全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (3): 344-353, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-08-27; 接受日期: 2007-10-09
基金项目: 863计划(No.2006AA 10Z110)和重庆市自然科学基金重点项目(No.8446)
* 通讯作者。E-mail: chaiyourong1@163.com
.专题介绍.
植物转录抑制子的结构特征及其作用机理
杜娟, 柴友荣 *
西南大学农学与生物科技学院, 农业部生物技术与作物品质改良重点实验室, 重庆市作物品质改良重点实验室,
重庆市油菜工程技术研究中心, 重庆 400716
摘要 转录因子依转录调控能力可分为激活子和抑制子。植物 转录抑制蛋白的分类依据很多, 从作用方式上可分为主动抑
制子和被动抑制子两大类; 根据与DNA结合的方式则可分为锌指类、MYB类、AP2/EREBP类、bHLH类和bZIP类等。植物主
动抑制子通过其含有的抑制域对转录直接起抑制作用。抑制域又可分很多类, 但多数为含有类似EAR基序的保守性基序, 其
上具有几个保守性亮氨酸残基。植物转录抑制子主要通过对激活子或基本转录复合物产生作用及改变染色体结构3种方式来
抑制目标基因的转录。有关植物转录抑制子的研究虽很欠缺, 但以拟南芥SUPERMAN等抑制子的EAR基序为代表的研究表
明, 抑制域是阐明植物转录抑制子功能和下游基因表达调控机理的核心对象, 而融合抑制子沉默技术(CRES-T)也为人为调控
基因沉默带来了新的技术手段。
关键词 EA R基序, 植物, 抑制域, 抑制子, 转录因子
杜娟 , 柴友荣 (2008). 植物转录抑制子的结构特征及其作用机理. 植物学通报 25, 344-353.
转录因子(t ranscription factor, TF)也称为反式作用
因子, 是指能够与顺式作用元件发生特异性互作, 并对转
录有激活或抑制作用的 D N A 结合蛋白(王希庆等,
2003 )。动、植物在特定的时间和空间进行细胞的分
化, 就是因为转录因子调节下游基因的表达。
尽管同类型转录因子的功能可能不完全相同, 但它
们与 DNA 结合的结构域或与其它蛋白质相互作用的结
构域却是高度保守的(杨致荣等, 2004)。典型的转录因
子包含 4个功能区: 识别并结合目的基因启动子区顺式
作用元件的DNA 结合区、介导转录因子蛋白之间形成
同源或异源寡聚体的寡聚化位点、启动或阻止目的基
因转录的转录调节域及介导转录因子在细胞质核糖体中
被合成后向细胞核定位转移的核定位信号(Liu et al. ,
1999; 刘强等, 2000)。但是不同的转录因子可能缺少
某一结构域, 如转录调控域或特异的 DNA 结合域。相
同家族的不同转录因子可具有截然不同的行为, 主要是
由于它们的调节域(regulation domain)不同造成的, 调
节域决定转录因子或激活或抑制目的基因的转录。根
据转录因子的功能, 可将其分为激活子(activator)和抑制
子(repressor)两大类型。一般概念中的转录因子指的
是激活子, 对它的研究相对深入。而抑制子尽管在基因
表达调控中扮演着同样重要的角色, 但对其研究相对较
少, 尤其是相对于人和其它模式生物而言, 植物转录抑制
子的研究有待加强。
1 植物转录因子的基本能力
转录因子要行使调节功能, 必须具备 2种能力。(1)与特
定的 DNA 结合。转录因子中存在许多明显不同的能介
导与 DNA结合的结构元件。转录因子根据保守性DNA
结合域氨基酸序列的不同, 被分为不同的家族, 如锌指
(z inc-finger)转录因子、MY B 转录因子、碱性螺旋 -
环 -螺旋(bas ic helix -loop-helix , bHLH)转录因子及
MADS-box 转录因子等(Liu et al., 1999)。有趣的是,
含有 DNA 结合域的转录因子只有在形成转录因子二聚
体之后才能结合到特定的DNA区域上, 它们有的通过螺
345杜娟等: 植物转录抑制子的结构特征及其作用机理
旋 -转角 -螺旋, 有的则通过亮氨酸拉链发生二聚化。如
CREB转录因子, 它有 1个与亮氨酸拉链结构相偶联的
DNA 结合功能域, 磷酸化后它们才能形成有功能的
二聚体, 这些活性二聚体与未活化的单体处于动态平
衡中(Latc hm an, 1997 )。 (2)转录调控。转录因子
对转录过程的作用结果决定了它是激活子还是抑制
子, 正因为它们所具有的这种调控能力才被称为转录
调控因子。
2 植物转录抑制子的分类
2.1 普遍性抑制子和基因特异性抑制子
普遍性抑制是指抑制蛋白或其与其它转录因子形成的复
合物, 通过抵消或修饰转录前起始复合物(pre-init iation
complex, PIC)或 RNA聚合酶的组分, 从而抑制转录起
始的一种抑制方式。这种抑制方式可以使受 RNA 聚合
酶调节的所有基因的转录水平都下降。例如 RNA 聚合
酶的某一核心组分的磷酸化作用使RNA 聚合酶变成一
种非活化的状态, 从而不能起始转录。此外, 核小体也
可以通过使启动子DNA 解聚而抑制启动子的活性。基
因特异性抑制是指某个特殊基因或成套基因的转录受基
因特异抑制子或辅助抑制子的调节。抑制可以通过降
低功能性激活子或辅助激活子在启动子处的浓度或中和
这些蛋白对转录的刺激激活作用而得以实现。基因特
异性抑制子直接或间接地与 DNA结合, 此 DNA 结合位
点可能与启动子邻近或远离启动子(Mannervik et al. ,
1999; Gaston and Jayaraman, 2003)。
2.2 被动抑制子和主动抑制子
被动抑制为间接抑制, 主要通过与激活子竞争相同的
DNA结合位点或与激活子结合并形成一个没有激活活性
的复合物。主动抑制为直接抑制, 是指抑制子与转录起
始复合物的组分相互作用, 以基因组染色体的结构为主
要目标, 从而抑制转录的起始(Gaston and Jayaraman,
2003)。主动抑制子不同于被动抑制子, 它具有一个独
立的抑制域(repression domain)。在酵母和哺乳动物
中已经发现了很多主动抑制蛋白, 但在植物中只有少部
分转录因子被认为是主动抑制蛋白(H irat su e t al . ,
2002)。被动抑制子没有明显的抑制域, 通过被动抑制
方式行使抑制功能。而主动抑制子存在一个抑制域, 通
常通过染色体结构修饰(如组蛋白的去乙酰化)或者与基
因表达的激活子相互作用而行使抑制功能(Thiel et al.,
2004; Kazan, 2006)。
2.3 基因特异性抑制子的分类
基因特异性抑制子是一大类转录负调控蛋白, 其分类方
式非常复杂。根据能否与DNA结合, 可分为 DNA 结合
抑制子和非DN A 结合的辅助抑制子(G a s t on and
Jayaraman, 2003); 按所产生的效应范围, 可分为短效
应范围抑制子和长效应范围抑制子(Courey and Jia,
2001); 按抑制域中氨基酸的类型, 可分为富含脯氨酸、
富含丙氨酸和富含谷氨酰胺的抑制子等。据推测, 每种
类型的抑制域各带有一个独立的互作表面, 通过这些表
面与特定的目标蛋白或DNA相互作用, 从而行使转录抑
制功能(Hanna-Rose and Hansen, 1996)。根据其它
标准进行分类, 还有一些抑制子不属于上面的任何一类,
有一些转录因子被称为情境依赖型抑制子, 它们依据结
合位点的当时状况, 既可表现出激活功能, 也可表现出抑
制功能(Arnost i, 2004)。
2.4 植物转录抑制子的目标蛋白
抑制子的抑制域通常与 3种目标蛋白相互作用, 从而抑
制转录的起始。其一为基本转录因子, 抑制子通常抑制
RNA 聚合酶 II 结合的最小启动子区域, 这个区域包含
TATA 盒等启动元件。其二为激活子或辅助激活子, 对
于这种类型的抑制, 抑制子只能抑制某一特定的启动子,
因为参与结合的激活子只能专一性地与该种启动子结
合。其三为辅助抑制子, 即抑制子与其辅助抑制子(co-
repres sor )相互作用来发挥抑制功能。例如, 拟南芥
LEUNIN(LUG)和SEUSS(SEU)不与DNA结合, 但LUG
与具有 DNA结合能力的转录抑制子AP2结合, SEU则
与 LUG的 LUFS结构域结合, 形成一个抑制复合物, 阻
止目标基因(如AG)的转录, 调控花器官各部位的形成及
分界的确定(Liu, 2003)。
346 植物学通报 25(3) 2008
3 植物转录抑制子的DNA结合域
有些抑制子不需要与DNA结合也能产生转录抑制功能,
但有些抑制子则必须与 DNA 结合才能产生转录抑制作
用, 也就是说必须具有 DNA 结合域, 且 DNA 结合域有
多种类型(Liu et al., 1999; 谢永丽, 2006)。
3.1 锌指结构域
该结构域由30个氨基酸组成, 含有2个保守的半胱氨酸
和 /或2个组氨酸残基, 在四级结构上与锌离子结合, 如
小麦的WZF1及拟南芥的 PEI1等。每个锌指的 C-端
形成 a-螺旋, N-端形成 b-折叠, 与 DNA 相结合的区域
是 a-螺旋。锌指区以串联重复单位的形式识别不同长
度的DNA序列, 各单位有大致相似的框架与少量的碱基
对(约 5 bp)相互作用。锌指区 a-螺旋与 DNA 的这种相
互作用发生在DNA双螺旋的大沟内(Takatsuji , 1998; 李
成霞和敖光明, 2000)。HRT是来源于大麦的一个具有
锌指结构的抑制子, 它具有一个保守的CX8–9CX10CX2H
基序, 代表了一种神奇的 C3H锌指域, 13个保守的半胱
氨酸和 1个组氨酸构成, 围绕一个中心 Zn2+, 成为它的
配基, 这种结构域使 HRT能够结合到DNA 上。许多锌
指蛋白都具有很多个相互衔接的锌指结构, 锌指之间的
这种间隔增加了其结构的灵活性。也因为这种长短不
一的间隔, 使各个锌指可以分别结合到目标 DNA上, 从
而增加了其特异性(Raventós et al. , 1998)。
3.2 MYB结构域
该结构域含有 1-3个由51-53个氨基酸组成的呈螺旋 -
转角-螺旋构象的不完全重复序列, 每个重复都含有3个
保守的 W 残基, 如玉米的 C1、P、P L 及拟南芥的
AtMYB2等。MYB 类转录因子主要通过组合调控, 即
通过多种转录因子间的相互作用来实现对靶基因的精密
调控。拟南芥 AtMYB2基因是第一个被发现受 ABA诱
导表达的 R2R3-MYB 基因。AtMYB2与 bHLH类蛋白
RdBP1相互作用, 协同调节 Rd22基因的表达。Abe等
(1997)认为这种互作可能是植物体内除了 bZIP/G-box
之外的另一条应答 A BA 的途径。
3.3 AP2/EREBP结构域
该结构域由68个氨基酸组成, 含有3个平行的b-折叠和
1个双亲性的a-螺旋, 3个 b-折叠可与DNA螺旋中的碱
基对相互作用(Jofuku et al. , 1994)。如拟南芥中的
ABR1在种子萌发、由 ABA 或胁迫诱导的基因表达的
ABA应答反应中起抑制作用(Pandey et al. , 2005)。
3.4 碱性-螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域
该结构域含有 2个相连的基本亚区, 其中碱性氨基酸区
与 DNA 结合有关, 螺旋 -环 -螺旋区则参与二聚体的形
成, 如拟南芥中的PIF4 (Huq and Quail, 2002)。蛋白
质分子中有 2个相邻的 a-螺旋, 第 1个嵌入 DNA 大沟,
N-端接近双螺旋主轴; 第 2个位于第 1个 a-螺旋之上,
接近 DNA的糖 -磷酸骨架, 基本上平行于双螺旋链。这
种结构有利于氢键形成和范德华力作用。这 2个 a-螺
旋之间若间隔较长的氨基酸链形成一个环, 即称为螺旋-
环 -螺旋(HLH)结构(陈丽, 1997)。
3.5 碱性-亮氨酸拉链(bZIP)结构域
该结构域由 60-80个氨基酸组成, 包括一个由 25个氨
基酸组成的富含碱性氨基酸的区域和一个亮氨酸拉链区
域。亮氨酸拉链区是形成二聚体所必需的。在亮氨酸
重复区 N-端邻近的30个氨基酸中, 有很多碱性氨基酸,
称为碱性区, 参与 DNA 的结合。当亮氨酸拉链使亚基
形成二聚体时, 碱性区便处在适当的位置, 从而决定了与
DNA 序列的专一结合(陈丽, 1997)。菜豆转录因子
P vA LF 能激活子叶贮藏蛋白基因 D L E C 2 的表达,
ROM2则能与 DLEC2的增强子结合, 抑制 PvALF对其
转录的激活, 一旦去除ROM2的 N-端 bZIP 域, ROM2
就会失去对 P v A L F 激活活性的抑制能力 (刘强等,
2000 )。
3.6 M ADS结构域
该结构域由约56个氨基酸组成, 含有1个a-螺旋和2个
b - 折叠链组成的高度保守区域。在至今发现的所有
MADS盒因子中该区域有 9个氨基酸完全相同, 它是一
个序列特异的 DNA 结合基元(Shore and Sharrocks,
347杜娟等: 植物转录抑制子的结构特征及其作用机理
1995)。MADS 转录因子以二聚体的形式通过保守的
MADS结构域与特定的 DNA序列结合来调控基因的表
达, 从而调节植物的生长发育。
3.7 B3结构域
B3结构域为 VP1和 ABI3A的 C-端含 120个氨基酸的
保守序列。玉米 VP1转录因子不仅激活小麦 EM基因
和玉米 C1基因的转录, 而且能对大麦 a-淀粉酶基因的
表达起抑制作用(Kriz et al. , 1990)。至今尚未从 VP1
中鉴定出发挥抑制作用的功能域, VP1也有可能通过直
接作用的方式抑制 a - 淀粉酶基因的表达 ( 刘强等,
2000)。拟南芥 HSI2也是一种含有B3结构域的蛋白,
它可以抑制糖诱导的报告基因的转录。这种蛋白在C-
端含有一个EAR基序(ERF-associated amphiphilic re-
press ion motif), 参与介导转录抑制(Tsukagoshi et al.,
2007 )。
3.8 其它结构域
其它结构域还包括HMG盒, 由 3个 a-螺旋组成的 L形
区, 两臂张开约呈80° (Grasser, 1995); Homeo结构域,
约由60个氨基酸组成的折叠呈球形的结构域, 含有3或
4个 a-螺旋; ARF结构域, 由 350个氨基酸组成的类似
B3的序列; AT-钩结构域, 含有一个R(G/P)RGRP共有
的核心序列, 通过 RGR区与富含 A/T的 DNA区域小沟
相结合; 三螺旋, 富含碱性、酸性及脯氨酸 /谷氨酸, 呈
螺旋 -环 -螺旋 -环 -螺旋构象。
4 植物主动转录抑制子的抑制域
4.1 EAR基序
植物中EAR基序存在于第 II类AP2/ERF蛋白和含Cys-
2/His-2类型锌指基序(TFIIIA类)锌指蛋白的C-端, 这些
转录因子可降低报告基因的基础转录水平, 也可降低其
它转录因子的转录激活活性(Kaz an, 2006)。第 II 类
ERF和许多TFIIIA锌指转录因子均属于主动抑制子, 在
它们的C-端含有一段短的氨基酸序列, 可赋予它们在异
源 DNA 上的抑制活性。即使将这种抑制域与VP16转
录激活域相结合, 也可完全抑制VP16对于基因转录的激
活活性。第 II类 ERF的氨基酸序列显示了一个保守的基
序, 它对抑制活性起关键性作用, 称为EAR基序(L/FDLNL/
F(x)P)。如 AtERF4的 C-端抑制域为DLDLNL, 如果该抑
制域内发生突变, 抑制功能也随之消失(Ohta et al., 2001)。
在小麦、拟南芥和矮牵牛中都发现了许多含有这种EAR
基序的锌指蛋白, 且都表现出抑制作用。SUPMAN是一
种TFIIIA类锌指蛋白, 共含有204个氨基酸, 其C-端的175-
204位残基包含了一个类似于EAR基序的区域, 其抑制域
为 DLDLEL(Hiratsu et al., 2002)(图 1)。
4.2 类EAR基序
HSI2蛋白是 B3 DNA 结合蛋白的一个亚家族, 包括
HSI2、HSI2-L1和 HSI2-L2。与其它 B3 DNA 结合蛋
白相比, 它们除含有共同的 B3 DNA 结合域之外, 还有
4个保守的共有序列。HS I2 成员在其C- 端有一个与
EAR基序相类似的结构域, 此结构域使它们成为主动抑
制蛋白(Tsukagoshi et al., 2005, 2007)(图 1)。
4.3 LxLxL基序
Aux/IAA蛋白是一类短的核蛋白, 它可以抑制早期植物
激素应答基因的表达。许多 Aux/IAA 蛋白都包含 4个
保守域, 其 1号域含有 LxLxL基序, 对于抑制功能起关
键作用, 前 2个 L被 A替代后抑制功能基本消失, 而第3
个 L被 A替代则还具有一定程度的抑制功能。Aux/IAA
蛋白中的抑制域在结构上与一些 E RF 和拟南芥 S U-
PERMAN (AtSUP)的抑制域具有相同之处, 说明它们的
抑制功能具有相似性(Tiwari et al. , 2004)(图 1)。
4.4 富脯氨酸抑制域
SCBF-2是大豆的G-box结合因子(GBF), 其 N-端有一
个富脯氨酸基序, C-端有一个锌指DNA 结合域。一些
含有富脯氨酸基序的转录因子是激活子, 但 SCBF-2是
一个抑制子, 其中富脯氨酸基序被认为是抑制域(Liu et
al. , 1997)。
348 植物学通报 25(3) 2008
4.5 DLN盒
ZPT2相关蛋白是一类含有2个标准的Cys-2/His-2类锌
指基序的蛋白家族, 它们在植物中构成了一类相对庞大
的转录因子家族。在拟南芥中, 共发现了 18 个编码
ZPT2相关蛋白的基因, 依据它们各自 DNA结合域的相
似性被分为两类。第一类有 6 个基因, 包括 A Z F 1、
AZF2、AZF3和STZ等, 它们具有相似的DNA结合域,
且 C- 端都有一个包含DLNL (DLN盒)的短疏水序列
(Sakamoto et al. , 2004)。瞬时表达实验显示AZF2和
STZ都属于主动抑制子, 将 STZ/ZAT10或 ZAT11与酵
母转录因子GAL4的DNA结合域融合以后, 这些融合蛋
白在转录中表现出抑制功能, 并且 C-端的 DLN盒也被
认为是一个转录抑制域(Ohta et al. , 2001)。
4.6 OVATE抑制域
此抑制域的功能有待于进一步确定。OVATE基因的终
止突变使番茄由正常的圆形变成梨形, 它的C-端包含一
个约 70个氨基酸的OVATE域, 被称为DUF623域。在
拟南芥中发现了 18个含有OVATE 域的 AtOFP 基因
(Hackbusch et al., 2005), 并且AtOFP1是一个主动抑
制蛋白。在 AtOFP1的OVATE 结构域内有一段LxLxL
序列。实验证明使这个蛋白成为主动抑制子的结构域
图 1 植物第 II类ERF蛋白、B3结构域蛋白、TFIIIA 类型锌指蛋白和 A tIA A 家族蛋白的抑制域的核心基序
保守性氨基酸残基用反显字母表示。每个蛋白名的前 2位字母表示物种名。A t: 拟南芥; Nt: 烟草; Os : 水稻; Ph: 矮牵牛; Sh: 有钩柱
花草
Figur e 1 Core motifs of repression domains of plant class II ERF proteins , B3 domain proteins , TFIIIA- type Zn-f inger , and AtIAA
family proteins
Conserved amino acid residues are denoted w ith reverse-displayed letters . The f ir st tw o letters of each protein name represent
the name of the source species . A t: Arab idopsis thali ana; Nt: Ni cotiana tabacum; Os: Oryza sativa; Ph: Petunia hybr ida; Sh:
Stylosanthes hamata
349杜娟等: 植物转录抑制子的结构特征及其作用机理
并不是 O V A T E 域, 而是该蛋白的一段中间序列。
AtOFP2和 AtOFP7不含OVATE 域, 但仍然具有主动
抑制功能, 在这几个蛋白中 LxLxL序列对于抑制几乎不
起任何作用(Wang et al. , 2007)。
5 植物转录抑制子的作用机理
由于转录过程中蛋白质之间互作的复杂性和多样性, 使
得抑制机制的分类也变得非常复杂。在动物中, 以主动
抑制方式进行作用的抑制子通常都是与基本转录单元发
生相互作用, 而以被动抑制方式进行作用的抑制子通常
是与激活子相互作用。在植物中, 虽然没有确切的证据
表明其作用方式, 但可依据动物中的抑制机制来初步推
断植物中可能的抑制机制。抑制子主要通过 3条途径抑
制转录的起始和延伸(Cowell, 1994; Roberts, 2000;
Gaston and Jayaraman, 2003; Thiel et al. , 2004)。
5.1 通过对转录激活子的作用而阻止转录
很多抑制子可以通过与激活子的相互作用来进行转录调
节, 激活子的功能可能在很多水平上受到抑制子的影响,
如核定位、与 D N A 的结合及刺激转录起始的能力
(Herschbach and Johnson, 1993)。
5.1.1 占据了激活子在 DNA上的结合部位
激活子和抑制子在DNA上可具有相同的结合部位, 当激
活子结合上去的时候, 促进下游基因的转录, 而如果抑制
子结合到该位点, 则阻碍了激活子的结合, 从而不能起始
基因的转录。
5.1.2 与激活子形成复合物
抑制子可以与激活子发生相互作用而形成复合物, 使激
活子不再具有与DNA结合的能力, 甚至促进其进入蛋白
体的泛素蛋白周转系统而发生降解, 从而不能起始转
录。植物中有一类至少含 20 个成员的复杂的热胁迫转
录因子 Hsfs, 其中 Hsfs A4和 A5因其独特的结构特征
而不同于其它成员。Hsfs A4是在热胁迫下基因表达的
激活子, 而 A5则是 A4激活活性的专一抑制子。A5正
是通过其OD域与A4结合, 改变了A4的聚合物状态, 致
使它与DNA的结合活性下降从而起到抑制作用(Baniwal
et al. , 2007)。
5.1.3 淬灭(quenching)
抑制子与激活子相互作用, 从所表现出来的现象来看似
乎是这种互作阻断了激活域的活性。
5.1.4 遮蔽(masking)
有些转录因子伪装成辅助激活子与激活子的激活域结合,
从而阻断了激活子与其目标之间的作用, 抑制目标基因
的转录(Liu et al. , 1999)。
此外, 抑制子还可以通过对激活子或辅助激活子的
转录后修饰及调节激活子的细胞内定位等方式, 产生转
录抑制作用(图 2 )。
5.2 通过对基本转录复合物的作用而阻止转录
抑制子通过与激活子的相互作用起到的抑制作用存在一
定的弊端, 因为很多真核生物的基因都受到多个激活子
的共同作用。要全部抑制这些激活子的作用就需要很
多特异性的抑制子。一个更为有效的方法是直接干扰
基本转录复合物的形成(Herschbach and Johnson,
1993)。(1) 修饰 RNA 聚合酶 II的大亚基。RNA聚合酶
II的 C-端域(CTD)是直接抑制的目标位点, 在转录过程
中, 抑制子对 RNA 聚合酶的 CTD进行糖基化和去磷酸
化, 在延伸过程中则对 CTD进行磷酸化和去糖基化, 通
过对 RNA 聚合酶 CTD在时空上的变换修饰, 产生转录
抑制作用(图 3)。(2 )抑制 TBP (TA TA box-bi nd ing
protein)与 DNA 的结合。TBP 是形成转录起始复合物
的一个重要成分。基因特异性抑制的一个重要机制就
是抑制 TBP与 DNA的结合(图3)。(3)抑制通用转录因子
(general t ranscript ion fac tors , GTFs)间的相互作用。
转录起始复合物的形成需要多种通用转录因子的参与,
抑制子可通过结合TBP, 阻止其它转录因子在启动子处
的组装, 从而抑制转录的起始(图 3)。(4)在转录起始复合
物结合到DNA上并起始转录之后, 仍能对转录起抑制作
用, 如在起始位点上抑制 DNA螺旋的解链等。(5)抑制子
350 植物学通报 25(3) 2008
还可通过间接抑制方式起作用, 即抑制子结合到启动子
上游的DNA高亲和位点, 从而招募更多的抑制子结合到
TATA盒附近的DNA低亲和位点上, 阻止TFIID与TATA
盒的结合。
5.3 通过重塑染色体结构或结合特定DNA区段
而阻止转录
基因沉默一般与异染色质有关, 可以通过染色体折叠使
基因位于异染色质区来实现转录抑制。染色质结构的
改变可以通过 DNA / 核小体结构的改变或对染色质 /
DNA 的共价修饰来完成。被抑制的基因通常表现出低
水平的组蛋白乙酰化和高水平的 DNA 甲基化。有研究
表明, 主要组蛋白赖氨酸的乙酰化有利于基因的转录, 这
也许是因为它降低了组蛋白与 D N A 之间的亲和性
(Wolffe et al. , 1997; Arnost i, 2004)。拟南芥 AP2基
因将 AG基因限定在花器官的第 3和 4层中表达, 原因
就是 AP2能特异地与 AG基因的大内含子结合, 直接抑
制了第 1和 2层中 AG 基因的转录(Bomblies et al. ,
1999 )。
5.4 植物含EAR基序抑制子的作用机制
目前在植物中所发现的几乎所有的抑制域都与 EAR基
序具有一定程度的相似性, 那么它的作用机制是怎样的
呢？在防御中 E AR 抑制子主要通过两种方式起作用。
(1)在没有胁迫时, 抑制与防御和胁迫有关的基因表达。
(2)参与胁迫相关的基因表达, 在EAR抑制子的参与下进
行可控制的活化, 这样可避免任何由于反应失控造成的
对植物自身的伤害。
Weigel等(2005)报道了一个名为NIMIN1的EAR抑
制子, 在拟南芥中负调节PR1的表达。NIMIN1没有任
何 DNA 结合域, 与 NIM1/NPR1互作而行使负调节功
能。NPR1是一个含有 ankyrin域的蛋白, 它与 TGA 转
录因子家族成员相互作用而正向调节 PR1。在水稻中
也发现了类似的作用机制, 水稻PR1的负调节由负调控
因子 NRR 和 NHI 以相似的机制完成(Che rn et al . ,
2005)。EAR抑制子可以通过与目标基因表达相关的激
活子间的相互作用来行使负调节功能, 并且这种调节机
制在双子叶和单子叶植物中都相当保守。
在植物中, 非生物胁迫应答也受到严格的控制。
AtERF7参与拟南芥的ABA和干旱胁迫应答, 体外和体
内的分析结果都说明 AtERF7具有抑制活性, 虽然没有
证据表明其EAR基序直接参与了抑制反应, 但AtERF7
存在主动抑制的可能性。与 AtERF4类似, AtERF7结
合于GCC-box并招募 AtSin3和 HDA19, 由 HDA19介
导的组蛋白去乙酰化增加了组蛋白与DNA的结合, 从而
阻断了激活子结合到它特异的 DNA序列上。说明EAR
抑制子也可以通过对染色体的修饰来达到抑制转录的目
的(Kazan, 2006)。在其它真核细胞中, 通过修饰染色
体进行转录抑制是许多主动抑制蛋白的常用机制。
6 植物转录抑制子的应用与研究展望
对于含有EAR基序的转录因子的研究才刚刚开始, 但其
神奇的抑制域却已被用于基因改造中。在激活子C-端
图 2 通过废除激活子的功能而发生的转录抑制(Ga s ton and
Jayaraman, 2003)
A: 激活子; PIC: 转录前起始复合物; R1-R5: 抑制子。抑制子常
引导激活子或辅助激活子的降解(R1), 或将激活子保持在一种非生
产性复合物中(R2和R3), 一些抑制子阻止激活子与PIC接触(R4),
另一些抑制子则对激活子进行翻译后修饰(R5)
Figur e 2 Repression by the ablation of activator function
(Gaston and Jayaraman, 2003)
A: A ctivator ; PIC: Pre-init iation complex; R1-R5: Repressors.
Repressors often target activators or co-activators f or degra-
dation (R1) or hold activators in non-productive complexes (R2
and R3) . Some repressors block activator -PIC contacts (R4).
Other repressors post-trans lationally modify activators (R5)
351杜娟等: 植物转录抑制子的结构特征及其作用机理
等位置附加一段来自于EAR抑制域的核心基序, 形成融
合蛋白, 可将其转变为一个高效的负调控因子, 再将它们
通过转基因手段转入植物中, 用于对目标基因进行特异
而高效的表达抑制 , 被称为融合抑制子沉默技术
(chimeric repressor s ilenc ing technology, CRES-T)。
该技术在动物中已成功应用, 但在植物中目前只有拟南
芥的相关报道。拟南芥中由 4 个高度同源的冗余成员
PAP1/MYB75、PAP2/MYB90、MYB113和MYB114
构成一个小家族, 在 PAP1的 C-端附加一段SUPER-
MAN EAR抑制域的序列 LDLDLELRLG后, 成功地将
PAP1转变为一个负调控转录因子。转化野生型拟南芥
后, 其转基因植株从深褐色种皮变为了透明种皮, 说明种
皮中 P A P 1 的功能及种皮色素的合成受到了抑制
(Matsui et al., 2004)。理论上植物的许多转录因子均
可采用相同原理进行正 -负调控转换的改变, 这是继反
义 RNA 和 RNAi 技术之后, 可用于转录因子基因沉默
的又一项新技术, 对于鉴定转录因子的功能和转基因性
状改良的意义重大。
目前对于抑制子抑制机制的研究仍是一个薄弱环
节。很多抑制子的抑制机制尚不清楚。如 ZAT12负调
控与寒冷耐受性相关的正向转录因子的表达, 但它仍然
增加了植物对于寒冷的耐受程度, 这也许是通过另一种
非常神奇的机制完成的(Vogel et al., 2005)。抑制子
研究具有重要的生物学意义, 对植物转录抑制子的深入
研究必将揭示新的分子机理以及发展新的抑制技术。
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图 3 通过对基本转录单元的作用而发生的转录抑制(Gaston and
Jayaraman, 2003)
(A)抑制子通过与RNA聚合酶或转录因子的结合而阻止它们与启
动子的结合;
(B) 抑制子通过竞争性结合(R1)或与TFIID结合(R2)而阻止TFIID与
TATA元件的结合;
(C) 抑制子阻止通用转录因子间的相互作用
R、R1和R2: 抑制子; TFIIA、TFIIB、TFIID和TFIIE: 通用转录
因子; TATA: 启动子的TA TA 盒
Figure 3 Repress ion via the basal machinery (Gas ton and
Jayaraman, 2003)
(A) Repressors bind to and/or modif y RNA polymerase or GTFs
and block binding to the promoter;
(B) Repressors block the binding of TFIID to the TATA element
either by competing for the TATA element (R1) or by binding to
TFIID (R2);
(C) Repressors block interactions betw een GTFs
R, R1 and R2: Repressors; TFIIA, TFIIB, TFIID and TFIIE: General
transcr iption f actors; TATA : TA TA box of the promoter
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Abstr act Transcription f actor can act as an activator or a repressor. Although mult iple s tandards can be used to class ify plant
repressors, repressors can be pr imar ily div ided into ac tive and passive repressors according to their ac tion mechanism. Like
ac tivators , repressors also possess various DNA binding domains such as z inc- f inger, MYB, AP2/EREBP, bHLH, and bZIP domains.
Plant active repressors directly repress transcription via their repress ion domains. Dif ferent types of repress ion domains exis t, but
mos t of them contain EA R or EAR-like motifs that harbor several conservative leucine residues. Plant repressors repress transcr ip-
tion of target genes by interacting w ith activators, acting on the basal transc ription- factor complex or remodeling chromosome
s truc tures. Study of plant repressors is insuf f icient, but charac terization of EA R motifs of repressors such as Arabidopsis
SUPERMA N sugges ts that repression domains are core targets for elucidating the f unctions of plant repressors and the express ion
regulation mechanisms of their dow nstream genes. Chimeric repressor silenc ing technology (CRES-T) also provides a new method
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(责任编辑: 白羽红)
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