP1的作用特點有:①AP1可作為基因表達的活化蛋白;②AP1的活化作用並不僅僅限於某一類角朊細胞基因或編碼某一特定蛋白的基因;③不同的AP1家族成員可調節不同的角朊細胞基因,如junB、junD和Fra-1可調節INV的表達[10],c-jun和c-fos可調節絲聚合蛋白原基因在角朊細胞內的特異性轉錄[7],而junB和junD對於HPV18的組織特異性表達也較重要[12];④AP1作用的靶位點可位於結構基因的上游、下游及內含子中,如K19基因的3』增強子含有AP1結合位點,

牛KS基因的AP1元件位於5』上游區,而K18基因的第1個內含子中就含有1個保守的AP1結合位點[2,4.6]。

與此同時,AP1在表皮中的表達類型也受到研究者的重視,因為轉錄因子的分佈是決定靶基因表達類型的重要因素。實驗證實第一AP1家族成員均有各自特異的時間與空間表達類型,在人XX表皮處,c-fos、Fra-1及c-jun表達于棘層和(或)顆粒層,而fosB、Fra-2、junD表及junB則可見於基底層和基底層上的細胞[13]。在小鼠中,junD和Fra-1表達于棘層而Fra-2和junB則可表達于顆粒層[14],這種表達類型的差異提示不同的AP1因子可調節不同分化時期的角朊細胞的基因表達。此外,靶基因啟動子內的AP1位點也可區分不同的AP1成員,如hINV基因中AP1位點可結合Fra-1、junB及junD[10],絲聚合蛋白原基因AP1位點可被c-fos與c-jun以一種依賴於DNA結合位點的方式激活[7],而HPV18的AP1位點則可結合junB和junD[12]。其他可能與基因表達類型有關的因素有A7P-1表達于胞漿抑或胞核及其活化是否需要共價修飾

AP2AP2轉錄因子的DNA結合域位於其羧基末端並含有一個二聚化的結構域,其氨基末端富含脯氨酸,這一區段對於轉錄活化是必需的。AP2作用時以同源二聚體形式與富含GC的共有結合位點(5』-GN4GGG-3』)相結合[2]。AP2可作為hINV基因表達的轉錄活化蛋白,而在hINV啟動子近側調節區(PRR)的AP2位點則可抑制啟動子的活性[15]。遠側啟動子中的AP2樣位點也是一種轉錄激活物,其可與角朊細胞分化因子(KDF-1)結合而促進hINV依賴分化的表達[16]。此外,在表達于非洲爪蟾表皮的63kD角蛋白基因、人K14基因、K5基因、TG1基因及BPAG1基因中已鑒定出功能性AP2位點[2,17,18]。與AP1不同,AP2位點均位於靶基因的上游調節區中。K14基因啟動子中AP2位點的突變可導致轉錄活性喪失[2],瞬時轉染試驗表明在距TG1基因轉錄起始位點約0.5kb處有3個AP2樣應答元件,其中2個是功能性的[17]。因為AP2可表達于表皮細胞系,所以AP2還可能是表皮發育過程中基因轉錄的活化蛋白。

Sp1Sp1轉錄因子是一種含有鋅指結構、序列特異性的DNA結合蛋白,含有A、B、C、D4個結構域。Sp1可與GC盒共有序列5』-GGGCGG-3』相結合,並可與其他轉錄因子一起參與基因表達的共同調控[2]。現已發現在幾個表達于角朊細胞的基因中存在著功能性Sp1結合位點。在人3型轉谷氨酰胺酶(TG3)基因中,Sp1可與相鄰的

ets因子結合位點(EBS)協同作用,激活TG3啟動子的表達[19]。在hINV基因中,Sp1位點則可與AP1-5協同作用而激活轉錄,這2個位點均于轉錄起始位點上游2kb的1個增強子元件中[20]。HPV16早期區基因可表達于復層上皮,其上游調節區也含有Sp1位點[2]。在兔K3基因中,其長約300bp的5』上游調節區可啟動角朊細胞的轉錄,經電泳遷移率變動分析紫外線交聯分析發現此區域內Sp1樣結合位點,若其發生突變,轉染角朊細胞的啟動子功能可喪失50%[21]。近來還發現Sp1可激活SPRR2A基因的表達[22]。與AP1、AP2一樣,Sp1也是表皮基因轉錄的正性激活蛋白,其所作用的基因可編碼不同類型的蛋白,如角質化包膜前體蛋白和角蛋白,這些基因在角朊細胞分化過程中的調控類型也有所不同。Sp1與Sp2、Sp3及Sp4同屬一個家族,Sp3在依賴周期素激酶抑製劑p21的誘導的小鼠角朊細胞分化過程中起著重要作用,因為Sp3超表達(over

expression)可促進分化過程中啟動子的誘導性,若破壞富含GC的區域則可使轉錄因子結合活性、啟動子活性及p21的誘導性急劇下降[23]。

etsets因子包括20余種不同的蛋白,其特徵是均具有ets結構域,即DNA結合域。ets蛋白作用時以單體形式存在,但往往可與其他轉錄因子協同作用。ets因子對基因表達的調控效應可能是激活也可能是抑制,這可能有兩方面的原因:①ets蛋白可與結合於鄰近順式作用元件的非Sp1轉錄因子相互作用;②ets共有元件周圍的DNA序列可影響ets結合DNA的能力[3]。已有資料顯示在小鼠表皮中可檢出ets-1和ets-2,而且在TG3、INV及SPRR2A基因啟動子中均含有ets結合位點,其中INV啟動子近側調節區含有2個ets位點,即EBS-1和E

BS-2。在SPRR2A、TG3啟動子及hINV啟動子EBS-1中ets可增強轉錄活性[15,19,22]。

4抑制角朊細胞基因表達的轉錄因子前一部分主要介紹的是角朊細胞基因轉錄的正性調控因子,但角朊細胞基因表達的調控不可能都是激活因素,實際上也存在著許多抑制基因表達的因子。

POU結構域蛋白POU蛋白可以單體形式與八聚體結合基序5』-ATGCAAAT-3』結合而調節基因轉錄。已定位於表皮的POU因子有Oct-11(Skn-1a/Epoc-1)和Oct-6,其中Skn-1a/Skn-1i僅表達于毛囊間表皮及毛皮質細胞[2,8]。功能分析表明POU結構域蛋白(Oct-1、Oct-2、Brn-4、SCIP、Skn-1a及Skn-1i)可抑制角朊細胞中hINV啟動子的轉錄,連續截短hINV啟動子5』末端后檢測hINV啟動子活性證實POU結構域結合位點並不是必需因素,POU蛋白的抑製作用可能是其通過與TATA盒附近的其他蛋白的間接相互作用所致。除對基礎轉錄有抑製作用外,POU轉錄因子還可抑制TPA介導的hINV啟動子活性。與SCIP共轉染可使TPA刺激的hINV轉啟動子活性下降80%[24]。POU結構域因子還可抑制基底層角朊細胞中K5啟動子的活性,而Skn-1a則可激活K10和SPRR2A啟動子[2],由此可見POU結構域蛋白作用的複雜性。最近有研究表明Skn-1a、Tst-1及Oct-1是表皮中表達的主要八聚體結合蛋白,經瞬時轉染試驗證實Skn-1a和Tst-1可通過與八聚體結合位點相結合而激活表皮特異性HPV-1A的E6啟動子,這樣就為HPV-1A基因表達與表皮分化間建立起一個分子聯繫(molecular

link)[25]。

C/EBPC/EBP是一大類轉錄因子的總稱,其特點是能結合CCAAT和病毒的增強子,常以同源二聚體及異源二聚體形式與DNA結合,並具有亮氨酸拉鏈(leucine

zipper)結構域[2]。現對C/EBP在表皮中的表達知之甚少,僅有凝膠遷移率變動分析試驗證實C/EBP家族成員可與INV啟動子近側調節區、HPV11啟動子的上游調節區及BPV4長控制區的C/EBP應答元件相結合。C/EBP可激活INV啟動子的轉錄並可介導依賴TPA的轉錄活性增強,C/EBP可與AP1、ets及AP2因子一起協同調節hINV近側啟動子的轉錄活性[15]。此外,C/EBP可與BPV-4長控制區中的負性調控元件結合,使病毒轉錄受到阻遏,若此應答元件缺失,此段長控制區的增強子活性可增高5倍[26]。

5其他轉錄因子除上述主要的兩大類轉錄因子外,還有其他類型的轉錄因子參與角朊細胞基因表達的調控。K17基因的上游啟動子中有γ干擾素激活的STAT因子的結合位點,被稱為γ干擾素活化序列(GAS),在皮膚發生遲髮型接觸性過敏時,STAT-91可轉位至角朊細胞核內與啟動子中的GAS元件結合而激活K17的表達[8]。兔K3基因的5』上游序列中則有NFκB的結合位點(5』GGGCTTTCC-3』),瞬時轉染實驗表明NFκB基序在體外經誘變后可使兔K3啟動子活性喪失20%[21]。此外,在增生過度的小鼠表皮中還可檢出高水平的同源異型盒蛋白Hoxb-4、b-6、b-7及a-10[27]。

6組合調控轉錄因子間的相互協作(即組合調控)是保證角朊細胞基因的組織特異性表達的重要機制之一,因為在上述轉錄因子中,大部分屬於遍在轉錄因子(ubiquitous

transcription factor),如AP1、Sp1。在角朊細胞基因表達的調控中組合調控較為常見。

7結束語綜上所述,每一個轉錄因子家族成員既可調節分化早期基因的表達,又可調節分化後期的基因表達,所以在某一分化時期,特定的轉錄因子可選擇性地激活或抑制特定的基因的表達,這就是表皮各層在形態上逐漸發生變化的分子基礎;再者,雖然大多數調節元件位於轉錄起始位點上游,但仍有少數調節元件,尤其是那些調節發育過程中基因表達的元件則可位於內含子中及轉錄終止位點;此外,在某些角朊細胞的基因表達過程中還涉及到組合調控。正是由於轉錄因子在角朊細胞基因表達調控中的重

要作用,我們可以預料今後會在表皮中鑒定出更多的轉錄因子,並逐步闡明其作用機理以及與信號轉導途徑的關係。

8主要縮寫:INV:套膜蛋白,TG:轉谷氨酰胺酶,TPA:佛波酯,KDF-1:角朊細胞分化因子,EBS:ets因子結合位點