揭示 STAT5B 基因突变奥秘：解锁乳腺发育与泌乳的遗传密码

《Journal of Mammary Gland Biology and Neoplasia》：Disease-Associated Mutations of the STAT5B SH2 Domain Regulate Cytokine-Driven Enhancer Function and Mammary Development

为探究人类 STAT5B 基因突变对乳腺发育和泌乳的影响，研究人员将 STAT5BY665F和 STAT5BY665H突变引入小鼠基因组进行研究。结果发现这两种突变作用相反，影响乳腺增强子功能等。该研究揭示了 STAT5B 变异在乳腺生理中的关键作用1226。

　　在哺乳动物的生命历程中，乳腺发育和泌乳是至关重要的生理过程，它们不仅关乎后代的生存，也与女性的健康密切相关。其中，STAT5A 和 STAT5B 这两种转录因子（转录因子是能与基因启动子区域的特定 DNA 序列结合，从而调控基因转录起始过程的蛋白质）在乳腺发育和泌乳中扮演着关键角色。然而，尽管 STAT5A 的作用已逐渐明晰，但由于 Stat5b 基因敲除小鼠存在不育问题，导致 STAT5B 在乳腺发育中的具体贡献难以直接探究。与此同时，人类 STAT5B 基因中存在大量的单核苷酸多态性（SNP，指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的 DNA 序列多态性），其中数百个位点发生了错义突变，可这些突变的病理生理意义却大多不为人知。因此，深入研究 STAT5B 基因突变对乳腺发育和泌乳的影响迫在眉睫。

美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）的研究人员敏锐地捕捉到了这一关键问题，开展了一项极具创新性的研究。他们将两种在人类 T 细胞白血病中发现的 STAT5B 错义突变 —— 酪氨酸 665 被苯丙氨酸（Y665F）或组氨酸（Y665H）取代的突变，引入小鼠基因组中，利用小鼠这一模式生物，模拟人体生理过程，深入剖析这些突变对乳腺发育和泌乳的影响。

研究人员为开展此项研究，运用了多种先进的关键技术方法。在基因编辑方面，借助 CRISPR/Cas9 和碱基编辑技术，对小鼠的内源性 Stat5b 基因位点进行精准改造，构建出携带特定突变的小鼠模型；在基因和蛋白检测层面，综合运用全外显子测序、RNA 测序（RNA-seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）等技术，从基因组、转录组和表观基因组水平，全面分析基因表达和调控变化；同时，采用组织学、免疫组化、蛋白质免疫印迹（Western Blot）、流式细胞术等实验技术，对乳腺组织的形态结构、细胞组成以及蛋白表达和磷酸化水平进行详细检测345。

下面来看看具体的研究结果：

1. 建立突变小鼠模型：研究人员成功构建了表达 STAT5B^Y665F和 STAT5B^Y665H突变体的小鼠。通过全外显子测序验证了基因编辑的准确性，且未发现脱靶突变。在繁殖过程中发现，STAT5B^Y665F杂合子交配产生的后代中，纯合子比例仅为 11%，提示存在胚胎或围产期致死现象；而 STAT5B^Y665H杂合子交配后代的基因型比例接近孟德尔预期比例。此外，两种突变小鼠在体重方面与野生型小鼠存在显著差异，STAT5B^Y665H小鼠体重较低，STAT5B^Y665F小鼠体重较高，这表明这些突变对生长激素信号通路产生了影响67。
2. STAT5B^Y665H阻碍乳腺发育：在怀孕 18.5 天时，对乳腺组织进行分析发现，STAT5B^Y665H突变的雌性小鼠乳腺出现异常。组织学分析显示，其乳腺腺泡未分化，缺乏扩张的管腔和乳汁分泌；RNA 测序结果表明，众多与乳腺发育和乳汁分泌相关的基因，如牛奶蛋白基因、膜转运蛋白基因等表达显著降低，这说明 STAT5B^Y665H突变导致乳腺发育相关的遗传程序受损，且 STAT5A 无法有效补偿 STAT5B 功能的缺失8910。
3. STAT5B^Y665F促进乳腺分化：与 STAT5B^Y665H突变体相反，STAT5B^Y665F小鼠在怀孕 18.5 天时，乳腺分化加速，腺泡和管腔尺寸增大，部分牛奶蛋白基因表达升高。此外，该突变还激活了一些通常不受妊娠激素调控的基因，包括与免疫反应和皮肤稳态相关的基因，这表明 STAT5B^Y665F突变在促进乳腺分化的同时，也可能引发异常的基因激活11。
4. 对乳腺增强子的影响：通过免疫组化和 ChIP-seq 分析发现，STAT5B^Y665H突变影响了 STAT5B 的核转运，导致其与乳腺特异性增强子的结合减少，H3K27ac 覆盖和 RNA 聚合酶 II（Pol II）加载降低；而 STAT5B^Y665F突变则增强了 STAT5B 与乳腺增强子的结合，促进了基因转录。这进一步解释了两种突变对乳腺发育产生不同影响的分子机制121314。
5. STAT5B^Y665F促使乳腺分化时间提前：在怀孕 13.5 天的研究中发现，STAT5B^Y665F小鼠乳腺组织呈现出更高级的发育和分化状态，牛奶蛋白基因等转录本显著增加，这表明该突变导致乳腺分化程序提前启动。此外，在未怀孕的 STAT5B^Y665F小鼠中，关键牛奶蛋白基因表达也有所增加，进一步证实了该突变的激活作用151617。
6. STAT5B^Y665H小鼠的生理适应：尽管 STAT5B^Y665H小鼠在首次怀孕时乳腺发育功能受损，但在第二次怀孕后，其乳腺功能得到部分激活，能够支持幼崽生长。RNA 测序和 ChIP-seq 分析显示，第二次怀孕后，关键牛奶蛋白基因表达增加，STAT5A 和 STAT5B 与乳腺增强子的结合以及 H3K27ac 水平与对照组相当，这表明持续的激素刺激可以克服部分 STAT5B^Y665H突变带来的发育障碍181920。
7. 脂肪酸代谢基因受 STAT5B 调控：研究发现，Olah 和 Fabp3 这两个脂肪酸代谢相关基因在怀孕和泌乳期间表达大幅增加，且它们的表达受 STAT5A/B 调控。在 STAT5B^Y665H突变小鼠中，这两个基因的表达在怀孕 18.5 天时显著降低，而在第二次怀孕后的泌乳期恢复到野生型水平，这揭示了 STAT5B 在脂肪酸代谢基因调控中的重要作用212223。
8. STAT5A/B 二聚体化受影响：研究人员通过 ChIP-seq 实验证实，STAT5A 和 STAT5B 在乳腺组织中形成异二聚体，共同识别乳腺特异性和常见增强子。在 STAT5B^Y665H小鼠中，STAT5A 与 Wap 增强子的结合显著减少，表明 STAT5A/B 异二聚体是识别这些增强子的主要复合物；而在 STAT5B^Y665F小鼠中，STAT5A 在乳腺增强子上的结合增加242527。

综合研究结果和讨论部分，这项研究具有多方面的重要意义。首先，它首次揭示了人类 JAK-STAT 信号通路中的变异会显著扰乱乳腺生理和泌乳过程，为深入理解乳腺发育和泌乳的分子机制提供了关键线索。其次，研究发现的 STAT5B^Y665F和 STAT5B^Y665H突变对乳腺发育的不同影响，为进一步研究 STAT5B 在乳腺发育中的功能奠定了基础。此外，研究还表明多次怀孕对 STAT5B^Y665H小鼠乳腺功能的恢复作用，这为解释人类第二次怀孕后泌乳改善的现象提供了理论依据。同时，研究中发现的脂肪酸代谢基因受 STAT5B 调控，也为研究乳腺代谢与泌乳的关系开辟了新的方向。最后，随着人类遗传数据库的不断丰富，如 AllofUs 数据库，本研究为探究遗传变异在人类泌乳多样性中的作用提供了重要的参考，有望为解决人类乳腺相关疾病和泌乳问题提供新的思路和方法。