植物轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)與調(diào)控作用摘要：轉(zhuǎn)錄因子通過激活或抑制基因的表達(dá)，在植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成及對外界環(huán)境的反應(yīng)中起著重要的調(diào)控作用。植物各種誘導(dǎo)型基因的表達(dá)主要受特定轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控。典型的轉(zhuǎn)錄因子含有DNA結(jié)合區(qū)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)、寡聚化位點及核定位信號區(qū)等功能區(qū)域。這些功能域決定轉(zhuǎn)錄因子的功能、特性、核定位及調(diào)控作用等，轉(zhuǎn)錄因子通過這些功能域與啟動子順式作用元件結(jié)合或與其他蛋白的相互作用來激活或抑制基因的表達(dá)。植物轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)與功能成為近年來植物分子生物學(xué)等研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF)，也稱反式作用子(trans-actingfactor)，是位于細(xì)胞核內(nèi)能夠與基因啟動子區(qū)域中順式作用元件發(fā)生特異性相互作用，從而調(diào)控目的基因以特定的強度并在特定的時間與空間表達(dá)的蛋白質(zhì)分子。高等植物的轉(zhuǎn)錄因子不僅在植物體的生長發(fā)育和形態(tài)建成等生理活動中發(fā)揮重要的調(diào)控作用，而且還與植物體的次生代謝和抗逆反應(yīng)密切相關(guān)。通過改變轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平調(diào)控植物體的生長發(fā)育、次生代謝和抗逆性，將為農(nóng)作物農(nóng)藝性狀的改良和新品種的培育提供廣闊的應(yīng)用前景。1轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)與功能1.lDNA結(jié)合區(qū)DNA結(jié)合區(qū)(DNA-bindingdomain)是指轉(zhuǎn)錄因子識別DNA順式作用元件并與之結(jié)合的一段氨基酸序列，相同類型轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合區(qū)的氨基酸序列較為保守。植物轉(zhuǎn)錄因子中比較典型的DNA結(jié)合區(qū)有BZIP結(jié)構(gòu)域、鋅指結(jié)構(gòu)域、MADS結(jié)構(gòu)域、MYC結(jié)構(gòu)域、MYB、Homeo結(jié)構(gòu)域以及AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域等。其中一些結(jié)構(gòu)域又可根據(jù)其特征區(qū)中保守氨基酸殘基的數(shù)量和位置劃分成幾個亞類，如根據(jù)半朧氨酸(C)和組氨酸(H)殘基的數(shù)目和位置，可將含鋅指結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子分為C2H2,C3H，C2C2,C3HC4，C2HC5亞類。近年來，在植物轉(zhuǎn)錄因子中又發(fā)現(xiàn)一些新的與DNA結(jié)合有關(guān)的結(jié)構(gòu)域，如擬南芥ARF1轉(zhuǎn)錄因子的ARF結(jié)構(gòu)域、玉米VP1及菜豆PvAlf轉(zhuǎn)錄因子的B3結(jié)構(gòu)域等。轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合區(qū)的特定氨基酸序列決定它們與順式作用元件識別及結(jié)合的特異性。1.2轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)1.21轉(zhuǎn)錄激活區(qū)同類轉(zhuǎn)錄因子的主要區(qū)別在于它們的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)各不相同，轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)包括轉(zhuǎn)錄激活區(qū)和轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)兩種，它們決定轉(zhuǎn)錄因子功能的差異。從動物和釀酒酵母的轉(zhuǎn)錄因子中鑒定了大量不同類型的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，如SPI富含谷氨酞胺的結(jié)構(gòu)域、CTF/NF-1富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域以及GAL4,vP16，GCN4的酸性激活區(qū)，其中GAL4和VP16的酸性激活區(qū)在植物中同樣起作用。它們一般包含DNA結(jié)合區(qū)以外的30-100個氨基酸殘基，而且有時一個轉(zhuǎn)錄因子可含1個以上的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。1.22轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)菜豆PvALF轉(zhuǎn)錄因子能激活子葉貯藏蛋白基因DLEC2的表達(dá)，而菜豆bZIP類的ROM2轉(zhuǎn)錄因子能與DLEC2的增強子結(jié)合，抑制PvALF對轉(zhuǎn)錄的激活。一旦去除ROM2的N一端BZIP結(jié)構(gòu)域，ROM2就失去對PvALF激活活性的抑制能力。將去除N一端BZIP結(jié)構(gòu)域的ROM2與PvALF激活區(qū)連接，嵌合蛋白能夠激活DLEC2的表達(dá)，這表明在去除的ROM2N-端區(qū)段中存在有轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)。對抑制鈍程野大麥一淀粉酶基因表達(dá)的VP1轉(zhuǎn)錄因子的研究表明，VP1中也含有對轉(zhuǎn)錄起抑制作用的功能域。1.3核定位信號區(qū)核定位信號區(qū)(nuelearlocalizationsignal,NLS)是轉(zhuǎn)錄因子中富含精氨酸和賴氨酸殘基的核定位區(qū)域，轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)人細(xì)胞核的過程受該區(qū)段控制。目前已在水稻的GT-2、番茄的HSFAl-2、玉米的02以及豌豆的PS-IAA4和PS-IAA6等多種轉(zhuǎn)錄因子中鑒定了NLS的序列。此外，不同轉(zhuǎn)錄因子中NLS的數(shù)目有所不同，一個轉(zhuǎn)錄因子可含1至數(shù)個NLS功能區(qū)，它們不規(guī)則的分布在轉(zhuǎn)錄因子中。通過定點突變法喪失DNA結(jié)合能力的02蛋白仍能進(jìn)人細(xì)胞核，只是不再激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。這說明其核定位信號區(qū)并不等同于DNA結(jié)合區(qū)，而是各自獨立的發(fā)揮作用。兩個NLS在功能上也有所不同，位于DNA結(jié)合區(qū)內(nèi)的B信號區(qū)能更有效的將轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)人細(xì)胞核。1.4寡聚化位點寡聚化位點(ogilomezriationsite)是不同轉(zhuǎn)錄因子借以發(fā)生相互作用的功能域。它們的氨基酸序列很保守，大多與DNA結(jié)合區(qū)相連并形成一定的空間構(gòu)象，如BZIP類轉(zhuǎn)錄因子的寡聚化區(qū)包括1個拉鏈結(jié)構(gòu)，而b/HLH型轉(zhuǎn)錄因子含有螺旋一環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)，MADS轉(zhuǎn)錄因子的寡聚化區(qū)則形成兩個a-螺旋和兩個0-折疊。通過酵母雙雜交系統(tǒng)鑒定發(fā)現(xiàn)，玉米B-Peru轉(zhuǎn)錄因子能作用于Cl轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)，這種相互作用又能增強Cl與DNA的結(jié)合能力。遺傳學(xué)研究和瞬間表達(dá)分析也表明，只有與B-Peru結(jié)合時，Cl轉(zhuǎn)錄因子才能發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄激活作用，B-Peur中的螺旋一環(huán)一螺旋結(jié)構(gòu)域?qū)εcCl結(jié)合并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活作用至關(guān)重要。目前對螺旋一環(huán)一螺旋結(jié)構(gòu)域如何在B-Peur與Cl間起作用尚未清楚，但上述研究表明轉(zhuǎn)錄因子的寡聚化區(qū)確實影響轉(zhuǎn)錄因子的活性。2轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用在生長發(fā)育過程中，植物體對各種環(huán)境、組織和發(fā)育信號作出反應(yīng)，這就要求對各種功能基因的表達(dá)進(jìn)行精確調(diào)控。種子貯藏蛋白基因僅在種子發(fā)育特定階段表達(dá)，說明該基因表達(dá)受到組織和發(fā)育階段特異性調(diào)控。由于種子貯藏蛋白的合成與作物產(chǎn)量密切相關(guān)，轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性不容忽視。與此同時，植物還要對各種環(huán)境因素作出反應(yīng)，植物感受外界干旱、高鹽、激素、病害及體內(nèi)細(xì)胞發(fā)育等信號，通過一系列傳遞激發(fā)轉(zhuǎn)錄因子即反式作用因子，反式作用因子與順式作用元件結(jié)合后，激活RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，從而啟動基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，后通過基因產(chǎn)物的作用對外界信號在生理生化等方面作出適合的調(diào)節(jié)反應(yīng)。由此可見，轉(zhuǎn)錄因子在基因的表達(dá)調(diào)控中起關(guān)鍵作用。植物體內(nèi)存在大量轉(zhuǎn)錄因子，對擬南芥第4條染色體中1。9Mb基因組序列分析發(fā)現(xiàn)，其中15%的基因編碼或可能編碼轉(zhuǎn)錄因子。近年來，相繼分離出大量的不同類型的轉(zhuǎn)錄因子，僅擬南芥中就分離出30多種bzIP型轉(zhuǎn)錄因子和40多種AP2/REBP類轉(zhuǎn)錄因子。有的轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控多個基因的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)不同生理生化過程的進(jìn)行。這里介紹BZIP類和AP2/REBP類轉(zhuǎn)錄因子的作用特點，它們是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育以及環(huán)境脅迫應(yīng)答反應(yīng)的兩類重要轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子序列和結(jié)構(gòu)的多樣性決定了其功能的多樣性，并且其自身活性還受到核定位及寡聚化的影響。植物轉(zhuǎn)錄因子通過其與功能域DNA及其它蛋白或轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用，激活或抑制誘導(dǎo)型基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)決定了它與順式作用元件結(jié)合的特異性，而轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)決定了它對基因表達(dá)起激活還是抑制作用。大量MYC型bHLH轉(zhuǎn)錄因子參與了CBF/DREB1基因家族的正調(diào)控，并主要在分生組織中表達(dá)，參與植物細(xì)胞分化和發(fā)育過程。目前，鑒定出的高等植物轉(zhuǎn)錄因子已超過100余種，它們對基因表達(dá)的調(diào)控作用不僅涉及到植物的各種重要生理和遺傳過程，而且與細(xì)胞周期的調(diào)控和核骨架形成密切相關(guān)。3。1轉(zhuǎn)錄因子與植物的抗逆性植物通過多種途徑感應(yīng)環(huán)境的變化，并將環(huán)境信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)部的信息，經(jīng)過一系列磷酸化級聯(lián)反應(yīng)，將信號傳遞給轉(zhuǎn)錄因子，并啟動抗逆基因的表達(dá)，并通過基因產(chǎn)物的作用對環(huán)境信號做出調(diào)節(jié)反應(yīng)從而提高植物的抗逆性。植物轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)控植物體感受干旱、高鹽、低溫、激素和病原等信號相關(guān)基因的表達(dá)，在植物抗逆反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用。磷饑餓可誘導(dǎo)水稻中參與耐低磷的bHLH類轉(zhuǎn)錄因子OsPTFI基因的表達(dá)，在磷饑餓條件下，該基因在側(cè)根和根的韌皮部區(qū)域被誘導(dǎo)表達(dá)，但在表皮細(xì)胞中不表達(dá)，而在葉中則是組成型表達(dá)。通常情況下，一個轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控多個與相同性狀或功能有關(guān)的基因表達(dá)。通過基因工程手段增強一個轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，就可促使多個功能基因發(fā)揮作用，從而使植株性狀獲得綜合改良的效果。在提高作物對環(huán)境脅迫抗性的分子育種中，改良或增強一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)及其調(diào)控能力，是提高作物抗逆性更為有效的方法和途徑。3。2轉(zhuǎn)錄因子與植物的次生代謝高等植物轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控花青素生物合成、植物色素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和次生物質(zhì)代謝等方面發(fā)揮重要作用。bHLH已被證明是對植物次生代謝起著十分重要調(diào)節(jié)作用的轉(zhuǎn)錄因子。玉米中許多部位（如花藥、種子、葉片和幼苗等）花青素的合成都需要r和c1兩大基因家族的作用。r基因家族成員（r，Ic，sn，b等）所編碼的蛋白質(zhì)屬于bHLH轉(zhuǎn)錄因子，對花青素合成的時間、分布和數(shù)量具有決定性作用。植物次生代謝產(chǎn)物合成與否、合成量的多少主要是通過其合成途徑中的多個合成酶所決定的，這些合成酶的基因表達(dá)受到相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子及其它調(diào)控基因的調(diào)節(jié)，其中，轉(zhuǎn)錄因子對合成酶基因的轉(zhuǎn)錄激活是植物次生代謝最為重要的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)之一。轉(zhuǎn)錄因子通過激活植物次生代謝物合成途徑中多個合成酶基因的表達(dá)，可有效地啟動或關(guān)閉次生代謝合成途徑，從而調(diào)節(jié)特定次生代謝物質(zhì)的合成。激活合成酶基因的表達(dá)是植物次生代謝物合成途徑啟動前的重要分子事件，它不僅決定特定次生代謝物合成、積累量的多少，還決定次生代謝物合成的時間、空間分布以及對環(huán)境條件的響應(yīng)。3。3轉(zhuǎn)錄因子與植物的生長發(fā)育和形態(tài)建成高等植物轉(zhuǎn)錄因子，尤其bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子，不僅參與了植物的生理代謝過程，而且還調(diào)控植物細(xì)胞和組織形成，是植物生長發(fā)育和形態(tài)建成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子。隨著擬南芥和水稻等模式植物基因組測序的完成，在植物中發(fā)現(xiàn)了許多bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子基因，并已在模式植物擬南芥、水稻、玉米和金魚草中開展bHLH轉(zhuǎn)錄因子功能的研究。MichaelJ°Buc在擬南芥基因組中鑒定了118個不同的bHLH全長基因和在水稻基因組中鑒定了131個bHLH基因。多數(shù)bHLH轉(zhuǎn)錄因子都參與了多細(xì)胞生物發(fā)育過程中基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。現(xiàn)已證明TCP是植物所特有的一類bHLH轉(zhuǎn)錄因子，它們主要在分生組織中起作用，參與植物細(xì)胞的分化和生長。金魚草cyc與dich基因?qū)ǖ陌l(fā)育有很大作用。金魚草開唇形花，兩側(cè)對稱但沿背腹軸花瓣形狀顯著不同。cyc和dich2個基因的同時突變會產(chǎn)生輻射對稱的花，cyc單基因突變則產(chǎn)生半輻射狀的花，原腹部的花瓣移到側(cè)旁，原側(cè)瓣移到背部;dich單基因的突變只影響背部花瓣的形狀4植物轉(zhuǎn)錄因子功能分析方法植物轉(zhuǎn)錄因子瞬間表達(dá)分析可以快速提供轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合特性和轉(zhuǎn)錄調(diào)控特性、激活或抑制轉(zhuǎn)錄等信息。根據(jù)所用的材料，它可以分為植物細(xì)胞瞬間轉(zhuǎn)化分析、酵母細(xì)胞瞬間轉(zhuǎn)化分析和動物細(xì)胞瞬間轉(zhuǎn)化分析等。植物細(xì)胞瞬間轉(zhuǎn)化分析的通常做法是：構(gòu)建兩個載體，一個是指導(dǎo)所研究的轉(zhuǎn)錄因子，其編碼基因簡稱為目的基因。一個是目標(biāo)啟動子與報告基因融合的報告載體，這兩個載體共轉(zhuǎn)化合適的植物細(xì)胞。所表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子將與目標(biāo)啟動子相互作用，激活或抑制報告基因的表達(dá)，報告基因的活性可在轉(zhuǎn)化后幾小時或幾天內(nèi)測定。為了說明轉(zhuǎn)錄因子與目標(biāo)啟動子相互作用的特異性，通常都設(shè)一個對照。瞬間轉(zhuǎn)化的方法有：植物組織的基因槍轉(zhuǎn)化、原生質(zhì)體的電轉(zhuǎn)化等?；驑屗查g轉(zhuǎn)化需要非常昂貴的設(shè)備，而且所獲得的樣品差異較大。原生質(zhì)體瞬間轉(zhuǎn)化所需的原生質(zhì)體較難獲得。電轉(zhuǎn)化也需較昂貴的設(shè)備。這些局限性在一定程度上阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。突變體或轉(zhuǎn)基因植株功能分析，植物轉(zhuǎn)錄因子的功能需從植株表型、生理代謝、基因表達(dá)等方面進(jìn)行綜合分析，而植株表型、生理代謝變化往往是基因表達(dá)的改變而引起的，因此分離確定植物轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的目標(biāo)基因是轉(zhuǎn)錄因子研究中最需要解決的任務(wù)之一。只要有合適的突變體，就可以從植株表型、生理代謝、基因表達(dá)等方面的差異，分析該基因的功能，并用遺傳方法和差異顯示或其它相關(guān)技術(shù)分離出其下游基因。植株體內(nèi)研究轉(zhuǎn)錄因子的功能總體上有兩大策略：一是基因功能缺失，即篩選目的基因功能部分或全部喪失的植株，比較其與野生型植株在表型、生理代謝和基因表達(dá)上的差異，分析該基因的功能。二是基因功能增加，即篩選目的基因高水平表達(dá)的植株，比較其與相應(yīng)對照植株、野生型植株、基因功能缺失突變體或模式植物植株在表型、生理代謝和基因表達(dá)上的差異，分析該基因的功能。超表達(dá)超表達(dá)是指目的基因全長序列與高活性的組成型啟動子或組織特異性啟動子融合，通過轉(zhuǎn)化，獲得該基因產(chǎn)物大量積累的植株。該方法已成功鑒定了一系列植物轉(zhuǎn)錄因子的功能，但與反義抑制和共抑制類似，它也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株的致死效應(yīng)或強烈的多重效應(yīng)，很難從表型中鑒定出所需的轉(zhuǎn)基因植株。即使得到轉(zhuǎn)基因植株，也很難評價其超表達(dá)的程度?；蛘T導(dǎo)表達(dá)在轉(zhuǎn)基因的突變體、異源受體植株或組織中，基因誘導(dǎo)表達(dá)可以實現(xiàn)基因表達(dá)的時間控制、空間控制和數(shù)量控制，從而避免了超表達(dá)所帶來的麻煩。為了避免內(nèi)源基因的干擾作用，可誘導(dǎo)系統(tǒng)是以非植物成分為基礎(chǔ)構(gòu)建的。在非誘導(dǎo)條件下，所轉(zhuǎn)基因不表達(dá)或表達(dá)但其產(chǎn)物沒有活性，不會干擾植物的正常發(fā)育，也不會導(dǎo)致多重效應(yīng)。結(jié)語綜上所述，植物轉(zhuǎn)錄因子通過其功能域與DNA及其他蛋白間的相互作用，激活或抑制誘導(dǎo)型基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)決定了它與順式作用元件結(jié)合的特異性，而轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)決定了它對基因表達(dá)起激活或是抑制作用。此外，其自身活性還受到核定位及寡聚化等作用的影響。近年來，基因分子生物學(xué)研究領(lǐng)域的重點已逐漸從功能基因轉(zhuǎn)到啟動子順式作用元件和轉(zhuǎn)錄因子及其調(diào)控機理上。對轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)與功能的分析鑒定，是闡明在各種條件下基因表達(dá)調(diào)控機理的重要內(nèi)容之一，揭示轉(zhuǎn)錄因子之間以及它們與DNA之間相互作用的具體機制，就可以人為的控制特定基因的表達(dá)，使植物基因轉(zhuǎn)化能獲得好的結(jié)果。參考文獻(xiàn)[1]王傳琦，孔穩(wěn)穩(wěn)，李晶.植物轉(zhuǎn)錄因子最新研究方