Dpcd-flox 基因敲除小鼠

Dpcd（Deleted in a Mouse Model of Primary Ciliary Dyskinesia）基因是一种在原发性纤毛运动障碍（PCD）中具有重要作用的基因。PCD是一种常染色体隐性遗传疾病，由影响纤毛正常功能的突变引起。最近的研究发现，小鼠中DNA聚合酶λ（Poll）的缺失会导致与PCD特征相符的表型（Kobayashi et al., 2002, Mol. Cell. Biol. 22:2769-2776）。进一步的研究发现，Poll基因周围的基因组区域存在一个未表征的基因，命名为Dpcd，它预测是从与Poll基因相对的链上转录的。Poll的缺失也会去除Dpcd的第一个外显子。由于观察到PCD表型可能是由于任一基因的缺失，因此研究了这些基因在人类气道上皮细胞纤毛发生过程中的表达。Northern分析表明，DPCD的表达在纤毛细胞分化过程中增加；POLL的表达减少。为了直接检查DPCD是否在人类PCD病例中发生突变，对51名无亲缘关系的PCD患者的DPCD完整编码序列进行了测序。没有确认导致疾病的突变；然而，有一个变体不能排除。因此，DPCD仍然是PCD的一个新的候选基因[1]。

植物中也存在着类似的程序性细胞死亡（PCD）过程，称为发育程序性细胞死亡（dPCD）。dPCD在植物生长和发育中发挥着重要作用，例如在控制器官大小和生殖过程中。Wang等人（2020）综述了dPCD在花器官生长和发育中的调节框架，包括与绒毡退化、花粉管破裂、受精丝细胞死亡、胚乳降解和反足细胞降解相关的因素。此外，还介绍了与输导组织形成和自交不亲和性诱导的PCD相关的已知因素，以及与药室开裂和花瓣衰老和脱落相关的基因。这些研究结果为揭示花器官特异性dPCD过程的调节机制提供了重要的见解[2]。

Charura等人（2024）研究了Arabidopsis thaliana根系中发育控制的PCD与真菌定殖之间的联系，重点关注根冠特异性转录因子ANAC033/SOMBRERO（SMB）和衰老相关核酸酶BFN1。两种dPCD调节因子的突变都增加了有益真菌Serendipita indica的定殖，主要在分化区。smb-3突变体还表现出在分生组织区周围的过度定殖以及S. indica诱导的根生长促进的延迟。这表明根冠dPCD和细胞尸体的快速死后清除代表了限制微生物入侵根部的物理防御机制。此外，报告基因系和转录分析表明，在成熟根表皮细胞中，BFN1的表达在S. indica定殖期间下调，表明存在一个转录控制机制，有助于在根部适应有益微生物。随着植物根深入土壤，它们会遇到各种真菌和细菌。其中一些微生物试图感染根部，但某些相互作用可以是互惠互利的，促进微生物的存活，同时保护植物免受有害感染。然而，微生物很少侵入根尖，这是由一种称为根冠的特殊组织保护的。随着根的生长，根冠细胞不断被移除并替换。在模式植物Arabidopsis thaliana中，根冠周转是通过细胞脱落和发育程序性细胞死亡（dPCD）的结合发生的。已知蛋白质SMB和BFN1通过触发细胞死亡并确保死细胞被移除来调节这个过程。为了研究dPCD的速度和死后尸体清除的程度如何影响真菌在植物根部的积累，Charura等人研究了具有非功能性SMB蛋白的Arabidopsis植物。染色技术揭示了根冠中死细胞的积累，以及根尖中真菌Serendipita indica的生长增加。这些变化还破坏了通常由真菌引起的生长促进作用。总的来说，这些发现表明，在正常情况下，SMB通过dPCD推动细胞的持续清除，这限制了可能损害植物的根尖真菌生长。Charura等人接下来研究了S. indica感染如何影响驱动dPCD的基因的表达。这表明，在感染了真菌的Arabidopsis植物中，BFN1基因的表达减少。染色含有非功能性BFN1形式的植物根部也揭示了更多的死细胞残骸和根部更远处的真菌生长增加，这表明S. indica可能利用宿主细胞清除途径来定殖根部。总的来说，这些发现表明植物根部的dPCD速度是限制真菌入侵的关键。观察到S. indica感染时BFN1基因表达降低，这表明真菌可能操纵BFN1来帮助它们形成更有益的共生关系。了解根冠周转和真菌入侵之间的相互作用可能会导致更可持续的农业实践，并可能帮助研究人员在不依赖化肥或杀虫剂的情况下改善植物营养和耐受性[3]。

Feng等人（2022）研究了自噬在dPCD中的作用，使用Arabidopsis根冠作为可访问和遗传可追踪的模型系统。在Arabidopsis中，dPCD是根冠分化的一个组成部分，限制根冠器官大小与根分生组织相平衡。根冠由两个不同的组织组成：位于根部最尖端的近端位置的柱状细胞，以及从根分生组织延伸到根伸长区开始处的远端端部的侧根冠（LRC）。研究表明，在根冠组织中，自噬流在dPCD执行之前强烈增加，并且依赖于关键自噬基因ATG2、ATG5和ATG7。这些基因的系统性和器官特异性突变导致柱状细胞中PCD执行的延迟和死后尸体清除的缺失，但在远端LRC中，PCD执行或尸体清除没有缺陷。这些结果表明自噬功能在细胞类型中具有高度的特异性，并表明自噬在dPCD中的作用可以在同一植物器官的不同细胞类型之间显著差异[5]。

Feng等人（2023）发现，在烟草绒毡的dPCD之前，高水平的Arabidopsis自噬相关基因BECLIN1（BECN1或AtATG6）的表达导致了发育缺陷。BECN1诱导严重的自噬和多条细胞质到液泡途径，这改变了绒毡细胞活性氧（ROS）-稳态，从而抑制了绒毡的dPCD。转录组分析表明，BECN1表达导致了通路的主要变化，从而改变了绒毡细胞中的细胞稳态。此外，BECN1介导的自噬通过改变关键发育PCD标记基因的表达来重新编程绒毡PCD的执行：SCPL48、CEP1、DMP4、BFN1、MC9、EXI1和Bcl-2家族成员BAG5和BAG6。这项研究证明，BECN1介导的自噬对绒毡的dPCD具有抑制作用，但自噬的严重程度会导致后期的自噬性死亡。绒毡退化的延迟和改变模式导致雄性不育[4]。

Vogel等人（2009）描述了3种小鼠SI模型，为2-纤毛假说提供了支持。除了具有SI外，Dpcd/Poll（-/-）小鼠和Nme7（-/-）小鼠还表现出与纤毛运动功能缺陷一致的病变：Dpcd/Poll（-/-）小鼠出现脑积水、鼻窦炎和男性不育，而Nme7（-/-）小鼠出现脑积水和过多的鼻分泌物。相比之下，Pkd1l1（-/-）小鼠（对于：多囊肾病1样1）没有呼吸系统病变、脑积水和男性不育，这表明在这条系中，运动纤毛的功能障碍并不涉及SI的发生。此外，Pkd1l1基因与Pkd1（对于：多囊肾病1）具有相当的序列相似性，Pkd1编码一个蛋白质（多囊肾病1），这对肾脏中非运动性初级纤毛的机械感觉功能至关重要。Pkd1l1（-/-）小鼠的存活率明显降低，鉴于在经过全面的表型筛选检查的存活Pkd1l1（-/-）小鼠中没有检测到任何异常（除了SI），这一点有些令人惊讶。然而，没有检查Pkd1l1（-/-）小鼠的心脏和大血管，因此，Pkd1l1（-/-）小鼠存活率的降低可能是因为与异位相关的未被诊断出的心血管缺陷[6]。

Ye等人（2019）通过转录组分析，在衰老的Arabidopsis柱头细胞中确定了关键基因和转录因子。程序性细胞死亡（PCD）在植物生长和发育中发挥着重要作用。柱头细胞形成植物繁殖的必不可少器官。柱头细胞的寿命受到严格控制，发育程序性细胞死亡（dPCD）过程涉及柱头细胞死亡。因此，柱头细胞死亡是研究PCD过程的一个很好的模型。在这项研究中，通过检测PCD相关报告基因双功能核酸酶1（BFN1）的GUS信号，在死亡柱头细胞中可视化了dPCD信号。发现GUS在年轻阶段没有表达，但在衰老阶段的柱头细胞中强烈表达，这表明PCD过程被触发以终止柱头细胞命运。鉴于这一点，分析了覆盖柱头细胞整个寿命的RNA-Seq数据集，旨在了解哪些基因和通路参与柱头细胞死亡。分离出37个差异表达基因（DEGs）。此外，与能量产生和运输、自噬和植物激素信号转导相关的通路被认为是参与柱头细胞死亡的关键通路。还确定了9种类型，共104个转录因子（TFs）。最后，整合了一个柱头细胞死亡的假设工作模型。这些发现将丰富我们对dPCD介导的途径在调节植物器官/组织生长、发育、衰老和死亡中的作用的知识。我们的研究将为研究其他植物器官或组织的dPCD提供一些参考基因资源[7]。

Sychta等人（2021）回顾了重金属诱导的植物程序性细胞死亡（PCD）。程序性细胞死亡（PCD）是一种在植物发育和对生物和非生物应激的反应中发挥着基本作用的过程。关于植物PCD机制的知识仍然非常匮乏，与对动物PCD机制的大量研究相比，这些研究非常少。快速准确的检测，如TUNEL检测、彗星检测和分析caspase样酶活性，可以区分PCD和坏死。根据保守的PCD诱导基因的表达差异，将植物PCD分为两种主要类型：由内部因素调节的发育（dPCD）和环境（ePCD）诱导的外部刺激。非生物应激因子，包括重金属，诱导坏死或ePCD。重金属通过活性氧（ROS）的过量产生来触发氧化应激，从而诱导PCD。ROS主要由线粒体产生，调节由重金属引起的植物毒性机制。ROS、激素（乙烯）、一氧化氮（NO）和钙离子之间的复杂相互作用诱导PCD，具有caspase样活性的蛋白酶在暴露于重金属的植物细胞中执行PCD。这条途径导致了由重金属诱导的PCD和由其他非生物因子诱导的PCD非常相似的细胞学标志。在这里详细回顾了由非生物应激引起的植物ePCD的形式、标志、机制和遗传调节，并强调了植物细胞培养作为PCD研究的合适模型。还讨论了植物和动物PCD之间的相似之处和差异[8]。

综上所述，Dpcd基因在原发性纤毛运动障碍中发挥着重要作用，其缺失会导致PCD表型。植物中也存在着类似的程序性细胞死亡（PCD）过程，称为发育程序性细胞死亡（dPCD），在植物生长和发育中发挥着重要作用。Dpcd基因的缺失在动物和植物中都会导致PCD表型，表明Dpcd基因在PCD过程中发挥着重要作用。未来的研究需要进一步探讨Dpcd基因的调控机制和其在PCD中的作用，为理解PCD的生物学功能和疾病发生机制提供更深入的认识。