Ptf1a,也称为胰腺转录因子1a,是一种关键的螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子。它在胰腺、视网膜、脊髓、大脑和肠神经系统中选择性表达[1]。Ptf1a在胰腺发育过程中起着不可或缺的作用,控制多能祖细胞的扩增,以及腺泡细胞的特化和维持。在神经组织中,Ptf1a在细胞分裂后期的细胞中短暂表达,并指定抑制性神经元的细胞命运,这主要是通过下游基因如Tfap2a/b和Prdm13介导的。编码和非编码调节序列中的突变导致Ptf1a获得或失去功能,与遗传疾病相关,如啮齿类动物和人类中的胰腺和 cerebellar agenesis [1]。
Ptf1a基因的剂量对胰腺的发育和功能至关重要。Ptf1a剂量减少导致胰腺发育不良和葡萄糖耐受不良,以及胰岛素分泌不足[2]。在低表达突变小鼠中,胰腺芽的大小较小,胰腺祖细胞中有很大一部分被错误指定为胆总管和十二指肠细胞。生长、分支形态发生和随后的外分泌细胞分化减少并延迟。β细胞总数减少,非β胰岛细胞的比例增加,α细胞异常地与β细胞混合。有趣的是,Pdx1表达在早期胰腺祖细胞中减少,但在胰腺发生的中间和后期阶段升高至正常水平[2]。
Ptf1a的功能和转录cis-调节是脊椎动物胰腺发育的基石。脊椎动物胰腺器官发生是一个逐步的过程,由复杂的信号和转录事件网络调节,逐步引导早期内胚层向胰腺命运发展。许多关键参与者在这个过程中已经被确定,包括信号通路、顺式调节元件和转录因子(TFs)。胰腺相关转录因子1a(PTF1A)就是这样一种TF,对胰腺发育至关重要。PTF1A突变导致与严重并发症相关的胰腺表型,如新生儿糖尿病和由于外分泌胰腺功能不足而导致的消化不良[3]。
miR-802在胰腺炎早期和胰腺癌发生过程中抑制腺泡到导管的再编程。胰腺导管腺癌(PDAC)是一种高度侵袭性的肿瘤,在人类中几乎总是致命的。超过90%的人类PDAC中发现了KRAS的激活突变,足以在肿瘤发生过程中促进腺泡到导管的转化(ADM)。miRNAs在致癌Kras诱导的ADM中的作用尚不清楚。在这项研究中,我们在Ptf1aCre/+LSL-KrasG12D/+和Ptf1aCre/+LSL-KrasG12D/+LSL-p53R172H/+和caerulein诱导的急性胰腺炎小鼠模型中研究了miR-802的功能。我们发现miR-802是一种在腺泡中高度丰富和富集的胰腺miRNA,在损伤或致癌KrasG12D诱导的转化的早期阶段被沉默。miR-802的基因缺失与KrasG12D协同促进ADM形成。miR-802缺失导致miR-802靶标Arhgef12、RhoA和Sdc4的去抑制,RhoA的激活,以及下游RhoA效应物ROCK1、LIMK1、COFILIN1和EZRIN的诱导,从而增加F-肌动蛋白的重排。miR-802缺失还激活SOX9,导致导管水平增加和腺泡身份基因的表达减弱。与这些发现一致,我们发现miR-802-RhoA-F-肌动蛋白网络在胰腺癌患者的活检中激活,与不良生存相关。我们发现miR-802通过抑制致癌Kras诱导的ADM抑制胰腺癌的启动。miR-802在ADM中的作用填补了我们对致癌Kras诱导的F-肌动蛋白重组、腺泡再编程和PDAC启动的理解空白。miR-802-RhoA-F-肌动蛋白网络的调节可能是干扰胰腺癌发生的一种新策略[4]。
Ptf1a是一个bHLH转录基因,它定义了小脑中的GABA能神经元命运。分子机制控制谷氨酸能-GABA能神经元亚型特异性尚不清楚。在这里,我们描述了一个小脑突变体,cerebelless,成年后缺乏整个小脑皮层。突变体大脑的主要缺陷是抑制小脑室区(VZ)的GABA能神经元产生,导致发育过程中外部颗粒层、脑桥和橄榄核的继发和完全丧失。我们确定了负责的基因Ptf1a,其在小脑VZ中的表达丧失,但在cerebelless的胰腺中保持。谱系追踪显示,在小脑VZ中存在两种神经祖细胞:Ptf1a表达和非表达的祖细胞,分别产生GABA能和谷氨酸能神经元。将Ptf1a引入背侧端脑中的谷氨酸能神经元祖细胞中,产生了具有代表性的形态和迁移特征的GABA能神经元。我们的结果表明,Ptf1a参与驱动神经祖细胞在小脑中分化为GABA能神经元[5]。
Ptf1a启动子驱动的Cre表达在精子发生期间导致生殖细胞重组。两个独立开发的Ptf1a-Cre小鼠系,Ptf1atm1(cre)Hnak和Ptf1atm1(Cre)Cvw,广泛应用于胰腺研究中。最近,Ptf1atm1(cre)Hnak系被报道存在不必要的父系重组。我们的目的是研究Ptf1atm1(Cre)Cvw系中是否存在这种现象。Ptf1atm1(Cre)Cvw小鼠与R26-LSL-LacZ报告基因小鼠杂交。通过重组特异性聚合酶链反应、逆转录-聚合酶链反应和X-Gal染色检查DNA重组和基因表达。在双转基因小鼠的胰腺、睾丸和精子中检测到R26位点的重组。来自睾丸的ptf1a mRNA表达呈阳性,表明该组织中有内源性Ptf1a启动子活性。在从雄性双转基因小鼠中继承LacZ的15个后代中,有4个(26.7%)呈完全全身重组阳性。R26小鼠中重组的存在表明重组发生在减数分裂之前。Ptf1a启动子驱动的Cre表达在减数分裂之前的精子发生期间是生殖细胞重组的原因。因此,当使用雄性Ptf1a-Cre小鼠进行复合小鼠繁殖时,除了需要检测打靶等位基因外,还需要检测重组等位基因,以检查不必要的重组[6]。
在433,540名东亚个体中确定了2型糖尿病的位点。全基因组关联研究(GWAS)的荟萃分析已经确定了240多个与2型糖尿病(T2D)相关的位点;然而,大多数这些位点是在分析欧洲血统的个体中确定的。在这里,为了检查东亚个体中T2D的风险,我们对77,418名T2D患者和356,122名健康对照个体的GWAS数据进行了荟萃分析。在主要分析中,我们在183个位点确定了301个不同的关联信号,并且在与和没有考虑体重指数和性别的T2D关联模型中,我们确定了61个位点与T2D的易感性有关。在东亚和欧洲人群中,与T2D相关的常见变异表现出强烈的相关效应大小。先前未描述的关联包括GDAP1、PTF1A、SIX3、ALDH2、微RNA簇和影响肌肉和脂肪细胞分化的基因中的信号[7]。
在胰腺导管腺癌细胞中诱导PTF1a表达激活腺泡基因网络,减少肿瘤特性,并对吉西他滨治疗敏感。胰腺腺泡细胞合成、包装并向十二指肠分泌消化酶,以帮助营养吸收并满足代谢需求。当暴露于细胞应激和损伤时,腺泡细胞会经历一种称为腺泡-导管转化(ADM)的去分化过程。具有致癌突变的ADM病变最终会导致胰腺导管腺癌(PDAC)。在健康的胰腺中,基本螺旋-环-螺旋(bHLH)因子MIST1和PTF1a协调一个腺泡特异性转录网络,维持细胞高度发达的分化状态,保护胰腺免受转化过程的影响。然而,当MIST1和PTF1a基因表达被沉默时,细胞更容易进展为PDAC。在这项研究中,我们测试了在PDAC细胞中诱导MIST1或PTF1a表达是否能够(i)重新建立分化腺泡细胞的转录程序,(ii)同时减少肿瘤细胞特性。如预期的那样,PTF1a诱导消化酶和腺泡特异性转录因子的基因表达,而MIST1诱导囊泡转运分子的基因表达,以及未折叠蛋白反应成分的激活,这些都是处理腺泡细胞特征性高蛋白产生负荷所必需的。重要的是,在PDAC中诱导PTF1a还影响了与癌症相关的特性,导致细胞增殖减少,癌症干细胞数量减少,以及抑制关键ATP结合盒外排转运蛋白的表达,导致对吉西他滨的敏感性增强。因此,激活胰腺bHLH转录因子挽救了腺泡基因程序,并减少了胰腺癌细胞中的肿瘤特性,为开发针对这种致命疾病的新疗法干预策略提供了独特的机会[8]。
在斑马鱼胰腺发生和再生过程中对Ptf1a表达细胞的命运图谱进行绘制。斑马鱼胰腺发育与哺乳动物共享许多特征,包括参与胰腺转录因子1a(ptf1a)表达的表皮祖细胞的参与。然而,到目前为止,尚不清楚是否像哺乳动物一样,ptf1a表达的斑马鱼胰腺祖细胞能够为多个外分泌和内分泌谱系做出贡献。为了确定ptf1a表达细胞的谱系潜能,我们生成了ptf1a:creER(T2)转基因鱼,并在发育、再生和ptf1a缺陷的斑马鱼胰腺中进行了遗传诱导谱系追踪。除了对腺泡细胞谱系的贡献外,ptf1a表达细胞在胰腺发育过程中还产生胰腺Notch反应细胞(PNCs)和小部分内分泌细胞。在ptf1a半合子不足的鱼中,更大比例的ptf1a谱系标记细胞被追踪到PNC和内分泌部分。进一步降低ptf1a基因剂量将胰腺祖细胞转化为胆囊和其他非胰腺细胞命运。我们的结果表明,在发育中的斑马鱼胰腺中存在多能的ptf1a表达祖细胞,ptf1a剂量减少促进了对非腺泡谱系的更大贡献。与哺乳动物一样,Ptf1a的丧失导致新生胰腺祖细胞转化为非胰腺细胞命运,突出了Ptf1a在前肠组织谱系决定中的核心作用[9]。
综上所述,Ptf1a是一种重要的转录因子,在胰腺发育、神经组织分化和多种生物学过程中发挥着重要作用。Ptf1a的突变与多种遗传疾病相关,包括新生儿糖尿病和胰腺和 cerebellar agenesis。Ptf1a基因剂量的变化会影响胰腺的发育和功能,导致胰腺发育不良和糖尿病。Ptf1a在癌症发生和发展中也发挥着重要作用,通过调节基因表达和细胞特性影响肿瘤的形成和进展。Ptf1a的研究有助于深入理解胰腺发育、神经分化和癌症发生机制,为相关疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。
参考文献:
1. Jin, Kangxin, Xiang, Mengqing. 2018. Transcription factor Ptf1a in development, diseases and reprogramming. In Cellular and molecular life sciences : CMLS, 76, 921-940. doi:10.1007/s00018-018-2972-z. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30470852/
2. Fukuda, Akihisa, Kawaguchi, Yoshiya, Furuyama, Kenichiro, Chiba, Tsutomu, Uemoto, Shinji. 2008. Reduction of Ptf1a gene dosage causes pancreatic hypoplasia and diabetes in mice. In Diabetes, 57, 2421-31. doi:10.2337/db07-1558. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18591390/
3. Duque, Marta, Amorim, João Pedro, Bessa, José. 2021. Ptf1a function and transcriptional cis-regulation, a cornerstone in vertebrate pancreas development. In The FEBS journal, 289, 5121-5136. doi:10.1111/febs.16075. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34125483/
4. Ge, Wenjie, Goga, Algera, He, Yuliang, Schwank, Gerald, Stoffel, Markus. 2021. miR-802 Suppresses Acinar-to-Ductal Reprogramming During Early Pancreatitis and Pancreatic Carcinogenesis. In Gastroenterology, 162, 269-284. doi:10.1053/j.gastro.2021.09.029. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34547282/
5. Hoshino, Mikio, Nakamura, Shoko, Mori, Kiyoshi, Nakao, Kazuwa, Nabeshima, Yo-Ichi. . Ptf1a, a bHLH transcriptional gene, defines GABAergic neuronal fates in cerebellum. In Neuron, 47, 201-13. doi:. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16039563/
6. Wang, Jiale, Wang, Oliver, Bi, Yan, Crawford, Howard, Ji, Baoan. . Ptf1a Promoter-Driven Cre Expression During Spermatogenesis Causes Germline Recombination. In Pancreas, 51, 90-93. doi:10.1097/MPA.0000000000001961. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35195600/
7. Spracklen, Cassandra N, Horikoshi, Momoko, Kim, Young Jin, Mohlke, Karen L, Sim, Xueling. 2020. Identification of type 2 diabetes loci in 433,540 East Asian individuals. In Nature, 582, 240-245. doi:10.1038/s41586-020-2263-3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32499647/
8. Jakubison, Brad L, Schweickert, Patrick G, Moser, Sarah E, Liu, Yunlong, Konieczny, Stephen F. 2018. Induced PTF1a expression in pancreatic ductal adenocarcinoma cells activates acinar gene networks, reduces tumorigenic properties, and sensitizes cells to gemcitabine treatment. In Molecular oncology, 12, 1104-1124. doi:10.1002/1878-0261.12314. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29719936/
9. Wang, Yue J, Park, Joon T, Parsons, Michael J, Leach, Steven D. 2015. Fate mapping of ptf1a-expressing cells during pancreatic organogenesis and regeneration in zebrafish. In Developmental dynamics : an official publication of the American Association of Anatomists, 244, 724-35. doi:10.1002/dvdy.24271. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25773748/