HEXIM1,全称为hexamethylene bis-acetamide-inducible protein 1,是一种关键的转录调节因子,它在多种生物学过程中发挥着重要作用。HEXIM1主要通过与正转录延伸因子b(P-TEFb)结合,调节RNA聚合酶II(RNAPII)的活性,进而影响基因表达。P-TEFb是RNA转录延伸过程中的关键因子,它通过磷酸化RNAPII的羧基末端结构域,促进转录的进行。HEXIM1与P-TEFb的结合可以抑制P-TEFb的活性,从而调控基因表达。
HEXIM1在人类红系发育中起着至关重要的作用。研究表明,HEXIM1通过控制正转录因子β的位置和活性来调节RNAPII的活性。HEXIM1的过表达可以促进红系增殖和胎儿血红蛋白的表达。HEXIM1通过在细胞周期检查点基因处强制RNAPII暂停,并在促进周期进展的基因处增加RNAPII的占据,从而调节红系增殖。全基因组分析揭示了HEXIM1在抑制和激活基因上的增加,以及GATA结合因子1(GATA1)和RNAPII在基因组范围内的分布变化。最显著的变化发生在β-珠蛋白位点,其中β-珠蛋白和γ-珠蛋白的GATA1和RNAPII发生了改变,导致胎儿珠蛋白和BGLT3(β-珠蛋白位点中调节胎儿珠蛋白表达的lncRNA)的表达增加。GATA1是HEXIM1抑制或激活基因表达的关键决定因素。获得HEXIM1和GATA1的基因显示出增加的RNAPII和基因表达,而获得HEXIM1但失去GATA1的基因则表现出RNAPII暂停的增加和表达减少。这些发现揭示了普遍转录机制在调节红系发育的关键方面,包括细胞周期进展和胎儿基因表达,这可能被用于治疗目的[1]。
P-TEFb是RNA聚合酶II转录延伸阶段的主调节因子,由cyclin T1或T2和cyclin-dependent kinase 9组成。P-TEFb通过对抗负转录延伸因子和磷酸化RNAPII的羧基末端结构域,促进新转录本的延伸和共转录处理。这一步骤对于大多数真核基因的表达至关重要。在生长细胞中,P-TEFb受到HEXIM1/2的负调节,并受到多种转录因子以及超级延伸复合物的正调节。在静息细胞中,P-TEFb分解,cyclin T1被蛋白酶体降解。这种对P-TEFb的复杂调节是为了在生物体中精确地时间和空间地调节基因表达。P-TEFb的失调会导致炎症和肿瘤性疾病[2]。
HEXIM1在心脏中调节血管内皮生长因子(VEGF)基因的表达。VEGF是一种已知影响血管生成和心肌增殖和存活的因子。研究发现,HEXIM1的基因突变导致心脏和血管发育缺陷,部分原因是由于VEGF表达的降低。HEXIM1蛋白在心脏生长和心腔成熟的关键时期被检测到。HEXIM1基因的插入突变导致小鼠的胚胎死亡,心脏缺陷包括异常的冠状动脉模式和薄的室壁。室壁变薄部分归因于凋亡增加。HEXIM1(1 to 312)小鼠心脏切片的血小板内皮细胞粘附分子前体-1染色显示,尽管心外膜存在冠状动脉血管,但心肌的血管化减少。与对照小鼠相比,HEXIM1(1 to 312)小鼠的VEGF表达降低。这些结果表明,HEXIM1在冠状动脉血管发育和心肌生长中发挥着重要作用,其基础是VEGF是HEXIM1的直接转录靶点,并通过减轻C/EBPα对VEGF基因转录的抑制作用来实现[3]。
HEXIM1与阿尔茨海默病(AD)的病理学相关,并调节神经元中即刻早期基因的动态变化。神经元中HEXIM1 mRNA的表达与人类阿尔茨海默病病理学高度相关。HEXIM1对P-TEFb的调节对神经元基因转录的快速诱导有显著影响,尤其是在重复去极化反应中。这些数据表明,HEXIM1/P-TEFb在神经元中诱导基因转录中发挥着重要作用,并允许设置和重置允许基因强激活的设置状态,这对于突触可塑性是必要的[4]。
HEXIM1下调二氢睾酮和雌二醇水平。HEXIM1通过与配体结合的雌激素受体α(ERα)和雄激素受体(AR)相互作用,抑制这些受体的活性,并降低RNAPII在丝氨酸2位点的磷酸化。HEXIM1对ERα和AR转录活性的抑制导致ERα和AR依赖性基因表达的抑制,以及乳腺癌(BCa)和前列腺癌(PCa)细胞增殖和生长的减弱。HEXIM1还抑制BCa和PCa细胞中AKR1C3的表达,AKR1C3是一种关键酶,参与17β-雌二醇(E2)和5-二氢睾酮(DHT)的合成。HEXIM1下调AKR1C3影响了E2和DHT的产生,雌激素和雄激素依赖性基因表达和细胞增殖。这些研究结果表明,HEXIM1具有抑制ER和AR转录活性和这些受体的内源性配体合成的独特能力[5]。
HEXIM1的突变导致心脏和血管发育缺陷,部分原因是由于血管内皮生长因子(VEGF)的下调。HEXIM1蛋白在心脏生长和心腔成熟的关键时期被检测到。HEXIM1基因的插入突变导致小鼠的胚胎死亡,心脏缺陷包括异常的冠状动脉模式和薄的室壁。室壁变薄部分归因于凋亡增加。HEXIM1(1 to 312)小鼠心脏切片的血小板内皮细胞粘附分子前体-1染色显示,尽管心外膜存在冠状动脉血管,但心肌的血管化减少。与对照小鼠相比,HEXIM1(1 to 312)小鼠的VEGF表达降低。这些结果表明,HEXIM1在冠状动脉血管发育和心肌生长中发挥着重要作用,其基础是VEGF是HEXIM1的直接转录靶点,并通过减轻C/EBPα对VEGF基因转录的抑制作用来实现[6]。
5-Aza-2'deoxycytidine(5-AzadC)是一种DNMT1抑制剂,可以诱导HEXIM1的表达。5-AzadC通过诱导DNA损伤,导致NF-ĸB、P-TEFb和丝氨酸2磷酸化RNAPII在HEXIM1基因上的占据增强,从而诱导HEXIM1的表达。5-AzadC诱导的DNA损伤通过激活ATR和ATM以及NF-ĸB募集到HEXIM1启动子上来增强P-TEFb的占据。下调NF-ĸB会减弱5-AzadC诱导的HEXIM1表达。5-AzadC诱导的HEXIM1表达的功能相关性通过研究显示,HEXIM1对于5-AzadC诱导的细胞凋亡是必需的。这些发现支持了5-AzadC诱导HEXIM1表达的表观遗传机制,并可能有助于5-AzadC的临床疗效[7]。
HEXIM1是p53的正调节因子。HEXIM1与两个关键的p53调节因子,核磷蛋白和人双分钟体-2蛋白(HDM2)相互作用,暗示HEXIM1与p53信号通路之间存在可能的联系。研究发现,HEXIM1与p53在乳腺癌、急性髓系白血病和结直肠癌细胞中相互作用。p53和HEXIM1的羧基末端区域对于蛋白质-蛋白质相互作用是必需的。HEXIM1的过表达可以防止HDM2对p53的泛素化,并增强p53的蛋白稳定性,导致p53靶基因如Puma和p21的上调。紫外线照射和抗癌药物(包括多柔比星、依托泊苷、罗西维丁和nutlin-3)等条件下,p53蛋白水平升高与p53-HEXIM1相互作用的增加相关。此外,下调HEXIM1显著抑制p53的诱导和由p53引起的细胞周期阻滞。最后,p53靶基因的转录受HEXIM1的调节,并以p53依赖的方式进行。这些结果不仅确定了HEXIM1是p53的正调节因子,还提出了抗癌药物和化合物激活p53的新型分子机制[8]。
HEXIM1-Tat嵌合体抑制HIV-1复制。HIV前病毒的转录是病毒周期中的关键步骤,依赖于细胞正转录延伸因子b(P-TEFb)被招募到HIV启动子。病毒反式激活因子Tat可以取代与7SK小核核糖核蛋白结合并被HEXIM1抑制的P-TEFb,并将其带到TAR,从而允许停滞的RNA聚合酶II转变为成功的转录延伸。在这项研究中,研究者设计了一种由HEXIM1和Tat的功能域组成的HIV转录抑制剂嵌合体。嵌合体(HT1)通过竞争TAR和P-TEFb结合,同时保持P-TEFb的失活,有效地抑制了HIV启动子的基因表达。HT1抑制了淋巴母细胞T细胞系模型中的HIV传播感染和病毒潜伏期的病毒再激活,对细胞转录和代谢的影响很小。这项概念验证研究表明,通过肽模拟和竞争RNA-蛋白质相互作用来干扰HIV转录是一种创新的方法。HT1代表了HIV治疗或HIV治愈的新候选药物[9]。
综上所述,HEXIM1作为一种关键的转录调节因子,在红系发育、心血管发育、神经元功能、癌症和病毒感染等多种生物学过程中发挥着重要作用。HEXIM1通过与P-TEFb的相互作用,调节RNA聚合酶II的活性,进而影响基因表达。HEXIM1的表达和活性受到多种因素的调节,包括DNA损伤、转录因子和病毒蛋白。HEXIM1的研究有助于深入理解基因表达的调控机制,并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. Lv, Xiurui, Murphy, Kristin, Murphy, Zachary, Mohandas, Narla, Steiner, Laurie A. . HEXIM1 is an essential transcription regulator during human erythropoiesis. In Blood, 142, 2198-2215. doi:10.1182/blood.2022019495. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37738561/
2. Fujinaga, Koh, Huang, Fang, Peterlin, B Matija. 2023. P-TEFb: The master regulator of transcription elongation. In Molecular cell, 83, 393-403. doi:10.1016/j.molcel.2022.12.006. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36599353/
3. Asakura, Atsushi. . Vascular endothelial growth factor gene regulation by HEXIM1 in heart. In Circulation research, 102, 398-400. doi:10.1161/CIRCRESAHA.108.172114. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18309107/
4. Htet, Myo, Estay-Olmos, Camila, Hu, Lan, Colbran, Roger J, Greer, Celeste B. 2024. HEXIM1 is correlated with Alzheimer's disease pathology and regulates immediate early gene dynamics in neurons. In bioRxiv : the preprint server for biology, , . doi:10.1101/2024.09.27.615234. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39386727/
5. Mozar, Fitya, Sharma, Vikas, Gorityala, Shashank, Xu, Yan, Montano, Monica M. . Downregulation of Dihydrotestosterone and Estradiol Levels by HEXIM1. In Endocrinology, 163, . doi:10.1210/endocr/bqab236. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34864989/
6. Montano, Monica M, Doughman, Yong Qui, Deng, Huayun, Ward, Nicole L, Watanabe, Michiko. 2007. Mutation of the HEXIM1 gene results in defects during heart and vascular development partly through downregulation of vascular endothelial growth factor. In Circulation research, 102, 415-22. doi:. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18079413/
7. Sharma, Vikas, Montano, Monica M. 2020. Non-epigenetic induction of HEXIM1 by DNMT1 inhibitors and functional relevance. In Scientific reports, 10, 21015. doi:10.1038/s41598-020-78058-y. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33273553/
8. Lew, Qiao Jing, Chia, Yi Ling, Chu, Kai Ling, Cheong, Nge, Chao, Sheng-Hao. 2012. Identification of HEXIM1 as a positive regulator of p53. In The Journal of biological chemistry, 287, 36443-54. doi:10.1074/jbc.M112.374157. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22948151/
9. Leoz, Marie, Kukanja, Petra, Luo, Zeping, Peterlin, B Matija, Fujinaga, Koh. 2018. HEXIM1-Tat chimera inhibits HIV-1 replication. In PLoS pathogens, 14, e1007402. doi:10.1371/journal.ppat.1007402. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30395647/