Sephs1-flox 基因敲除小鼠

SEPHS1，也称为Selenophosphate Synthetase 1，是一个关键的基因，编码一种对于合成selenophosphate至关重要的酶。Selenophosphate是硒的活性供体，对于selenoprotein的合成是必不可少的。Selenoprotein在抗氧化防御、甲状腺激素代谢和细胞稳态中发挥着重要的作用。SEPHS1基因的突变与神经发育障碍有关，这些障碍包括发育迟缓、生长不良、肌张力低下和畸形特征。由于硒在脑发育和功能中的关键作用，SEPHS1基因在神经发育研究中占据了重要地位。研究表明，SEPHS1突变会破坏神经发育，强调了该基因对功能丧失的敏感性。未来的研究应该集中在SEPHS1变体的功能特征、更广泛的遗传筛查和治疗方法的发展上[1]。

SEPHS1基因的进化、功能和在发育和疾病中的作用已经被广泛研究。在原核生物中，SEPHS被最初发现作为催化selenophosphate合成的酶，使用无机硒和ATP作为底物。然而，在真核生物中，存在两个同源物，SEPHS1和SEPHS2。原核生物的SEPHS，也称为SelD，在其催化结构域中包含半胱氨酸（Cys）或硒代半胱氨酸（Sec）。在真核生物中，只有SEPHS2执行selenophosphate的合成，并在活性位点包含Sec。然而，SEPHS1在其催化位置包含除Sec或Cys之外的其他氨基酸。SEPHS1的三维结构表明，其同源二聚体无法形成selenophosphate，但保留ATPase活性以产生ADP和无机磷酸。SEPHS1最突出的功能是参与调节细胞氧化还原稳态。SEPHS1的缺乏会导致参与氧化还原稳态的基因表达紊乱。不同类型的活性氧（ROS）在细胞或组织类型中积累，以响应SEPHS缺乏。ROS的积累会导致生长迟缓、细胞凋亡、DNA损伤和胚胎致死等表型效应。在胚胎小鼠中，SEPHS1的缺乏会影响视黄酸信号传导和其他相关信号通路，并导致胚胎在E11.5时死亡。SEPHS1的失调与包括癌症、克罗恩病和骨关节炎在内的各种疾病的发病机制有关[2]。

SEPHS1在细胞生理学调节中发挥着重要作用。在真核生物中，只有SEPHS2在selenophosphate合成过程中表现出催化活性。SEPHS1虽然不包含任何显著的selenophosphate合成活性，但据报道在调节细胞生理中发挥着重要作用。原核生物的SEPHS在其催化结构域中包含半胱氨酸或硒代半胱氨酸（Sec）。然而，在真核生物中，SEPHS1在其催化结构域包含其他氨基酸，如苏氨酸、精氨酸、甘氨酸或亮氨酸，而SEPHS2仅包含Sec。序列比较、晶体结构分析和ATP水解实验表明，selenophosphate合成发生在两个步骤中。在第一步中，ATP被水解产生ADP和γ-磷酸。在第二步中，ADP进一步水解，并使用γ-磷酸和硒化物产生selenophosphate。SEPHS1和SEPHS2都具有ATP水解活性，但Cys或Sec在催化结构域对于反应的第二步是必需的。SEPHS1的基因被内含子分隔，并且在人类中通过选择性剪接产生五种不同的剪接变体。SEPHS1的mRNA在快速增殖的细胞中丰富，例如胚胎和癌细胞，并且其表达受到包括氧化应激和盐胁迫在内的各种应激的诱导。小鼠或果蝇中SEPHS1基因的破坏导致细胞增殖的抑制、胚胎致死和胚胎形态学改变。在昆虫、小鼠和人类细胞中靶向去除SEPHS1 mRNA也导致与体内基因敲除观察到的表型变化相似的共同表型变化：细胞生长/增殖的抑制、哺乳动物中过氧化氢的积累和果蝇中未确定的ROS的积累，以及防御系统的激活。SEPHS1缺乏的细胞中过氧化氢的积累主要是由于参与ROS清除的基因的下调，导致细胞增殖和存活的抑制。然而，SEPHS1调节氧化还原稳态的机制仍然不清楚[3]。

SEPHS1缺乏会导致内皮细胞功能障碍。SEPHS的主要功能是催化selenophosphate的合成，在selenocysteine合成过程中作为硒的供体。在真核生物中，存在两种SEPHS（SEPHS1和SEPHS2）同源物。在这两个同源物中，只有SEPHS2已知含有selenophosphate合成活性。为了研究SEPHS1在血管内皮细胞中的作用，研究人员在培养的小鼠2H11血管内皮细胞中引入了SEPHS1基因的靶向基因敲除突变。SEPHS1缺乏的2H11细胞导致超氧化物和脂质过氧化物的积累，以及一氧化氮的减少。2H11细胞中SEPHS1缺乏的超氧化物积累是由于黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶活性的诱导，以及超氧化物歧化酶1（SOD1）和3（SOD3）的减少。2H11细胞中SEPHS1缺乏的超氧化物积累还导致细胞增殖和血管生成管道形成的抑制。SEPHS1敲除细胞在G2/M期停滞，并显示出γ-H2AX焦点的增加。SEPHS1敲除细胞中的血管生成功能障碍是由一氧化氮的减少和ROS的增加介导的。这项研究表明，SEPHS1缺乏会导致超氧化物的积累，通过DNA损伤和细胞增殖的抑制导致细胞功能障碍[4]。

SEPHS1对于维持多能性和小鼠胚胎干细胞（ESC）的心脏分化至关重要。ESC是从发育中的囊胚的内细胞团中衍生出来的，具有自我更新能力，并且有可能发育或重组为所有胚胎谱系。SEPHS1是小鼠早期胚胎发育中的必需蛋白。然而，SEPHS1在小鼠ESC中的作用尚未阐明。在这项研究中，研究人员生成了SEPHS1基因敲除ESC，并发现SEPSH1的缺乏对多能性维持和增殖影响很小。值得注意的是，SEPHS1的缺乏阻碍了三个胚层的分化以及在体外胚层聚集。RNA-seq分析表明，SEPHS1参与了心脏发生，这通过在第10天没有节律信号的SEPHS1敲除胚胎体中得到验证，并且心脏相关和收缩标记物的表达较低。总的来说，这些结果表明，SEPHS1在ESC自我更新中是不必要的，但在随后的胚层分化中是必不可少的，尤其是对于功能性心脏谱系[5]。

SEPHS1的表达与多种人类恶性肿瘤的预后相关。该研究旨在通过研究SEPHS1在33种人类恶性肿瘤中的表达及其与肿瘤免疫的关系，来确定SEPHS1的平均预后效用。使用Genotype-Tissue Expression (GTEx)、Cancer Genome Atlas (TCGA)和TIMER数据库检查了33种人类恶性肿瘤中selenophosphate synthase 1 (SEPHS1)的表达。此外，使用TCGA队列研究了SEPHS1与免疫检查点基因（ICGs）、肿瘤突变负荷（TMB）、微卫星不稳定性（MSI）和DNA错配修复基因（MMRs）之间的关系。为了建立独立的风险因素并计算肝细胞癌（LIHC）和脑低级别胶质瘤（LGG）的生存概率，使用了Cox回归模型和Kaplan-Meier曲线。最终，使用Genomics of Cancer Drug Sensitivity (GDSC)数据库评估了LGG和LIHC患者中SEPHS1高表达者的药物敏感性。结果显示，在许多肿瘤组织中，SEPHS1高表达，并且与LGG、ACC和LIHC的预后显著相关（P < .05）。此外，在许多癌症中，SEPHS1的表达与肿瘤浸润免疫细胞（TIICs）、TMB、MSI和MMRs相关。根据单变量和多变量Cox分析，SEPHS1的表达对于LGG和LIHC患者具有重要意义。结论是，高SEPHS1表达对于LGG具有更好的预后，而低SEPHS1表达对于LIHC具有更好的预后。建议对LGG患者进行化疗，特别是对于高SEPHS1表达的患者，因为它可以预测患者对5-氟尿嘧啶和替莫唑胺的反应性。SEPHS1与化疗放疗的这种相互作用具有积极的临床影响，并可能用于LGG和LIHC患者的化疗决策[6]。

SEPHS1基因的de novo错义突变导致神经发育障碍。SEPHS在硒代谢中发挥着重要作用。两种哺乳动物SEPHS同源物，SEPHS1和SEPHS2，与SEPHS具有高度序列同源性和结构同源性。研究人员报告了来自八个家庭的九个个体，这些个体都存在发育迟缓、生长和喂养问题、肌张力低下和畸形特征，并且都存在SEPHS1基因的杂合子错义突变。其中八个人具有SEPHS1氨基酸位置371的重复变异（p.Arg371Trp、p.Arg371Gln和p.Arg371Gly）；七个变异是已知的de novo变异。使用结构建模和生化分析来了解这些变异对SEPHS1功能的影响。研究人员发现，位于Trp352残基的变异导致SEPHS1羧基端的局部结构变化，从而降低酶的整体热稳定性。相反，Arg371的溶剂暴露残基的变异不会影响酶的稳定性和折叠，但可能调节SEPHS1与促进细胞增殖和发育的细胞因子的直接蛋白-蛋白相互作用。在神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞中，研究人员评估了SEPHS1变异对细胞增殖和ROS产生的影响，并调查了编码与应激相关的selenoprotein的基因的mRNA表达水平。这些发现提供了证据，表明已确定的SEPHS1变异通过调节ROS稳态增强细胞增殖。这项研究支持SEPHS1在人类发育中发挥着关键作用的假设，并为进一步研究SEPHS1所采用的分子机制提供了基础。此外，这些数据表明，SEPHS1中的变异与神经发育障碍有关[7]。

SEPHS1缺乏会导致早期胚胎致死和发育迟缓的信号通路。SEPHS1在细胞生长和存活中发挥着重要作用。然而，其背后的分子机制仍然不清楚。在这项研究中，研究人员使用针对Sephs1的系统性基因敲除小鼠，通过生物信息学分析和实验验证，确定了SEPHS1在原肠胚形成期间调节的信号通路。研究人员发现，凝血系统和视黄酸信号传导在整个原肠胚形成过程中最受到SEPHS1缺乏的影响。使用E6.5胚胎的结构异常验证了预测的胚胎形态发生改变和Wnt信号传导的抑制。在E7.5时，预测器官发生和催乳素信号传导的激活受到Sephs1敲除的影响，观察到Sephs1-/-胚胎中头部折叠形成的延迟。在E8.5时，与器官发育相关的基因表达和胰岛素样生长激素信号传导的改变被发现。这些改变与观察到的器官形态异常和轴向旋转失败一致。研究人员还发现，与氧化还原稳态和凋亡相关的基因集在时间依赖性方式中逐渐富集，直到E8.5。然而，只有当Sephs1-/-胚胎达到E9.5时，才检测到DNA损伤和凋亡标记物。这些结果表明，SEPHS1缺乏会导致氧化应激的逐渐增加，改变原肠胚形成期间的信号通路，并随后导致细胞凋亡[8]。

SEPHS1与肝细胞癌（HCC）患者的预后相关。HCC仍然是全球性挑战，因为它是世界上第六常见的恶性肿瘤，也是癌症相关死亡的第三大原因。HCC的一个关键特征是异常代谢，这促进了癌细胞的增殖、存活、侵袭和转移。然而，代谢相关基因（MRGs）在HCC中的意义尚未阐明。在这项研究中，研究人员旨在建立一个新的代谢相关预后签名，以预测患者的预后，并研究MRG表达在HCC预后预测中的价值。在研究中，使用14个MRG（DLAT、SEPHS1、ACADS、UCK2、GOT2、ADH4、LDHA、ME1、TXNRD1、B4GALT2、AK2、PTDSS2、CSAD和AMD1）构建了一个代谢相关风险评分（MRRS）模型。Kaplan-Meier曲线证实，MRRS在预测HCC患者的预后方面具有高度的准确性（p < .001）。根据MRRS模型，预测HCC患者1年、3年和5年预后的曲线下面积（AUC）值分别达到0.829、0.760和0.739。功能分析表明，与细胞周期相关的信号通路主要由高风险组和低风险组之间差异基因富集。此外，树突状细胞（DCs）（p < .001）、CD4+ T细胞（p < .01）、CD8+ T细胞（p < .001）、B细胞（p < .001）、中性粒细胞（p < .001）和巨噬细胞（p < .001）在高风险人群中具有更高比例的浸润。低GOT2表达与HCC患者的不良预后相关。敲低GOT2显著增加了Huh7和MHCC97H肝细胞癌系的迁移能力。这项研究揭示了GOT2与HCC患者的存活呈负相关，并且GOT2可能通过抑制肿瘤细胞迁移的能力来促进肿瘤进展[9]。

综上所述，SEPHS1是一个关键的基因，编码一种对于合成selenophosphate至关重要的酶。SEPHS1基因的突变与神经发育障碍、发育迟缓、生长不良、肌张力低下和畸形特征有关。SEPHS1在细胞氧化还原稳态、细胞增殖和发育中发挥着重要作用。SEPHS1的失调与包括癌症、克罗恩病和骨关节炎在内的各种疾病的发病机制有关。SEPHS1的表达与多种人类恶性肿瘤的预后相关。SEPHS1的研究有助于深入理解硒代谢和细胞生理学，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。