4.3.2 SOX2 ist ein wichtiger Pluripotenzfaktor, der für die PGC-Entwicklung von Mäusen erforderlich ist, aber in der menschlichen Keimbahn fehlt
SOX2 in Maus und Mensch gehört zur SOXB1-Familie von TFs, die SOX1, SOX2 und SOX3 umfasst (Pevny & Lovell-Badge, 1997; Schepers et al.) al., 2002; Uchikawa et al., 1999). SOXB1-TFs sind weitgehend am sich entwickelnden Neurectoderm beteiligt (Uchikawa et al., 1999; Wood & Episkopou, 1999). SOX2 ist das einzige SOXB TF, das vor der Implantation in Embryonen exprimiert wird, wo es zunächst im Zytoplasma der Zygote lokalisiert ist, bevor es in 4C-6C-Mausembryonen auf den Zellkern beschränkt wird (Avilion et al., 2003; Keramari et al., 2010). Die transkriptomische Einzelzellanalyse zeigt, dass die Sox2-Expression mit den inneren Zellen der 16C-Morula assoziiert war, die das ICM bilden würden (Abb. 1) (Guo et al., 2010). In menschlichen Embryonen wurde wenig später eine Anreicherung von SOX2-Transkripten in 8C-Morula nachgewiesen, was wahrscheinlich auf ihre langwierige ZGA zurückzuführen ist (Blakeley et al., 2015).
SOX2 ist für die Aufrechterhaltung der mESC-Pluripotenz unverzichtbar und wirkt stromabwärts von OCT4 (Masui et al., 2007; Niwa, Masui, Kammern, Schmied, & Miyazaki, 2002; Wong et al., 2016). Knockdown-Studien in hESCs deuteten jedoch auf eine abstammungsregulatorische Rolle von Pluripotenz-TFs hin, bei der SOX2 die durch OCT4 geförderte primitive streifenähnliche Identität hemmte (Wang, Oron, Nelson, Razis, & Ivanova, 2012). Tatsächlich trennen sich SOX2 und OCT4 progressiv und assoziieren mit den Neuroektoderm- bzw. Mesendoderm-Linien bei der Differenzierung von mESCs (Thomson et al., 2011), konsistent mit dem primierten pluripotenten Zustand von hESCs (Nichols & Smith, 2009).
Chromatinimmunpräzipitationsstudien (ChIP) in mESCs zeigten, dass SOX2 mit OCT4 und NANOG auf der genomischen DNA in der Nähe einer Kohorte von Pluripotenz-assoziierten Genen kolokalisiert (Chen et al., 2008; Kim, Chu, Shen, Wang, & Orkin, 2008; Loh et al., 2006; Marson et al., 2008) einschließlich an der X-Chromosomeninaktivierung beteiligter Gene wie Tsix und Rnf12 (Navarro, Moffat, Mullin, & Chambers, 2011; Navarro et al., 2010). Die Motivfindung identifizierte eine zusammengesetzte Sequenz, die eine Octamer- und Sox-Bindungsstelle umfasst, die in einer bestimmten Orientierung (bekannt als Oct-Sox-Motiv) in der Nähe vieler Pluripotenz-assoziierter Gene angeordnet ist (Chen et al., 2008; Kondoh & Kamachi, 2010; Loh et al., 2006). Viele dieser pluripotenzbezogenen Marker werden tatsächlich durch kooperative transkriptionelle Aktivierung von SOX2 und OCT4 gesteuert (Ambrosetti, Basilico, & Dailey, 1997; Chew et al., 2005; Kuroda et al., 2005; Nakatake et al., 2006; Nishimoto, Fukushima, Okuda, & Muramatsu, 1999; Okumura-Nakanishi, Saito, Niwa, & Ishikawa, 2005; Rodda et al., 2005; Tokuzawa et al., 2003; Tomioka et al., 2002; Yuan, Corbi, Basilico, & Dailey, 1995). Dieser Begriff steht weitgehend im Einklang mit ChIP-Studien in hESCs (Boyer et al., 2005), die mehr Ähnlichkeit mit mEpiSCs als mit mESCs aufweisen (Matsuda et al., 2017). Diese Beobachtungen zeigen, dass die regulatorische Kernfunktion von SOX2 in Maus- und Humanpluripotenz weitgehend vergleichbar ist.
Die HMG-Domäne von SOX2 bindet wie SOX17 an die Nebennut der DNA mit der Konsensussequenz 5′-(A/T)(A/T)CAAAG-3′ (Bowles et al., 2000). Die Beobachtung, dass SOXB1 und SOXF-TFs an ziemlich ähnliche Motivsequenzen binden, zeigt, dass SOX-TFs im Allgemeinen unspezifisch an ein eher generisches SOX-Motiv binden und ihre Funktionen weitgehend durch Wechselwirkungen mit gewebespezifischen Faktoren übertragen werden (Kondoh & Kamachi, 2010). Die C-terminale Domäne von SOX2 enthält eine serinreiche Region innerhalb einer Transaktivierungsdomäne (Ambrosetti, Schöler, Dailey, & Basilico, 2000; Nowling, Johnson, Wiebe, & Rizzino, 2000). Diese serinreiche Region umfasst ein Triple-Repeat-Motiv, das für die direkte physikalische Interaktion mit NANOG in mESCs entscheidend ist (Gagliardi et al., 2013). Die HMG-Domäne selbst interagiert mit der POU-spezifischen (POUS) Domäne von OCT4 auf DNA, wobei die Interaktionsschnittstelle fünf Aminosäurereste auf HMG umfasst (Abb. 2) (Ambrosetti et al., 1997; Chambers & Tomlinson, 2009; Reményi et al., 2003; Williams et al., 2004)
Abb. 2. Die OCT4-Interaktionsschnittstelle in SOX2- und SOX17-HMG-Domänen. Rot / schwarz hervorgehobene Rückstände sind Teil der wechselwirkenden Rückstände mit OCT4, die aus Strukturstudien vorhergesagt wurden (Reményi et al., 2003; Williams, Cai, & Clore, 2004), von denen gezeigt wurde, dass sie Funktionen wechseln, wenn sie getauscht werden (Jauch et al., 2011). Es wurde beschrieben, dass blau hervorgehobene Rückstände die SOX2-Bindung an das komprimierte Oct-Sox-Motiv verändern (Merino et al., 2014; Palasingam et al., 2009). Grün hervorgehobene Rückstände wurden zusätzlich in Reményi et al. (2003) und Williams et al. (2004). Sternchen bezeichnen identische Rückstände; Rückstandskonserven zwischen Gruppen mit starker und schwacher Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften sind mit Doppelpunkt (:) und Punkt (.), jeweils. Reste, die die drei Alpha-Helices enthalten, sind in Kästchen angegeben.
Die Art der OCT4-SOX2-Interaktion auf DNA wurde herkömmlicherweise als schrittweise angesehen, wobei die SOX2-Bindung an das Oct-Sox-Motiv die DNA-gebundene Konformation von OCT4 stabilisiert (Chambers & Tomlinson, 2009). Neuere Studien zur Überwachung der Einzelmoleküldynamik von SOX2 auf Chromatin berichteten über einen Mechanismus, der eine anfängliche Genomeingriffsaktivität von SOX2 beinhaltete, bevor ein Zielmotiv untersucht wurde, das bei der Assemblierung des OCT4-SOX2-Proteinkomplexes eine größere Rolle zu spielen scheint (Chen et al., 2014). Diese Beobachtung des unabhängigen Genomengagements zeigte, dass SOX-TFs eine Pionieraktivität bei der Etablierung eines Transkriptionskomplexes für die Zielgenregulation besitzen (Hou, Srivastava, & Jauch, 2017).
Basierend auf elektrophoretischen Mobilitätsverschiebungstests (EMSA) kann SOX2 nicht kooperativ mit OCT4 an „komprimierten“ Oct-Sox-Motiven binden, im Gegensatz zu SOX17, wo der Abstand zwischen Octamer und Sox-Bindungsstelle im Vergleich zu „kanonischen“ Motiven verringert ist, möglicherweise aufgrund sterischer Behinderung (Jauch et al., 2011). Diese Exklusivität kann für die teilweise Umverteilung von OCT4 zwischen kanonischen und komprimierten Motiven während des Lineage Commitments wichtig sein (Aksoy et al., 2013). In Übereinstimmung mit dieser Vorstellung kann eine einzelne Glu122Lys-Punktmutation in der SOX17-HMG-Domäne (SOX17EK), die Teil der Interaktionsschnittstelle mit OCT4 ist (Abb. 2), wandelte die Mutante TF um, um wie SOX2 bei der Unterstützung des Erwerbs induzierter Pluripotenz zu funktionieren (Jauch et al., 2011; Palasingam et al., 2009; Reményi et al., 2003; Williams et al., 2004). Tatsächlich zeigte SOX17EK eine kooperative Bindung mit OCT4 am kanonischen Oct-Sox-Motiv (Aksoy et al., 2013; Jauch et al., 2011). Konsequent übernahm eine reziproke Mutante SOX2KE (Lys59Glu) die endodermale Aktivität von SOX17, wenn sie in mESCs überexprimiert wurde (Jauch et al., 2011), die bei einer weiteren Mutation (Glu46Leu) zu einer effizienten kooperativen Bindung an das komprimierte Motiv mit OCT4 führte (Merino et al., 2014). Da die HMG-Domänen von SOX2 und SOX17 zwischen Maus und Mensch im Wesentlichen identisch sind (Abb. 2), die funktionelle Relevanz dieser Mutanten in menschlichen Zellen muss noch getestet werden.
SOX2 spielt auch eine herausragende Rolle bei der Keimbahnentwicklung von Mäusen. SOX2 wird in BLIMP1 + mPGCs in Embryonen im Spätstadium (LS) von E7.25 vorübergehend unterdrückt, aber bald darauf wieder exprimiert (Campolo et al., 2013; Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Scholer, Dressler, Rohdewohid, & Gruss, 1990; Yabuta et al., 2006). Anschließend beginnt das Expressionsniveau von SOX2 in fetalen Gonaden-PGCs von E13,5 auf 17, 5 zu sinken (Campolo et al., 2013). Die Reexpression von SOX2 hängt von der Anwesenheit von Prdm14 ab, was darauf hindeutet, dass die Aktivierung von Sox2 der PRDM14-Aktivität nachgeschaltet ist (Yamaji et al., 2008). Verwendung einer Kombination von Cre-exprimierenden Mauslinien, Deletion von Sox2 bereits E7.25-7.5 Die Verwendung von Blimp1-Cre führte zur Reduktion von STELLA + mPGCs im proximalen posterioren Bereich von Embryonen im E7.5-Knospenstadium (Campolo et al., 2013). Diese Embryonen zeigten ferner eine vollständige Abwesenheit von Keimzellen sowohl in männlichen als auch in weiblichen Gonaden von E13.5-Embryonen. SOX2 spielt jedoch keine induktive Rolle in der mPGC-Spezifikation, da die erzwungene Überexpression von SOX2 die mPGCLC-Spezifikation aufhebt, selbst wenn NANOG co-überexprimiert wird (Murakami et al., 2016), was darauf hinweist, dass die somatische (wahrscheinlich neuronale) induktive Funktion von SOX2 in mEpiLCs dominant ist (Corsinotti et al., 2017; Zhao, Nichols, Smith, & Li, 2004) und legt ferner nahe, dass das transiente Fenster der SOX2-Repression während der mPGC-Spezifikation wichtig sein kann, um das PGC-Schicksal zu sichern (Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Yabuta et al., 2006). Nichtsdestotrotz führte die Deletion von Sox2 zwischen E9,0 und 10, 5 unter Verwendung von TNAP-Cre zu einer vollständigen Depletion von Eizellen und Prospermatogonie in präpuberalen Eierstöcken und perinatalen Hoden. Keine Wirkung in meiotischen Spermatozyten und Oozyten wurde beobachtet, wenn Sox2 unter Verwendung von Spo11-Cre, das in meiotischen Keimzellen exprimiert wurde, deletiert wurde. Diese Beobachtungen zeigen, dass SOX2 für das Überleben von mPGC über eine Reihe von MPGC-Entwicklungsstadien bis zur Meiose erforderlich ist (Campolo et al., 2013). Da OCT4 und NANOG mit SOX2 in spezifizierten mPGCs koexprimiert werden (Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Yabuta et al., 2006) ist nicht klar, ob die Rolle von SOX2 in prämeiotischen mPGCs kooperative Wechselwirkungen mit OCT4 und NANOG beinhaltet oder deutlich funktioniert. In jedem Fall, da SOX2 nicht in hPGCs exprimiert wird (Irie et al., 2015; Perrett et al., 2008) ist es unwahrscheinlich, dass regulatorische Funktionen für SOX2 in der menschlichen Keimbahn existieren.