Oct4——胚胎干細(xì)胞多能性的守門人

1. Oct4的組織特異性

Oct4在發(fā)育中的大腦中表達(dá)，高水平表達(dá)于皮層、嗅球、海馬和小腦等特定細(xì)胞層。此外，Oct4主要在胚胎干細(xì)胞、胚胎生殖細(xì)胞和胚胎/生殖細(xì)胞腫瘤中表達(dá)。雖然成年組織中Oct4的表達(dá)水平較低，但在各種成年干細(xì)胞中廣泛表達(dá)，主要包括：

● 來自乳腺、胰腺、胃、肝臟、腎臟和間充質(zhì)組織的干細(xì)胞。

● 前體細(xì)胞，如外周血、乳腺上皮、子宮內(nèi)膜和卵泡。

● 多能性前體細(xì)胞等。

體外，Oct4在未分化的胚胎干細(xì)胞（ES細(xì)胞）、胚胎癌細(xì)胞（EC細(xì)胞）和胚胎生殖細(xì)胞中具有高表達(dá)水平。隨著這些細(xì)胞的分化，Oct4的表達(dá)水平下調(diào) ^[1]。

在人類中，Oct4 mRNA在從未受精的卵母細(xì)胞到未壓縮的囊胚階段的胚胎發(fā)育的各個(gè)階段均有表達(dá) ^[2]。

2. 什么是Oct4？

2.什么是Oct4?

Oct4由Pou5fl基因編碼，位于人類染色體6p21.3上。Oct4是POU轉(zhuǎn)錄因子家族的成員。它具有多個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，可以轉(zhuǎn)錄成不同的mRNA亞型，從而翻譯成多種蛋白質(zhì)。

2.1 Oct4的亞型

人類Oct4基因可以通過選擇性剪接產(chǎn)生三個(gè)亞型：Oct4A、Oct4B和Oct4B1 ^{[3] [4]}。Oct4可以翻譯成四個(gè)蛋白亞型（Oct4A、oct4b-190、oct4b-265和oct4b-164）^[5]。

2.1.1 Oct4A

Oct4A轉(zhuǎn)錄本包含外顯子1、2b、2d、3和4。外顯子1是Oct4A的特定部分。Oct4A由360個(gè)氨基酸組成，主要在未分化細(xì)胞的細(xì)胞核中表達(dá)。它是多能干細(xì)胞的特異性轉(zhuǎn)錄因子，與細(xì)胞的未分化特性相關(guān)。

2.1.2 Oct4B

Oct4B包含外顯子2a、2b、2d、3和4。與Oct4A相比，Oct4B沒有外顯子1，但具有特定的外顯子2a。

Oct4B由265個(gè)氨基酸組成，主要在各種非多能性細(xì)胞中表達(dá)，例如末分化的外周血單核細(xì)胞和膀胱腫瘤細(xì)胞。

Oct4B與Oct4A在POU結(jié)合區(qū)域和羧基端部分有相似的結(jié)構(gòu)，但在氨基端的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域有所不同[6]。Oct4B的氨基端抑制了與DNA的結(jié)合，并抑制了Oct4激活因子的轉(zhuǎn)錄活性，從而失去了細(xì)胞多能性的調(diào)控功能。

2.1.3 Oct4B1

Oct4B1轉(zhuǎn)錄本與Oct4B非常相似，但包含額外的外顯子2c。

OctB1主要在人類胚胎干細(xì)胞和胚胎癌細(xì)胞（ECC）中表達(dá)，其表達(dá)在細(xì)胞分化時(shí)迅速下調(diào)。

OctB1與Oct4B在POU結(jié)合區(qū)域和羧基端部分相同，其余氨基酸序列不同。Oct4B1增強(qiáng)了細(xì)胞的抗凋亡潛能，調(diào)節(jié)了細(xì)胞的多能狀態(tài)。此外，Oct4B1也參與了腫瘤的進(jìn)展。

2.2 Oct4基因的結(jié)構(gòu)

Oct4亞型1是主要的轉(zhuǎn)錄亞型之一，含有5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子。這個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)包含324個(gè)氨基酸，長(zhǎng)度約為16.40 kb，相對(duì)分子質(zhì)量為18 kD。

Oct4由三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成：N-轉(zhuǎn)錄域、POU結(jié)合域和C-轉(zhuǎn)錄域。

N-端區(qū)域：這個(gè)區(qū)域是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域，富含脯氨酸，具有與DNA結(jié)合和激活轉(zhuǎn)錄的功能，有助于穩(wěn)定生物分子結(jié)構(gòu)，降低細(xì)胞酸性和調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原潛能。

POU結(jié)合域：一個(gè)保守的DNA結(jié)合域，結(jié)合含有八聚體序列的DNA，以調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。

POU結(jié)合域包含兩個(gè)亞基：N-端和C-端。N-端是POU家族（POUs）的獨(dú)特保守結(jié)構(gòu)域，富含脯氨酸和酸性殘基。C-端是傳統(tǒng)的異源域（POUh），富含脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸殘基。POUs和POUh之間由一個(gè)連接肽相連。

C-端區(qū)域：富含絲氨酸/蘇氨酸，控制著不同細(xì)胞類型中Oct4A的轉(zhuǎn)活性。

2.3 Oct4偽基因

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了六個(gè)Oct4偽基因，分別是Oct4pg1、Oct4pg2、Oct4pg3、Oct4pg4、Oct4pg5和Oct4pg6。這些偽基因與Oct4 mRNA高度同源，但不具有Oct4的功能。Oct4偽基因的存在可能會(huì)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中引起假陽性，這給腫瘤和干細(xì)胞Oct4的研究帶來了一些困擾。

3. Oct4基因的調(diào)控

Oct4的上游調(diào)控元件包括近端增強(qiáng)子（PE）和遠(yuǎn)端增強(qiáng)子（DE），在發(fā)育的不同階段具有不同的功能。

例如，近端增強(qiáng)子作用于外胚層干細(xì)胞，而遠(yuǎn)端增強(qiáng)子則作用于內(nèi)細(xì)胞團(tuán)、原始生殖細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞 ^[7]。許多因子通過作用于這兩個(gè)調(diào)控元件來調(diào)控Oct4的表達(dá)。例如，孤兒核受體超家族因子可以結(jié)合到PE并影響Oct4的表達(dá)。

此外，一些物質(zhì)，如Paf1復(fù)合物，可以直接與Oct4啟動(dòng)子相互作用，參與Oct4表達(dá)的激活。作為Oct4激活因子，它在維持胚胎干細(xì)胞Oct4的轉(zhuǎn)錄激活中起著重要作用。

Oct4也受到Sox2的調(diào)控。Sox2可以直接或間接調(diào)控Oct4的表達(dá)，從而影響胚胎干細(xì)胞的多能性。

Oct4蛋白的活性主要受到磷酸化或磺化的調(diào)控。

例如，通過蛋白激酶A和/或ERK MAPK在Oct4蛋白的POU結(jié)合域中高度保守的殘基Ser 229（小鼠）或Ser 236（人類）的磷酸化可以在空間上阻礙DNA結(jié)合和同源二聚體的組裝 ^[8]。

Oct4參與了幾個(gè)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF）β通路、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF）通路、磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）通路、Wnt通路等。在心臟中胚層的特異分化過程中，TGF-β信號(hào)通路和經(jīng)典Wnt信號(hào)通路共同誘導(dǎo)了Oct4的產(chǎn)生 ^[9]。

4. Oct4的功能

Oct4通過與啟動(dòng)子或增強(qiáng)子區(qū)域中的ATGCAAAT結(jié)合來調(diào)控靶基因的表達(dá)[11] [12]。這些靶基因主要包括YES1、FGF4、UTF1、ZFP206等與哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育控制有關(guān)的基因。通過調(diào)控其下游靶基因，它參與了正常發(fā)育，尤其是在早期胚胎發(fā)育中。此外，Oct4的表達(dá)與干細(xì)胞的多能性有關(guān)。

4.1 Oct4與胚胎發(fā)育

胚胎干細(xì)胞（ESCs）是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細(xì)胞，可以分化為身體各種類型的組織細(xì)胞。Oct4是ESCs中的一個(gè)重要轉(zhuǎn)錄因子，在維持ESCs的多能性和自我更新能力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

Oct4通過激活多能性基因并抑制分化基因的表達(dá)，使ESCs保持自我更新和未分化狀態(tài)。

Oct4在體內(nèi)并不單獨(dú)起作用。Oct4與Nanog和Sox2一起構(gòu)成了多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心，并被認(rèn)為位于細(xì)胞全能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的頂端。這三個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到自身基因的啟動(dòng)子上 ^[13]，激活了自身基因的表達(dá)。

一方面，它們激活了與維持ES細(xì)胞自我更新有關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄。例如，Dppa4、Tdgf1、Oct4、Nanog和Lefty2都受到Oct4、Sox2和Nanog的正調(diào)控，并且在ES細(xì)胞中優(yōu)先表達(dá)。

另一方面，Oct4、Sox2和Nanog共同占據(jù)與分化和發(fā)育有關(guān)的基因的啟動(dòng)子，并促使它們失活 ^[14]。

Oct4作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子在轉(zhuǎn)錄過程中具有雙重調(diào)節(jié)作用（轉(zhuǎn)錄抑制和轉(zhuǎn)錄激活），它不僅可以維持干細(xì)胞的未分化狀態(tài)，還可以控制它們向特定細(xì)胞類型的分化。

在胚胎發(fā)育過程中，Oct4的水平?jīng)Q定了干細(xì)胞的分化或去分化，ES細(xì)胞的命運(yùn)由Oct4的表達(dá)精確調(diào)控。當(dāng)Oct4過度表達(dá)時(shí)，胚胎干細(xì)胞分化為原始內(nèi)胚層和中胚層細(xì)胞。當(dāng)Oct4的表達(dá)水平較低時(shí)，ES細(xì)胞失去多能性，分化為滋養(yǎng)層細(xì)胞。只有在適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)水平下，胚胎干細(xì)胞才能保持其自我更新狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，缺乏Oct4的胚胎只發(fā)育到囊胚階段，內(nèi)胚層的細(xì)胞不是多能性的，只能分化為滋養(yǎng)層細(xì)胞。而囊胚在植入時(shí)就死亡了 ^[15]。

在成體干細(xì)胞中，Oct4維持多能性的調(diào)節(jié)機(jī)制與ESC類似。

4.2 延緩細(xì)胞老化

Oct4延緩細(xì)胞老化的能力對(duì)于老化研究具有重大意義。Oct4在所有生物體的發(fā)育中都很重要，并在細(xì)胞的整個(gè)生命周期中保持活性。它保護(hù)血管中的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，這是心臟病和中風(fēng)的根本原因。

4.3 Oct4在重編程中的作用

細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變通常被認(rèn)為是從較不分化的狀態(tài)向較分化的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，但研究表明，從體細(xì)胞向原始多能性的細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變也是可能的。這個(gè)過程是由于過表達(dá)Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc等轉(zhuǎn)錄因子而誘導(dǎo)的。

其中，Oct4被認(rèn)為是重編程中不可或缺的核心轉(zhuǎn)錄因子。Oct4調(diào)節(jié)細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變，如建立多能性和胚胎生殖細(xì)胞的分化。

通過將Oct4與Sox2、Klf4和c-Myc一起引入體細(xì)胞中，可以獲得誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）。iPSCs是從不同類型和類型的體細(xì)胞中獲得的。

在上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)變過程中，Oct4可以抑制TGF beta R3和TGF beta 3，同時(shí)激活miR-200 miRNA家族，從而分別抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)變（EMT）調(diào)節(jié)因子Snail和Zeb2，并最終促進(jìn)間質(zhì)向上皮轉(zhuǎn)變（MET）。

Oct4、Sox2和Klf4引導(dǎo)重編程過程。Oct4A等外源性重編程因子可以直接或間接地沉默體細(xì)胞基因并激活多能性基因。內(nèi)源性O(shè)ct4A和其他多能性基因可以維持誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的多能狀態(tài)。

4.4 Oct4與腫瘤發(fā)生性

Oct4在胚胎生殖細(xì)胞瘤和成人細(xì)胞腫瘤中高度表達(dá)，這表明Oct4可能參與了惡性腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。

Nanog和Oct4在乳腺癌組織中高度表達(dá) ^[16]。Oct4的表達(dá)與前列腺癌的分化程度有關(guān) ^[17]。在口腔鱗狀細(xì)胞癌中，Nanog、Oct4和CD133的強(qiáng)表達(dá)與不良臨床預(yù)后有關(guān)。Oct4的表達(dá)是維持某些肺癌細(xì)胞干細(xì)胞特性的關(guān)鍵 ^[18]。

多項(xiàng)研究表明，Nanog和Oct4在多種不受限制、分化差、侵襲性固體腫瘤中高表達(dá)，而它們的下調(diào)可能抑制腫瘤發(fā)展 ^[19]。

Oct4的過表達(dá)可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生、腫瘤轉(zhuǎn)移以及化療和放療后的遠(yuǎn)處復(fù)發(fā) ^{[20] [21]}。

因此，通過抑制Oct4的表達(dá)可以降低腫瘤細(xì)胞的自我更新能力。

研究表明，Oct4可能參與維持腫瘤干細(xì)胞的生存，沉默Oct4有望成為針對(duì)腫瘤干細(xì)胞的新方法。Oct4對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)有顯著影響。研究表明，Oct4在人類乳腺癌細(xì)胞系7（MeF7）細(xì)胞中高度表達(dá)，通過RNAi技術(shù)沉默Oct4可以促進(jìn)腫瘤干細(xì)胞的凋亡。