第二军医大学  2015, Vol. 36 Issue (5): 525-529   PDF    
引用本文
刘淦, 陈李斌佶, 谢志芳, 章卫平. 锌指蛋白ZBTB20生物学功能的研究进展[J]. 第二军医大学学报, 2015, 35(5): 525-529  
LIU Gan, CHENLI Bin-ji, XIE Zhi-fang, ZHANG Wei-ping. Biological functions of zinc finger protein ZBTB2: recent advance[J]. Academic Journal of Second Military Medical University, 2015, 35(5): 525-529 (in Chinese with English abstract)  
锌指蛋白ZBTB20生物学功能的研究进展
刘淦1, 陈李斌佶1, 谢志芳2, 章卫平1    
1. 第二军医大学基础部病理生理学教研室, 上海 200433;
2. 第二军医大学基础部细胞生物学教研室, 上海 200433
收稿日期:2015-03-12     接受日期: 2015-04-08.
基金项目：国家杰出青年科学基金(31025013),国家自然科学基金重点项目(81130084),国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(2012CB524904).
作者简介：刘淦,硕士生.E-mail:wz_liugan@163.com
通信作者(Corresponding author)：章卫平,Tel:021-81871018,E-mail:wzhang@smmu.edu.cn
摘要：锌指蛋白ZBTB20是ZBTB锌指蛋白亚家族的新成员, 与已知的BCL6和PLZF同源。通过基因打靶小鼠和疾病人群研究, 学者们发现ZBTB20在肝脏、胰岛、神经系统和免疫系统等多个器官与系统中具有重要生理学功能, 是个体发育、学习记忆、痛觉感受、糖脂代谢等正常生理过程所必需的调节分子。ZBTB20表达或功能异常可导致个体发育障碍, 与智障、肿瘤和代谢性疾病等多种重大疾病的病理生理过程密切相关。作为甲胎蛋白基因的主要转录抑制因子, ZBTB20在出生后肝脏甲胎蛋白基因的表达失活中发挥了关键性作用, 且与肝癌预后密切相关。人群中ZBTB20基因的缺失与多种肿瘤有关, 其点突变可导致Primrose综合征。本文就ZBTB20的生物学功能研究进展作一综述。
关键词： 锌指蛋白     ZBTB20     转录因子     生理与病理生理     基因打靶    
Biological functions of zinc finger protein ZBTB2: recent advance
LIU Gan1, CHENLI Bin-ji1, XIE Zhi-fang2, ZHANG Wei-ping1    
1. Department of Pathophysiology, College of Basic Medical Sciences, Second Military Medical University, Shanghai 200433, China;
2. Department of Cell Biology, College of Basic Medical Sciences, Second Military Medical University, Shanghai 200433, China
Abstract: Zinc finger protein ZBTB20 is a novel member of the ZBTB zinc finger protein family and shares closest homology with BCL-6 and PLZF. Recent studies on genetically modified mice and patient cohort have revealed that ZBTB20 plays indispensable roles in multiple organs and systems, including the nervous system, liver, pancreatic islets, and immune system. ZBTB20 is an essential regulatory factor in a variety of physiological processes, such as ontogenesis, pain sensation, learning and memory, as well as glucose and lipid metabolism. Meanwhile, recent researches have also showed a close relationship between the abnormality or dysfunction of ZBTB20 and pathophysiological procedures of diseases, such as maldevelopment, mental retardation, tumors and metabolic disorders. As a key repressor governing AFP gene transcription, ZBTB20 exerts a great influence on the gene inactivation of liver AFP after birth and is closely related to the prognosis of hepatocellular carcinogenesis. In humans, the deletion of ZBTB20 is detected in diverse tumors and its point mutation leads to Primrose syndrome. This review summarizes the current knowledge concerning the biological functions of ZBTB20.
Key words: zinc finger proteins     ZBTB20     transcriptional factors     physiology and pathophysiology     gene targeting    

锌指蛋白家族是真核生物中重要的转录因子家族之一，包含多个亚家族。ZBTB (zinc finger and BTB domain-containing protein) 属于其中的POK (POZ and Krüppel) 蛋白家族。该亚家族成员在N端有一个BTB/POZ (Broad-complex,Tramtrack,Bric-a-brac/Poxvirus and zinc fingers) 结构域，介导蛋白-蛋白间的相互作用；在C端有数个C2H2锌指结构域，介导蛋白与DNA序列间的识别、结合作用。目前已经报道的POK亚家族成员超过50个，除BTB和C2H2锌指结构域外，各成员间DNA序列的同源性较低，但在进化过程中高度保守[1] (图 1A、1B)。ZBTB亚家族成员主要具有转录抑制功能，如已知的BCL-6和PLZF在造血、免疫应答和肿瘤发生发展过程中发挥了重要的调节作用，因此，该亚家族成员的生物学作用一直受到广泛关注[1]。

图 1 与ZBTB20同源的ZBTB家族主要成员的蛋白结构特征 Fig 1 Protein structure of the main members of ZBTB family sharing homolognity with ZBTB20 A：Sequence homology of ZBTB20,ZBTB45,PLZF,ZBTB7,and BCL-6 protein; B: Evolutionary relationship among POK family members； C: Conservative BTB,C2H2 structure of POK family

ZBTB20是曹雪涛院士实验室最初从人树突状细胞中发现的ZBTB亚家族新成员[2]，又被称为DPZF、HOF或ZNF288。笔者所在实验室在国际上首次建立了ZBTB20的全身性和多种组织特异性基因敲除小鼠模型[3, 4]，研究揭示该分子参与调控神经发育、糖脂代谢以及免疫应答等重要生理过程[3, 5, 6]。疾病人群研究显示，该基因的突变与人类先天性遗传病Primrose综合征直接相关[7]。本文就其最新研究进展进行综述。 1 ZBTB20基因及其蛋白的结构特点

人ZBTB20基因定位于染色体3q13，至少有2种长短不同的mRNA，其cDNA长度分别约为3.0和2.7 kb，分别编码2种长短不同的蛋白亚型。这两种蛋白亚型除N端外其余序列相同，长型的蛋白含741个氨基酸残基，其N端比短型的蛋白多了49个氨基酸残基。ZBTB20蛋白具有典型的POK蛋白家族的结构特征(图 1C)，即其N端有1个BTB结构域，C端有5个C2H2锌指结构域，其中的4个锌指结构域成簇排列，中间隔着保守的7个氨基酸残基(His-Cys link)。体外实验证实该蛋白的BTB结构域能介导该分子形成同源二聚体，而C2H2锌指结构域能与DNA序列结合。ZBTB20的蛋白序列在不同种属间具有高度同源性，如：ZBTB20蛋白在人与小鼠间的同源性高达97%[1]。 2 ZBTB20在神经系统中的生物学功能 2.1 ZBTB20调节海马神经元的发育与功能 ZBTB20在神经系统中广泛表达。原位杂交结果显示: ZBTB20 mRNA从小鼠胚胎(E) 12.5 d开始在端脑腹侧(海马原基)的脑室层和脑室下层细胞中表达，并在分裂后的新生海马神经细胞中高表达，在成熟的海马神经元中表达下调; E14.5 d后，端脑背侧的脑室层和脑室下层细胞也开始表达ZBTB20，但表达量比腹侧低。此外，ZBTB20还在小脑颗粒细胞和胶质细胞中特异性表达[8, 9, 10]。

2008年，笔者所在实验室等[3]通过对海马ZBTB20过表达和基因缺陷小鼠模型的研究，发现该分子是调控海马发育的关键分子。ZBTB20分子的缺失导致海马发育严重障碍，海马CA3区和齿状回结构紊乱，CA1区在结构、分子表型等方面呈现出类似邻近移行皮质的分化特性。而移行皮质过表达ZBTB20则会呈现海马样结构，说明该分子对海马CA1区神经元的分化命运具有不可或缺的调控作用。进一步的研究表明，ZBTB20分子的缺失不仅导致海马CA1区的分化命运改变，还导致整个端脑腹侧结构内移。说明该分子对整个腹侧结构的发育具有重要的调控作用。其具体的调控机制还不甚清楚，而ZBTB20基因缺陷会导致Wnt表达下调，提示可能与Wnt信号通路相关[11]。

除了调控海马发育外，ZBTB20还参与调控成熟海马神经元的学习和记忆功能。在成熟海马锥体神经元中特异性敲除该分子后，小鼠表现出海马依赖的空间记忆和情景相关的恐惧记忆功能受损、长时程增强效应减弱等现象[12]。 2.2 ZBTB20调节伤害感受性神经元的分化

最近，ZBTB20被报道参与调控小鼠痛觉的形成。从小鼠E13.5 d开始，ZBTB20在脊髓背根神经节痛觉感受神经元中高表达，将该分子在背根神经节的小神经元中特异性地敲除后，小鼠表现出对热刺激、化学刺激和炎症刺激的敏感性显著下降。进一步的研究表明ZBTB20能通过调控与痛觉相关的瞬时感受器电位通道家族的TRPV1、TRPA1和TRPM8等成员的表达来调节痛觉的产生[13]。 3 ZBTB20调控糖脂代谢

ZBTB20基因全身性敲除小鼠模型表现出出生后异常死亡、生长发育障碍和严重低血糖等表型，提示该分子参与调控糖代谢。通过转基因手段将该小鼠模型肝脏ZBTB20的表达水平恢复后，可短暂地改善其血糖水平并使得小鼠的存活期延长(其中位数从45 d延长至80 d)[4]。提示肝脏特异性表达的ZBTB20在能量代谢调控中发挥重要作用，而其他器官如肌肉、脂肪等表达的ZBTB20同样参与维持机体正常的能量代谢过程。

胰腺作为调控血糖代谢的重要外周器官，其内分泌细胞α、β和δ细胞均表达ZBTB20。我室将ZBTB20基因在小鼠胰岛β细胞中特异性敲除后，发现该模型小鼠具有葡萄糖刺激的胰岛素分泌障碍、糖耐量受损和高血糖等表型。离体实验发现胰岛素分泌障碍发生在K+通道前；机制研究发现ZBTB20通过直接抑制果糖-2,6-二磷酸酶同工酶1(Fbp1)的转录来调控胰岛素的分泌[6]。

ZBTB20基因全身性和β细胞特异性敲除小鼠模型在血糖表现上的差异[4, 6]提示该基因还可能参与调控其他中枢和(或)外周能量代谢调节器官的功能，如中枢的下丘脑、外周的肌肉组织和脂肪组织等。 4 ZBTB20在肝脏中的生物学功能

ZBTB20在小鼠胎肝中表达水平很低，出生后表达水平快速升高，至8周时达到高峰并一直维持在该水平。甲胎蛋白(AFP)在正常的胎肝中高表达，出生后其表达水平迅速降低。而肝细胞ZBTB20基因特异性敲除小鼠模型表现出肝脏AFP表达水平持续异常增高。通过染色体免疫共沉淀等实验发现，ZBTB20在体内和体外都能直接结合AFP启动子并抑制其转录表达，是调控AFP基因出生后沉默的关键转录抑制因子[2]。而ZBTB20蛋白的表达水平则可能受到其上游调控通路microRNA122/Cux1/microRNA214的调控[14]。AFP基因会在肝细胞发生癌变时被重新激活，而AFP又是临床上诊断肝癌的血清学指标，因此ZBTB20在肝癌发生和发展过程中的潜在作用令人关注。王红阳院士实验室[15]的一项临床病理学研究发现，在50例肝细胞癌标本中，有76%的癌组织中ZBTB20 mRNA表达水平比癌旁组织高，蛋白检测也得到类似结果。同时，对102例肝细胞癌患者的随访研究发现，ZBTB20表达量与肝癌预后呈负相关关系。这显示了ZBTB20在调控肝细胞正常功能及疾病发生过程中的生物学作用具有复杂性。

此外，研究发现与生物转化密切相关的细胞色素P450家族成员(Cyp2f2、1a12和2c54)在ZBTB20基因全身性敲除小鼠模型肝脏中表达下调。通过转基因手段将该小鼠模型的肝脏ZBTB20的表达水平恢复后，这些分子的表达水平恢复正常，提示ZBTB20可以通过调控这些分子的表达来调节肝脏的生物转化功能[4]。 5 ZBTB20与免疫调节

ZBTB20在多种免疫细胞中表达，如树突状细胞(DC)、单核细胞、B淋巴细胞、T淋巴细胞等，提示其具有重要的免疫调节作用[1]。2014年，Chevrier等[16]通过研究原始B细胞ZBTB20特异性敲除小鼠模型，发现ZBTB20对于浆细胞的分化和长期存活具有重要调控作用。在获得性免疫中，B细胞受到抗原刺激后会增殖分化成能分泌抗体的浆细胞和记忆细胞。ZBTB20在静息的B细胞中不表达，但在其分化成浆细胞的过程中表达水平逐渐增高，成熟的浆细胞中表达水平最高。在原始B细胞中过表达ZBTB20可以促进其向浆细胞分化。然而ZBTB20基因缺陷并不会影响浆细胞的分化成熟和早期抗体的产生，但会显著影响浆细胞的寿命，从而在免疫反应发生后各阶段无法维持血清抗体水平，进而影响体液免疫，机制研究提示该过程可能存在IRF4-ZBTB20调节通路[16]。有意思的是，同年Bhattacharya课题组[17]研究发现，当用微生物佐剂(单磷酰脂质A和二棒分枝酸海藻糖乳液)进行抗原免疫时，ZBTB20缺陷小鼠的抗体水平与野生型小鼠没有差异，浆细胞的寿命不受影响，提示长寿命浆细胞的维持机制存在ZBTB20依赖和非依赖两种途径。

ZBTB20除了在获得性免疫过程发挥重要功能外，还参与调节Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)触发的天然免疫过程。ZBTB20基因髓系细胞特异性敲除小鼠模型表现出对多种TLR配体如脂多糖(LPS)、聚肌胞苷酸(poly I:C)和CpG寡聚脱氧核苷酸(CpG ODN)等反应性下降，肿瘤坏死因子(TNF)、白介素6(IL-6)和β干扰素(IFN-β)等巨噬细胞产生的细胞因子减少的现象。提示该分子参与调控TLR触发的天然免疫。进一步的研究发现ZBTB20能抑制TLR下游信号通路中的抑制κ结合蛋白α (inhibit κ binding protein α,IκBα) 基因的转录，从而解除其对NF-κB的抑制效应，使得NF-κB发生核转位启动多种细胞因子的转录。因此ZBTB20是TLR信号通路完全激活所必需的转录因子[5]。 6 ZBTB20与人类疾病的相关性

上述一系列研究表明ZBTB20对小鼠多个器官和系统的发育和生理功能具有重要作用。考虑到人与小鼠ZBTB20分子具有很高的同源性，该分子很可能在人的多个器官和系统中具有同样重要的生物学作用。 6.1 ZBTB20突变与Primrose综合征

Primrose 综合征是一种罕见的先天性遗传缺陷综合征，1982年由英国Primrose 医生首次报道[18]。患者的临床表现主要包括外耳骨化、骨骼发育异常、智力障碍、自闭症、特征性异常面容等多系统的症状，且多伴有糖尿病、耳聋、进行性肌萎缩等病变，这些表型与ZBTB20基因全身性敲除小鼠模型所具有的表型相似，高度提示Primrose综合征与ZBTB20基因突变相关[7]。2014年，来自欧洲的研究团队通过对4例独立病例进行全外显子测序发现，Primrose综合征患者间唯一相同的基因变异是ZBTB20基因的突变，而且ZBTB20基因的突变还在其他4例独立的病例中存在。Primrose 综合征各病例中ZBTB20基因的突变位点很保守，突变的氨基酸残基位于第1、2锌指区以及锌指间的连接区。体外实验表明这些位点的突变使得ZBTB20蛋白与其靶DNA片段的结合能力下降，转录抑制能力显著下调[7]。该研究揭示了ZBTB20基因突变是Primrose 综合征的直接致病机制。 6.2 ZBTB20与人染色体3q13微小片段缺失综合征

人ZBTB20基因位于染色体3q13区段。目前已报道约30例因染色体3q13微小片段缺失引起的遗传缺陷综合征。这些患者都表现出多系统的发育和功能障碍，如：发育迟缓、出生后过度生长、男性生殖器发育不全、骨骼系统发育异常、典型病容、智障、自闭症等[19, 20, 21, 22]。鉴于ZBTB20在小鼠多系统的发育和功能中的重要作用，提示该染色体区段中ZBTB20基因的缺失可能是重要的致病因素之一。 6.3 ZBTB20与神经或精神疾病

Davies等[23]通过甲基化DNA免疫沉淀结合超深度DNA测序法，对比了50例重度抑郁症(major depressive disorder，MDD)患者和各自健康的同卵双生姐妹或兄弟之间的DNA甲基化程度的差异，发现ZBTB20基因超甲基化与MDD的发生存在相关性。 7 展 望

转录因子ZBTB20在神经发育、能量代谢、免疫等方面发挥重要的生物学功能，考虑到ZBTB20在其他多个系统中广泛表达以及其全身性基因敲除小鼠模型的复杂表型，提示该分子还可能对骨骼、肌肉、心、肾、内耳等器官的发育及功能维持具有重要的调控作用。目前对该分子的转录抑制机制、下游靶分子和其自身的调控机制了解很少，相信对分子机制的深入研究将会给因ZBTB20异常而导致的相关疾病的诊断和治疗带来新的思路。

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