全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2006年第4期
收稿日期:2006-05-12
作者简介:王秀利(1964-),男,博士,教授,研究方向:海洋生物技术
通讯作者:常亚青(1967-),男,博士,研究方向:水生动物遗传育种
Hox基因及其在海胆中的研究进展
王秀利 1 单雪 1 仇雪梅 1 常亚青 1,2
(1大连水产学院生命科学与技术学院,大连 116023;2农业部海洋水产增养殖学与生物技术重点开放实验室,大连 116023)
摘 要: Hox(homeoboxgenes)基因是存在于染色体上的一段高度保守序列,其蛋白产物作为转录因子也是高度保守
的。这些基因调节胚胎发育,尤其在脊椎动物前-后轴(antero-posterioraxis)的发育过程中起着重要作用,并指导脊椎动物的体
型形成。海胆是海洋中一类比较常见的无脊椎动物和主要的海水养殖动物,它的Hox基因对它动-植物轴(animal-vegetal
axis)的形成有调控作用,并对进化研究和养殖生产具有重要意义。综述了近年来Hox基因在海胆中的研究进展。
关键词: Hox基因 海胆 胚胎发育 体型形成
HoxGenesandItsStudyAdvancesinSeaUrchin
WangXiuli1 ShanXue1 QiuXuemei1 ChangYaqing1,2
(1ColegeofLifescienceandBiotechnology,DalianFisheriesUniversity,Dalian116023;
2KeyLaboratoryofMariculture&Biotechnology,AgricultureMinistry,PRC,DalianFisheriesUniversity,Dalian116023)
Abstract:Homeoboxgenes(Hoxgenes)aresomehighlyconservedDNAsequencesonthechromosomes.Theprotein
productsofHoxgenes,astranscriptionfactors,arealsohighlyconserved.Thesegenesplayacentralroleinthe
developmentalprocesesoftheanterior-posterioraxisofvertebratesbyregulatingthefetation,anddefinebodypaternin
thevertebrates.Seaurchinisakindof familiarinvertebrateandmainaquaticanimal.ItsHoxgenescanregulateand
controltheformofitsanimal-vegetalaxis,soitisveryimportantforevolutionresearchandproductionofseaurchin.We
havereviewedthelateststudiesoftheHoxgenesofseaurchininthisarticle.
Keywords:Homeoboxgenes(Hoxgenes)Seaurchin Fetation Bodypatern
Hox(homeoboxgenes)基因称同源框基因或同
源异形基因,最早由 McGinnis[1]发现于果蝇体内,是
胚胎发育的主基因或调节基因。它们是一些高度保
守的序列,为靠近蛋白质羧基端开放阅读框的一部
分,编码的 DNA片段含 180个碱基对,转录 60个
氨基酸。在蛋白质中这段氨基酸区域称为同源结构
域(Homeodomain),它的同源性高于 DNA序列的同
源性 [2],其中还含有螺旋-转角-螺旋(Helix-Turn-
Helix)基序(motif),可识别同源异形基因所调节的基
因中特定的 DNA序列,并与之结合,从而对靶基因
的表达进行调控。随后,人们又在许多动物、植物及
真菌中发现了 Hox基因,它们对胚胎发育有重要作
用,尤其是对脊椎动物的前-后轴(antero-posterior
axis)发育起着关键性作用[3]。
海胆是海洋中一类比较常见的无脊椎动物,隶属
于 棘 皮 动 物 门 (Echinodermata)、 游 在 亚 门
(Eleutherozea)、海胆纲(Echinodea)[4]。它们主要生
活在浅海的岩礁、砾石、砂石等海底,一般以褐藻、
红藻和绿藻等为食,同时也杂食一些小型底栖动
物。生物学家发现海胆有许多优点[5]:基因可自由
转入海胆卵内,进行顺调控分析;海胆有很强的繁
殖发育能力,可从胚胎核内提纯微量蛋白质(例如
转录因子),并且海胆的卵可通过注射不同编码特
异性 RNA、信号分子和构建编码蛋白来干扰调控
系统等等。基于海胆的这些特性,它被作为模式生
物应用于受精和胚胎早期发育的研究中。近年来,
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第4期
海胆的 Hox基因得到各国学者的广泛研究。
1 Hox基因
1.1 Hox基因的表达特点
Hox基 因 的 表 达 是 遵 循 时 空 共 线 性 原 则
(spatialcolinearity),在胚胎发育过程中,Hox基因在
基因簇中的表达是从 3端到 5端依次沿体轴向后
逐个启动的。在基因簇中位置越靠近 3端的基因
越早表达,其部位越靠近胚胎前-后轴的前部,基因
越早表达[6]。因此 Hox基因在动物体轴形成过程中
起空间调控作用,决定沿体轴的躯体表达模型。从
果蝇及其它昆虫的遗传学研究中发现,Hox基因同
源蛋白的转录有自动调整的能力,并能对其它基因
进行调控。那么 Hox基因的蛋白产物必定也像 Hox
基因那样,以转录因子的作用方式在转录水平上调
节其靶基因的表达,从而能激活或抑制下游基因[7]。
1.2 Hox基因的作用
Hox基因属于发育基因,是一大类从时间和空
间上对生物体的生长、发育进行协调和控制的基
因。已经知道,结构基因通过表达特异性的蛋白质
结构来建造有机体,而生物的发育则需要成千上万
个结构基因按一个精确的时间和空间图谱来表达
才能完成。研究发现[8],Hox基因在脊椎动物,尤其
是哺乳动物胚胎发育过程中具有极其重要的作用。
它通过提供有序位置结构的分子系统,在胚胎的
前-后轴模式、肢体、脊椎及颅面部结构模式的形成
等方面发挥作用。Marie等(2005)发现[9],如果在脊
椎动物的肢体发育过程中缺乏 HoxA和 HoxD基因
簇,那么它们体型(bodypatern)的形成将被抑制,
表明 Hox基因的作用至关重要,它是进化的补充,
使得动物长出附肢。果蝇的形体设计就是由 Hox基
因编码蛋白的表达所决定的,胚胎从前到后被划分
为一系列独特的区域,并在空间上达到同一性。然
而,Hox基因在动物体型设计进化过程中是非常复
杂的,很多同源突变的显性及特异性表达实验表
明:Hox基因是通过一种“遗传地址”系统(“genetic
address”system)来控制体型部分的同一性,并控制
特异细胞的分化,而其表达模式也可作为稳定的分
子标记去鉴定进化的关系,例如沿体轴结构的同源
性[10]。
Hox基因不仅调节胚胎发育,而且参与造血系
统的发育,并与造血干细胞的增殖、分化和成熟有
关[11]。该研究证实,Hox基因不仅影响造血干细胞
的数量,还参与红系、粒系、巨核和淋巴系的分化。
3端 Hox基因的表达主要与早期的造血干细胞有
关,5端的 Hox基因则能影响定向干细胞。最近的
研究还发现,人类的 Hox基因表达异常与人类各种
癌变的发生有密切的关系[12~14]。
1.3 Hox基因在部分模式生物中的研究情况
Hox基因最早是在果蝇中被发现的,它在果蝇
的胚胎发育中起到了极其重要的作用。果蝇的黑
腹,触角和足是不同于身体其它部分的同源性结
构,这都是由 Hox基因作用的结果,通过压制未知
的触角决定基因,从而达到三者的一致性[15]。研究
还发现,在果蝇的卵中,存在着一类名叫 bicoid
(bcd)的基因,它是 Hox基因家族中的一员,决定着果
蝇前部极性的形成。bcd蛋白形成一个从前到后的
浓度梯度,控制受精卵分割基因的转录激活及压制
尾部 bcdmRNA的不均一性分布,使胚胎在空间上
形成同一性[16]。Prince等(1998)[17]研究了斑马鱼中
的四个 Hox基因:hoxb1,hoxb5,hoxc6和 hoxc8,发
现它们是在脊索发育过程中沿前后轴区域性表达
的。脊索对每个基因的表达是暂时的,但在它持续
的时间内却有一定的基因特异化的前部限制能力。
Hox基因在斑马鱼脊索中的表达是空间线性的,主
要是因为 3端 Hox基因簇有较强的前部限制能
力,因此这些基因表达是脊索分区形成的最直接的
分子证据。Barow等(2000)研究小鼠体内的 Hoxa1
和 Hoxa2发现这两个基因调节小鼠后脑的形成和
神经嵴的联接[18]。Wahba等(2001)还发现小鼠的
Hoxa10和 Hoxd10基因可以相互影响,共同作用于
后肢骨骼的发育及神经分布[19]。总之,关于 Hox基
因的研究主要集中在它对形体设计方面的作用。海
胆是较早的被作为一种模式生物,研究它的 Hox基
因对其发育和进化学说具有重要意义。
2 Hox基因在海胆中的研究
2.1 海胆中的 Hox基因
现已从不同的海胆中克隆出各种 Hox基因,如
Hbox1、Hbox3、Hbox4和 Hbox6来自白棘三列海胆
(Trppneustesgratila)[20],Hbox7来自紫球海胆(S.
purpuratus)[21],Hbox9和 Hbox10来自澳大利亚海胆
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(H.erythrogramma)[22],Hbox12来自拟球海胆(Paracen-
trotuslividus)[23]等等。海胆中 Hox基因簇的大小大
约在 300kb,只在 3端外显子区域有高度的保守
性,从 3端沿前-后轴最先被表达。
海胆有一个单一的同源框簇,几乎包含了脊椎
动 物 所 有 Hox基 因 的 平 行 进 化 同 源 基 因
(paralogs)。迄今为止,被鉴定的海胆 Hox基因,分
别属于 Hox基因家族的前部组 1、2、3(影响胚胎头
部和胸部的基因),中部组 4、5、6、7、8(影响胚胎两
末端的基因),和后部组 9、10、11、12、13(影响胚胎
腹部的基因)。这些基因中有六个是 1、2、3、6、7、8
组的代表,另有四个基因与邻近的组相似,于是记
为 Hox4/5,Hox9/10,Hox11/13a,Hox11/13b[24]。
Elen等 (1996)[22]用图 1来描述海胆中的 Hox基
因,其顺序与在脊椎动物中略有不同,而且有些基
因还没有在海胆中被发现。比如,两个 3端基因缺
失而此基因在其它生物体中已见报道。
图 1 Hox基因在海胆中与在脊椎动物中表达比较
(引自 Elen等(1996))
Cameron等(2000)[25]建立了第一个紫球海胆基
因组图谱,其中包括了有 500bp的 Hox基因。
Kitamura等 (2002)[26] 克 隆 了 来 自 马 粪 海 胆
(Hemicentrotuspulcherimus)的 micro1基因,此基
因是 Hox基因家族的一个代表,与来自拟球海胆的
P1Hbox12基因和来自紫球海胆的 Pmar1基因相
同。micro家族编码的转录因子具有一个同源域,与
家族成员有 87%~95%的相似性,P1Hbox12也有
71%~76%的相似性。用 Northern杂交和原位杂交证
明 Hox基因在卵裂早期有瞬间的活性。Smolenicka
等(2003)[27]在拟球海胆中新发现一种 NK-2同源框
基因,其编码的 60个氨基酸的同源结构域在 7位
上是亮氨酸,在 54位上是酪氨酸,表明此基因要与
以 5/-CAAGTG-3/为核心序列的 DNA结合,并且在
37位和 56位分别为异亮氨酸与亮氨酸,这是其为
NK家族的标志。此 NK-2基因对羧基末端部分蛋
白有转录激活作用。Vansant等(2000)[28]在白棘三
列海胆的同源框区域中获得一段 cDNA,总长有 3
634个核苷酸的一个阅读框,在氨基末端有与果蝇
的 Abd-B基因相同的基因,其编码一个蛋白即
TgHBox4蛋白。此蛋白在胚胎发育早期普遍存在,
但在晚期则被限制。因此,TgHBox4可能不参与形
体图形的设计。
2.2 Hox基因在海胆中的表达
海胆的动-植物极轴(animal-vegetalaxis)类似
于脊椎动物的前-后轴,形成于 16细胞期,此时中
分裂球,大分裂球,小分裂球分别按顺序排列在轴
周围,小分裂球是作为信号中心惟一的自动特异性
分裂球,而 Hox基因是小分裂球特异化所必须的。
Nishimura等(2004)[29]对 Hox基因功能进行检测,首
先向受精的卵中注射 1pg合成的 micro1的 mRNA,
此卵顺利经正常卵裂而形成囊胚,当对照组的初级
间质细胞进入囊胚腔内,注入 micro1的 mRNA的
胚胎也进入,同时表达 P4初级间质细胞特异性抗
原,通过注射编码 包含 micro1同源域蛋白的
mRNA,类似显型可以同样获得,若注入互补
micro1A、B、C、D的 cDNA,受精的卵从卵裂到囊胚
的形成是正常,而初级间质细胞进入及原肠胚的形
成却不发生,这表明 micro1在胚胎从小分裂球到初
级间质细胞的特异性分化过程中是必须和充足
的。
P1Hbox12是第一个在拟球海胆中被鉴定出来
的调控子,它通过受精卵基因组以高度转化的形式
被转录,属受精类的调控因子。实际上,从 4~8细
胞期至早期卵裂阶段,转录可以被检测到,在胚胎
第六次分裂时,达到最高峰时期,这是五辐区域的
起始细胞的隔离时期。有趣的是,转录正是始于该
时期—8细胞期,对口的外胚层区域的第一个起始
细胞被隔离,并且转录还强烈地依靠于来自其它邻
近细胞的信号。P1Hbox12是沿着胚胎轴不对称表
达的,早期的瞬间表达和转录定位表明,在早期卵
裂阶段,其参与口和对口面的外胚层形成[30]。
PlHbox9是一种边界特异性同源框基因,已被
Belomonte等(1998)[31]克隆出来。通过数据库查询
对比表明它的同源结构域与人的 HB9基因结构域
王秀利等:Hox基因及其在海胆中的研究进展 41
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第4期
相似。当原肠胚形成以后,P1Hbox9在外胚层边缘
的狭长细胞中被表达,使原肠腔的消化道与对口面
的外胚层之间建立新的界线,同时这些基因还激活
对口面外胚层的一些细胞,并参与形体图形的形
成。表达分析揭示了转录出现在原肠胚形成结束,
并随着发育的进行而不断增加。
Moris等(2002)[32]从紫球海胆中获得 7个 Hox
基因的 cDNA序列,每条序列从 3端编码区到 3
端非翻译区,大部分序列都含有一个 PolyA尾。此 7
个 Hox基因的 3cDNA序列是不相同的,但相比较
又是非常相似的,尤其是在氨基酸水平上。所以,同
源结构域 3端编码区可明确地识别海胆同族关
系。在对 Hox基因的进一步研究中发现,Hox基因
在胚胎形成时不被表达,在幼体阶段,结构无论是
担轮幼体还是对称幼体都仅有少量涉及到 Hox基
因表达,而只有在成体中有大量的表达[33]。
2.3 海胆的形体设计
所有动物胚胎早期结构的发育是建立空间上
等同的三个系统,在卵子发生时胚胎可能继承由母
性效应基因决定的遗传信息。海胆由受精卵发育至
稚海胆需要经过早期胚胎发育、浮游幼体、匍匐变
态等三个主要发育阶段。除极个别的种类 (如
Heliscidariserythrogramma等)之外,大多数种类海
胆的浮游幼体要依次经过棱柱幼体及长腕幼体阶
段。幼体结构都是两侧对称的,海胆的成体则是五
辐对称的,这其中含有很多分子信息。已知的 10个
紫球海胆的 Hox基因在其五辐成体形成过程中全
部被转录,而只有 2个在两侧对称的幼体型成过程
中被转录[34]。
PlOtp是一种控制骨骼形成的同源框基因,它
是从拟球海胆棱柱时期的 cDNA文库中克隆出来
的[35]。PlOtp是一个单拷贝基因,它的表达开始于原
肠胚形成的中期,而且在棱柱幼虫和长腕幼虫期增
加,转录严格受定位于原肠胚外层的两对细胞的限
制。通过观察正常海胆胚胎与受干扰海胆胚胎的原
位杂交实验发现,Opt的表达与口面区的骨骼生长
有紧密关系。
Arenas-Mena等(2000)[36]报道了在海胆发育初
期的 5个保守 Hox基因:SpHox7,SpHox8,SpHox
9/10,SpHox11/13a和 SpHox11/13b。这 5个基因在
中胚层中有大量的表达,但只有 SpHox7在五辐射
对称形成初期有表达。由于空间直线型是很容易观
察到的,所以这 5个连续的后部组 Hox基因表达模
式在海胆的原始体腔中发现,是连续直线型两侧对
称的,一对较晚的中胚层结构将成为成体内腔周围
的体腔。
中胚层分化为原始体腔,表达模式折叠并形成
一个消化管,随着成体的不断发育,原始体腔丧失
了两侧对称的特征,而 Hox基因在躯体左侧有更多
的表达,使其成为不对称式,这是 Peterson等学者
对海胆体型变化的假设[37]。此假设符合后口动物祖
先体腔堆集于一侧的形成方式,可说明海胆的体型
形成过程。
而在其它两侧对称的个体中,中胚层、外胚层
及神经元都有 Hox基因的连续表达,这就产生了两
个可能[38]。一是海胆幼体是两侧对称的,Hox基因
只在中胚层中直线型表达,而外胚层的表达与之独
立分开。二是在 Hox基因表达时,海胆就失去了外
胚层和神经元结构。Hox基因空间表达模式表明海
胆的五辐对称形体进化来源于两侧对称的祖先。
3 关于海胆五辐对称
Arenas-Mena等(2000)[36]报道了后部组表达的
体轴模型,限定了原始体腔的中胚层,然而在我们
未揭开海胆的形体设计的过程之前仍有三个很重
要的问题[39]:(1)大部分成体海胆是五辐对称结构,
但我们对于其怎样形成这种对称还了解很少,唯一
可知的一点是 Hox基因与五辐结构发育有关。例
如,Hox3在海胆围口部有表达,产生成年的口。(2)
对大部分动物进行检测发现,其中枢神经系统也表
达一个动-植物极轴的 Hox表达模式,这种表达是
两侧对称模式的主要特点。而海胆神经系统集中在
围口的神经环,并分支出五条辐神经,分别沿各步
带区向后延伸到身体各部分,但缺乏 Hox基因在海
胆中枢神经系统中表达的证据。(3)关于棘皮动物
Hox基因簇的前部基因在表达模式上的作用,目前
没有任何数据进行推断,而后部基因在非五辐对称
的体腔中胚层中有表达。从 Hox3的表达模式推测
前部 Hox基因可能与五辐对称结构有关。
4 小结与展望
42
2006年第4期 王秀利等:Hox基因及其在海胆中的研究进展
Hox基因在海胆中的表达已被广泛研究,它作
为一种转录因子,对胚胎的发育起到关键性作用,
尤其是在形体设计上,决定于海胆的动-植物极轴
的形成。但其对五辐体型形成过程仍不很了解,这
其中还有一些与进化有关的分子机制不清楚,需要
进一步的研究。
Hox基因的增加或减少对生物表型特点的进
化改变有重要意义,最新研究发现,Hox基因在人
类前列腺细胞显性个体的表达模式能够看出前列
腺生理的不同阶段及其癌细胞的增殖情况,同时我
们也可以明确地区分人类不同的前列腺细胞株,并
能识别和定位与器官发生及癌变发生有关的对位
性 Hox基因[40]。现今还发现,Hox基因可以通过被
激活来实现骨骼的再生[41],Hox基因还有控制胚胎
细胞分化和增殖的功能等等。虽然未见到我国对
Hox基因在海胆方面研究的报道,但我们已开始了
这方面的研究工作。随着我国生物技术领域研究的
不断强大,有关海胆 Hox基因的理论与应用研究必
定会取得阶段性成果。
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