锌指蛋白ZBTB20对小鼠垂体发育的调节作用及其分子机制研究

The pituitary gland functions as a relay between hypothalamus and peripheral target organs. It regulates diverse physiological processes, including homeostasis, metabolism, growth and lactation. Pituitary development is a highly complex and precisely regulated process, which is dependent on a timely and spatial activation and expression of various signal pathways and transcription factors. Any disorder in this procedure can lead to a hypoplastic pituitary and a lack of pituitary hormones. Object of this study is ZBTB20, a member of BTB zinc finger protein family. Our previous results show that ZBTB20 systemic knockout mice exhibit growth retardation and gonadal dysgenesis, accompanied by anterior pituitary hypoplasia with reduced number of lactotropes and somatotropes. Based on these findings, the project will delineate the expression pattern of ZBTB20 during pituitary development; identify the pituitary cell lineage regulated by ZBTB20 and target genes of ZBTB20 through analyses of histological detection, cytologic experiment and whole genome microarray. The purpose of this project is to clarify the cellular and molecular mechanisms underlying the regulation of pituitary development by ZBTB20. The results of this study are original and may provide a theoretical basis for research on pathogenesis of pituitary hypoplasia.

垂体作为下丘脑和外周靶器官之间的枢纽，在维持内环境稳定、新陈代谢、生长和哺乳等方面发挥重要功能。垂体发育是一个高度复杂和精确调控的过程，多个信号通路和转录因子按不同时空顺序激活或表达，任何环节出现问题都可导致垂体发育不全及相应的激素缺失。本课题围绕本室自主发现的新型转录因子ZBTB20，发现该基因全身敲除小鼠存在生长迟缓、性腺发育不全和垂体体积减小的表型，以及垂体促生长激素和催乳素细胞数量减少的组织学改变。在此基础上，本课题将通过组织学研究、体外细胞培养和基因芯片等方法，明确ZBTB20在不同发育阶段垂体组织中的表达特征，证实ZBTB20基因敲除后发生改变的垂体前体细胞或内分泌细胞亚群，并找到ZBTB20转录调节的靶基因，从而在细胞和分子水平阐明ZBTB20调节垂体发育的机理。通过本课题研究，可望在垂体发育的转录调控机制方面形成原创性科研成果，并为垂体发育不全的发病机制研究提供理论依据。

腺垂体是机体生长、生殖和内分泌的调节中枢，主要由5种内分泌细胞构成。腺垂体内分泌细胞的分化是垂体发育过程中的一个重要阶段，是一个受多种因子协同调节的过程。然而，各群内分泌细胞分化特异性的确切机制至今尚不清楚。本项目的目的在于揭示锌指蛋白ZBTB20在腺垂体发育中的作用及其可能机制。研究结果显示，ZBTB20起始表达于胚胎14.5天（E14.5）的腺垂体，随着垂体内分泌细胞的分化出现，ZBTB20的表达量也逐渐增加，并一直持续到成年。腺垂体的5种内分泌细胞中均有ZBTB20表达。我们对Zbtb20基因全身敲除（Zbtb20-/-）小鼠进行了一系列垂体相关的表型分析，发现Zbtb20-/-小鼠腺垂体严重发育不全，生长激素细胞增殖障碍，同时催乳素细胞群完全缺失。这是目前发现的唯一一个基因敲除后可出现催乳素细胞群特异性分化障碍的小鼠模型。有意思的是，我们还发现Zbtb20-/-小鼠的胚胎期垂体中仍可出现PRL/GH双阳性细胞，但在出生后PRL阳性细胞完全缺失，提示在这群经PRL/GH双阳性阶段分化而来的催乳素细胞中，ZBTB20并不影响PRL的起始表达，但影响其从PRL/GH双阳性走向PRL单阳性的终末分化过程。由于ZBTB20在下丘脑也有表达，为了排除下丘脑Zbtb20敲除对垂体发育的影响，我们还分析了Zbtb20基因中枢神经系统特异性敲除小鼠的垂体表型，并未观察到垂体催乳素细胞的分化异常。进一步的体外实验分析了ZBTB20调节PRL表达的分子机制。结果显示，在大鼠垂体瘤MMQ细胞中下调ZBTB20的表达可以导致Prl的表达减少；ChIP实验显示ZBTB20可与Prl启动子结合；双荧光素酶报告基因分析显示ZBTB20可在Pit1存在的条件下增强Prl的转录活性。这些结果提示ZBTB20可在转录水平调控催乳素细胞中Prl的特异性表达。综上所述，本项目的意义在于首次发现ZBTB20是垂体发育和催乳素细胞特异性分化的关键调节因子。