Hox基因家族及其对动物脊椎形成的影响

李桃桃，金美林，费晓娟，王慧华，陆 健，狄 冉，魏彩虹*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.全国畜牧总站，北京 100193)

1 Hox家族概述

同源异型盒基因(homeobox genes)编码的转录因子包含一个由61个氨基酸组成的DNA结合结构域，称为同源结构域(homeodomain，HD)[1-2]。HD呈类球形折叠，它的螺旋-转角-螺旋超二级结构可识别以5′-TAAT-3′为核心的DNA序列，N-末端臂与DNA小沟的接触起稳定结合的作用[1,3]。这些转录因子可通过序列特异性结合DNA并且与蛋白辅因子相互作用来调节靶基因的转录进而影响细胞行为和活性[4]。从酵母到人类几乎所有真核生物中都有同源异型盒基因的多个拷贝，同源异型盒基因在正常胚胎发育中的作用以Hox基因家族最为突出[5]。

Hox基因最初是在果蝇的研究中发现聚集于触角(ANT-C)和双触角(BX-C)复合体中的两簇基因，它们指定头部和躯干区域的身份[6]，缺失突变或者异位表达可以引起果蝇身体的同源异型转化，从一种形态转化为相邻的另一种形态[4]。在进化过程中，经历共同祖先两次全基因组复制以及基因丢失，脊椎动物形成了4个Hox基因簇[7-8]。高等脊椎动物这4个Hox基因簇，称为Hoxloci，人类表示为HOXA、HOXB、HOXC、HOXD；小鼠表示为Hoxa、Hoxb、Hoxc、Hoxd[9-10]。每个簇位于不同的染色体上，具体来说，Hoxa-d位于小鼠的6、11、15和2号染色体上，HOXA-D位于人类的7、17、12和2号染色体上[11]。脊椎动物至少有39个Hox基因分布在4个簇中，根据序列相似性又可分为13个旁系同源组，Hoxa-d这4个簇中，每簇由9～11个基因组成，没有一簇包含全部13个Hox基因。这被认为是全基因组复制后进化过程中基因丢失导致的，因此每一旁系同源组中含有2～4个Hox基因家族成员[12]。

2 Hox基因表达特点

2.1 时空共线性

在胚胎发育期，所有Hox基因有相同的转录方向。Hox基因转录激活以染色体中3′→5′方向按时间先后顺序逐个启动，特定Hox基因在特定的时间和位置表达或沉默。即最3′端的Hox1基因最先激活，在最前端的胚胎组织表达；最5′端的Hox13基因最后激活，在最后端的胚胎组织表达[10]。Hox基因在染色体上的排列顺序与其沿着胚胎前-后轴连续的表达域之间存在紧密的对应关系。这个性质，被称为“空间共线性”，最初在果蝇中观察到[13]，随后研究发现在脊椎动物中同样适用。脊椎动物中，Hox基因表达域的空间共线性分布还与它们转录激活的时间相关，即靠近3′端的基因(“前”Hox基因，如PG1中的基因)比靠近5′端的基因(“后”Hox基因，如PG13中的基因)更早表达，Hox基因时间上的这种先后激活反映出它们在染色体上的排列顺序以及在胚胎轴上的表达域[14-15]。即脊椎动物的Hox基因表达具有“时空共线性”特点[16]。这种特定的表达域以及相应的表达时间对于正常的胚胎发育至关重要，胚胎中任何前-后轴水平HOX蛋白组合的变化通常都会导致轴向模式的改变[17-18]。Hox基因表达的时空共线性确保Hox基因有序转录激活，在前部Hox基因激活前保持后部Hox基因的沉默状态。

2.2 功能冗余性及互补性

进化过程中的全基因组复制，导致Hoxa、Hoxb、Hoxc以及Hoxd4个基因簇的存在，位于4个簇中相同位置的Hox基因显示出高度的序列相似性，因此具有一定的功能等效性[19]。同一旁系同源组以及不同旁系同源组基因之间具有功能冗余性和互补性。Hox基因单一突变和组合突变的表型比较证实了同一旁系同源组成员之间的功能冗余，相比单一突变，几个同源基因突变或者整个同源组突变都会导致更严重的表型缺陷[20-22]，在Hox3、Hox4、Hox10和Hox11等旁系同源基因间均存在功能冗余现象。猜测这种现象是因为单一突变时的表型被其他同源基因补偿而不会导致很严重的缺陷。而在不同同源组间，Hox基因表达域有重叠，会表现为功能上的冗余。

2.3 Hox基因的作用

Hox基因属于发育基因，在整个生命过程中调节特定于细胞的活动。胚胎发生过程中，沿前-后轴和近-远轴Hox基因表达的组合模式是相对严格定义的，并且这种位置记忆信息一直持续到成年期[23]。Hox基因以时空共线性原则在胚胎的中枢神经系统和各个胚层的特定位置表达，协调和控制动物的多个生长发育系统。无论是肢体、大脑、内脏、肌肉、血液、骨骼的发育分化，还是免疫系统的形态发生、身体的模式化，都受到Hox基因的影响[24]。

Hox基因家族在身体形态的发育模式中起重要作用。Hox基因参与身体形态决定的形成过程，其突变或者异位表达会导致脊椎形态缺陷，这些缺陷表现为沿前-后轴的椎骨形态转化,包括椎骨畸形、椎骨融合、肋骨融合和椎骨同源异型转化等。

Hox基因家族参与动物附肢的发育，脊椎动物Hoxa和Hoxd簇基因是正常肢体发育所必需的[20, 25-26]。Hox9-Hox13对肢体近-远轴的发育不可或缺，并且参与形态决定，如Hox9决定肱骨和股骨形态；Hox11决定前后肢的尺骨、胫骨和腓骨形态；Hox13决定腕关节、指/趾形态[19-20, 27-28]。

Hox基因家族参与调控生殖系统的发育，雌性生殖道产生于缪勒氏管(Mullerian ducts，MDs)结构。MDs的前-后轴发育模式以特定的顺序进行，依次发展成输卵管、子宫、子宫颈和上阴道，这主要由5′-Hoxa控制[9]。如，Hoxa9在输卵管区表达，Hoxa10在子宫中表达，Hoxa11在子宫下段和宫颈的原基中表达，Hoxa13在上阴道表达[9, 29]。Hoxa10缺失导致子宫转化为输卵管样结构[30]。Hoxa13突变导致泌尿生殖窦发育不良，MDs后部发育不全。在成年的人和其他动物中，子宫内膜会经历一个有序的分化过程，存在着床容受性现象。Hox/HOX基因通过激活或抑制靶基因的表达来控制子宫内膜周期性发育和着床容受性。HOXA10和HOXA11的表达在分泌中期，即胚胎植入时急剧增加，并且它们在整个分泌期保持升高，这是胚胎植入所必需的[31]。Hoxa10/HOXA10和Hoxa11/HOXA11表达的降低导致小鼠和人的胚胎植入率降低，造成子宫内膜发育受损，阻止胚胎着床并导致不孕[9, 32]。

Hox基因家族参与造血祖细胞(hematopoietic progenitor cells，HPCs)的增殖、分化和成熟。Hox基因在细胞系和骨髓中以谱系特异性方式表达。HOXB4和HOXA9是造血干细胞中的主要调节因子，在胚胎发生过程中促进自我更新，并且与重要的造血基因增强子相互作用来调节转录[33-35]。HOXA5、HOXA9和HOXA10在T淋巴细胞生成中发挥重要作用[36]。大多数Hox基因可以促进造血祖细胞的增殖并抑制其分化[37]。Hox基因的过表达引起造血细胞过度增殖并导致白血病[38]，而其缺失或者敲除导致血细胞数量减少以及造血能力下降[37]。造血能力失调以及白血病恶性转化与Hox基因表达失调直接相关[39]。

Hox基因家族参与癌症调控。在胚胎发育过程中，细胞增殖与分化之间的平衡对于胎儿的正常发育至关重要，但是在癌症中，这两个过程之间的平衡被打破。Hox基因在恶性肿瘤中差异表达，根据肿瘤类型不同充当原癌基因或抑癌基因，它们通过上调或下调来发挥作用[40]。如，HOXA9作为原癌基因在白血病中过度表达，但在乳腺癌中下调[41]；HOXB7作为原癌基因在乳腺癌和肺癌中上调[42-43]。Hox基因诱导各种癌症的发生，与细胞自噬、增殖、分化、凋亡和迁移等过程中Hox表达失调有关[44-46]。

3 Hox基因家族与动物脊椎

脊椎是哺乳动物整个躯体的框架及支柱。一般包括颈椎、胸椎、腰椎、荐椎和尾椎5部分，在进化过程中，每种动物都形成特定于物种的“椎骨公式”，小鼠典型的椎骨公式由7个颈椎、13个胸椎、5或6个腰椎、4个荐椎以及28个尾椎组成，而蛇胸椎数超过200个，猴子有超过30个尾椎，人类却只有相对较少的3～5个融合尾椎。虽然各种动物各椎骨数有所差异，但每类脊椎的共同形态特征得以保留。脊椎由胚胎发育过程中的体节分化而来，体节在近轴中胚层形成，随后分化为不同形态的椎骨以及骨骼肌[47]。体节向椎骨的分化由Hox基因调控[47]。对具有不同椎骨公式的脊椎动物胚胎进行比较分析，发现特定的Hox基因与脊椎的特定形态密切相关，表明Hox基因在建立脊椎动物中轴骨骼中的关键作用。

Hox基因在脊椎动物胚胎近轴中胚层的特定位置表达，指导体节发育成各类脊椎。从果蝇、线虫到小鼠等各种动物的研究中得知，Hox基因在确定身体前后轴椎骨身份中的作用，其突变或者异位表达时脊椎形态发生转化。

3.1 Hox基因与颈椎

颈部是由一系列颈椎组成的形态独特且至关重要的功能系统，是对基本功能需求的形态学适应。与头骨形成关节的椎骨寰椎，是颈部骨骼的第一个组成部分，而后是枢椎与之相连。颈椎具有基本的功能区域寰枢椎复合体(促进头部的活动)和颈胸过渡区。对进食行为和运动行为至关重要。在脊椎动物中，颈椎数一般差异较大，但是哺乳动物颈椎数比较保守，一般均为7个颈椎，除树懒(5～10个不等)和海牛(一般为6个)的颈椎数打破了颈椎限制[48-49]。Hox3、Hox4和Hox5的功能缺失试验证明了它们在建立颈椎形态中的作用。Horan等[50]研究发现，Hox4同源基因中3个基因的缺失导致第三至第七颈椎形态向第一和第二颈椎形态转化。体节中Hox4表达域的前边界在鸡和小鼠中相似，即Hoxb4对应前颈椎的位置，Hoxa4和Hoxc4映射到两种动物颈椎的中部椎骨[51]。Hox5同源基因的缺失导致第三至第七颈椎形态转变[21]。Hoxc5的原位杂交试验结果显示其在小鼠和鸡颈椎的不同体节表达，表达边界代表相同的解剖学水平，即对应第二至最后一节颈椎[51]，Hoxa3和Hoxd3主要控制寰椎的生成[52]。综上，Hox3、Hox4和Hox5基因在胚胎发育过程中决定颈椎形态。

3.2 Hox基因与胸腔

动物的胸腔由3部分组成，分别为胸椎、肋骨和胸骨，并且共同组成胸腔。进化过程中，哺乳动物的胸椎含有相对固定的数目，一般为13～14个，同时有相同数目的肋骨与之相连。前部的8根肋骨在远端与胸骨相连，其余后部肋骨为浮肋。Hox基因在胸腔的表达模式不遵循共线性特征，胸椎和近端肋骨由近轴中胚层的体节发育而来，而胸骨和远端肋骨由侧板中胚层发育而来[21, 53]。在这两个组织中，Hox基因具有不同的表达模式，可能涉及两个独立的机制。在Hox9同源基因完全突变的小鼠中，观察到所有肋骨均与胸骨相连，这表明Hox9对于浮肋的产生起主要作用[21]。在前体中胚层(PSM)中异位表达Hox6的转基因小鼠在颈椎和腰椎区域发育出肋骨[54]，形态与胸椎相似，表明Hox6能够使胸部前后的椎骨表现出胸部特征。结合Hox6在近轴中胚层的表达域前边界对应颈胸转化的体节区域[51]，说明Hox6在脊椎形成过程中诱发肋骨生成。在Hox基因的功能突变研究中，唯一没有发生形态变化的就是胸椎[55]，所有的胸椎形态相似，这些胸椎形态基本不受Hox基因突变的影响。综上，认为Hox6诱发肋骨生成；Hox9维持正确数目的肋骨与胸骨连接，确保后部肋骨为浮肋；Hox6-Hox8使体节发育成胸椎。而胸椎不依赖Hox基因突变的形态特征，可能由于胸椎是一种发育进化中的基础状态[55]，也可能由于Hox6-Hox8组基因在胸椎所对应的体节中表达域重叠，存在功能冗余和互补，单一组的突变不会产生明显的形态转变，需要更复杂的Hox基因组合突变来进行验证，在体节水平进行Hox6-Hox8所有基因的缺失突变研究可能会产生关于Hox基因在胸椎形态决定更合理的解释。

3.3 Hox基因与腰椎

在陆地脊椎动物中，腰椎是承重骨骼，通常是最大的椎骨，腰椎数目在不同的动物中不同，哺乳动物腰椎一般为5～6个。最初是在探究Hox10对腰椎的形态决定中发现了Hox基因控制脊椎形态特征的。Hox10的突变分析证明，Hox基因参与控制沿前-后轴的脊椎区域模式化[20]。Hox10同源基因失活导致小鼠的腰荐区域生出胸椎样肋骨，表现出胸部特征。在包括胸椎在内的PSM中异位表达任一Hox10同源基因，观察到完全没有肋骨生成[56]，证明Hox10基因有抑制肋骨的活性。因此，胸腰椎过渡和腰椎形态的模式化需要Hox10基因发挥肋骨抑制作用。在玉米蛇中，Hoxa10和Hoxc10的表达域向前移动，在胸椎所对应的体节中表达但是没有发挥肋骨抑制作用，蛋白序列比对发现Hoxa10和Hoxc10蛋白序列发生改变，从而使肋骨抑制活性降低，说明进化过程的自然选择导致基因结构改变，从而导致蛇拥有独立于一般脊椎动物的椎骨形态[57]。

3.4 Hox基因与荐椎和尾椎

荐椎在动物成年后融合成荐骨，是骨盆附着的部位。脊椎终止于尾椎，在进化过程中，不同的物种为适应环境变化，尾椎数目变化较大。研究发现Hox11参与决定荐椎形态，缺失Hox11的小鼠荐椎形态改变，形成与腰椎一样的特点[20]。在PSM中异位表达Hoxa11的转基因小鼠胚胎显示出相邻椎骨的融合[56]，并且把这种转化称为椎骨“荐化”。在所有Hox10基因突变体中，不仅在腰椎上有肋骨生成，甚至荐骨侧突也向肋骨状突起转化，比较Hox10和Hox11突变小鼠的表型发现，Hox10突变引起整个荐椎侧突向胸椎的肋骨样转化，Hox11突变时荐椎向腰椎样表型转化[21]。说明荐骨的形成既需要Hox10提供的肋骨抑制活性，也需要Hox11来促进相邻椎骨的侧向生长物产生和融合，以形成荐骨翼。即这两组基因同在荐骨形态中起作用。Hox11还参与尾椎的形态决定[20]，转基因试验表明Hox11的组织特异性可能在这一过程中起作用，Hoxa11在体节表达形成尾椎，而在PSM中表达导致椎骨“荐化”。这种组织特异性背后的分子机制仍有待确定。Hoxa13和Hoxd13在蛇胚胎的尾芽和PSM中不表达使蛇尾部区域较长[57]，小鼠体内Hoxb13的失活导致小鼠尾椎的小范围延长[58]，表明Hox13基因可能对后轴延伸产生负调控而非简单的形态决定[59]。与上述情况一致，在转录因子Cdx2调控下表达Hoxa13、Hoxb13或Hoxc13的转基因动物过早终止了轴向延伸[60]。因此，Hox13活性的降低可能是细长身体模式进化的关键事件。综上，Hox10的肋骨抑制活性以及Hox11促进相邻椎骨融合活性共同维持荐骨正常形态；Hox13具有终止体轴伸长的功能，对于进化过程身体尾部的终止有重要作用。

综合Hox基因在模式动物小鼠以及非洲爪蟾、鸡、蛇上的研究，发现在早期胚胎中，Hox基因决定了躯干的不同轴向结构形态以及它们之间的转换。Hox4表达域前边界接近枕/颈部的过渡边界，Hox6表达域前边界总是在颈胸交界处[61]，Hoxa10表达域前边界几乎总是在胸腰椎过渡处[21]，这些关系在进化上是保守的。关于Hox基因对于脊椎身份的确定，不同的Hox基因与特定的形态特征相联系，例如Hox6促使胸椎上形成肋骨，Hox9确保正确数量的肋骨附着于胸骨，Hox10抑制肋骨生成，确保正常的腰椎形态，Hox13负调控尾椎的伸长。

4 Hox基因在动物脊椎的调控特点

4.1 Hox基因的调控类型

时空共线性是Hox基因精准有序表达来调控脊椎轴向模式的关键。而Hox基因时空共线性表达的具体原因仍存在不同的争议。基于首次在果蝇中发现的表型抑制现象，“后端优势”模型被提出，用来解释后部Hox基因的功能优于一同表达的前部Hox基因的功能[62]。该模型认为“特定身份区域的模式信息主要依赖于一种Hox基因(同源基因组)，并且在两个或多个Hox基因(同源基因组)表达域重叠的情况下，模式化信息由更后的基因提供[16, 63]”。根据这个模型，脊椎身份由更后部的Hox基因起主要决定作用。在一些情况下，Hox等位基因功能缺失导致的缺陷并不符合后端优势模型。有研究发现，动物脊椎形态是由几组Hox基因共同决定的。所以“Hox编码”模型被提出，用来描述Hox基因的组合表达最终决定了不同椎骨的形态[62]。该模型认为，体节从表达Hox基因的特定组合中获得其特定形态特征。这个模型的一个推论是，不同的HOX蛋白具有不同的功能，Hox基因的每个同源组在轴向模式中的遗传功能不同，最终的脊椎形态是共同表达基因中每一个基因所赋予的独特形态的组合。Hox同源基因的缺失不会显著影响下一个相邻基因组的表达支持了“Hox编码”模型[21]，不同基因组合突变时表型不同也说明每个Hox基因发挥不同作用。然而，非洲爪蟾Hox1下调或者失活导致后续Hox基因表达的下调[64]，同样，非洲爪蟾胚胎中Hoxd1、Hoxb4、Hoxa7和Hoxb9的异位表达诱导了它们自身的表达以及旁系同源物和更多后部Hox基因的表达[61]。这种前部Hox基因诱导后部Hox基因表达的现象称为“后向诱导”[16]。后向诱导也在正常胚胎发育过程中起作用。这些模型提出关于Hox基因在动物脊椎中的重要作用，但是目前关于Hox基因的调控模式仍存在争议，还需要更多的分子研究以及更加统一的模式来进行Hox基因的功能说明。

4.2 Hox基因的调控机制

Hox转录启动的正确时间是介导胚胎期脊椎生成和模式化的基础。脊椎动物中，Hox基因的时空共线性表达确保正确的身体模式。因此，在空间和时间上对基因转录的严格控制对胚胎正常发育至关重要，胚胎中任何给定前-后轴HOX蛋白组合的变化通常会导致轴向模式的改变[18]。在原肠胚时期最初激活后，大多数Hox基因(Hox3-Hox13)在体节及其衍生物(前体椎骨)动态表达，建立最初的Hox表达域。在体节发育和分化过程中，早期建立的Hox基因表达域可以向前或向后移动。这些变化的模式因基因而异，并且由额外的调节输入选择性地改变Hox基因的初始表达域[65]。

体节是近轴中胚层细胞块，产生脊椎及相关的肌肉和肌腱。在发育过程中，体细胞形成通过一系列形态发生因子的动态梯度表达与脊椎轴形成紧密结合[65-66]，即成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)、Wnt蛋白、Notch信号通路和维甲酸(retinoic acid，RA)的动态梯度表达。而FGF、Wnt、Notch和RA等都是近轴中胚层Hox基因表达的上游调节因子，将体节发生和脊椎形态联系起来[67]。FGF、Wnt、Notch和RA等信号因子的缺失表达或通路异常导致脊椎形态的同源异型转化以及Hox基因表达域移动或不表达[68]。RA是Hox基因表达的生理激活剂，以阶段依赖的方式在原始条纹中对Hox激活进行调节输入[69]。RA可能参与原始条纹中几乎所有Hox基因的初始诱导，而其他因素则更多调节Hox基因的子集。在典型的Wnt信号通路中，Wnt3形成于胚胎的原始条纹形成之前，Wnt3缺失突变时胚胎不表达Hox基因。位于Hoxa簇3′端的亚拓扑相关结构域内的一系列增强子(Ades1和Ades2等)是Wnt依赖性的，在Wnt信号传入时启动3′-Hoxa转录[70]。FGF可通过Cdx间接激活爪蟾和小鼠中心Hox基因，但不激活3′-Hox基因，主要诱导Hoxb6、Hoxc6、Hoxa7、Hoxb7、Hoxb8、Hoxb9表达[71]。此外，Notch信号通路中的基因也调控Hox基因的表达，该通路中基因的功能缺失或功能获得性突变，会影响PSM中Hox基因的表达[72]以及随后的脊椎模式[73]。Notch信号通路的效应器RBP-JK失活时，导致中胚层Hox基因表达下调[72]。Notch配体Dll1的显性抑制引起Notch信号减少，导致椎骨身份的前向转化和几个Hox基因表达域的后向转移[73]。

Cdx同源结构域转录因子在脊椎动物体轴和肠上皮的发育中起重要作用。Cdx基因属于副Hox基因，与Hox基因有共同的祖先[74]。Cdx基因产物对Hox启动子具有调节能力，Cdx突变时观察到一些Hox基因表达域的转移以及脊椎的同源异型转化。在Wnt信号快速而强烈地诱导3′-Hox基因激活后，Cdx转录因子诱导激活中心Hox基因，并且也能激活5′-Hox基因，直到最后一个基因Hox13阻止该过程[59]。Cdx2突变时胚胎体轴生长终止，这是因为Hox13竞争结合靶基因来拮抗Cdx2，阻止轴向延伸[17]。而中心Hox基因、Wnt以及FGF可以部分补偿Cdx突变导致的体轴过早终止[60, 75]。因此，FGF、Wnt和RA等信号传导对Hox基因的调控与Cdx转录因子有关[17,75]。FGF、Wnt、RA等信号分子可直接靶向或间接(通过与Cdx作用)作用于Hox基因来调控体轴末端的延伸。

Gdf11是妊娠中期在胚胎后部区域表达的转化生长因子β(TGF-β)家族成员，是躯干到尾部转变的关键激活因子。Gdf11在Hox基因的上游发挥作用，使5′-Hox基因在与后肢对应的轴向水平上激活。Gdf11信号传导受损的小鼠具有较长的躯干，相反，Gdf11过早激活导致躯干更早向尾部过渡，使后肢位于前肢旁边，导致胚胎没有躯干[76]。Gdf11在不同脊椎动物中的表达进一步支持了这种信号在脊椎动物身体长度进化中的作用[77-78]。

综上，胚胎发生过程中不同信号的精确定时决定了Hox基因转录激活的时空共线性:Wnt3和Wnt3a信号诱导3′-Hox基因激活[70]，FGF-Cdx蛋白刺激中心Hox基因表达[59]，而Gdf11进一步激活Hox11-Hox13基因[76,78]。虽然这些对同一调控因子有反应的不同基因组的时间进程仍有待研究，但这可能依赖于染色质结构的渐进性改变和定向开放。

在胚胎发育过程中，染色体结构变化增加了基因调控的复杂性。它有助于在相对较远的DNA区间调控基因转录[79]。Hox基因调控是研究染色质修饰在发育过程中维持可遗传转录状态的经典模型。局部组蛋白修饰和染色质结构的变化都参与Hox簇的转录控制。特殊的染色质结构是Hox基因共线性表达的原因之一，染色质状态的渐进改变使Hox基因从抑制状态依次转变为转录激活状态。维持Hox基因转录状态的是两组反向作用的蛋白质：Polycomb组的转录抑制蛋白(PcG)和Trithorax组的转录激活蛋白(TrxG)，PcG维持着Hox簇基因位点的沉默，TrxG控制Hox簇的转录激活状态[80-81]。PcG蛋白通过2个主要的蛋白复合物：PRC1和PRC2来抑制Hox基因的表达，PRC2通过催化组蛋白H3赖氨酸27(H3K27)甲基化来抑制初始转录[82]，PRC1催化组蛋白H2A第119位赖氨酸(H2AK119)的泛素化，增强染色质凝聚以维持基因沉默[83]。而TrxG拮抗PcG活性，同时催化组蛋白H3赖氨酸4(H3K4)的甲基化，这种甲基化是活性基因的标记，Hox基因因而转变为转录激活状态[81, 83]。小鼠尾芽Hox基因的时空共线激活过程中，Hoxd簇上H3K4 me3标记的逐渐增加伴随着H3K27 me3标记的丢失，染色质这两种状态之间的过渡区域对应于Hoxd基因转录活性的动态窗口[79]。因此，Hox基因转录的维持由PcG蛋白和TrxG蛋白调节。

Hox基因的上游调控机制仍然有很多问题需要解决，对已经发现的调控因子的深入研究有助于更好地理解Hox基因在脊椎调控中的作用。同时表观遗传学修饰对于Hox基因的时空共线性表达起重要的维持作用。

5 Hox基因的应用研究

哺乳动物身体结构的多样性加速了其生活方式的多样性和更广泛的适应性，不同物种的脊椎等身体形态存在差异，甚至在同一物种中也存在变异，如猪和羊等家养动物。椎骨数，尤其是胸椎数，是一个重要的经济性状，可能会影响动物的胴体长度和肉产量。胸腰椎区域的变异已被报道用于猪的商业化育种，并且对这种变异的选择成功地提高了商品猪的脊椎数量和肉产量[84]。近年来研究发现一些动物身体形态的变化可能与进化中Hox基因结构变化有关，有研究猜测Hoxc10的阳性选择和Hoxd10 ω值增加可能与类人猿胸腰椎数量(17～18个)和奇蹄类动物胸腰椎数目(22～24个)偏离现代哺乳动物(19个)有关[48]，在具有表型修饰的哺乳动物谱系中鉴定出49个阳性选择位点，表明适应性进化作用于Hox基因[85]。在杜洛克猪、长白猪和大约克猪的胸椎数以及胸腰椎数变异的研究中，发现HOXA、HOXB和HOXC家族的基因与该性状显著关联，这有助于商业猪的胸腰椎数变异以及猪背部凹陷的研究[86]。一项有关北京黑猪胸腰椎数变异的研究发现，HOXB家族的多个成员(HOXB1-9和HOXB13)受到选择，并被确定为猪胸腰椎数变异的关键候选基因[87]。Li等[88]在哈萨克羊多胸椎数性状的选择信号分析中发现HOXA家族的7个基因有较高的选择信号。在美国绵羊成熟体型的GWAS分析中，Posbergh等[89]发现，HOXA/HOXB家族的基因与受选择区域接近。Yurchenko等[90]在俄罗斯本地绵羊品种重要经济性状的选择性清除中发现HOXA/HOXC家族受到选择，影响绵羊的身体发育与采食量。因此，HOX基因或成为影响绵羊和猪等主要经济型动物脊椎数变异的候选基因，有利于今后的多胸椎数品种选育。

Hox基因决定胚胎期的形态发生，而在脊椎动物成年后中，它们参与细胞分裂和肌肉收缩等过程，在比较猪两种不同肌肉组织的转录组特征时，发现HOXA9、HOXA10、HOXB6、HOXB7等几个基因差异表达[91]，同样，在小鼠腓肠肌和四头肌的转录组谱分析中HOXD8、HOXD9和TBX1也被鉴定为差异基因[92]，楚金雨等[93]研究发现，HOXA9可能为影响藏羊立毛肌发生的关键候选基因。Armstrong等[94]通过RNA-Seq比较了羔羊9个肌肉组织的表达谱，发现HOXD8和HOXC10在半腱肌和冈上肌中差异表达。人们猜测，HOX转录因子可能通过细胞识别和分化决定肌纤维类型，从而在小鼠、绵羊和猪的骨骼肌中发挥重要作用。

6 展 望

早期Hox基因主要决定前-后轴的脊椎形态，胚胎发育时期每个Hox基因在脊椎形态的模式化发挥特定作用。在进化过程中，随着Hox基因的改变，形成了不同动物类群的形态学差异。随着人们对于动物经济性状的重视，越来越多的研究发现Hox基因会影响动物脊椎的形态发育和数量变化，并且也调控肌肉和脂肪的发育，进而影响动物的体型大小以及胴体质量。而Hox基因作为身体模式的主要调控基因，现已对其调控模式以及时空共线性表达的分子机制有了广泛研究，有助于人们今后对该基因家族调控机制的更好解析。Hox基因对动物脊椎数变异以及肌肉脂肪发育的影响关系到经济效益，或成为今后的研究热点。