李桃桃，金美林，費(fèi)曉娟，王慧華，陸 健，狄 冉，魏彩虹*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.全國(guó)畜牧總站，北京 100193)

1 Hox家族概述

同源異型盒基因(homeobox genes)編碼的轉(zhuǎn)錄因子包含一個(gè)由61個(gè)氨基酸組成的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，稱為同源結(jié)構(gòu)域(homeodomain，HD)[1-2]。HD呈類球形折疊，它的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋超二級(jí)結(jié)構(gòu)可識(shí)別以5′-TAAT-3′為核心的DNA序列，N-末端臂與DNA小溝的接觸起穩(wěn)定結(jié)合的作用[1,3]。這些轉(zhuǎn)錄因子可通過(guò)序列特異性結(jié)合DNA并且與蛋白輔因子相互作用來(lái)調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而影響細(xì)胞行為和活性[4]。從酵母到人類幾乎所有真核生物中都有同源異型盒基因的多個(gè)拷貝，同源異型盒基因在正常胚胎發(fā)育中的作用以Hox基因家族最為突出[5]。

Hox基因最初是在果蠅的研究中發(fā)現(xiàn)聚集于觸角(ANT-C)和雙觸角(BX-C)復(fù)合體中的兩簇基因，它們指定頭部和軀干區(qū)域的身份[6]，缺失突變或者異位表達(dá)可以引起果蠅身體的同源異型轉(zhuǎn)化，從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為相鄰的另一種形態(tài)[4]。在進(jìn)化過(guò)程中，經(jīng)歷共同祖先兩次全基因組復(fù)制以及基因丟失，脊椎動(dòng)物形成了4個(gè)Hox基因簇[7-8]。高等脊椎動(dòng)物這4個(gè)Hox基因簇，稱為Hoxloci，人類表示為HOXA、HOXB、HOXC、HOXD；小鼠表示為Hoxa、Hoxb、Hoxc、Hoxd[9-10]。每個(gè)簇位于不同的染色體上，具體來(lái)說(shuō)，Hoxa-d位于小鼠的6、11、15和2號(hào)染色體上，HOXA-D位于人類的7、17、12和2號(hào)染色體上[11]。脊椎動(dòng)物至少有39個(gè)Hox基因分布在4個(gè)簇中，根據(jù)序列相似性又可分為13個(gè)旁系同源組，Hoxa-d這4個(gè)簇中，每簇由9～11個(gè)基因組成，沒有一簇包含全部13個(gè)Hox基因。這被認(rèn)為是全基因組復(fù)制后進(jìn)化過(guò)程中基因丟失導(dǎo)致的，因此每一旁系同源組中含有2～4個(gè)Hox基因家族成員[12]。

2 Hox基因表達(dá)特點(diǎn)

2.1 時(shí)空共線性

在胚胎發(fā)育期，所有Hox基因有相同的轉(zhuǎn)錄方向。Hox基因轉(zhuǎn)錄激活以染色體中3′→5′方向按時(shí)間先后順序逐個(gè)啟動(dòng)，特定Hox基因在特定的時(shí)間和位置表達(dá)或沉默。即最3′端的Hox1基因最先激活，在最前端的胚胎組織表達(dá)；最5′端的Hox13基因最后激活，在最后端的胚胎組織表達(dá)[10]。Hox基因在染色體上的排列順序與其沿著胚胎前-后軸連續(xù)的表達(dá)域之間存在緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這個(gè)性質(zhì)，被稱為“空間共線性”，最初在果蠅中觀察到[13]，隨后研究發(fā)現(xiàn)在脊椎動(dòng)物中同樣適用。脊椎動(dòng)物中，Hox基因表達(dá)域的空間共線性分布還與它們轉(zhuǎn)錄激活的時(shí)間相關(guān)，即靠近3′端的基因(“前”Hox基因，如PG1中的基因)比靠近5′端的基因(“后”Hox基因，如PG13中的基因)更早表達(dá)，Hox基因時(shí)間上的這種先后激活反映出它們?cè)谌旧w上的排列順序以及在胚胎軸上的表達(dá)域[14-15]。即脊椎動(dòng)物的Hox基因表達(dá)具有“時(shí)空共線性”特點(diǎn)[16]。這種特定的表達(dá)域以及相應(yīng)的表達(dá)時(shí)間對(duì)于正常的胚胎發(fā)育至關(guān)重要，胚胎中任何前-后軸水平HOX蛋白組合的變化通常都會(huì)導(dǎo)致軸向模式的改變[17-18]。Hox基因表達(dá)的時(shí)空共線性確保Hox基因有序轉(zhuǎn)錄激活，在前部Hox基因激活前保持后部Hox基因的沉默狀態(tài)。

2.2 功能冗余性及互補(bǔ)性

進(jìn)化過(guò)程中的全基因組復(fù)制，導(dǎo)致Hoxa、Hoxb、Hoxc以及Hoxd4個(gè)基因簇的存在，位于4個(gè)簇中相同位置的Hox基因顯示出高度的序列相似性，因此具有一定的功能等效性[19]。同一旁系同源組以及不同旁系同源組基因之間具有功能冗余性和互補(bǔ)性。Hox基因單一突變和組合突變的表型比較證實(shí)了同一旁系同源組成員之間的功能冗余，相比單一突變，幾個(gè)同源基因突變或者整個(gè)同源組突變都會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的表型缺陷[20-22]，在Hox3、Hox4、Hox10和Hox11等旁系同源基因間均存在功能冗余現(xiàn)象。猜測(cè)這種現(xiàn)象是因?yàn)閱我煌蛔儠r(shí)的表型被其他同源基因補(bǔ)償而不會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的缺陷。而在不同同源組間，Hox基因表達(dá)域有重疊，會(huì)表現(xiàn)為功能上的冗余。

2.3 Hox基因的作用

Hox基因?qū)儆诎l(fā)育基因，在整個(gè)生命過(guò)程中調(diào)節(jié)特定于細(xì)胞的活動(dòng)。胚胎發(fā)生過(guò)程中，沿前-后軸和近-遠(yuǎn)軸Hox基因表達(dá)的組合模式是相對(duì)嚴(yán)格定義的，并且這種位置記憶信息一直持續(xù)到成年期[23]。Hox基因以時(shí)空共線性原則在胚胎的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和各個(gè)胚層的特定位置表達(dá)，協(xié)調(diào)和控制動(dòng)物的多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育系統(tǒng)。無(wú)論是肢體、大腦、內(nèi)臟、肌肉、血液、骨骼的發(fā)育分化，還是免疫系統(tǒng)的形態(tài)發(fā)生、身體的模式化，都受到Hox基因的影響[24]。

Hox基因家族在身體形態(tài)的發(fā)育模式中起重要作用。Hox基因參與身體形態(tài)決定的形成過(guò)程，其突變或者異位表達(dá)會(huì)導(dǎo)致脊椎形態(tài)缺陷，這些缺陷表現(xiàn)為沿前-后軸的椎骨形態(tài)轉(zhuǎn)化,包括椎骨畸形、椎骨融合、肋骨融合和椎骨同源異型轉(zhuǎn)化等。

Hox基因家族參與動(dòng)物附肢的發(fā)育，脊椎動(dòng)物Hoxa和Hoxd簇基因是正常肢體發(fā)育所必需的[20, 25-26]。Hox9-Hox13對(duì)肢體近-遠(yuǎn)軸的發(fā)育不可或缺，并且參與形態(tài)決定，如Hox9決定肱骨和股骨形態(tài)；Hox11決定前后肢的尺骨、脛骨和腓骨形態(tài)；Hox13決定腕關(guān)節(jié)、指/趾形態(tài)[19-20, 27-28]。

Hox基因家族參與調(diào)控生殖系統(tǒng)的發(fā)育，雌性生殖道產(chǎn)生于繆勒氏管(Mullerian ducts，MDs)結(jié)構(gòu)。MDs的前-后軸發(fā)育模式以特定的順序進(jìn)行，依次發(fā)展成輸卵管、子宮、子宮頸和上陰道，這主要由5′-Hoxa控制[9]。如，Hoxa9在輸卵管區(qū)表達(dá)，Hoxa10在子宮中表達(dá)，Hoxa11在子宮下段和宮頸的原基中表達(dá)，Hoxa13在上陰道表達(dá)[9, 29]。Hoxa10缺失導(dǎo)致子宮轉(zhuǎn)化為輸卵管樣結(jié)構(gòu)[30]。Hoxa13突變導(dǎo)致泌尿生殖竇發(fā)育不良，MDs后部發(fā)育不全。在成年的人和其他動(dòng)物中，子宮內(nèi)膜會(huì)經(jīng)歷一個(gè)有序的分化過(guò)程，存在著床容受性現(xiàn)象。Hox/HOX基因通過(guò)激活或抑制靶基因的表達(dá)來(lái)控制子宮內(nèi)膜周期性發(fā)育和著床容受性。HOXA10和HOXA11的表達(dá)在分泌中期，即胚胎植入時(shí)急劇增加，并且它們?cè)谡麄€(gè)分泌期保持升高，這是胚胎植入所必需的[31]。Hoxa10/HOXA10和Hoxa11/HOXA11表達(dá)的降低導(dǎo)致小鼠和人的胚胎植入率降低，造成子宮內(nèi)膜發(fā)育受損，阻止胚胎著床并導(dǎo)致不孕[9, 32]。

Hox基因家族參與造血祖細(xì)胞(hematopoietic progenitor cells，HPCs)的增殖、分化和成熟。Hox基因在細(xì)胞系和骨髓中以譜系特異性方式表達(dá)。HOXB4和HOXA9是造血干細(xì)胞中的主要調(diào)節(jié)因子，在胚胎發(fā)生過(guò)程中促進(jìn)自我更新，并且與重要的造血基因增強(qiáng)子相互作用來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄[33-35]。HOXA5、HOXA9和HOXA10在T淋巴細(xì)胞生成中發(fā)揮重要作用[36]。大多數(shù)Hox基因可以促進(jìn)造血祖細(xì)胞的增殖并抑制其分化[37]。Hox基因的過(guò)表達(dá)引起造血細(xì)胞過(guò)度增殖并導(dǎo)致白血病[38]，而其缺失或者敲除導(dǎo)致血細(xì)胞數(shù)量減少以及造血能力下降[37]。造血能力失調(diào)以及白血病惡性轉(zhuǎn)化與Hox基因表達(dá)失調(diào)直接相關(guān)[39]。

Hox基因家族參與癌癥調(diào)控。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞增殖與分化之間的平衡對(duì)于胎兒的正常發(fā)育至關(guān)重要，但是在癌癥中，這兩個(gè)過(guò)程之間的平衡被打破。Hox基因在惡性腫瘤中差異表達(dá)，根據(jù)腫瘤類型不同充當(dāng)原癌基因或抑癌基因，它們通過(guò)上調(diào)或下調(diào)來(lái)發(fā)揮作用[40]。如，HOXA9作為原癌基因在白血病中過(guò)度表達(dá)，但在乳腺癌中下調(diào)[41]；HOXB7作為原癌基因在乳腺癌和肺癌中上調(diào)[42-43]。Hox基因誘導(dǎo)各種癌癥的發(fā)生，與細(xì)胞自噬、增殖、分化、凋亡和遷移等過(guò)程中Hox表達(dá)失調(diào)有關(guān)[44-46]。

3 Hox基因家族與動(dòng)物脊椎

脊椎是哺乳動(dòng)物整個(gè)軀體的框架及支柱。一般包括頸椎、胸椎、腰椎、薦椎和尾椎5部分，在進(jìn)化過(guò)程中，每種動(dòng)物都形成特定于物種的“椎骨公式”，小鼠典型的椎骨公式由7個(gè)頸椎、13個(gè)胸椎、5或6個(gè)腰椎、4個(gè)薦椎以及28個(gè)尾椎組成，而蛇胸椎數(shù)超過(guò)200個(gè)，猴子有超過(guò)30個(gè)尾椎，人類卻只有相對(duì)較少的3～5個(gè)融合尾椎。雖然各種動(dòng)物各椎骨數(shù)有所差異，但每類脊椎的共同形態(tài)特征得以保留。脊椎由胚胎發(fā)育過(guò)程中的體節(jié)分化而來(lái)，體節(jié)在近軸中胚層形成，隨后分化為不同形態(tài)的椎骨以及骨骼肌[47]。體節(jié)向椎骨的分化由Hox基因調(diào)控[47]。對(duì)具有不同椎骨公式的脊椎動(dòng)物胚胎進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)特定的Hox基因與脊椎的特定形態(tài)密切相關(guān)，表明Hox基因在建立脊椎動(dòng)物中軸骨骼中的關(guān)鍵作用。

Hox基因在脊椎動(dòng)物胚胎近軸中胚層的特定位置表達(dá)，指導(dǎo)體節(jié)發(fā)育成各類脊椎。從果蠅、線蟲到小鼠等各種動(dòng)物的研究中得知，Hox基因在確定身體前后軸椎骨身份中的作用，其突變或者異位表達(dá)時(shí)脊椎形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化。

3.1 Hox基因與頸椎

頸部是由一系列頸椎組成的形態(tài)獨(dú)特且至關(guān)重要的功能系統(tǒng)，是對(duì)基本功能需求的形態(tài)學(xué)適應(yīng)。與頭骨形成關(guān)節(jié)的椎骨寰椎，是頸部骨骼的第一個(gè)組成部分，而后是樞椎與之相連。頸椎具有基本的功能區(qū)域寰樞椎復(fù)合體(促進(jìn)頭部的活動(dòng))和頸胸過(guò)渡區(qū)。對(duì)進(jìn)食行為和運(yùn)動(dòng)行為至關(guān)重要。在脊椎動(dòng)物中，頸椎數(shù)一般差異較大，但是哺乳動(dòng)物頸椎數(shù)比較保守，一般均為7個(gè)頸椎，除樹懶(5～10個(gè)不等)和海牛(一般為6個(gè))的頸椎數(shù)打破了頸椎限制[48-49]。Hox3、Hox4和Hox5的功能缺失試驗(yàn)證明了它們?cè)诮㈩i椎形態(tài)中的作用。Horan等[50]研究發(fā)現(xiàn)，Hox4同源基因中3個(gè)基因的缺失導(dǎo)致第三至第七頸椎形態(tài)向第一和第二頸椎形態(tài)轉(zhuǎn)化。體節(jié)中Hox4表達(dá)域的前邊界在雞和小鼠中相似，即Hoxb4對(duì)應(yīng)前頸椎的位置，Hoxa4和Hoxc4映射到兩種動(dòng)物頸椎的中部椎骨[51]。Hox5同源基因的缺失導(dǎo)致第三至第七頸椎形態(tài)轉(zhuǎn)變[21]。Hoxc5的原位雜交試驗(yàn)結(jié)果顯示其在小鼠和雞頸椎的不同體節(jié)表達(dá)，表達(dá)邊界代表相同的解剖學(xué)水平，即對(duì)應(yīng)第二至最后一節(jié)頸椎[51]，Hoxa3和Hoxd3主要控制寰椎的生成[52]。綜上，Hox3、Hox4和Hox5基因在胚胎發(fā)育過(guò)程中決定頸椎形態(tài)。

3.2 Hox基因與胸腔

動(dòng)物的胸腔由3部分組成，分別為胸椎、肋骨和胸骨，并且共同組成胸腔。進(jìn)化過(guò)程中，哺乳動(dòng)物的胸椎含有相對(duì)固定的數(shù)目，一般為13～14個(gè)，同時(shí)有相同數(shù)目的肋骨與之相連。前部的8根肋骨在遠(yuǎn)端與胸骨相連，其余后部肋骨為浮肋。Hox基因在胸腔的表達(dá)模式不遵循共線性特征，胸椎和近端肋骨由近軸中胚層的體節(jié)發(fā)育而來(lái)，而胸骨和遠(yuǎn)端肋骨由側(cè)板中胚層發(fā)育而來(lái)[21, 53]。在這兩個(gè)組織中，Hox基因具有不同的表達(dá)模式，可能涉及兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)制。在Hox9同源基因完全突變的小鼠中，觀察到所有肋骨均與胸骨相連，這表明Hox9對(duì)于浮肋的產(chǎn)生起主要作用[21]。在前體中胚層(PSM)中異位表達(dá)Hox6的轉(zhuǎn)基因小鼠在頸椎和腰椎區(qū)域發(fā)育出肋骨[54]，形態(tài)與胸椎相似，表明Hox6能夠使胸部前后的椎骨表現(xiàn)出胸部特征。結(jié)合Hox6在近軸中胚層的表達(dá)域前邊界對(duì)應(yīng)頸胸轉(zhuǎn)化的體節(jié)區(qū)域[51]，說(shuō)明Hox6在脊椎形成過(guò)程中誘發(fā)肋骨生成。在Hox基因的功能突變研究中，唯一沒有發(fā)生形態(tài)變化的就是胸椎[55]，所有的胸椎形態(tài)相似，這些胸椎形態(tài)基本不受Hox基因突變的影響。綜上，認(rèn)為Hox6誘發(fā)肋骨生成；Hox9維持正確數(shù)目的肋骨與胸骨連接，確保后部肋骨為浮肋；Hox6-Hox8使體節(jié)發(fā)育成胸椎。而胸椎不依賴Hox基因突變的形態(tài)特征，可能由于胸椎是一種發(fā)育進(jìn)化中的基礎(chǔ)狀態(tài)[55]，也可能由于Hox6-Hox8組基因在胸椎所對(duì)應(yīng)的體節(jié)中表達(dá)域重疊，存在功能冗余和互補(bǔ)，單一組的突變不會(huì)產(chǎn)生明顯的形態(tài)轉(zhuǎn)變，需要更復(fù)雜的Hox基因組合突變來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，在體節(jié)水平進(jìn)行Hox6-Hox8所有基因的缺失突變研究可能會(huì)產(chǎn)生關(guān)于Hox基因在胸椎形態(tài)決定更合理的解釋。

3.3 Hox基因與腰椎

在陸地脊椎動(dòng)物中，腰椎是承重骨骼，通常是最大的椎骨，腰椎數(shù)目在不同的動(dòng)物中不同，哺乳動(dòng)物腰椎一般為5～6個(gè)。最初是在探究Hox10對(duì)腰椎的形態(tài)決定中發(fā)現(xiàn)了Hox基因控制脊椎形態(tài)特征的。Hox10的突變分析證明，Hox基因參與控制沿前-后軸的脊椎區(qū)域模式化[20]。Hox10同源基因失活導(dǎo)致小鼠的腰薦區(qū)域生出胸椎樣肋骨，表現(xiàn)出胸部特征。在包括胸椎在內(nèi)的PSM中異位表達(dá)任一Hox10同源基因，觀察到完全沒有肋骨生成[56]，證明Hox10基因有抑制肋骨的活性。因此，胸腰椎過(guò)渡和腰椎形態(tài)的模式化需要Hox10基因發(fā)揮肋骨抑制作用。在玉米蛇中，Hoxa10和Hoxc10的表達(dá)域向前移動(dòng)，在胸椎所對(duì)應(yīng)的體節(jié)中表達(dá)但是沒有發(fā)揮肋骨抑制作用，蛋白序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)Hoxa10和Hoxc10蛋白序列發(fā)生改變，從而使肋骨抑制活性降低，說(shuō)明進(jìn)化過(guò)程的自然選擇導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)改變，從而導(dǎo)致蛇擁有獨(dú)立于一般脊椎動(dòng)物的椎骨形態(tài)[57]。

3.4 Hox基因與薦椎和尾椎

薦椎在動(dòng)物成年后融合成薦骨，是骨盆附著的部位。脊椎終止于尾椎，在進(jìn)化過(guò)程中，不同的物種為適應(yīng)環(huán)境變化，尾椎數(shù)目變化較大。研究發(fā)現(xiàn)Hox11參與決定薦椎形態(tài)，缺失Hox11的小鼠薦椎形態(tài)改變，形成與腰椎一樣的特點(diǎn)[20]。在PSM中異位表達(dá)Hoxa11的轉(zhuǎn)基因小鼠胚胎顯示出相鄰椎骨的融合[56]，并且把這種轉(zhuǎn)化稱為椎骨“薦化”。在所有Hox10基因突變體中，不僅在腰椎上有肋骨生成，甚至薦骨側(cè)突也向肋骨狀突起轉(zhuǎn)化，比較Hox10和Hox11突變小鼠的表型發(fā)現(xiàn)，Hox10突變引起整個(gè)薦椎側(cè)突向胸椎的肋骨樣轉(zhuǎn)化，Hox11突變時(shí)薦椎向腰椎樣表型轉(zhuǎn)化[21]。說(shuō)明薦骨的形成既需要Hox10提供的肋骨抑制活性，也需要Hox11來(lái)促進(jìn)相鄰椎骨的側(cè)向生長(zhǎng)物產(chǎn)生和融合，以形成薦骨翼。即這兩組基因同在薦骨形態(tài)中起作用。Hox11還參與尾椎的形態(tài)決定[20]，轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)表明Hox11的組織特異性可能在這一過(guò)程中起作用，Hoxa11在體節(jié)表達(dá)形成尾椎，而在PSM中表達(dá)導(dǎo)致椎骨“薦化”。這種組織特異性背后的分子機(jī)制仍有待確定。Hoxa13和Hoxd13在蛇胚胎的尾芽和PSM中不表達(dá)使蛇尾部區(qū)域較長(zhǎng)[57]，小鼠體內(nèi)Hoxb13的失活導(dǎo)致小鼠尾椎的小范圍延長(zhǎng)[58]，表明Hox13基因可能對(duì)后軸延伸產(chǎn)生負(fù)調(diào)控而非簡(jiǎn)單的形態(tài)決定[59]。與上述情況一致，在轉(zhuǎn)錄因子Cdx2調(diào)控下表達(dá)Hoxa13、Hoxb13或Hoxc13的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物過(guò)早終止了軸向延伸[60]。因此，Hox13活性的降低可能是細(xì)長(zhǎng)身體模式進(jìn)化的關(guān)鍵事件。綜上，Hox10的肋骨抑制活性以及Hox11促進(jìn)相鄰椎骨融合活性共同維持薦骨正常形態(tài)；Hox13具有終止體軸伸長(zhǎng)的功能，對(duì)于進(jìn)化過(guò)程身體尾部的終止有重要作用。

綜合Hox基因在模式動(dòng)物小鼠以及非洲爪蟾、雞、蛇上的研究，發(fā)現(xiàn)在早期胚胎中，Hox基因決定了軀干的不同軸向結(jié)構(gòu)形態(tài)以及它們之間的轉(zhuǎn)換。Hox4表達(dá)域前邊界接近枕/頸部的過(guò)渡邊界，Hox6表達(dá)域前邊界總是在頸胸交界處[61]，Hoxa10表達(dá)域前邊界幾乎總是在胸腰椎過(guò)渡處[21]，這些關(guān)系在進(jìn)化上是保守的。關(guān)于Hox基因?qū)τ诩棺瞪矸莸拇_定，不同的Hox基因與特定的形態(tài)特征相聯(lián)系，例如Hox6促使胸椎上形成肋骨，Hox9確保正確數(shù)量的肋骨附著于胸骨，Hox10抑制肋骨生成，確保正常的腰椎形態(tài)，Hox13負(fù)調(diào)控尾椎的伸長(zhǎng)。

4 Hox基因在動(dòng)物脊椎的調(diào)控特點(diǎn)

4.1 Hox基因的調(diào)控類型

時(shí)空共線性是Hox基因精準(zhǔn)有序表達(dá)來(lái)調(diào)控脊椎軸向模式的關(guān)鍵。而Hox基因時(shí)空共線性表達(dá)的具體原因仍存在不同的爭(zhēng)議?；谑状卧诠壷邪l(fā)現(xiàn)的表型抑制現(xiàn)象，“后端優(yōu)勢(shì)”模型被提出，用來(lái)解釋后部Hox基因的功能優(yōu)于一同表達(dá)的前部Hox基因的功能[62]。該模型認(rèn)為“特定身份區(qū)域的模式信息主要依賴于一種Hox基因(同源基因組)，并且在兩個(gè)或多個(gè)Hox基因(同源基因組)表達(dá)域重疊的情況下，模式化信息由更后的基因提供[16, 63]”。根據(jù)這個(gè)模型，脊椎身份由更后部的Hox基因起主要決定作用。在一些情況下，Hox等位基因功能缺失導(dǎo)致的缺陷并不符合后端優(yōu)勢(shì)模型。有研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物脊椎形態(tài)是由幾組Hox基因共同決定的。所以“Hox編碼”模型被提出，用來(lái)描述Hox基因的組合表達(dá)最終決定了不同椎骨的形態(tài)[62]。該模型認(rèn)為，體節(jié)從表達(dá)Hox基因的特定組合中獲得其特定形態(tài)特征。這個(gè)模型的一個(gè)推論是，不同的HOX蛋白具有不同的功能，Hox基因的每個(gè)同源組在軸向模式中的遺傳功能不同，最終的脊椎形態(tài)是共同表達(dá)基因中每一個(gè)基因所賦予的獨(dú)特形態(tài)的組合。Hox同源基因的缺失不會(huì)顯著影響下一個(gè)相鄰基因組的表達(dá)支持了“Hox編碼”模型[21]，不同基因組合突變時(shí)表型不同也說(shuō)明每個(gè)Hox基因發(fā)揮不同作用。然而，非洲爪蟾Hox1下調(diào)或者失活導(dǎo)致后續(xù)Hox基因表達(dá)的下調(diào)[64]，同樣，非洲爪蟾胚胎中Hoxd1、Hoxb4、Hoxa7和Hoxb9的異位表達(dá)誘導(dǎo)了它們自身的表達(dá)以及旁系同源物和更多后部Hox基因的表達(dá)[61]。這種前部Hox基因誘導(dǎo)后部Hox基因表達(dá)的現(xiàn)象稱為“后向誘導(dǎo)”[16]。后向誘導(dǎo)也在正常胚胎發(fā)育過(guò)程中起作用。這些模型提出關(guān)于Hox基因在動(dòng)物脊椎中的重要作用，但是目前關(guān)于Hox基因的調(diào)控模式仍存在爭(zhēng)議，還需要更多的分子研究以及更加統(tǒng)一的模式來(lái)進(jìn)行Hox基因的功能說(shuō)明。

4.2 Hox基因的調(diào)控機(jī)制

Hox轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)的正確時(shí)間是介導(dǎo)胚胎期脊椎生成和模式化的基礎(chǔ)。脊椎動(dòng)物中，Hox基因的時(shí)空共線性表達(dá)確保正確的身體模式。因此，在空間和時(shí)間上對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的嚴(yán)格控制對(duì)胚胎正常發(fā)育至關(guān)重要，胚胎中任何給定前-后軸HOX蛋白組合的變化通常會(huì)導(dǎo)致軸向模式的改變[18]。在原腸胚時(shí)期最初激活后，大多數(shù)Hox基因(Hox3-Hox13)在體節(jié)及其衍生物(前體椎骨)動(dòng)態(tài)表達(dá)，建立最初的Hox表達(dá)域。在體節(jié)發(fā)育和分化過(guò)程中，早期建立的Hox基因表達(dá)域可以向前或向后移動(dòng)。這些變化的模式因基因而異，并且由額外的調(diào)節(jié)輸入選擇性地改變Hox基因的初始表達(dá)域[65]。

體節(jié)是近軸中胚層細(xì)胞塊，產(chǎn)生脊椎及相關(guān)的肌肉和肌腱。在發(fā)育過(guò)程中，體細(xì)胞形成通過(guò)一系列形態(tài)發(fā)生因子的動(dòng)態(tài)梯度表達(dá)與脊椎軸形成緊密結(jié)合[65-66]，即成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、Wnt蛋白、Notch信號(hào)通路和維甲酸(retinoic acid，RA)的動(dòng)態(tài)梯度表達(dá)。而FGF、Wnt、Notch和RA等都是近軸中胚層Hox基因表達(dá)的上游調(diào)節(jié)因子，將體節(jié)發(fā)生和脊椎形態(tài)聯(lián)系起來(lái)[67]。FGF、Wnt、Notch和RA等信號(hào)因子的缺失表達(dá)或通路異常導(dǎo)致脊椎形態(tài)的同源異型轉(zhuǎn)化以及Hox基因表達(dá)域移動(dòng)或不表達(dá)[68]。RA是Hox基因表達(dá)的生理激活劑，以階段依賴的方式在原始條紋中對(duì)Hox激活進(jìn)行調(diào)節(jié)輸入[69]。RA可能參與原始條紋中幾乎所有Hox基因的初始誘導(dǎo)，而其他因素則更多調(diào)節(jié)Hox基因的子集。在典型的Wnt信號(hào)通路中，Wnt3形成于胚胎的原始條紋形成之前，Wnt3缺失突變時(shí)胚胎不表達(dá)Hox基因。位于Hoxa簇3′端的亞拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域內(nèi)的一系列增強(qiáng)子(Ades1和Ades2等)是Wnt依賴性的，在Wnt信號(hào)傳入時(shí)啟動(dòng)3′-Hoxa轉(zhuǎn)錄[70]。FGF可通過(guò)Cdx間接激活爪蟾和小鼠中心Hox基因，但不激活3′-Hox基因，主要誘導(dǎo)Hoxb6、Hoxc6、Hoxa7、Hoxb7、Hoxb8、Hoxb9表達(dá)[71]。此外，Notch信號(hào)通路中的基因也調(diào)控Hox基因的表達(dá)，該通路中基因的功能缺失或功能獲得性突變，會(huì)影響PSM中Hox基因的表達(dá)[72]以及隨后的脊椎模式[73]。Notch信號(hào)通路的效應(yīng)器RBP-JK失活時(shí)，導(dǎo)致中胚層Hox基因表達(dá)下調(diào)[72]。Notch配體Dll1的顯性抑制引起Notch信號(hào)減少，導(dǎo)致椎骨身份的前向轉(zhuǎn)化和幾個(gè)Hox基因表達(dá)域的后向轉(zhuǎn)移[73]。

Cdx同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子在脊椎動(dòng)物體軸和腸上皮的發(fā)育中起重要作用。Cdx基因?qū)儆诟盚ox基因，與Hox基因有共同的祖先[74]。Cdx基因產(chǎn)物對(duì)Hox啟動(dòng)子具有調(diào)節(jié)能力，Cdx突變時(shí)觀察到一些Hox基因表達(dá)域的轉(zhuǎn)移以及脊椎的同源異型轉(zhuǎn)化。在Wnt信號(hào)快速而強(qiáng)烈地誘導(dǎo)3′-Hox基因激活后，Cdx轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)激活中心Hox基因，并且也能激活5′-Hox基因，直到最后一個(gè)基因Hox13阻止該過(guò)程[59]。Cdx2突變時(shí)胚胎體軸生長(zhǎng)終止，這是因?yàn)镠ox13競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合靶基因來(lái)拮抗Cdx2，阻止軸向延伸[17]。而中心Hox基因、Wnt以及FGF可以部分補(bǔ)償Cdx突變導(dǎo)致的體軸過(guò)早終止[60, 75]。因此，F(xiàn)GF、Wnt和RA等信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)Hox基因的調(diào)控與Cdx轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)[17,75]。FGF、Wnt、RA等信號(hào)分子可直接靶向或間接(通過(guò)與Cdx作用)作用于Hox基因來(lái)調(diào)控體軸末端的延伸。

Gdf11是妊娠中期在胚胎后部區(qū)域表達(dá)的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)家族成員，是軀干到尾部轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵激活因子。Gdf11在Hox基因的上游發(fā)揮作用，使5′-Hox基因在與后肢對(duì)應(yīng)的軸向水平上激活。Gdf11信號(hào)傳導(dǎo)受損的小鼠具有較長(zhǎng)的軀干，相反，Gdf11過(guò)早激活導(dǎo)致軀干更早向尾部過(guò)渡，使后肢位于前肢旁邊，導(dǎo)致胚胎沒有軀干[76]。Gdf11在不同脊椎動(dòng)物中的表達(dá)進(jìn)一步支持了這種信號(hào)在脊椎動(dòng)物身體長(zhǎng)度進(jìn)化中的作用[77-78]。

綜上，胚胎發(fā)生過(guò)程中不同信號(hào)的精確定時(shí)決定了Hox基因轉(zhuǎn)錄激活的時(shí)空共線性:Wnt3和Wnt3a信號(hào)誘導(dǎo)3′-Hox基因激活[70]，F(xiàn)GF-Cdx蛋白刺激中心Hox基因表達(dá)[59]，而Gdf11進(jìn)一步激活Hox11-Hox13基因[76,78]。雖然這些對(duì)同一調(diào)控因子有反應(yīng)的不同基因組的時(shí)間進(jìn)程仍有待研究，但這可能依賴于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)性改變和定向開放。

在胚胎發(fā)育過(guò)程中，染色體結(jié)構(gòu)變化增加了基因調(diào)控的復(fù)雜性。它有助于在相對(duì)較遠(yuǎn)的DNA區(qū)間調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[79]。Hox基因調(diào)控是研究染色質(zhì)修飾在發(fā)育過(guò)程中維持可遺傳轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的經(jīng)典模型。局部組蛋白修飾和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化都參與Hox簇的轉(zhuǎn)錄控制。特殊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是Hox基因共線性表達(dá)的原因之一，染色質(zhì)狀態(tài)的漸進(jìn)改變使Hox基因從抑制狀態(tài)依次轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。維持Hox基因轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的是兩組反向作用的蛋白質(zhì)：Polycomb組的轉(zhuǎn)錄抑制蛋白(PcG)和Trithorax組的轉(zhuǎn)錄激活蛋白(TrxG)，PcG維持著Hox簇基因位點(diǎn)的沉默，TrxG控制Hox簇的轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)[80-81]。PcG蛋白通過(guò)2個(gè)主要的蛋白復(fù)合物：PRC1和PRC2來(lái)抑制Hox基因的表達(dá)，PRC2通過(guò)催化組蛋白H3賴氨酸27(H3K27)甲基化來(lái)抑制初始轉(zhuǎn)錄[82]，PRC1催化組蛋白H2A第119位賴氨酸(H2AK119)的泛素化，增強(qiáng)染色質(zhì)凝聚以維持基因沉默[83]。而TrxG拮抗PcG活性，同時(shí)催化組蛋白H3賴氨酸4(H3K4)的甲基化，這種甲基化是活性基因的標(biāo)記，Hox基因因而轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄激活狀態(tài)[81, 83]。小鼠尾芽Hox基因的時(shí)空共線激活過(guò)程中，Hoxd簇上H3K4 me3標(biāo)記的逐漸增加伴隨著H3K27 me3標(biāo)記的丟失，染色質(zhì)這兩種狀態(tài)之間的過(guò)渡區(qū)域?qū)?yīng)于Hoxd基因轉(zhuǎn)錄活性的動(dòng)態(tài)窗口[79]。因此，Hox基因轉(zhuǎn)錄的維持由PcG蛋白和TrxG蛋白調(diào)節(jié)。

Hox基因的上游調(diào)控機(jī)制仍然有很多問題需要解決，對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的調(diào)控因子的深入研究有助于更好地理解Hox基因在脊椎調(diào)控中的作用。同時(shí)表觀遺傳學(xué)修飾對(duì)于Hox基因的時(shí)空共線性表達(dá)起重要的維持作用。

5 Hox基因的應(yīng)用研究

哺乳動(dòng)物身體結(jié)構(gòu)的多樣性加速了其生活方式的多樣性和更廣泛的適應(yīng)性，不同物種的脊椎等身體形態(tài)存在差異，甚至在同一物種中也存在變異，如豬和羊等家養(yǎng)動(dòng)物。椎骨數(shù)，尤其是胸椎數(shù)，是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)性狀，可能會(huì)影響動(dòng)物的胴體長(zhǎng)度和肉產(chǎn)量。胸腰椎區(qū)域的變異已被報(bào)道用于豬的商業(yè)化育種，并且對(duì)這種變異的選擇成功地提高了商品豬的脊椎數(shù)量和肉產(chǎn)量[84]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)一些動(dòng)物身體形態(tài)的變化可能與進(jìn)化中Hox基因結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，有研究猜測(cè)Hoxc10的陽(yáng)性選擇和Hoxd10 ω值增加可能與類人猿胸腰椎數(shù)量(17～18個(gè))和奇蹄類動(dòng)物胸腰椎數(shù)目(22～24個(gè))偏離現(xiàn)代哺乳動(dòng)物(19個(gè))有關(guān)[48]，在具有表型修飾的哺乳動(dòng)物譜系中鑒定出49個(gè)陽(yáng)性選擇位點(diǎn)，表明適應(yīng)性進(jìn)化作用于Hox基因[85]。在杜洛克豬、長(zhǎng)白豬和大約克豬的胸椎數(shù)以及胸腰椎數(shù)變異的研究中，發(fā)現(xiàn)HOXA、HOXB和HOXC家族的基因與該性狀顯著關(guān)聯(lián)，這有助于商業(yè)豬的胸腰椎數(shù)變異以及豬背部凹陷的研究[86]。一項(xiàng)有關(guān)北京黑豬胸腰椎數(shù)變異的研究發(fā)現(xiàn)，HOXB家族的多個(gè)成員(HOXB1-9和HOXB13)受到選擇，并被確定為豬胸腰椎數(shù)變異的關(guān)鍵候選基因[87]。Li等[88]在哈薩克羊多胸椎數(shù)性狀的選擇信號(hào)分析中發(fā)現(xiàn)HOXA家族的7個(gè)基因有較高的選擇信號(hào)。在美國(guó)綿羊成熟體型的GWAS分析中，Posbergh等[89]發(fā)現(xiàn)，HOXA/HOXB家族的基因與受選擇區(qū)域接近。Yurchenko等[90]在俄羅斯本地綿羊品種重要經(jīng)濟(jì)性狀的選擇性清除中發(fā)現(xiàn)HOXA/HOXC家族受到選擇，影響綿羊的身體發(fā)育與采食量。因此，HOX基因或成為影響綿羊和豬等主要經(jīng)濟(jì)型動(dòng)物脊椎數(shù)變異的候選基因，有利于今后的多胸椎數(shù)品種選育。

Hox基因決定胚胎期的形態(tài)發(fā)生，而在脊椎動(dòng)物成年后中，它們參與細(xì)胞分裂和肌肉收縮等過(guò)程，在比較豬兩種不同肌肉組織的轉(zhuǎn)錄組特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)HOXA9、HOXA10、HOXB6、HOXB7等幾個(gè)基因差異表達(dá)[91]，同樣，在小鼠腓腸肌和四頭肌的轉(zhuǎn)錄組譜分析中HOXD8、HOXD9和TBX1也被鑒定為差異基因[92]，楚金雨等[93]研究發(fā)現(xiàn)，HOXA9可能為影響藏羊立毛肌發(fā)生的關(guān)鍵候選基因。Armstrong等[94]通過(guò)RNA-Seq比較了羔羊9個(gè)肌肉組織的表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)HOXD8和HOXC10在半腱肌和岡上肌中差異表達(dá)。人們猜測(cè)，HOX轉(zhuǎn)錄因子可能通過(guò)細(xì)胞識(shí)別和分化決定肌纖維類型，從而在小鼠、綿羊和豬的骨骼肌中發(fā)揮重要作用。

6 展 望

早期Hox基因主要決定前-后軸的脊椎形態(tài)，胚胎發(fā)育時(shí)期每個(gè)Hox基因在脊椎形態(tài)的模式化發(fā)揮特定作用。在進(jìn)化過(guò)程中，隨著Hox基因的改變，形成了不同動(dòng)物類群的形態(tài)學(xué)差異。隨著人們對(duì)于動(dòng)物經(jīng)濟(jì)性狀的重視，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)Hox基因會(huì)影響動(dòng)物脊椎的形態(tài)發(fā)育和數(shù)量變化，并且也調(diào)控肌肉和脂肪的發(fā)育，進(jìn)而影響動(dòng)物的體型大小以及胴體質(zhì)量。而Hox基因作為身體模式的主要調(diào)控基因，現(xiàn)已對(duì)其調(diào)控模式以及時(shí)空共線性表達(dá)的分子機(jī)制有了廣泛研究，有助于人們今后對(duì)該基因家族調(diào)控機(jī)制的更好解析。Hox基因?qū)?dòng)物脊椎數(shù)變異以及肌肉脂肪發(fā)育的影響關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益，或成為今后的研究熱點(diǎn)。