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神经系统特异性启动子

日期:2019年1月31日 13:57

启动子是基因的一个组成部分,其作用相当于“基因开关”,即控制基因表达的起始时间和表达的程度。一般来说,启动子是位于结构基因5’端上游的DNA序列,它本身并不控制基因活动,但是能与转录因子这种蛋白质结合,指挥着RNA聚合酶的活动,从而指导RNA复制。因此通过选择对于细胞种类有特异性的启动子,可以将各种基因操作限制在特定种类的细胞里,从而特异地研究这一类细胞的功能。
神经系统细胞主要包括神经元(neuron)和神经胶质细胞(neuroglia)两大类。神经元是一种高度分化的细胞,是神经系统的基本结构和功能单位,它具有感受刺激和传导兴奋的功能,根据产生的神经递质可分为谷氨酸能神经元、氨基丁酸(GABA)能神经元、胆碱能神经元、多巴胺能神经元、五羟色胺能神经元等。在神经系统中,神经胶质细胞的数量比神经元多几十倍,一般可分为星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞以及周围神经系统中的施万细胞等,由于缺少Na+通道,各种神经胶质细胞均不能产生动作电位,即不传导兴奋。

一、神经元特异性启动子
1.  神经元特异性启动子:hSyn是human Synapsin I的缩写,hSyn启动子是人SYN1基因的启动子,SYN1基因表达产生Synapsin I蛋白,是特异表达在神经元内的蛋白,因此一般选择hSyn启动子作为神经元的特异性启动子。Synapsin I蛋白主要表达在轴突末端,特别是在突触小泡的膜上,在调节轴突生成和突触形成方面发挥重要作用;
2.  前脑谷氨酸能神经元特异性启动子:CaMKII是Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II的缩写,它是由Ca2+/调钙蛋白复合物调节的丝氨酸/苏氨酸特异蛋白激酶。CaMKIIa是组成CaMKII的主要亚基,在成年小鼠脑内的表达模式如图所示。在前脑中,CaMKIIa特异地表达在兴奋性神经元(即谷氨酸能神经元)中,因此CaMKIIa启动子能作为兴奋性神经元特异性启动子。已经发现,在突触后致密区,CaMKIIa在维持CaMKII的激活方面发挥关键作用,而且也有研究表明,CaMKIIa基因敲除小鼠的LTP频率很低,此外,这些小鼠的海马中没有持久、稳定的位置细胞;
3.  GABA能神经元特异性启动子:GAD1和GAD2是编码生成谷氨酸脱羧酶(Glutamic Acid Decarboxylase,GAD)两种亚型GAD65和GAD67的基因,其中GAD1基因编码产生GAD65,GAD2基因编码产生GAD67。GAD催化谷氨酸(glutamate)的脱羧反应,产生γ-氨基丁酸(Gamma Amino Butyric Acid,GABA)和CO2。一般来说,GABA是起抑制性作用的神经递质,也就是说表达产生GABA的神经元一般来说是抑制性神经元,因此GAD1和GAD2启动子可以作为抑制性神经元的特异性启动子。VGAT是vesicular GABA transporter的缩写,由Slc32a1基因编码的转运体,其作用是将GABA神经递质转运入突触囊泡中,因此Slc32a1启动子也可以作为GABA能神经元的特异性启动子;
4.  胆碱能神经元特异性启动子:能合成乙酰胆碱并以乙酰胆碱(ACh)为神经递质的神经元称为胆碱能神经元(cholinergic neuron),胆碱能神经元在中枢神经系统内的分布极为广泛。一般选用ChAT启动子作为胆碱能神经元的特异性启动子,ChAT是choline acetyltransferase的缩写,即胆碱乙酰转移酶,负责神经递质ACh的合成,因此ChAT启动子能作为胆碱能神经元的特异性启动子;
5.  多巴胺能神经元特异性启动子:多巴胺能神经元指的是以多巴胺(dopamine)为神经递质的神经元,在神经系统中数量非常有限,大约占所有神经细胞的1%不到。在间脑、中脑、延髓、下丘脑、视网膜和嗅球中均有多巴胺能神经元,但是超过70%的多巴胺能神经元位于黑质中。虽然多巴胺能神经元的数量不多,但是他们在很多大脑功能各方面有非常重要的作用,例如自主运动、奖励、成瘾和压力感知等等,同时已经证明,多巴胺神经元的功能缺失和帕金森综合征的发生有直接关系。一般选用DAT启动子作为多巴胺能神经元的特异性启动子。DAT是dopamine transporter的缩写,多巴胺转运体是一种跨膜蛋白,其作用是将突触间的多巴胺泵回胞浆内,因此DAT启动子能作为多巴胺能神经元的特异性启动子;
6.  五羟色胺能神经元特异性启动子:释放五羟色胺(serotonin或5-hydroxy-trytamine,5-HT)为神经递质的神经元称为五羟色胺能神经元,中缝核内的神经元是大脑中的5-HT的主要来源,广泛投射到很多脑区(如图4)。一般采用SERT启动子作为五羟色胺能神经元的特异性启动子,SERT是serotonin transporter的缩写,也就是五羟色胺转运体。另外一种广泛使用的五羟色胺能神经元特异性启动子是ePet(也称为FEV),ePet是Pet-1 enhancer/promoter region的缩写,Pet-1是一种五羟色胺能神经元特异的转录因子,在发育早期就开始表达,之后一直持续表达。Pet-1和转录因子Nkx2.2、Lmx1b一起决定五羟色胺能神经元的分化命运。

二、神经胶质细胞特异性启动子
1.  星形胶质细胞特异性启动子:作为中枢神经系统内数目最多的细胞,星形胶质细胞(astrocyte)有很多投射将神经元锚定在供应营养物质的血管上。astrocyte也会通过清除多余的离子来调节神经元的外部化学环境,非常重要的一个例子就是对钾离子的清除,同时也会回收突触传递过程中释放的神经递质。另外,astrocyte还是血脑屏障的重要组成部分。胶质原纤维酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein,GFAP)启动子被普遍认为是astrocyte的特异性启动子,但是最近的研究表明,GFAP启动子作为astrocyte存在着一定的泄漏,也就是表达在不是astrocyte的神经细胞里。另外,近期也有科学家用Cst3甚至是Cx30启动子作为astrocyte特异性启动子;
2.  少突胶质细胞特异性启动子:在中枢神经系统内,少突胶质细胞(oligodendrocytes)利用自己的细胞膜包裹神经元的轴突,形成髓鞘质,然后产生髓鞘,髓鞘使得神经元轴突绝缘,使轴突更有效地传播电信号。一般采用olig2 启动子作为oligodendrocytes的特异性启动子。Olig2是oligodendrocyte transcription factor 2的缩写,它是由olig2基因编码的转录因子,在运动神经元和少突胶质细胞分化、以及在早期发育过程中维持基因复制方面有重要作用,另外它和很多疾病有关,例如脑肿瘤和唐氏综合症等;
3.  小胶质细胞特异性启动子:小胶质细胞(microglia)是“驻扎”在大脑和脊髓中的巨噬细胞,大约占大脑内所有细胞的10-15%。在神经系统中,小胶质细胞不断清除斑块、受损的神经元和传染性物质,是主动免疫防御的主要形式。现在一般采用CX3CR1或者Iba1启动子作为小胶质细胞特异性启动子。CX3CR1是CX3C chemokine receptor 1的缩写,是由CX3CR1基因编码的蛋白。Iba1是ionized calcium-binding adapter molecule 1的缩写,在人体内由Allograft inflammatory factor 1(AIF-1)基因编码形成。

三、其他神经细胞特异性启动子
1.  神经干细胞特异性启动子:神经干细胞(Neural Stem Cells)是具有自我增值能力的多能细胞。胚胎期的神经干细胞非常活跃,分裂产生神经系统内的各类细胞,包括各类神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等,但是随着发育的进行,活跃程度逐渐降低,到成年时,神经干细胞的活跃程度已经比较低了,而且越来越低。一般采用nestin或者mash1启动子作为神经干细胞的启动子。Nestin是由NES基因编码的中间纤维蛋白,而mash1也称为Ascl1,是由ASCL1基因编码的蛋白。因为很多神经干细胞都有星形胶质细胞的特性,因此也有科学家采用GFAP作为神经干细胞的特异性启动子;
2.  未成熟神经元特异性启动子:由干细胞产生的神经元在发育为成熟神经元之前,首先会经过一个未成熟神经元的状态,未成熟神经元从干细胞分裂的脑区迁移到成熟神经元所在的脑区,然后发育为成熟神经元。一般选用doublecortin(DCX)启动子作为未成熟神经元的特异性启动子。DCX是由DCX基因编码的微管结合蛋白,对于神经元的迁移有重要作用,因此DCX启动子能作为未成熟神经元的特异性启动子。

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