Mast4-flox 基因敲除小鼠

MAST4，全称为微管相关丝氨酸/苏氨酸激酶家族成员4，是微管相关丝氨酸/苏氨酸激酶家族的一员。微管相关丝氨酸/苏氨酸激酶家族是一类重要的细胞骨架相关激酶，参与细胞周期的调控、细胞分裂、细胞迁移等多种生物学过程。MAST4蛋白含有丝氨酸/苏氨酸激酶结构域和PDZ结构域，在多种正常组织中表达，但在睾丸、小肠、结肠和周围血白细胞中的表达相对较低[9]。

在多发性骨髓瘤（MM）中，MAST4的表达与骨病的发生密切相关。研究发现，年轻的女性MM患者发生骨病变的概率较低，而MAST4的表达在无骨病变的MM患者和年轻女性MM患者中上调[8]。进一步的研究表明，雌激素细胞信号通路通过MAST4负调节MM骨病（MMBD）。雌激素的存在可以促进MM细胞中MAST4的表达，而敲低雌激素受体1（ESR1）则抑制MAST4的表达。染色质免疫沉淀试验表明，ESR1在MAST4启动子上有一个结合位点。双膦酸盐类药物，如唑来膦酸（ZOL），可以刺激MM细胞中MAST4的表达，通过促进ESR1的表达。MAST4与磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）相互作用，从而调节PI3K-Akt-mTOR信号通路和下游细胞因子（如CCL2/3/4）的表达。MAST4敲低（MAST4-KD）或ESR1敲低（ESR1-KD）的MM细胞中PTEN活性受到抑制，PI3K-Akt-mTOR活性升高，CCL2/3/4表达增加。MAST4-KD或ESR1-KD的MM细胞与预破骨细胞（pre-OCs）共培养可以刺激OC的形成，而CCL2/3/4的中和抗体可以减弱这种刺激。在动物模型中，接种MAST4-KD或ESR1-KD MM细胞的小鼠比对照组（CTR-KD）表现出更严重的MMBD。患者MM细胞的基因表达谱（GEPs）分析证实了MAST4和ESR1在MMBD中的表达相关性以及相关细胞信号通路。患者的免疫组化组织芯片进一步验证了MAST4表达与MMBD发生的负相关性。因此，这些数据表明，雌激素细胞信号通路通过MAST4负调节MMBD[1]。

MAST4基因的变异与神经发育障碍（NDD）有关。研究发现，MAST4基因中的新生变异与NDD有关，包括发育迟缓（DD）和婴儿痉挛（IS）。研究人员对四个家庭进行了基于三重测序的外显子测序（ES），并收集和系统性地回顾了四个先证者的临床数据、磁共振成像（MRI）和脑电图（EEG）。此外，他们还通过整合已发表的外显子/基因组测序数据和人类脑转录组数据进行了生物信息学分析。研究发现，四个患者中，三个MAST4基因的新生错义变异，包括chr5:66438324 (c.2693T > C: p.Ile898Thr)、chr5:66459419 (c.4412C > T: p.Thr1471Ile) 和chr5:66462662 (c.7655C > G: p.Ser2552Trp)。这些变异被预测为有害或可能有害，并且受影响的氨基酸在多个物种中高度保守。根据Brainspan Atlas数据库，MAST4主要在胚胎发育期间表达于丘脑的中背侧核和内侧前额叶皮层，可能对胚胎脑发育有贡献。因此，MAST4基因的变异可能与NDD有关，临床医生应考虑MAST4变异作为具有婴儿痉挛特征的NDD患者的潜在候选基因[2]。

在牙齿发育中，MAST4在维持干细胞和成釉质形成中发挥重要作用。研究发现，MAST4敲除（KO）小鼠的牙齿发育异常，硬度降低，顶芽大小减小，前成釉细胞向顶侧移动，导致成釉质发育不全。此外，MAST4 KO牙齿的成釉质成熟异常，干细胞维持受到抑制，因为随着成釉质形成的加速，Wnt信号下调。近端-无家可归同源盒3（DLX3），是牙齿成釉质形成的关键因素，被认为是人类成釉质发育不全的原因。MAST4直接与DLX3结合，并在其核定位信号（NLS）内的三个残基上诱导磷酸化，促进DLX3的核转位。MAST4介导的DLX3磷酸化最终控制DLX3靶基因的转录，这些基因包括参与成釉细胞成熟过程中pH调节过程的碳酸酐酶和离子转运基因。因此，MAST4通过控制Wnt信号和DLX3转录活性在整个成釉质形成过程中发挥关键调节作用[3]。

MAST4在精子发生中也发挥重要作用。研究发现，MAST4在支持细胞中表达，并在睾丸中维持精子发生的干细胞池。MAST4 KO小鼠表现出不育、支持细胞综合征和精子计数减少。此外，MAST4的缺失导致支持细胞中PLZF表达下调和细胞周期进程受阻。MAST4还诱导细胞周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）磷酸化PLZF，并激活PLZF抑制与细胞周期阻滞相关的基因的转录水平，使SSCs保持干细胞状态。因此，MAST4对于维持SSCs的细胞周期至关重要[4,5]。

MAST4在胰腺导管腺癌（PDAC）中也发挥重要作用。研究发现，与对吉西他滨（GEM）敏感的病例相比，GEM耐药的PDAC病例中核MAST4的表达升高。MAST4敲低有效地抑制了AKT3的过表达，并抑制了MAST4和AKT3在MIA-GEM细胞中的核转位，从而抑制了FOXO3的磷酸化。调节FOXO3靶基因表达可以抑制细胞凋亡，同时促进干性和增殖。因此，核MAST4可以作为GEM耐药和PDAC不良预后的潜在标志物和治疗靶点[7]。

此外，研究发现，饮食质量与成人血液中的DNA甲基化模式相关。在西班牙、美国和英国的四个人群队列中，研究者发现18个与饮食质量相关的差异甲基化CpG位点，其中12个位点以前与心血管疾病或风险因素相关。富集分析显示，饮食相关的基因在涉及炎症和心血管疾病的通路中过度表达。孟德尔随机化分析表明，与较低饮食质量相对应的遗传决定的甲基化水平在cg02079413 (SNORA54)、cg02107842 (MAST4)和cg23761815 (SLC29A3)上与更高的体重指数（BMI）相关，在cg05399785 (WDR8)上与更高的收缩压（SBP）相关，而在cg00711496 (PRMT1)上与较低的BMI、2型糖尿病（T2D）风险和冠状动脉疾病（CHD）风险相关，在cg0557921 (AHRR)上与较低的CHD风险相关。因此，饮食质量与成人血液中18个CpG位点的差异甲基化相关，其中一些位点与心血管健康相关[6]。

综上所述，MAST4在多种生物学过程中发挥重要作用，包括MMBD、NDD、牙齿发育、精子发生和PDAC。MAST4通过调节细胞信号通路、细胞周期和基因表达，影响多种生物学过程。此外，MAST4的基因变异和表达水平与多种疾病的发生和发展相关。因此，MAST4的研究对于深入理解细胞信号通路、细胞周期和基因表达的调控机制，以及疾病的发生和发展机制具有重要意义。