Sox2基因在眼部疾病中的研究進展

劉 朱，周金蕙，母強元，劉蓓蓓，劉 捷，王大慶

0引言

Sox(sex determination region of Y chromosome related HMG-box gene，Sox)基因家族是指在進化上含有保守的高遷移率族(high mobility group，HMG)盒的基因，由20多個成員組成，分為8個組，即SoxA～H[1-3]。其中HMG結(jié)構(gòu)域是由一個長為79個氨基酸的DNA結(jié)合基序組成的，位于Y染色體上的SRY(sex determination region of Y chromosome)基因上[4]，所有的Sox蛋白都通過HMG結(jié)構(gòu)域識別DNA上的(A/T)(A/T)CAA(A/T)序列并與之結(jié)合[5]，已有研究表明，Sox蛋白并不是通過結(jié)合此序列發(fā)揮作用，而是不同的Sox蛋白通過識別不同結(jié)合位點激活基因的表達[6]，從而調(diào)控細胞命運、細胞分化及器官發(fā)育[4]。已有研究表明Sox2基因在腫瘤中過表達，并與肺癌、胃腺癌、乳腺癌等不同癌癥的轉(zhuǎn)移、復發(fā)、侵襲性等密切相關(guān)[7]；此外，Sox2的高表達與癌癥患者的耐藥性和生存不良呈正相關(guān)，因此有研究者認為Sox2可能是抗癌治療的一個靶點[8]。同時Sox2基因也是視網(wǎng)膜發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，當其發(fā)生突變或表達水平改變時會導致視網(wǎng)膜發(fā)育不良[9]，并且對眼睛的發(fā)育及眼部疾病的發(fā)生發(fā)展也有一定的作用。

1 Sox2基因的結(jié)構(gòu)和功能

Sox2屬于B1亞族[4]，位于染色體3q26.3-27區(qū)段，其編碼的Sox2蛋白包含317個氨基酸[10]，由N端的HMG結(jié)構(gòu)域、中間的二聚化(dimerization，DIM)結(jié)構(gòu)域和C末端的反式激活(transactivation，TAD)結(jié)構(gòu)域組成[8]，其中Sox2最重要的結(jié)構(gòu)域是HMG結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域在物種間高度保守，除了與特定的DNA共有序列結(jié)合外，還包含核定位和核輸出信號[11]。Sox2基因C末端反式激活結(jié)構(gòu)域的功能是識別和結(jié)合目標基因的啟動子，從而激活或抑制基因表達[11]。研究表明Sox2是維持胚胎干細胞自我更新能力和多能性所必需的轉(zhuǎn)錄因子[12]，它在維持胚胎和神經(jīng)干細胞功能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[13]，常作為干細胞標記物[14]。但是Sox2是無法單獨行使轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用的，常與其他蛋白如p63、Pax6等結(jié)合后發(fā)揮作用。p63和Pax6的點突變可導致眼部畸形，p63可調(diào)節(jié)角膜發(fā)育和角膜上皮細胞的再生[15]，Pax6在晶狀體形成前在頭部外胚層中廣泛表達，與Sox2共同作用調(diào)節(jié)晶狀體的早期發(fā)育[16]。

2 Sox2基因在眼部疾病中的研究

2.1Sox2基因與翼狀胬肉翼狀胬肉是常見的眼表疾病，其特征是異常結(jié)膜向角膜浸潤性生長，導致瞼球黏連、復視、散光或失明[17]，一項薈萃分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)2013/2018期間翼狀胬肉在全球患病率為12%[18]?，F(xiàn)有研究認為翼狀胬肉的發(fā)生、發(fā)展可能與紫外線暴露、細胞凋亡、氧化應(yīng)激、遺傳不穩(wěn)定、表觀遺傳重建以及干細胞功能障礙有關(guān)[19]。還有研究認為角膜緣上皮干細胞的改變在翼狀胬肉的發(fā)展中至關(guān)重要[20]，角膜緣干細胞(limbal stem cells，LSCs)具有自我更新、增殖和分化的特性[21]，防止結(jié)膜上皮細胞向角膜上皮遷移[22]。Shirzadeh等[21]利用RT-PCR檢測了多功能標志物Sox2、OCT4在翼狀胬肉和正常結(jié)膜組織中的mRNA表達水平，其中OCT4是一個含有POU同源結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，在眼睛胚胎發(fā)育過程中維持干細胞的多功能性；研究發(fā)現(xiàn)相對于正常結(jié)膜組織，兩者在翼狀胬肉組織中含量均較低，且兩者的表達水平之間呈正相關(guān)。推測在OCT4和Sox2表達量下調(diào)后，LSCs的增殖能力下降，結(jié)膜上皮細胞向角膜侵襲，從而導致了翼狀胬肉的發(fā)生。但此研究目前僅在轉(zhuǎn)錄水平進行了初步研究，還需進行免疫組織化學及細胞實驗進一步驗證，并發(fā)掘可能與此途徑相關(guān)的下游轉(zhuǎn)錄因子。

2.2Sox2基因與角膜疾病McGowan等[14]發(fā)現(xiàn)Sox2在受損的角膜內(nèi)皮細胞(corneal endothelial cells，CECs)中表達，并且Chang等[23]利用CRISPR/dCas9技術(shù)激活Sox2，使Sox2在人角膜內(nèi)皮細胞(human corneal endothelial cells，hCECs)中過表達，體外實驗發(fā)現(xiàn)Sox2在CECs中可抑制Wnt/β-catenin通路、激活GSK3β、AKT/FKHRL1信號通路，從而增加線粒體功能和能量的產(chǎn)生，促進CECs細胞增殖、遷移與再生。后又在體內(nèi)實驗驗證Sox2的活化可促進傷口愈合，恢復CECs的功能和形態(tài)，從而減輕角膜水腫，使角膜變得透明。Hwang等[24]通過轉(zhuǎn)染Sox2 siRNA至hCECs中，反向證明Sox2/Wnt/線粒體途徑在hCECs中的調(diào)控作用，進一步說明Sox2可能通過Wnt/β-catenin信號通路調(diào)節(jié)CECs的增殖、維持hCECs干性。未來可以深入探究線粒體受Sox2調(diào)節(jié)后對細胞內(nèi)環(huán)境的影響，并通過動物實驗進一步驗證。

Bhattacharya等[15]發(fā)現(xiàn)Sox2和p63在體外未分化的人角膜緣上皮干細胞和祖細胞中共表達，可能調(diào)控角膜上皮再生。Sox2可調(diào)控p63并促進細胞增殖，抑制細胞分化。敲除Sox2基因可顯著抑制原代角膜緣干細胞和祖細胞長期集落形成的能力，細胞增殖明顯減弱。但有趣的是，Sox2敲除且p63過表達組與基因敲除空載對照組的集落形成能力和細胞凋亡率無顯著差異，說明Sox2的調(diào)節(jié)作用部分是通過p63實現(xiàn)的。研究中還發(fā)現(xiàn)miR-450b是Sox2的直接抑制因子，可直接靶向Sox2部分調(diào)控p63，從而抑制細胞集落形成能力和增殖能力，并誘導角膜上皮細胞分化。miR-450b對Sox2的調(diào)節(jié)可能為研究角膜疾病的發(fā)病機制提供了一個新的研究方向。

2.3Sox2基因與白內(nèi)障白內(nèi)障是指各種原因?qū)е戮铙w混濁的一種疾病[25]，是世界上最常見的致盲原因[26]，其發(fā)病機制較為復雜，現(xiàn)有研究表明白內(nèi)障的發(fā)生可能與Sox2基因有關(guān)。Kamachi等[27]已經(jīng)證明Sox2和Pax6協(xié)同作用，結(jié)合至本身具有晶狀體特異性增強子活性的DC5片段上，形成高遷移率的三元復合物，從而促進晶狀體的發(fā)育。當Sox2基因發(fā)生突變時則可能導致白內(nèi)障[28]。

2.4Sox2基因與無眼癥和小眼癥先天性眼睛缺陷是影響全球約2100萬兒童的一大類疾病，無眼癥和小眼癥是相對常見的先天性缺陷，約20%的患者是由Sox2基因突變引起的[29]。Sox2是目前被確定為單基因突變導致無眼癥和小眼癥的主要致病基因[30]，其突變方式包括全基因缺失和基因內(nèi)缺失、無義和移碼改變及影響DNA結(jié)合或反式激活結(jié)構(gòu)域的錯義突變等[31]。但其調(diào)控機制尚未得到充分了解，尤其是在轉(zhuǎn)錄后水平。Dash等[32]發(fā)現(xiàn)保守的RNA結(jié)合基序蛋白(RNA-binding motif protein 24，Rbm24)能通過與Sox2 mRNA 3’UTR中富含AU的元件(ARs)結(jié)合正向調(diào)控Sox2 mRNA的穩(wěn)定性，表明Rbm24是影響眼發(fā)育時期Sox2蛋白正常表達的重要因子；反之，對小鼠和魚類的研究發(fā)現(xiàn)，Rbm24缺乏可使Sox2表達下調(diào)，并導致無眼癥和小眼癥，而Rbm24基因敲除的小鼠在發(fā)育過程中，其眼組織細胞凋亡增加，眼發(fā)育調(diào)節(jié)因子和標志物如LHX2、Pax6、JAG1、E-cadherin和γ-Crystallin表達異常，表明Rbm24可介導Sox2的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，從而影響眼睛的發(fā)育。Brastrom等[29]在斑馬魚中發(fā)現(xiàn)Rbm24同源基因Rbm24a的敲除水平對其眼球形態(tài)發(fā)育的影響呈劑量依賴關(guān)系，小劑量敲除Rbm24a可引起輕微的小眼球病變，大劑量敲除Rbm24a的胚胎表現(xiàn)為更突出的小眼球病變并合并心包積液。他們向Rbm24a敲除的胚胎中注射不含3’UTR端的外源性Sox2 RNA可以部分抑制眼球形態(tài)異常并恢復一定的視覺功能，進一步表明Rbm24a和Sox2轉(zhuǎn)錄后修飾在眼部組織發(fā)育過程中具有關(guān)鍵作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏Sox2的小鼠中，當Sox2的表達量是正常水平的40%時，會因為神經(jīng)前體細胞分化異常及對Notch信號通路的激活使視網(wǎng)膜前體細胞增殖減少，從而導致不同程度的小眼癥[33]。

2.5Sox2基因與高度近視近視是最常見的眼部疾病之一，在年輕人中的患病率高達90%，伴隨而來的高度近視在年輕人中的患病率為10%～20%[34]。Li等[35]對83例160眼正視人群和117例211眼高度近視患者進行病例對照研究，發(fā)現(xiàn)在中國人群中，Sox2基因可能與高度近視的遺傳易感性有關(guān)，其等位基因可能是高度近視的易感基因。但此研究存在一定的局限性，尚需進一步擴大樣本量在不同的人群中進行驗證并進行更深入的遺傳分析，以進一步闡明Sox2基因變異在高度近視風險中的作用。

2.6Sox2基因與視網(wǎng)膜母細胞瘤視網(wǎng)膜母細胞瘤(retinoblastoma，Rb)是一種常見的影響兒童的原發(fā)性眼內(nèi)惡性腫瘤。Rb可對眼睛和視力造成嚴重損害，后期因顱內(nèi)和全身轉(zhuǎn)移而導致患兒死亡[36]。Tong等[37]發(fā)現(xiàn)Sox2在Rb患兒癌組織及其外周血中的表達水平與Rb的臨床病理特征密切相關(guān)。與高分化Rb患者的癌組織及外周血相比，Sox2在低分化Rb患者癌組織及外周血中表達水平顯著增高。因此Sox2可能成為診斷Rb的一項新的腫瘤標志物。

3小結(jié)

Sox2基因是維持胚胎干細胞多能性和自我更新特性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子之一，常作為干細胞標記物。Sox2參與多種生物學過程，如調(diào)節(jié)細胞增殖、凋亡、分化，參與腫瘤的形成和發(fā)展等，并且在眼部常見疾病的發(fā)生發(fā)展中起一定作用。當其發(fā)生突變時，可導致白內(nèi)障、無眼癥和小眼癥等相關(guān)疾病，但其現(xiàn)存研究較少且不夠深入，還有待進一步研究Sox2基因在眼部疾病發(fā)生發(fā)展中的作用機制，以期能為疾病的診斷與治療提供新的思路。