PBX1 имеет длину около 430 аминокислотных остатков, не хватает 78 аминокислотных остатков в N-концевом домене и в 30-остатков участка в С-концевом домене, и содержит гомеодомен (HD) длиной 60 остатков, который опосредует его связывание с ДНК или другими белками ²⁸. HD и С-концевые участки белков PBX могут также опосредовать их взаимодействие с белками Hox/HOM-C, играя таким образом роль в транскрипции ^{29, 30}. Белки PBX состоят из двух высоко консервативных доменов межбелкового взаимодействия, включая PBC-A и PBC-B ³¹. Домен PBC-A членов PBX может опосредовать взаимодействие с белками PREP/MEIS для формирования транскрипционного регуляторного комплекса, который играет роль в развитии ³². Домен PBC-A также опосредует взаимодействие PBX1 с CRM1, который необходим для ядерного экспорта PBX1, а домен PBC-B в PBX1 может быть специфически фосфорилирован с помощью PKA, что приводит к накоплению PBX1 в ядре ³³. Кроме того, NMHCB конкурирует с PBC-B областью PBX1 за взаимодействие, что приводит к цитоплазматическому накоплению PBX1 ³⁴.

PBX1 играет важную роль в развитии тканей и органов, усиливая привлечение гомеобокс-генов, усиливая экспрессию онтогенетических гомеобокс-генов, а также способствуя пролиферации и дифференцировке клеток посредством эпигенетической регуляции. Более того, гены, регулирующие окислительный стресс и апоптоз, также способствуют развитию клеток (FURGE1).

Фактически, PBX1 является ключевым транскрипционным регулятором развития множества тканей и органов. Его тесное связывание с генами гомеобокс облегчает их транскрипционную регуляцию. В нервной системе PBX1 и члены его семейства являются важными транскрипционными регуляторами нейронов ^35-38. Например, Hoxc5 влияет на многие аспекты развития и функционирования двигательных нейронов (MN) ^39-41. В клеточных культурах D2 MN, в общих сайтах связывания, он показал более высокое связывание с Pbx1, и возможный механизм заключается в том, что PBX1a усиливает рекрутирование Meis1 для увеличения экспрессии Hoxc5 ⁴². Другое исследование показало, что взаимодействие PBX1 с белками HOX и ДНК не является необходимым для индуцированной ретиноевой кислоты (RA) способности клеток ES к экспрессии нейронных генов ⁴³. В обонятельной луковице взрослого млекопитающего транскрипционный фактор PBX1 контролирует нейрогенез в клетках предшественниках и выживание мигрирующих нейробластов. Кроме того, PBX1 действует ниже по течению или параллельно с другими транскрипционными факторами, такими как Dlx2, Pax6, Etv1, Meis2 и Couptf1, которые необходимы для дофаминергической спецификации нейронов. Во время развития дофаминергических нейронов среднего мозга, PBX1a присутствует в развивающихся нейробластах mDA и типа 2 и улучшает дифференцировку нейрональных клеток предшественников в направлении судьбы mDA. Молекулярный механизм, посредством которого PBX1 регулирует развитие mDA, может заключаться в том, что PBX1 контролирует спецификацию нейронов mDA путем прямой активации Pitx3 и репрессии генов латеральной судьбы, таких как Onecut2. Более того, объединяясь с рекрутированными генами, связанными с развитием, он способствует экспрессии целевых генов и развитию тканей и органов. Например, ранняя экспрессия PBX1a способствует экспрессии нейрональных генов, таких как Phox2b, Cntn2, Ntng2, Olig1, Isl1, Nrp2, Ngfr, Nav2, Slit1, Igf2, Dlk1 и Meox1 ^{17, 21, 42-46}.

Помимо дифференцировки нейронов, PBX1 имеет решающее значение для правильной дифференцировки стволовых клеток и развития тканей в других органах. Связывание PBX1 с Meis1 и Rnux1 во время морфогенеза диафрагмы и ветвей легких также имеет решающее значение, а снижение его экспрессии нарушает пролиферацию мезенхимных клеток легких и правильное развитие ветвей дыхательных путей ⁴⁷. PBX1 также является важным эпигенетическим регулятором баланса между легочной вазоконстрикцией и вазодилатацией. Исследования показали, что некоторые гены, способствующие сокращению VSM (эндотелин-1 [Edn1], ангиотензиноген [Agt] и миозин гладких мышц [Myh11]), были повышены а количестве, тогда как гены, способствующие расслаблению VSM (натрийуретический пептид С [Nppc] и аденилатциклаза 8 [Adcy8]), были понижены у мутантов PBX1. Интересно, что промоторы генов Edn1 и Agt содержат консервативные консенсусные элементы связывания PBX: связывающие элементы в транскрипционных регуляторных областях генома ⁴⁸. Hox11 является прямой in vivo мишенью PBX1 и сам регулирует свой собственный промотор с помощью PBX1 во время онтогенеза селезенки. PBX1 и Hox11 генетически взаимодействуют при формировании селезенки, и потеря одного из них связана с аналогичным снижением пролиферации клеток-предшественников и неудачным расширением селезеночного зачатка ⁴⁹.

PBX также участвует в регуляции транскрипции через модификации гистонов ⁵⁰. MiR-181a-5p выполняет свою функцию оссификации путем снижения экспрессии PBX1. Также было установлено, что PBX1 является важным негативным регулятором оссификации клеток связок. Этот молекулярный механизм частично связан с PBX1-опосредованной модификацией H3K9me2 и H3K9ac в промоторных областях генов, связанных с оссификацией, таких как OSX и OCN ^{51, 52}. Более того, в исследовании гемопоэтических стволовых клеток было обнаружено, что MiR-127-3p отсутствует в HSC, полученных от PBX1-cKO мышей, которые демонстрируют глубокий дефект самообновления. Эти результаты позволяют предположить, что PBX1 и его гомеобокс-партнеры регулируют экспрессию miR-127-3p ⁵³. В исследовании клеток ES, PBX1 был одним из генов, альтернативный сплайсинг (ANS) которых положительно коррелировал с H3K36me3. Они обнаружили, что транскрипция двух изоформ PBX1, PBX1a и PBX1b, регулируется H3K36me3 во время дифференцировки hESC. Изоформы этих белков конкурентно связывают NANOG, а связывание PBX1b отменяет связывание PBX1a, еще больше ослабляя активность основной регуляторной сети плюрипотентности, состоящей из факторов Yamanaka ⁵⁴. Сплайсинг PBX1 динамически регулируется во время нейрогенеза обонятельной луковицы, при этом все дофаминергические клетки экспрессируют PBX1a, но не PBX1b. Более того, почти все циркулирующие клетки предшественники СЕЗ экспрессируют PBX1b и лишены экспрессии подтипа PBX1a ⁵⁵. Необходимы дополнительные исследования для полного определения уникальной роли этих двух различных сплайс-изоформ.

Nfe2l1 экспрессируется во время развития в нейронах тирозингидроксилазы (TH) на ст. E12.5 ²⁴. Предполагается, что PBX1 непосредственно контролирует экспрессию антиоксидантного транскрипционного фактора Nfe2l1, который противодействует окислительному стрессу, дисфункции митохондрий и повреждению протеасом ^56-58. Это способствует выживанию mDAn. Характеристика мутантных cranial neural crest cell (CNCC) выявила снижение пролиферации клеток-предшественников нёба, нарушение дифференцировки скелета и гетеротопическую оссификацию. Это позволяет предположить роль PBX1 в координации CNCC-зависимой гипоморфологии и скелетной дифференцировки ⁵⁹. Нокдаун uc40-siRNA44 увеличивает количество сердечных стволовых клеток во время дифференцировки клеток P19. Она способствует пролиферации клеток P19 и подавляет апоптоз, индуцированный сывороточным голоданием, что может играть роль в регуляции PBX1 ⁶⁰.

PBX1 играет важную роль в развитии различных тканей и органов. Кроме того, в ходе этих исследований были выявлены некоторые чувствительные мишени. Это также дает направление для лечения клинических заболеваний. Каждая изоформа PBX1 по-разному влияет на развитие. Поэтому необходимы дальнейшие исследования модификации и фенотипа при переключении изоформ PBX1.

PBX1 важен для поддержания функции стволовых клеток путем ослабления окислительного стресса и предотвращения клеточного апоптоза. В исследовании стволовых клеток волосяного фолликула (HFSCS) избыточная экспрессия PBX1 ослабляла старение и апоптоз HFMSC путем уменьшения реактивных форм кислорода (ROS) - опосредованного повреждения ДНК без усиления восстановления ДНК. Было установлено, что PBX1 является вышестоящим регулятором PARP1 ²⁵. Дальнейшие исследования на HF-MSCs показали, что избыточная экспрессия PBX1 уменьшает старение и апоптоз MSCs HF, что сопровождается повышением регуляции SIRT1, снижением регуляции PARP1 и повышением внутриклеточного уровня NAD и АТФ. Нокдаун SIRT1 усиливал клеточное старение и апоптоз, что сопровождалось повышенным накоплением ROS, усугублением повреждения ДНК и снижением внутриклеточного уровня NAD и ATP. Избыточная экспрессия PBX1 восстановила старение и апоптоз HF-MSCs, индуцированные нокдауном SIRT1. PBX1 устранял истощение АТР и NAD, вызванное избыточной экспрессией PARP1, что сопровождалось увеличением экспрессии SIRT1. Это подчеркивает критическую роль оси PBX1-SIRT1-PARP1 в ослаблении старения и апоптоза в HF-MSCs ⁶¹.

PBX1 способствует перепрограммированию стволовых клеток hF-МСК в HF-iPSCs через эпигенетическую регуляцию NANOG. В частности, PBX1 повышает эффективность перепрограммирования путем активации промотора NANOG для повышения транскрипции NANOG и стимулирования экспрессии эндогенных SOX2 и OCT4 ⁶².

PBX1 regulates stem cell proliferation and cell cycle to maintain cell homeostasis

Пролиферация нормальных клеток жестко контролируется и находится под влиянием многих сигнальных путей для поддержания гомеостаза ⁶³. PBX1 обычно связывают с ростом опухолей, т.к. он способствует пролиферации и регулируя клеточный цикл ^{19, 64- 67}. Однако многие исследования показали, что PBX1 также играет важную роль в пролиферации неопухолевых стволовых клеток ^{26, 62, 68, 69}. Lichtenauer et al. продемонстрировали, что PBX1, помимо своей роли в развитии мочеполовой системы и адренокортикальных клеток, также необходим для поддержания роста взрослых надпочечников, а исследования in vitro показали, что PBX1 и Sf-1 синергично стимулируют промоторную активность Mc2-r. ²⁶. В исследовании мезенхимных стволовых клеток волосяного фолликула Jiang et al. показали, что PBX homeobox 1 усиливает пролиферацию мезенхимных стволовых клеток волосяного фолликула через сигнальный путь AKT/glycogen synthase kinase и подавляет апоптоз. Более того, эктопическая экспрессия NANOG значительно повышает уровень PBX1 и приводит к снижению экспрессии p16 и p21 ⁶².

PBX1 regulates the immune response during apoptosis to maintain cell homeostasis

PBX1 является физиологически важным медиатором транскрипции гена IL-10, индуцированной апоптотическими клетками. В исследованиях по индукции продукции IL-10 было установлено, что CD36 является физиологически важным, но не единственным рецептором для индукции IL-10 апоптотическими клетками. Дальнейшие исследования показали, что PBX1 мало влияет на базовую транскрипцию IL-10 в отсутствие стимуляции апоптотических клеток. Индуцированная апоптотическими клетками продукция IL-10 была значительно снижена. Таким образом, транскрипционный потенциал PBX1 сильно зависит от статуса клеточной судьбы и сигнализации апоптотических клеток. Дальнейшие исследования показали, что PBX1b (PBX1a не экспрессируется в макрофагах) является основным физиологическим и селективным транскрипционным медиатором индуцированной апоптотическими клетками экспрессии гена IL-10 посредством ACRE 70.

PBX1 играет важную роль в нейрогенезе, генерации новых взрослых нейронов из нейрональных стволовых клеток. В нервной системе PBX1 играет важную роль в генерации, выживании и терминальной дифференцировке взрослых нейронов V-SVZ, а делеция transient amplifying progenitors (TAPs) может направить их от нейрогенной к принятию олигодендроглиогенной судьбы. Удаление дифференцирующихся дофаминергических нейронов нарушает их созревание и экспрессию характерных генов дофаминового пути ^{55, 71}. Следует отметить, что PBX1 важен для дифференцировки нейрональных клеток-предшественников в направлении судьбы mDA ²⁴. Фактически, нейрон-специфический ген дублкортина (Dcx) и маркерный ген дофаминергических нейронов тирозингидроксилаза (Th) известны как прямые гены-мишени PBX1 ⁷². Нейробласты покидают SVZ и мигрируют в обонятельную луковицу, где они в конечном итоге дифференцируются в различные типы интернейронов, которые постоянно заменяются в существующих цепях как часть пожизненного ремоделирования обонятельной системы млекопитающих. Многие транскрипционные факторы, включая DLX2 и PAX6, направляют клетки-предшественники в сторону принятия общей судьбы нейронов и способствуют их последующему созреванию в конкретные типы интернейронов ⁷³. Однако PBX1 может вызывать антиоксидантный эффект NFE2L1 на TH+ нейронах, а лентивирусная избыточная экспрессия PBX1 в клетках NES человека, дифференцированных в mDAn, значительно снижает количество TH+ и aCASP3+ клеток в культурах, обработанных 100 мкмоль H2O2 ^{24, 74}.

PBX1 также играет важную роль в ангиогенезе. Во взрослых тканях ангиогенез происходит транзиторно и высоко регулируемым образом при таких событиях, как заживление ран, ремоделирование тканей и женский репродуктивный цикл ⁶³. Следует отметить, что PBX1b необходим для связывания проангиогенной ДНК Hox и транскрипционной активности в эндотелиальных клетках. Было замечено, что эндотелиальные клетки преимущественно экспрессируют изоформу Pbx1b. Ядерные экстракты ангиогенных эндотелиальных клеток выявляли более высокие уровни активного PBX1 на консенсусных DNA oligos PBX1/Hox и формировали комплексы более эффективно, чем ядерные экстракты покоящихся эндотелиальных клеток. Более того, в отсутствие PBX1 Hox D3 не может индуцировать экспрессию интегринов avb3, ключевого ангиогенного медиатора, и в результате эндотелиальные клетки не могут мигрировать и формировать новые кровеносные сосуды ²⁷. Таким образом, PBX1 может служить важной терапевтической мишенью или биомаркером для заболеваний, требующих модуляции ангиогенных процессов, таких как инсульт и рак.

В целом, PBX1 играет важную роль в регенеративной медицине, например, в борьбе со старением, поддержании гомеостаза тканей и регенерации тканей и органов (рис. (рис.2).2). Поэтому будущие клинические исследования клеточной терапии и регенеративной медицины с модуляцией PBX1 являются оправданными (FURGE2).

Figure 2

Role of Pbx1 in regenerative medicine.

PBX1 находится на пересечении между клеточным гомеостазом и регуляцией ответов на эндогенные сигналы опасности. В частности, PBX1 является клеточным фактором, который обнаруживает перспективы в лечении эмбриональной дисплазии, аутоиммунных заболеваний, диабета, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, травм и других заболеваний, и есть потенциальные мишени для механизмов исследования в области развития и регенеративной медицины. PBX1, вероятно, станет горячей точкой в лечении других клинических заболеваний.

PBX1 также был замешан в некоторых неопластических заболеваниях, поэтому может существовать риск опухолевого генеза в исследованиях эмбрионального развития и регенеративной медицины. Но для подтверждения необходимы дальнейшие исследования.

PBX1 - относительно новый транскрипционный фактор, который регулирует различные клеточные реакции во время нормального развития и гомеостаза тканей. Он обладает способностью связывать целевые сайты в закрытом хроматине, увеличивать доступ ДНК к другим белкам и активно участвует в определении клеточной судьбы. Механические особенности PBX1 в развитии и регенеративной медицине могут установить связь между этими двумя путями. PBX1 является перспективной исследовательской мишенью для будущего изучения клеточного гомеостаза, а также регуляции эндогенных сигналов опасности. Он подает надежды в качестве мишени для терапии различных заболеваний. Figure 1 Research targets and underlying mechanisms of each system in development. Go to: FUNDING