SOX2

4.3.2 SOX2 è un TF pluripotenza chiave necessaria per lo sviluppo del mouse PGC, ma assente da germline umana

SOX2 in mouse e umana appartiene alla famiglia SOXB1 di TFs comprendente SOX1, SOX2 e SOX3 (Pevny & Lovell-Badge, 1997; Schepers et al., 2002; Uchikawa et al., 1999). SOXB1 TFS sono in gran parte coinvolti nello sviluppo neurectoderm (Uchikawa et al., 1999; Legno & Episkopou, 1999). SOX2 è l’unico TF SOXB espresso negli embrioni prima dell’impianto, dove è inizialmente localizzato nel citoplasma nello zigote prima di essere limitato al nucleo negli embrioni di topo 4C-6C (Avilion et al., 2003; Keramari et al., 2010). L’analisi trascrittomica unicellulare indica che l’espressione Sox2 è stata associata alle cellule interne della morula 16C che formerebbe l’ICM (Fig. 1) (Guo et al., 2010). Negli embrioni umani, l’arricchimento delle trascrizioni SOX2 è stato rilevato un po ‘ più tardi, nelle morule 8C, probabilmente un attributo della loro ZGA protratta (Blakeley et al., 2015).

SOX2 è indispensabile per mantenere la pluripotenza di mESC e agisce a valle di OCT4 (Masui et al., 2007; Niwa, Masui, Chambers, Smith, & Miyazaki, 2002; Wong et al., 2016). Tuttavia, gli studi di knockdown in hESCs hanno suggerito un ruolo di regolazione del lignaggio della pluripotenza TFs, in cui SOX2 ha inibito l’identità primitiva simile alla striscia promossa da OCT4 (Wang, Oron, Nelson, Razis, & Ivanova, 2012). Infatti, SOX2 e OCT4 si separano progressivamente e si associano rispettivamente ai lignaggi neuroectoderm e mesendoderm, nel differenziare i MESC (Thomson et al., 2011), coerente con lo stato pluripotente innescato di hESCs (Nichols & Smith, 2009).

Studi di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP) in mESCs hanno rivelato che SOX2 colocalizza con OCT4 e NANOG sul DNA genomico in prossimità di una coorte di geni associati alla pluripotenza (Chen et al. Nel 2008, Kim, Chu, Shen, Wang, & Orkin, 2008; Loh et al., 2006; Marson et al., 2008) compresi i geni coinvolti nell’inattivazione del cromosoma X come Tsix e Rnf12 (Navarro, Moffat, Mullin, & Chambers, 2011; Navarro et al., 2010). Motif discovery ha identificato una sequenza composita comprendente un ottamero e un sito di legame Sox disposti in un orientamento specifico (noto come motivo Oct-Sox) in prossimità di molti geni associati alla pluripotenza (Chen et al., 2008; Kondoh & Kamachi, 2010; Loh et al., 2006). Molti di questi marcatori correlati alla pluripotenza sono effettivamente controllati dall’attivazione trascrizionale cooperativa SOX2 e OCT4 (Ambrosetti, Basilico, & Dailey, 1997; Chew et al., 2005; Kuroda et al., 2005; Nakatake et al. Nel 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). Questa nozione è in gran parte coerente con gli studi di CHIP in hESCs (Boyer et al., 2005) che mostrano più somiglianza con i MEPISC rispetto ai MESC (Matsuda et al., 2017). Queste osservazioni indicano che la funzione regolatrice di base di SOX2 nel topo e nella pluripotenza umana è in gran parte paragonabile.

Il dominio HMG di SOX2, come SOX17, si lega al solco minore del DNA con la sequenza di consenso 5′-(A/T)(A/T)CAAAG-3′ (Bowles et al., 2000). L’osservazione che SOXB1 e SOXF TFs si legano a sequenze di motivi piuttosto simili indica che SOX TFs in generale si legano non specificamente a un motivo SOX piuttosto generico e le loro funzioni sono in gran parte conferite dalle interazioni con fattori specifici del tessuto (Kondoh & Kamachi, 2010). Il dominio C-terminale di SOX2 contiene una regione ricca di serine all’interno di un dominio di transattivazione (Ambrosetti, Schöler, Dailey, & Basilico, 2000; Nowling, Johnson, Wiebe, & Rizzino, 2000). Questa regione ricca di serine comprende un motivo a tripla ripetizione che è cruciale per l’interazione fisica diretta con NANOG in mESCs (Gagliardi et al., 2013). Il dominio HMG stesso interagisce con il dominio POU-specifico (POUS) di OCT4 sul DNA in cui l’interfaccia di interazione coinvolge cinque residui di aminoacidi su HMG (Fig. 2) (Ambrosetti et al., 1997; Chambers & Tomlinson, 2009; Reményi et al., 2003; Williams et al., 2004)

Fig. 2. L’interfaccia di interazione OCT4 nei domini HMG SOX2 e SOX17. I residui evidenziati in rosso / nero fanno parte dei residui interagenti con OCT4 previsti da studi strutturali (Reményi et al., 2003; Williams, Cai, & amp; Clore, 2004) che hanno dimostrato di cambiare le funzioni se scambiate (Jauch et al., 2011). I residui evidenziati in blu sono stati descritti per cambiare il legame SOX2 al motivo Oct-Sox compresso (Merino et al., 2014; Palasingam et al., 2009). I residui evidenziati in verde sono stati inoltre descritti in Reményi et al. (2003) e Williams et al. (2004). Gli asterischi indicano residui identici; la conservazione dei residui tra gruppi di forte e debole somiglianza nelle proprietà chimiche è etichettata con due punti (:) e periodo (.), rispettivamente. I residui che comprendono le tre alfa eliche sono indicati nelle caselle.

La modalità di interazione OCT4-SOX2 sul DNA è stata convenzionalmente considerata graduale, in cui il legame SOX2 con il motivo Oct-Sox stabilizza la conformazione legata al DNA di OCT4 (Chambers & Tomlinson, 2009). Studi recenti che monitorano la dinamica a singola molecola di SOX2 sulla cromatina hanno riportato un meccanismo che coinvolge l’attività iniziale del genoma di SOX2 prima di soffermarsi su un motivo target che sembra più prominente nell’assemblaggio del complesso proteico OCT4-SOX2 (Chen et al., 2014). Questa osservazione dell’impegno del genoma indipendente ha indicato che SOX TFs possiede un’attività pionieristica di stabilire un complesso trascrizionale per la regolazione del gene bersaglio (Hou, Srivastava, & Jauch, 2017).

Basato su test di spostamento di mobilità elettroforetica (EMSA), SOX2 non può legare cooperativamente con OCT4 su motivi Ott-Sox “compressi” a differenza di SOX17, dove la distanza tra l’Ottamero e il sito di legame Sox è ridotta rispetto ai motivi “canonici”, probabilmente a causa di ostacoli sterici (Jauch et al., 2011). Questa esclusività può essere importante per la ridistribuzione parziale di OCT4 tra motivi canonici e compressi durante l’impegno del lignaggio (Aksoy et al., 2013). Coerentemente con questa nozione, una singola mutazione del punto Glu122Lys nel dominio HMG SOX17 (SOX17EK), che fa parte dell’interfaccia di interazione con OCT4 (Fig. 2), convertito il mutante TF per funzionare come SOX2 nel sostenere l’acquisizione di pluripotenza indotta (Jauch et al., 2011; Palasingam et al., 2009; Reményi et al., 2003; Williams et al., 2004). In effetti, SOX17EK ha mostrato il legame cooperativo con OCT4 sul motivo canonico Oct-Sox (Aksoy et al., 2013; Jauch et al., 2011). Coerentemente, un mutante reciproco SOX2KE (Lys59Glu) ha adottato l’endoderma specificando l’attività di SOX17 quando sovraespresso in mESCs (Jauch et al., 2011), che su un’ulteriore mutazione (Glu46Leu) ha portato a un efficiente legame cooperativo con il motivo compresso con OCT4 (Merino et al., 2014). Dato che i domini HMG di SOX2 e SOX17 sono essenzialmente identici tra mouse e human (Fig. 2), la rilevanza funzionale di questi mutanti nelle cellule umane rimane da testare.

SOX2 ha anche un ruolo di primo piano nello sviluppo germline del mouse. SOX2 viene temporaneamente represso in BLIMP1 + mPGCs negli embrioni di stadio E7.25 late streak (LS) ma ri-espresso subito dopo (Campolo et al., 2013; Kurimoto, Yabuta, et al. Nel 2008, Scholer, Dressler, Rohdewohid, & Gruss, 1990; Yabuta et al., 2006). Successivamente, il livello di espressione di SOX2 inizia a diminuire nei PGC gonadici fetali da E13. 5 a 17.5 (Campolo et al., 2013). La ri-espressione di SOX2 dipende dalla presenza di Prdm14, indicando che l’attivazione di Sox2 è a valle dell’attività di PRDM14 (Yamaji et al., 2008). Utilizzando una combinazione di linee del mouse Cre-esprimere, eliminazione di Sox2 già E7.25-7. 5 l’uso di Blimp1-Cre ha portato alla riduzione di STELLA + mPGCs nella regione prossimale posteriore degli embrioni allo stadio di gemma E7.5 (Campolo et al., 2013). Questi embrioni hanno inoltre mostrato una completa assenza di cellule germinali nelle gonadi maschili e femminili degli embrioni E13.5. Tuttavia, SOX2 non ha un ruolo induttivo nella specifica mPGC, poiché la sovraespressione forzata di SOX2 abroga la specifica mPGCLC anche quando NANOG è co-sovraespresso (Murakami et al., 2016), indicando che la funzione induttiva somatica (probabilmente neurale) di SOX2 nei mEpiLCs è dominante (Corsinotti et al., 2017; Zhao, Nichols, Smith, & Li, 2004) e suggerisce inoltre che la finestra transitoria della repressione SOX2 durante le specifiche mPGC potrebbe essere importante per salvaguardare il destino del PGC (Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Yabuta et al., 2006). Tuttavia, la delezione di Sox2 tra E9.0 e 10.5 utilizzando TNAP-Cre ha portato alla completa deplezione di ovociti e pro-spermatogonia nelle ovaie prepuberali e nei testicoli perinatali. Non è stato osservato alcun effetto negli spermatociti e negli ovociti meiotici quando Sox2 è stato eliminato utilizzando Spo11-Cre espresso nelle cellule germinali meiotiche. Queste osservazioni indicano che SOX2 è richiesto per la sopravvivenza di mPGC attraverso una serie di stadi di sviluppo di mPGC fino alla meiosi (Campolo et al., 2013). Poiché OCT4 e NANOG sono co-espressi con SOX2 in MPGCS specificati (Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Yabuta et al., 2006), non è chiaro se il ruolo di SOX2 in MPGCS premeiotico coinvolge interazioni cooperative con OCT4 e NANOG o funzioni distintamente. In ogni caso, poiché SOX2 non è espresso in HPGCS (Irie et al., 2015; Perrett et al., 2008), è improbabile che esistano funzioni regolatorie per SOX2 nella linea germinale umana.