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广泛神经元表达的基因，诸如参与神经元突触囊泡循环的基因、神经肽成熟的基因等，对所有神经元的正常功能至关重要，但其间涉及的基因的转录调控机制仍有待研究。上源生科的资深合作伙伴，来自美国哥伦比亚大学的Oliver Hobert团队，在神经领域的研究中有着卓越的见解及研究成果。今年三月份，该团队在Current Biology上发表了一篇题为“Robust regulatory architecture of pan-neuronal gene expression”的文章，向我们揭示了泛神经元基因表达的一个关键调控因子。
作者使用秀丽隐杆线虫作为模式生物进行研究，其中包括上源生科构建的10株线虫。文章围绕CUT同源框基因家族展开，同源框基因（homeobox genes）是控制胚胎空间构型发育的一种重要转录因子的基因，能够确定特定基因在发育过程中表达的时序[1]。
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秀丽线虫CUT同源框基因家族中的六个成员直接控制泛神经元基因表达。研究人员利用CRISPR-Cas9技术将GFP报告基因插入内源性基因位点，荧光图像结果表明CUT基因在所有的神经元中都有表达，并且与泛神经元基因的调节控制区相结合（图1A-D）。CUT同源结构域蛋白的结合位点是泛神经元基因表达所必需的。作者在研究过程中使用了两种基因编辑方式，其一是通过从泛神经元基因位点分离出来的增强子片段中删除了这些结合位点，另一种方式是通过CRISPR-Cass9方式将插入了GFP的泛神经元基因中内源性基因座上的CUT同源结构域结合位点删除。CUT结合位点的缺失均影响了泛神经元基因的表达（图1E-H）。由此可以初步推定CUT转录因子家族可能是泛神经元基因表达的调控因子。
图1 CUT同源框基因家族对泛神经元基因表达的影响
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适当的CUT基因剂量可确保泛神经元基因的表达。单个CUT基因缺失突变对泛神经元基因表达和全神经元系统几乎没有影响，但是随着更多的CUT家族基因被敲除，线虫神经系统功能受到了严重影响（图2A-E）。神经系统解剖结果表明功能缺陷主要体现在神经突触传递及突触密度上，CUT基因并不影响神经系统结构。单个CUT基因过表达可以在不同程度上挽救原先多重CUT基因缺陷的突变体表型（图2F）。这些结果表明，CUT基因在功能上是可以互换的，决定CUT基因家族功能的关键因素是基因剂量而不是基因家族中特定成员的活性。
图2 CUT基因在泛神经元表达中的剂量依赖性
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CUT基因与神经元末端选择器协同控制泛神经元基因表达。末端选择器（terminal selectors）在神经元终末分化程序中具有调控作用[2]。泛神经元基因中包含末端选择器结合位点（图3A），虽然单独去除末端选择器通常不会影响泛神经元基因表达，但是基于CUT六元缺陷突变体中泛神经元表达不完全缺失的现象，我们可以认为末端选择器可能为全神经元基因表达提供冗余的调控，因此能够负责剩余的泛神经元基因表达。同时敲除CUT家族六个成员以及不同的末端选择器后可以发现相对应的泛神经元基因表达量进一步减少（图3B-I）。
图3 CUT基因与末端选择器协同控制泛神经元基因表达
CUT同源框基因也是其他生物体中泛神经元基因表达的候选调控因子，在脊椎动物中，这类基因数量更多并表现出了复杂的表达模式[3]。作者的研究提供了之前缺失的关于神经元基因表达程序是如何被调控的关键见解。目前对于线虫CUT突变体的基因功能缺陷分析预测可能需要在小鼠中产生复合突变体，以此来评估脊椎动物泛神经元基因表达中的CUT基因家族的功能。
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原文链接
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)00262-7
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.02.040
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参考文献
[1] Holland P W H. Evolution of homeobox genes[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Developmental Biology, 2013, 2(1): 31-45.
[2] Hobert O. Terminal selectors of neuronal identity[J]. Current topics in developmental biology, 2016, 116: 455-475.
[3] Weiss L A, Nieto M. The crux of Cux genes in neuronal function and plasticity[J]. Brain research, 2019, 1705: 32-42.
