LHX3和LHX4 LIM-内啡肽因子在垂体发育中的作用

摘要

1.简介

哺乳动物垂体前叶中的五种分化细胞分泌调节一系列发育和生理功能的多肽激素(图1)。细胞类型（和激素）为皮质类固醇（产生促肾上腺皮质激素[ACTH]）前阿片黑皮素基因）；促性腺激素（卵泡刺激激素[FSH]和黄体生成激素[LH]）；促甲状腺激素；生长激素；和催乳素（催乳素[PRL]）。垂体前叶产生的激素调节生长和代谢（GH和TSH）、生殖发育和功能（FSH、LH、PRL）、甲状腺生理学（TSH），泌乳（PRL）和应激反应（ACTH）。FSH、LH和TSH是α-糖蛋白亚基（αGSU）和一种独特的β亚基（FSHβ、LHβ、TSHβ）的异二聚体。

在单独的窗口中打开

图1

信号蛋白和转录因子对垂体前叶发育的调节。腹侧间脑（DIEN）和口腔外胚层/前神经嵴（OE）之间的感应信号先于发育不全的Rathke囊（rRP，垂体前叶发育所依赖的腺垂体的前身）的形成。随后，形成了一个明确的闭合Rathke眼袋（dcRP）。成熟垂体有三个主要组成部分：垂体前叶（AP）、垂体中间叶（IP）和垂体后叶（PP）。

在发育过程中，Rathke眼袋（垂体前叶的原基）和间脑之间的诱导事件启动转录因子的表达，这些转录因子协调垂体前叶激素分泌细胞的建立(图1) (Zhu等人，2005年)。对垂体转录因子基因自发突变和工程突变的啮齿动物模型的分析揭示了其中许多基因在腺体发育中的作用。此外，一些转录因子基因的突变与儿童激素缺乏症有关(达塔尼，2005年).

LHX3和LHX4是LIM-HD转录因子。LIM域是一个多功能蛋白质/蛋白质相互作用域，首次在这类转录因子的其他几个成员中发现：L（左）输入11，我SL1和M（M）电子控制3(亨特和罗德斯，2005年)。大型LIM蛋白超家族还包括细胞骨架蛋白、信号级联传感器和转录辅活化因子。哺乳动物中至少有12个LIM-HD基因编码发育调节蛋白，具有两个LIM结构域和一个DNA-结合HD(图2)。LIM-HD蛋白的功能受到相互作用蛋白的影响，如NLI/LDB/CLIM、MRG1、SLB和RLIM蛋白(巴赫，2000)。哺乳动物LIM-HD蛋白中，ISL1、ISL2、LHX2、LHX3和LHX4与垂体发育有关。

在单独的窗口中打开

图2

LHX3/LHX4 LIM-homeodomain蛋白家族。A。人类LHX3a/b蛋白的结构域结构及其与人类LHX4的比较。显示了关键域之间的标识百分比，括号中显示了总体标识。LSD=LIM3/4特异性结构域。B。LHX3/LIM3类蛋白质的保存。显示了人类、恒河猴（Ma）、黑猩猩（Pt）、奶牛（Bt）、猪（Ss）、小鼠（Mm）、负鼠（Md）、斑马鱼（Dr）、鸡（Gg）、非洲爪蛙（Xl）和果蝇（Dm）关键域的总体结构和百分比一致性。L1，L2=LIM域；HD=同源结构域。从GenBank、Swiss-Prot和TIGR数据库检索蛋白质序列。C。LHX4蛋白的保护。显示了人类、黑猩猩、牛、狗（Cf）、小鼠、负鼠和斑马鱼关键结构域的总体结构和同一性百分比。

2.长度3

人类LHX3型基因定位于9号染色体，由7个编码外显子和6个内含子组成，全长约8.5千碱基(Netchine等人，2000年;Sloop等人，2000a;Sloop等人，2000b)。哺乳动物LHX3型基因产生两种主要的mRNA，称为LHX3a型和LHX3b型(Zhadanov等人，1995年b;Sloop等人，1999年;Sloop等人，2000a)。鼠标长x3a和长x3bmRNAs在发育过程中有不同的时间表达谱，并且在模拟特定垂体细胞类型的细胞系中有差异表达(Zhadanov等人，1995年;Sloop等人，1999年;Sloop等人，2001a;West等人，2004年)。在啮齿动物胚胎发生期间，长x3在脊髓腹侧、脑桥、延髓、松果体、肺部以及发育中的垂体前/中叶中都可以检测到mRNA(Seidah等人，1994年;巴赫等人，1995年;Zhadanov等人，1995年;Meier等人，1999年;翁等人，2006年)。人类发育过程中也有类似的表达模式(Sloop等人，1999年;Schmitt等人，2000年;Sobrier等人，2004年).

哺乳动物的转录LHX3型基因由外显子Ia和Ib上游的两个无TATA、富含GC的启动子介导，并涉及特异性蛋白-1（Sp1）和核因子I（NFI）的作用(Yaden等人，2006年)。间脑和Rathke囊中的成纤维细胞生长因子，如FGF8，参与激活长x3(图1)而未能表达FGF8的小鼠表现出类似于长x3/长x4双基因敲除小鼠(Takuma等人，1998年)。使用培养的垂体细胞进行的研究和对靶向基因突变小鼠的分析表明Lhx4，坑x1，和坑x2基因也参与了Lhx（磅）3 (Tremblay等人，1998年;Raetzman等人，2002年;Charles等人，2005年).

LHX3/LIM3/P-Lim蛋白在进化中非常保守，在许多物种中都可以找到同源物，包括鸟类、鱼类、两栖动物和昆虫(图2B)。哺乳动物至少产生三种不同的蛋白质LHX3型mRNA。LHX3a和LHX3b亚型的大多数序列（LIMs、HD和羧基）相同，但其不同的氨基末端不同(图2A) (Zhadanov等人，1995年;Sloop等人，1999年;Sloop等人，2001a)。第三种蛋白质亚型M2-LHX3是通过翻译LHX3a型信使核糖核酸(Sloop等人，2001a)。M2-LHX3缺乏LHX3a和LHX3b中发现的氨基末端和LIM结构域。三种LHX3亚型显示出不同的生化和功能特性(Sloop等人，1999年;Parker等人，2000年;Bridwell等人，2001年;Sloop等人，2001a;Parker等人，2005年;Yaden等人，2005年).

分子研究表明，LHX3蛋白可以与垂体基因启动子/增强子中的调节元件结合，并导致垂体基因转录增加FSH公司β，αGSU、PRL、TSHβ，促性腺激素释放激素受体、和坑1发起人（例如。巴赫等人，1995年;Sloop等人，1999年;West等人，2004年;McGillivray等人，2005年;Granger等人，2006年)。最近，LHX3被发现是FOXL2的上游激活物，FOXL2是一种转录因子，在表达αGSU(Ellsworth等人，2006年)。对于垂体和神经系统中某些启动子的激活，LHX3可以参与与其他因子如PIT1和ISL1的复杂转录相互作用(巴赫等人，1995年;Thaler等人，2002年;Granger等人，2006年).

纯合子缺失小鼠的表型长x3反映了该基因在垂体和神经系统发育中的重要性(Sheng等人，1996年;Sheng等人，1997年;Sharma等人，1998年)。在长x3出生后不久死亡的空白小鼠形成了一个明确的Rathke囊，但无法进一步发育，缺乏五种激素分泌细胞类型中的四种，只含有少量皮质类固醇。因此，LHX3对早期结构事件和乳细胞系、生长激素、促性腺激素和甲状腺细胞系的规范至关重要。Rathke的眼袋在长x3^−/−小鼠在胚胎第11.5天（e11.5），但到了e12.5，眼袋的扩张被阻止。有后叶，但前叶缺失，中间叶缩小。长x3^+/负极杂合小鼠有足够的LHX3用于正常规范的垂体细胞谱系和发育。长x3^{Cre/Cre公司}小鼠垂体中LHX3的表达降低，但在发育中的神经系统中接近正常表达(Zhao等人，2006年)。与…对比长x3^+/负极老鼠，长x3^{Cre/Cre公司}小鼠表现出与空白小鼠相似的垂体表型。在LHX3作用减弱的小鼠中，Rathke眼袋腹侧部分的细胞凋亡增加，但细胞增殖水平与野生型动物相似。细胞凋亡增加也见于坑x1/坑x2缺乏可检测LHX3表达的空白小鼠(Charles等人，2005年).

到目前为止LHX3型在人类身上有记录。所有特征患者都患有垂体激素缺乏症（CPHD），缺乏GH、PRL、FSH、LH和TSH，ACTH水平正常(Netchine等人，2000年;Bhangoo等人，2006年)。这与长x3缺乏大多数激素分泌细胞类型但保留一些ACTH分泌皮质类固醇的无效小鼠。此外，LHX3型突变患者颈椎僵硬，颈部旋转受限，可能与LHX3在运动神经元发育中的作用有关。此外，根据观察长x3^+/−小鼠，杂合子家族成员不受影响。第一类LHX3型突变发生在两个不相关的近亲家庭(Netchine等人，2000年)。一个突变导致高度保守的LIM2结构域中的酪氨酸残基被半胱氨酸取代；另一种突变涉及纯合子缺失，导致HD丢失。这些患者的垂体形态各不相同，表现为垂体发育不良或增大。对这些突变的分子分析表明，由这些突变基因编码的LHX3蛋白对反式-激活垂体激素基因启动子(霍华德和莫勒，2001年;Sloop等人，2001b)。第三个人LHX3型突变涉及外显子II中的单碱基对缺失，产生一个缺失所有功能域且无预测功能的截短蛋白(Bhangoo等人，2006年)。这种突变蛋白可能不是由于无意义介导的LHX3型消息。除上述表型外LHX3型患者中，该患者还表现出与微腺瘤一致的低信号垂体病变，以及精神发育迟滞、言语困难和可能的局灶性肌萎缩的神经特征。这些症状扩大了LHX3型突变，因此需要进一步研究这些神经系统发现的机制。

3.LHX4型

人类LHX4型第1染色体上的基因具有与LHX3型但较长的内含子导致基因长度>45千碱基(Machinis等人，2001年;Sloop等人，2001c)。在小鼠中长x 4（或Gsh4公司)基因在发育中的后脑、大脑皮层、垂体和脊髓中表达(Li等人，1994年; Liu等人，2002年）。人类LHX4蛋白与其他哺乳动物的直系同源物具有>95%的同一性，表明整个蛋白的序列保持不变(图2C)。LHX4也显示出与LHX3的显著相似性(图2A)与这对LIM-HD基因在HD转录因子亚类的进化过程中最近发生了分化相一致(亨特和罗德斯，2005年)。喜欢LHX3a型，的LHX4型mRNA有一个内部蛋氨酸密码子，位于LIM2编码区的等效位置，能够产生缺乏LIM结构域的短（M2-LHX4）亚型(Sloop等人，2001a)。在基因调控实验中，LHX4蛋白在使用垂体激素启动子报告基因进行的分析中表现出与LHX3a类似的活性，与蛋白质的类似生化特性（例如。Sloop等人，2001a;Kawamata等人，2002年;West等人，2004年).

虽然LHX3和LHX4在蛋白质结构上有明显的相似性，但基因有不同的表达模式，通过对小鼠进行单基因和联合基因靶向研究，揭示了它们在发育中重叠但不同的作用。纯合子小鼠长x 4基因断裂在出生后不久死于肺缺陷；杂合动物明显未受影响(Li等人，1994年)。在两者中长x3和长x 4单基因敲除动物，发育出一个明确的Rathke囊，但垂体的发育在此囊期停止(Sheng等人，1996年;Sheng等人，1997年)。增殖似乎受损，垂体前叶严重发育不全(Sheng等人，1997年)。然而，与长x3^{负极/负极}老鼠，Rathke的眼袋长x 4^{负极/负极}小鼠包含所有分化的细胞类型。进一步的分析显示长x 4突变体主要是由于垂体前体细胞的凋亡(Raetzman等人，2002年)。此外，LHX3的表达在长x 4突变体和缺失长hx4/道具1两次击倒，表明长x 4LHX3的正确表达需要借助于道具1(Raetzman等人，2002年)。观察结果表明长x 4是细胞生存所必需的，并且LHX3在Rathke眼袋中的表达表明长x 4在发育过程中需要适当扩张眼袋。这个长x3和长x 4基因有一些重叠的作用。例如，长x3和长x 4在垂体发育的早期阶段，这两种基因都是必需的：在缺乏这两个基因的小鼠中，Rathke的眼袋不能发育到早期的初级阶段。然而，在缺乏这两种基因的小鼠中长x3或长x 4，Rathke的眼袋能够从其早期的基本结构发展到更明确的眼袋，这表明两种蛋白的表达长x3或长x 4是开发最终邮袋所必需的(图1) (Sheng等人，1997年)。喜欢长x3，这个长x 4基因在腹侧运动神经元分化中也很重要(Sharma等人，1998年).

最近对含有垂体干/祖细胞的小鼠垂体细胞侧群的研究表明，这些细胞表达长hx4相比之下，长x3不同于长x 4在垂体前叶发育后没有下调，仅限于垂体细胞的主要群体，这表明这两个基因在垂体干细胞功能和腺体维持中起着不同的作用(Chen等人，2005年).

与长hx4对于小鼠垂体发育LHX4型已在一个家庭中发现，受影响的成员患有慢性阻塞性肺病，包括GH、TSH和ACTH缺陷（未检测LH和FSH）。受影响家庭成员的磁共振成像分析显示垂体发育不良、小蝶鞍、chiari畸形和异位垂体后叶(Machinis等人，2001年)。观察到的LHX4型突变是剪接受体位点的G到C的颠倒，预计会导致HD中四个保守氨基酸缺失的蛋白质或截短的蛋白质的产生。这种突变产生的异常蛋白质LHX4型无法绑定到PIT1项目DNA结合能力下降导致的启动子(Machinis和Amselem，2005年)。这种突变的杂合子性质表明突变等位基因可能具有显性负作用，尽管单倍体不足或其他机制可能是另一种解释。放松管制LHX4型也与涉及多种类型白血病的染色体易位有关(Kawamata等人，2002年;山口等，2003年).

4.结论

分析LHX3型和LHX4型动物模型和激素缺乏病患者的基因突变表明，这些基因在垂体发育中起着关键作用。这些研究使新形式垂体激素缺乏症的分子诊断成为可能，并将有助于对患有类似疾病的患者进行更准确的诊断和治疗，以及为受影响家庭提供遗传咨询。早期检测突变将改善这些儿童的发育结果并预防并发症。由于LHX3和LHX4在垂体发育各阶段的直接靶基因已被确定，并且这些蛋白激活基因的机制也得到了更好的表征，将揭示新的研究目标，并将更好地理解涉及这些基因的复杂人类突变（例如在杂合状态下发现的突变）的功能遗传学。

致谢

脚注

工具书类