子宫内膜同源盒基因A10表达及调控研究

· ·国际生殖健康/计划生育杂志 2008年 9月第 27卷第 5期 JIntReprodHealth5FamPlan,Sep.2008,Vol.27,No.5 综 述 生殖健康和疾病 收稿日期:2007-09-05 修回日期:2008-07-19 子宫内膜同源盒基因A10表达及调控研究 复旦大学附属妇产科医院(200011) 陈瑞芳综述 黄紫蓉 丰有吉审校 摘 要 子宫内膜同源盒基因 A10(HOXA10)是内膜细胞发育和分化的调控基因,在子宫内膜的表达呈月经周 期依赖性,并持续表达于妊娠子宫的蜕膜组织。HOXA10基因的表达与子宫内膜的容受性,胚胎的黏附与着床,母胎 界面的免疫耐受、胚胎的生长发育等紧密相关。对HOXA10基因的深入研究将为其在人工流产、不孕不育、辅助生殖 技术等方面的临床应用提供可能性。 关键词 同源盒基因 A10/HOXA10 子宫内膜容受性 雌激素 孕激素 1984年 McGinnis等首先在果蝇体内发现一类 与其体节突变相关的基因,该类基因在果蝇的体内 具有特异的表达节段和时相,将其命名为同源盒 (homeobox,HOX)基因。后续研究发现,HOX基因广 泛存在于酵母至人类的几乎所有真核细胞中,并且 种属间具有高度的基因序列的保守性和基因功能的 相似性[1]。在所有的HOX基因中均含有一段高度保 守的碱基序列,由 183个核苷酸组成,所编码的 HOX蛋白是一类转录调节因子,都含有一种61个 氨基酸组成的同源功能区域,形成螺旋-转角-螺旋 的结构,并通过该结构与DNA中特异的核苷酸序列 结合。HOX基因根据其在染色体上的排列方式可分 为串群性和非串群性。串群性 HOX基因成簇排列 在染色体上并按前后轴(A-P)的方式表达,称为I类 HOX基因 (A-P型),遵循时空共线性规则进行表 达,即基因的这种线形排列顺序与其沿着胚胎前后 轴的表达时相和特定的区域相对应。HOX的时空共 线性有表遗传(epigenecode)调控,组蛋白甲基化酶 TrxG和PcG通过组蛋白的甲基化,控制HOX1～13 位点基因在不同的时间点和空间位置依次激活与静 默(express/silence)。另一类HOX基因为非串群性, 散在于不同的染色体上,称为非 I类 HOX基因(非 A-P型),如CDX,PAX,EMX和MSX等。HOX基因 是一类控制胚胎生长、发育和成体细胞增殖、分化的 调节基因,其在生物进化中具有高度的保守性,是生 物发育和分化的主控基因[2]。HOXA10基因属于B 型腹型 HOX(AbdHOX)基因亚家族,在人类主要表 达于子宫内膜,对子宫内膜细胞的增殖和分化、子宫 内膜容受性、胚胎的着床和发育、母胎免疫界面的稳 定等都起着重要作用。本文综述HOXA10基因在女 性生殖系统,主要是在子宫内膜中表达及调控研究。 HOXA10基因分子结构及在女性生殖系统表达 HOXA10基因编码一种含 406个氨基酸的蛋 白质,其中包含一高度保守的由60个氨基酸组成的 同源结构多肽域,相对分子质量约为 50×103 [Lowney,1991]。 由 于 剪 接 方 式 基 因 的 不 同 , HOXA10产生3种不同的转录产物,即HOXA10-1, -2和-3。HOXA10-3因其HOX序列上游含有多个终 止密码子且缺乏框内 ATG而不能编码含有同源结 构域的基因产物。所以,实际上只有 HOXA10-1和 HOXA10-2能够编码HOX相关蛋白,两者拥有一个 同样的同源结构域(61个氨基酸)和 1个共同的 3’ 端编码的C区(14个氨基酸),但有1个不同长度的 5’外显子编码的氨基区(N区),故具有不同的生理 功能。作为转录因子,单个HOXA10作用的顺式元 件为 5’-AA (A/T)TTTTATAC-3’,核心序列为 TTAT。HOXA10与其辅因子PBX2及Meis1相互作 用形成不同的异源二聚体或三聚体,调节同源域氨 基端与HOX基因核心序列的相互作用,使同源域 结构能够识别HOX基因核心序列中单个核苷酸的 变化,从而使其作用的靶基因具有特异性[3]。 原位杂交结果显示,小鼠胚胎副中肾管中均有 HOX9-13基因表达且水平相当,但生后 2周龄的雌 性小鼠生殖道即有 HOX基因轴区域表达。对于人 类,HOXA基因轴在生殖系统表达区域和小鼠非常 一致,HOXA9表达于输卵管,HOXA10表达于子 宫,HOXA11表达于子宫下段和宫颈,HOXA13表 达于阴道上段。在成体,HOXA10在子宫内膜的腺 上皮和基质细胞中均有表达,分泌中晚期总体表达 305 · · 国际生殖健康/计划生育杂志 2008年 9月第 27卷第 5期 JIntReprodHealth5FamPlan,Sep.2008,Vol.27,No.5 显著升高;且基质细胞表达高于腺上皮细胞[李红, 2002]。但两者的表达规律有所不同,在子宫内膜增 殖期和分泌早期,HOXA10在腺上皮和基质细胞均 有较高水平的表达;在对应于着床期的分泌中期, HOXA10在腺上皮的表达明显减弱甚至消失,而在 基质细胞仍维持较高的水平表达,这种现象持续到 分泌晚期。此外,在人的子宫肌层中,HOXA10在对 应于子宫内膜分泌中期时表达下降,Cermik等 (2001)认为,这阻止了子宫肌层细胞的最终分化,使 肌细胞保留了增殖的能力以适应妊娠过程中胚胎的 不断生长。至足月妊娠时,子宫肌层中的HOX-A10 的表达又上升,使肌细胞具有足够的收缩力,有助于 分娩的顺利进行。而HOXA10的异常表达将引起相 应疾病,如阴道腺病、卵巢内膜样癌及异位妊娠、早 产等[4]。 HOXA10在女性生殖系统中的作用及其机制 HOXA10作为一种多效性的转录因子参与胚 胎着床及发育的多个环节。如:子宫内膜的增殖与分 化、胞饮突和微绒毛的形成、胚胎的定位及黏附、子 宫内膜基质细胞的蜕膜化、胚胎的生长及发育、母胎 界面的免疫应答等[5]。 一、对甾体激素功能的影响 FK506结合蛋白 4(FKBP52)是子宫内膜 HOX A10直接调节的信号分子,又反过来影响甾体激素 功能。HOXA10-FKBP52信号轴对子宫内膜容受性 的形成和胚胎着床起着重要作用[6]。HOXA10基因 缺失的小鼠FKBP52下调,在着床窗口期对孕激素 的反应性降低,子宫基质细胞增殖障碍,伴随着周期 依赖性蛋白激酶抑制基因 p57和 p15的表达增加, 导致T细胞多克隆增殖,取代了正常母胎界面着床 前由孕激素调节的免疫抑制作用,对胚胎着床产生 不利的影响[7]。目前普遍认为,人类的分娩启动不是 体内孕激素的显著撤退,而是孕激素抵抗环境的形 成。HOXA10(-/-)的小鼠表现出明显的孕激素抵抗, 引起受孕激素调控的前列腺素E(PGE)的受体EP3和 EP4的异常表达,子宫出现异常收缩引起早产[Lim, 1999]。Sarno等[8]通过向蜕膜组织添加白细胞介素 1β(IL-1β)和凝血酶在体外模拟早产的内环境,也出 现类似情况,HOXA10的表达明显下降,PGHOX A10轴被激活,孕激素抵抗环境形成从而引起早产。 二、对整联蛋白β3表达的调节 整联蛋白亚单位 β3仅在分泌中期及以后表达 于子宫内膜上皮细胞,是着床窗口期的重要标志。整 联蛋白介导细胞和细胞外基质的黏附,参与早期胚 胎与子宫内膜的黏附反应,使孕卵着床并调节以后 胚胎的生长发育。当向小鼠体内添加整联蛋白 β3 单克隆抗体时,其着床率明显下降[Illera,2000]。子 宫内膜异位症(EMs)是常见的妇科疾病,可导致不 孕。Kimm等发现,患EMs的狒狒子宫内膜上 HOX A10的表达下降,引起整联蛋白 β3的明显下降,同 时还伴随胰岛素样生长因子结合蛋白 1(IGFBP1) mRNA表达的的显著下降,由此推测,HOXA10表 达降低引起的整联蛋白 β3和胰岛素样生长因子 (IGF)表达的下调可能是EMs引起不孕的原因之一[9]。 通过进一步对整联β蛋白3转录起始位点5’区域 分析,发现该区域存在7个一致性AbdB型HOX结 合位点,其中一个41bp的基因片段对HOXA10有 很高的亲和力,这个元件包含两个HOXA10结合位 点,HOXA10与该调节元件结合后直接上调整联蛋 白β3,并可影响性激素对整联蛋白β3表达的调控 作用[Daftary,2002]。 三、对IGFBP1表达的影响 IGFBP1是能调节IGF-Ⅰ和-Ⅱ的生物利用度的 可溶性蛋白家族成员,是受HOXA10调节的下游基 因。IGFBP1与IGF共同作用,参与细胞凋亡、新陈代 谢及生长发育等多种生理过程。在子宫内膜的基质 细胞中,HOXA10与其他转录因子共同作用,上调 IGFBP-1表达,蜕膜化的子宫内膜基质细胞表达 IGFBP-1,在母胎界面可能通过旁分泌形式与胚胎的 滋养细胞分泌的 IGF-Ⅱ相互作用,有助于胚胎成功 着床[Kimm,2003]。同时,IGFBP-1还能调节滋养细胞 在适度范围内的侵蚀能力,既能使胚胎顺利着床,又 不至于侵蚀过度产生滋养细胞疾病[Foucher,2002]。 四、对EMX2表达的影响 EMX2是人类与果蝇的同源结构域基因,含同 源转录因子,在头颅的早期发育过程中发挥重要作 用,同时在泌尿生殖系统的上皮也有表达。EMX2是 女性生殖系统正常发育必需的,其异常表达将引起 胚胎副中肾的发育不全甚至可因肾脏发育异常而导 致胎死宫内[Miyamoto,1997]。在人类和小鼠,在整 个月经周期或动情周期的子宫内膜EMX2/Emx2主 要表达于腺上皮,间质表达低,HOXA10通过与 EMX25’区域的150bp元件结合发挥了对EMX2的 抑制作用。在体内,EMX2的异常过高表达将引起着 床前 HOXA10所调节的其他靶基因的整体表达水 平的改变,导致低着床率[10]。有研究证实,在围着床 期转染了EMX2-cDNA的小鼠,其产仔量将显著下 降40%。 306 · ·国际生殖健康/计划生育杂志 2008年 9月第 27卷第 5期 JIntReprodHealth5FamPlan,Sep.2008,Vol.27,No.5 五、对PG信号系统的调节 PG系统具有血管活性和促有丝分裂活性,在胚 胎着床和子宫蜕膜化过程中有重要作用 [11]。 HOXA10(-/-)的小鼠,不但子宫内膜基质细胞分化 过程存在缺陷,且孕激素对基质细胞的促分化反应 也消失[Lim,1999]。HOXA10通过特异性介导孕激 素对 PGE受体 EP3和 EP4的调节及影响 PG合成 的关键酶环氧合酶 2(COX-2)的表达,改变子宫内 膜基质PG信号系统的传递。 六、对基质细胞增生、分化的影响 周期素蛋白(cyclin)D3是一种G1期蛋白,在蜕 膜化开始即表达于基质细胞,能激活细胞周期,促进 细胞增殖与分化。p57和p15是周期素蛋白依赖激 酶抑制基因,是 HOXA10的下游分子,表达于蜕膜 化过程中的子宫内膜基质细胞(ESC)。HOXA10(-/-) 子宫,即使给予蜕膜化刺激,p57,p15及周期素蛋 白D3的表达也不能上调,同时出现基质细胞增生 障碍[12]。Yoshida等[13]研究发现,在子宫内膜癌中 HOXA10的表达程度与癌细胞的分化等级密切相 关,且影响肿瘤细胞的浸润及扩散能力。 七、对子宫内膜超微结构的影响 胞饮突和微绒毛结构是子宫内膜容受性的形态 学标志,子宫内膜表面的胞饮突和微绒毛结构的数 目和成熟程度都随 HOXA10表达程度的不同而消 长,由此推测HOXA10可能通过影响子宫内膜的形 态学变化而影响妊娠卵着床[Bagot,2001]。 HOXA10表达的调节因素 HOXA10的表达受到多种因素的调节,最主要 的是类固醇激素,尤其是雌孕激素的调节。此外,还 存在其他调节因素,如自身调节,多种细胞因子的调 节等。 一、类固醇激素 1.雌激素 研究发现,在胚胎的发育过程中,若 阻碍了雌二醇(E2)/雌激素受体(ER)/雌激素反应 元件(ERE)复合物的形成,则将使HOXA10的表达 下降,引起子宫发育异常[14]。胚胎时期暴露于己烯雌 酚(DES)的小鼠,HOXA10与 A11的表达将后移, 即正常表达于子宫内膜和宫颈的腺体将在阴道表 达,从而引起阴道腺病[Block,2000]。DES不仅可以 引起HOX基因的表达量异常,而且引起 HOX基因 的表达位置异常,这可能是其致畸的原因之一[15]。在 生理浓度(10-6～10-10M)内,雌激素对子宫内膜上皮 细胞和基质细胞的HOXA10表达均有上调作用,且 呈现剂量依赖性,但是超过此浓度,将 HOXA10的 表达将不再增加。雌激素可以通过ER与HOXA10 的ERE-1及ERE-2结合,使HOXA10转录激活,增 加 HOXA10的表达。放线菌素能阻止新的蛋白合 成,但是用放线菌素预处理的的内膜细胞,雌激素对 HOXA10的升调作用并不受影响,表明雌激素可直 接调节HOXA10的表达,中间不需要新的蛋白合成 [Ma,1998]。在ER(+)的乳腺癌中,雌激素上调HOX A10的表达,,而HOXA10反过来又促进抑癌基因 p53的表达,从而降低了肿瘤细胞的侵蚀能力。他莫 昔芬等选择性雌激素调节剂就是基于此原理用于治 疗乳腺癌[16]。 2.孕激素 在孕激素的作用下,HOXA10的表 达呈剂量依赖性增加,且较雌激素作用下上升幅度 更大。孕激素浓度从10-9M增加到10-6M时,HOX A10表达增加25倍。孕激素对HOXA10的上调作 用是通过其受体(PR)实现的,该过程无需新蛋白的 合成,可被孕激素拮抗剂米非司酮阻断[Yaoting, 1999]。在基质细胞,E2和P上调HOXA10有叠加效 应,但在上皮细胞,两者的刺激程度不叠加[Gui, 1999]。在分泌期的子宫内膜,孕激素能上调HOX A10的表达。但是长期服用以孕激素为主的避孕药 时可以看到 HOXA10表达下降,子宫内膜厚度变 薄,内膜细胞分化不良,不能形成有利于胚胎着床的 内环境,从而达到避孕的目的[Taylor,1998]。在体 内,孕激素升高对应子宫内膜分泌中期,内膜腺上皮 HOXA10表达却降低或消失,即孕激素对腺上皮 HOXA10的表达起负调控作用,其具体作用机制有 待进一步研究。HOXA11在月经周期中的表达规律 及功能与 HOXA10具有极高相似性。体外研究发 现,在上皮细胞和间质细胞分离培养时,孕激素对腺 上皮细胞中 HOXA11的表达起升调作用。由此推 测,间质细胞可能参与了孕激素对内膜腺上皮HOX A11表达的负调控,其可能机制是孕激素作用于间 质细胞,分泌某种或某些因子,参与孕激素对内膜腺 上皮HOXA11的降调。HOXA10的表达机制是否 具有相似性有待进一步证实。 3.其他 雄激素下调HOXA10的表达,是雌激 素拮抗剂,可以拮抗孕激素和雌激素与相应的受体结 合,还可以通过雄激素受体直接影响内膜容受性[17]。 松弛素是一种由黄体产生的多肽类激素,单独作用 时对基质细胞无太大影响,但可显著增加E2和孕激 素对HOXA10表达的上调作用[Gui,1999]。 二、自身调节 Kelly等[18]发现,在 Ishikawa细胞中,有一种分 307 · · 国际生殖健康/计划生育杂志 2008年 9月第 27卷第 5期 JIntReprodHealth5FamPlan,Sep.2008,Vol.27,No.5 子质量为370ku的元件,其受HOXA10调节,并能 促进HOXA10表达。进一步研究发现,该元件包含 一个HOXA10蛋白结合位点,位于HOXA10基因 5’端的调节区域。正是通过HOXA10的自身调节途 径,HOXA10基因的表达才可以在激素受体缺乏的 条件下得以持续。 三、维生素D 1,25-(OH)2D3是维生素D的活性形式,证实在 女性的生殖过程中起作用。在人子宫内膜基质细胞 中,1,25-(OH)2D3可以通过结合维生素 D受体 (VDR) 与 HOXA10调 节 区 其 受 体 反 应 元 件 (VDRE)相互作用上调 HOXA10表达,其中一个可 能的VDRE为HOXA10上游的385～434bp基因片 段[19]。胚胎时期维生素D缺乏小鼠不仅可能出现软 骨病,而且子宫发育不全,甚至有可能胎死宫内 [Yoshizawa,1997]。在成体小鼠体内维生素D不足 将导致孕小鼠子宫内膜蜕膜化失败,致胚胎不能着 床。反之,若通过向体内添加1,25-(OH)2D3激活维 生素D信号传导途径,将引起子宫重量的增加和基 质细胞的蜕膜化[Halhali,1991]。 四、其他 着床期,HOXA10表达局限于基质,而着床前 腺上皮中白血病抑制因子(LIF)的升调是着床的必 需诱导信号,LIF表达的异常可导致上皮和基质间 的信号中断,从而影响着床。肝素结合表皮生长因子 样生长因子(HB-ECG)的局限性表达是着床的最早 标志,约在受精后 3.5d发生,在分泌中期,HB-EGF 能刺激HOXA10的表达[Lessey,2002]。Somkuti等 (1999)认为,HOXA10在着床期的强表达受到 HB -ECG和EGF等的调节。Martin等[20]发现,HOXA10 的表达具有细胞类型特异性,还受到特异蛋白1(Sp1) 的调节,在子宫内膜Sp1呈月经周期阶段特异性表 达,首先表达于血管周的细胞。而Bagot(2000)则认 为子宫内膜的发育是基质和上皮细胞的相互作用和 调节的结果,着床期上皮细胞的发育可能是通过基 质的 ER的旁分泌机制调节的,HOXA10可能是基 质旁分泌调节的一个靶基因。 与展望 在胚胎发育过程中,HOXA10特定的时间及空 间的顺序表达是胚胎体轴尤其是子宫的正常发育必 需的。在成熟个体内,HOXA10基因又使某些组织 器官保留了分化增殖的能力,使其与之结构功能相 适应。如HOXA10的在成体子宫内膜表达,使其具 有周期性增殖、分化的功能,在着床窗口期能形成适 于胚胎着床的内环境,使胚胎成功着床并使其生长 发育。HOXA10的异常表达在胚胎时期将引起胎儿 畸形,在成体将引起子宫内膜功能异常着床失败、早 期流产、早产等的发生。性激素是HOXA10的主要 调节因素,随着对性激素-HOXA10轴进一步研究, 必将发现更多受其直接或间接调控的基因,将为新 的靶基因治疗技术提供可能。如通过在着床期调控 性激素浓度特异性升调或降调靶基因 HOXA10表 达,改变胚胎着床率,达到生育或避孕的目的。也将 使HOXA10在计划生育、辅助生殖技术等方面具有 广泛的应用前景。 参 考 文 献 [1]HollandPW,BoothHA,BrufordEA.Classificationandnomenclature ofallhumanhomeoboxgenes[J].BMCBiol,2007,5:47. 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