DNA双加氧酶TET在中枢神经系统的研究进展

刘 洁，米亚静

(西安医学院基础医学研究所，陕西 西安 710021)

·综 述·

DNA双加氧酶TET在中枢神经系统的研究进展

刘 洁，米亚静

(西安医学院基础医学研究所，陕西 西安 710021)

DNA双加氧酶TET家族是新发现的一类表观遗传修饰蛋白，能够将DNA的5-甲基胞嘧啶氧化为5-羟甲基胞嘧啶，进而调控基因的表达。多项研究显示，TET1-3在中枢神经系统表达丰富，其潜在的生物功能也被广泛关注。本文从TET蛋白结构功能概述、TET蛋白在中枢神经系统的表达及功能以及针对TET家族的基因敲除小鼠实验三方面作一综述。

TET；表观遗传修饰；中枢神经系统；基因敲除

表观遗传学修饰(Epigenetic modification)是指DNA碱基序列没有改变的前提下，基因表达水平发生改变。主要包括DNA胞嘧啶(Cytosine，C)的甲基化、组蛋白翻译后修饰、染色体重塑和非编码RNA。其中，DNA的甲基化调控在个体发育、组织发生及分化过程中扮演着重要角色。TET蛋白属于α-酮戊二酸(Alpha-ketoglutaric acid，α-KG)和Fe2+依赖的双加氧酶，可以将DNA序列中的5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)氧化，转变为5-羟甲基胞嘧啶5-hydroxymethylcytosine，5hmC)，并且可以进一步氧化5hmC最终引起胞嘧啶的去甲基化。普遍认为，TET蛋白可以通过表观遗传修饰影响DNA的甲基化水平进而调控基因转录。

1 TET蛋白家族的结构特征及功能概述

TET家族共有3个成员，分别为TET1、TET2和TET3，编码基因分别定位于10q21、4q24、2p13。3种TET蛋白在靠近羧基端的位置拥有1个具有高度同源性的催化结构域(Catalytic domain，CD)，包括一段富含半胱氨酸区(Cys-rich domain)和双链DNA结合区域(DSBH)。该结构域具有3个Fe2+和1个α-KG的结合位点。在CD区和DSBH区之间还有一段连接区，可能介导蛋白的翻译后修饰[1]。在骨髓异常增生综合征患者中，TET2基因的突变率极高，其中大约四分之一的突变点就发生在此连接区。

TET1和TET3在靠近氨基端的位置拥有一个CXXC锌指结构。研究表明，CXXC可以与DNA序列中未修饰的以及修饰的胞嘧啶结合，但更倾向与富含CpG的区域结合。CXXC结构主要介导TET蛋白与DNA特定区域的直接结合，以及TET蛋白在染色体的定位[1]。而TET2缺失CXXC结构(图1)[2-3]。研究表明，原本位于TET2基因内的CXXC结构域在进化过程中已经脱离于TET2，成为一个独立的基因IDAX。而IDAX可以直接与TET2的催化结构域相互作用，继而下调TET2的表达[4]。利用在线序列同源性比对(3D-JIGSAW Server)发现，TET1-3的氨基段序列并不像羧基段那样保守，三个成员之间差异很大。同时，TET2基因拥有不同的选择性剪接体，而这几种剪接体的氨基段序列则具有高度的同源性。因此，除了保守的双加氧酶催化结构域，TET家族的每个成员可能依赖其独特的氨基段序列行使其特定的功能。然而，目前对于TET氨基段的功能结构域鲜有报道。

图1 TET蛋白的结构示意图

三种TET蛋白在表达上具有显著的组织特异性，TET1主要在胎儿组织和多种干细胞中表达，参与干细胞的干性维持；TET2基因突变则与肿瘤发生密切相关，尤其是造血系统的肿瘤；TET3则在结肠和肌肉等组织中表达，主要参与受精卵父本基因的重编程。近年来大量研究发现，TET1-3及其催化产物5hmC在中枢神经系统表达丰富，提示在神经系统发生发育过程中扮演着重要角色。

2 TET-5hmC在中枢神经病理生理过程中的表达及功能

2010年的一项研究利用实时定量PCR检测TET在各个组织的表达情况，结果显示，在中枢神经系统例如大脑皮层，脑干和小脑中，TET1-3都有大量表达[3]。此外，在某些病理条件下，TET蛋白的表达水平也发生相应变化。例如，精神病患者的顶叶皮层中，TET1表达显著上调[5]。DMSO诱导MC3T3-E1分化模型的早期，TET1和TET2蛋白出现一过性上升继而下降至正常水平[6]。Cell Report近期一篇报道发现，钙调蛋白(Calpains)可以介导TET1-3的蛋白降解[7]，而多种神经病变都可以导致胞内钙离子的升高，进而激活Calpains。这些结果都提示，TET1-3在中枢神经系统病理生理过程中具有潜在功能。

在神经系统中，作为TET催化产物的5hmC主要富集于神经元活动性功能基因和突触相关基因[8]，并且随着神经元的分化发育，5hmC含量逐渐增加[9]。此外，5hmC还富集于神经发育相关基因的外显子-内含子接头区域，提示可能参与此类基因的选择性剪接。研究显示，转录因子Mecp2能够负向调控5hmC，二者互作共同参与神经系统的表观遗传学调控。此外，5hmC丢失可能是舞蹈病等神经退行性疾病新的表观特征标记[10]。

由于TET蛋白CD结构域的保守性和具备催化5hmC生成的活性，目前绝大多数研究都是从TET改变特定基因的5hmC水平和表观遗传调控的角度去探讨其在中枢神经发育中的功能。例如，2013年一项研究显示，TET1通过影响前体细胞增殖相关基因的5hmC水平进而调控此类基因表达水平，最终调控海马组织神经元发生、学习和记忆能力[11]。在探索5hmC和H3K27me3协同促进脑发育的研究中发现，如果将TET2和TET3干扰后，神经元分化则出现缺陷，说明TET与神经发生密切相关[9]。非洲爪蟾受精卵TET3通过其CXXC结构域和双加氧酶活性共同调节pax6、sox2、sox9、ngn2等发育相关基因，最终促进视神经的发育成熟[12]。尽管如此，已经有部分学者证实，TET可以直接募集转录因子或者沉默复合物进而开启或者关闭基因表达。结合前述，TET家族成员都具有各自独特的氨基段序列。因此，TET调控基因的方式可能不仅仅依赖其催化结构域CD段[1]。

3 TET基因敲除小鼠模型

为了更好地研究TET家族的功能，多个研究小组进行了TET1-3基因敲除实验。TET1基因敲除小鼠在胚胎发育期和成年期的表型和生理功能和野生型小鼠之间差异无统计学意义，只是较野生型小鼠的体积略小些[13]。缺失TET2的小鼠也只是呈现出髓系分化异常以及容易自发地形成白血病，而小鼠整体的发育也是正常的[14-16]。进一步研究发现，无论是TET1还是TET2基因敲除小鼠的5hmC水平降低的幅度均很小。因此，这两种敲除小鼠在表型上没有显著的改变，很可能是由于单独敲除其中一个基因，会使得其他两个TET基因发生剂量补偿效应[1]。TET3基因敲除会导致新生小鼠的大量死亡，因此，要考察TET3在生后小鼠发育中的作用只能借助于出生后特定组织的条件性基因敲除技术[17]。更值得关注的是，2012年的一项科研成果显示，利用Gene trap技术敲除全长TET2基因的小鼠在出生后3 d出现大批量的死亡[18]。而另外几个基因敲除小鼠的研究则显示，如果仅仅缺失TET蛋白保守的CD段，小鼠只是表观遗传修饰发生部分改变，而存活表型并未发生显著的改变，神经系统的发育也未出现明显的异常[13-17，19]。这就进一步说明，TET独特的氨基段序列可能在胚胎及个体发育中发挥着重要的作用。

4 结语

自从2009年发现DNA的第六碱基5hmC开始，胞嘧啶的去甲基化以及双加氧酶TET的功能就被科学家广泛关注。今后，条件性的基因敲除实验可以帮助我们更好地区分在个体发育的不同阶段、不同组织器官中TET成员的潜在功能。此外，关于TET的机制研究，我们有必要区分TET蛋白的生物学功能是否依赖其碳端的双加氧酶活性结构域。

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Research progress of DNA dioxygenase TET in the central nervous system.

LIU Jie,MI Ya-jing.Institute of Basic Medicine Science,Xi'an Medical University,Xi’an 710021,Shaanxi,CHINA

DNA dioxygenase TET family is a recently discovered proteins involved epigenetic modification, which can oxidize the 5-methylcytosine of DNA into 5-hydroxymethylcytosine and thereby regulate gene expression. Accumulative studies have shown that TET1-3 was abundantly expressed in the central nervous system,and its potential functions were beginning to be studied.This paper gives an overview of the structure and functions of TET,its potential roles in the central nervous system,and also the TET gene knockout experiments.

TET;Epigenetic modification;Central nervous system;Gene knockout

R338.2

A

1003—6350（2015）14—2107—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.14.0759

2014-11-27)

国家自然科学基金(编号：31400913)；陕西省科技计划经费资助项目(编号：2013JQ3017)

米亚静。E-mail：miyajing@163.com