全 文 ：逆境相关植物锌指蛋白的研究进展*
田路明1, 2 黄丛林1 张秀海1 张潞生2① 吴忠义1①
( 1北京农业生物技术研究中心,北京 100089; 2中国农业大学农学与生物技术学院,北京 100094)
摘 要: 锌是植物必需的营养元素, 锌指蛋白因其具有指状结构特征且能结合 Zn2+ 而得名, 植物锌指蛋白包
含特有的 QALGGH 保守结构,可能涉及调控植物特有的生物学功能。人们已经从拟南芥( A r abidopsis thaliana)、
矮牵牛( P et unia hybr ida V ilm)、水稻( O r yza sativa)、大豆( G lycine max )、棉花( Gossypium hirsutum)等植物中克隆
了许多编码锌指蛋白的基因,并对其结构及功能进行了研究。利用转基因技术, 将一些与逆境胁迫相关的锌指蛋
白基因在目标植物中过量表达后,能对植物起到增强抗逆性的作用, 说明锌指蛋白在增强植物逆境抗性方面有着
广阔的应用前景。
关键词: 逆境胁迫 锌指蛋白 锌指蛋白结构 锌指蛋白功能 植物抗逆性
Advances of Plant Zinc Finger Proteins Involved in Abiotic Stress
T ian Luming1, 2 Huang Conglin1 Zhang Xiuhai1 Zhang Lusheng 2① Wu Zhongyi1①
( 1 Bei j ing A gr oBiotech nology Re search Cen ter , Be ij ing 100089;
2 Col le ge of A g ronomy and B iot echnolog y , China Ag ri cul tural Univ er si t y , B eij in g 100094)
Abstract: Zinc is necessary to plant nutr ient s. Z inc finger pro tein is named as it conta ins fingerlike domain
that has Zn2+ binding ability. Zinc finger pro tein has plantspecific conserv ativ e QALGGH mo tif, w hich may has
specific functions in plants. People have cloned many genes coding zinc fing er pr oteins fr om Arabidopsis thaliana,
Petunia hybrida, r ice( O ry za sativa ) , soybean( G ly cine max ) , co tton( Gossypium hirsut um ) etc, and studied their
st ructur es and functions. Some zinc finger pro teins could confer plants tolerance to abio tic st ress w hen they w ere o
verexpr essed. Zinc finger pr oteins may contr ibute a lot in the applicat ions for engineer ing stress tolerant plants. In
this review , pr og ress of plant zinc fing er pro teins involved in abiotic stress is discussed.
Key words: Stress Zinc finger pr otein Structure o f zinc fing er pr otein Function of zinc fing er pr otein
Plant to ler ant to abiotic str ess
人们在 1869年发现锌是真核生物所必需的微
量元素,但是真正开始从本质上揭示锌在生命体中
的作用,是 1940年 Kelin和 Mann首次发现一种含
锌的酶 碳酸酐酶。至今, 人们发现的含锌酶已达
300多种,后来证实许多直接参与 DNA 转录和复制
的核蛋白是含锌的蛋白质。1983年, M iller 等在研
究非洲爪蟾卵母细胞时, 发现了第一个控制基因转
录的锌指蛋白( Zinc finger protein)转录因子 TFII
IA。此后的十几年中, 已发现在哺乳动物、酵母、病
毒等的各种控制复制和转录的 500多种蛋白中具有
这种锌指类结构基序。现已知锌指蛋白广泛分布在
真核生物体中,目前发现的锌指蛋白类型有 C2H 2 ,
C2HC, C2 C2 , C2HCC2C2 , C3HC, C2 C2C2 C2
[ 1]
,其
中 Cys 2His2型是真核生物基因组中最大量的锌指
蛋白。据统计,在酵母基因组中大约有 500 个编码
锌指蛋白的基因, 而哺乳动物有 1%的基因编码锌
指蛋白,人类基因组中可能有将近 1%的序列编码
含有锌指基序的蛋白质, 在拟南芥 ( Ar abidopsis
thaliana)植物中现已发现有 176种 Cys2His2型锌指
蛋白。本文主要就其中与逆境胁迫相关的植物锌指
收稿日期: 20050518
* 基金项目:北京市科委新星计划项目( H020821330130)资助
作者简介:田路明( 1978 ) ,男,在读硕士,研究方向:逆境分子生物学
①通讯作者:吴忠义、张潞生, Em ail: zwu22@ hotm ail. com, Lush eng@ cau. edu. cn
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 6期
蛋白研究进展作了综述, 为人们进行植物的抗逆基
因工程改良提供依据。
1 锌指蛋白结构特征
锌指蛋白是基于它的结构特征而得名, 在锌指
蛋白中,几个保守的氨基酸(一般为 Cys 与 His)与
一个 Zn2+ 结合,形成一个在蛋白质中相对独立的区
域。锌指一般可以分为两种典型类型: 一种为 Cys2 /
H is2 ( C2H 2 )型,即两个 Cys和两个 His结合一个锌
离子( Zn2+ ) ,由于其最初发现于 TFIIIA 因子中, 又
称为 T FIIIA类型的锌指蛋白( T F A 因子为 RNA
聚合酶 转录 5SrRN A 基因所必需) ; 另一种锌指为
Cys2 / Cy s2 ( C2 C2 )型锌指,即四个 Cys与一个锌离子
结合,这类锌指常见于一些类固醇受体中, 如雌激素
受体、皮质糖受体等。
图 1a 图 1b 图 1c
图 1 转录因子 SP1的锌指基序( a)及空间结构( b, c)示意图
Cys2His2型锌指结构是真核生物的转录因子中
研究最为清楚的一类,锌指本身大约为 23个氨基酸
左右,一个锌指结构的保守序列为: CysX2~ 4Cys
X3PheX5LeuX2HisX 3H is 连接两个锌指间约
为7~ 8个氨基酸。图 1a 所示为转录因子 SP1中的
锌指结构, SP1属于典型的 TFIIIA 类型的锌指蛋
白。其中两个 Cys 和两个 His 与锌离子形成配位
键,进而形成一个包含发夹和一个 螺旋的紧密
指状结构。
植物的锌指蛋白中所含有的锌指结构数目一般
从 1个到 4个不等。C2H 2型植物锌指蛋白有两个
显著的结构特征:一是两个相邻锌指结构间的间隔
比较长,并且有较大变化,相比之下大多数动物的两
个锌指间的距离很短,一般为 7个氨基酸左右;二是
发现锌指与 DNA 接触面处有一段高度保守的氨基
酸序列QALGGH [ 2] 。QALGGH是植物锌指蛋白
所特有的 [ 3] , 在其他真核生物中都还未发现锌指蛋
白中具有这一高度保守的特征序列, 例如在已发现
的所有动物锌指蛋白中都没有这一序列, 表明植物
C2H 2型锌指蛋白可能涉及调控植物特有的生命活
动。而且植物中还有许多不同于 T FIIIA 结构的锌
指类蛋白, 除了能与 DNA 结合外, 还能与 RNA
结合。
2 拟南芥植物 C2H2型锌指蛋白家族分类
在拟南芥中现已发现有 176种 Cys 2His2型锌
指蛋白,这些锌指蛋白中仅有 33种与其他真核生物
的锌指蛋白具有保守性, 而其他大多数( 81% )都是
植物所特有的, Englbrecht等 ( 2004)从结构特征方
面对这 176种锌指蛋白进行对比分类研究,根据锌
指结构的数量和两个锌指之间氨基酸间隔数量可归
纳成 A+ B和 C 两大家族,其中 A 1和 C1家族数量
最多[ 4] (结果见表 1)。
表 1 拟南芥植物中的 C2H2型锌指蛋白的概况
家族分类 A+ B家族 C1亚族 C2亚族 C3亚族 整个家族
保守的 ATZFPs 6 ( 18% ) 2 ( 3% ) 9 ( 20% ) 16 ( 73% ) 33 ( 19%)
特有的 ATZFPs 27 ( 82% ) 75 ( 97%) 35 ( 80% ) 6 ( 27% ) 143 ( 81% )
总 ZFPs 33 77 44 22 176
132005年第 6期 田路明等:逆境相关植物锌指蛋白的研究进展
3 与逆境胁迫相关的植物锌指蛋白
调控 DNA 转录的转录因子蛋白类型有: 螺旋
转折螺旋 ( helixturnhelix ) , 亮氨酸拉链 ( leucine
zipper ) ,锌指蛋白( zinc finger pro tein)和带( rib
bon) ,其中锌指蛋白是真核生物中最普遍存在的一
类 DNA 结合蛋白。许多转录因子具有锌指结构
域,通过与特定的靶 DNA或靶蛋白结合负责调控基
因的表达[ 5] 。植物基因组中有相当一部分基因参与
对环境变化的信号转导或转录调控, 且往往是以家
族形式出现的。如拟南芥中约有 1 500种转录因子,
分属于各种基因家族; 其中有 105 种 C2H 2型锌指蛋
白,含锌转录因子占转录因子总量的 22% [ 6]。T FII
IA 类型的植物锌指蛋白参与了一些重要的调控过
程,如:形态建成、雄性配子产生、胁迫反应、胚发育
等等。表 2列出了现已知的一些与逆境相关的植物
锌指蛋白。
表 2 一些与逆境相关的植物锌指蛋白
蛋白名称 基因号 锌指数 功能描述 植物
AZF3 A t5g43170 2 盐、冷诱导 拟南芥
ST Z/ ZAT A t1g27730 2 盐、冷诱导 拟南芥
ZAT12/ RHL41 A t5g59820 2 光、氧胁迫 拟南芥
OSZFP1 A F171223 2 盐诱导 水稻
OSISAP1 A F140722 盐、干旱、冷抗性 水稻
ZPT 22 D26083 2 胁迫相关 矮牵牛
ZPT 23 D26086 2 干旱胁迫相关 矮牵牛
SCOF1 U68763 2 耐冷 大豆 A Y349618 氧胁迫诱导 拟南芥
BQ739875 干旱、盐诱导 大麦 CB 097059 干旱诱导 水稻
CA 766786 干旱诱导 水稻 CA 763955 干旱诱导 水稻
A L749964 干旱诱导 松树
A L749962 干旱诱导、耐盐 松树 A W035476 渗透胁迫诱导 西红柿
A W032003 渗透胁迫诱导 西红柿 A F053077 渗透胁迫诱导 烟草
CO267871 渗透胁迫诱导 马铃薯 CF 369279 渗透胁迫诱导 无梗花栎
CB 074315 伤病诱导 拟南芥 B I543265 非生物胁迫诱导 甜菜
B I543239 非生物胁迫诱导 甜菜
B I09627 非生物胁迫诱导 甜菜
注: 表示未知或没有。
3. 1 与盐胁迫有关的锌指蛋白
Lippuner 等( 1996)利用酵母盐敏感突变体, 采
用功能互补技术从拟南芥 cDNA 文库中筛选到一个
典型的 C2H 2型双锌指结构的转录因子 STZ, 该基因
是真核生物中发现的第一个耐盐胁迫的锌指蛋白转
录因子, S TZ 的表达能够消除钙调磷酸酶缺失酵母
的盐敏感性, 并且它在调控下游与耐盐性有关基因
的表达中可能起关键作用;在 NaCl处理时拟南芥根
部的 S TZ 和 ST Z 的类似物表达量升高[ 7]。Saka
motod等( 2000)研究 ST Z 以及拟南芥其他 3 个 C2
H 2双锌指蛋白 AZF1、AZF2、AZF3, 发现在高盐胁
迫下, 这 4 个锌指蛋白基因的表达量都增加, 而
AZF2的表达延迟, ABA 处理后发现只有 A ZF2表
达量增加。因此, 认为 A ZF 2 可能是参与依赖与
ABA 的信号途径中的调节因子, 而其他 3个可能不
参与依赖于 ABA 的信号途径[ 8]。
王东等( 2002)从棉花( Gossypium hirsutum)花
瓣 cDNA 文库中随机挑选部分克隆,经测序发现一
个与拟南芥耐盐锌指蛋白基因同源的 cDNA
( CSTZ) , 含典型的植物双锌指( Cys2 / H is 2 )结构
区。Northern 杂交证实, CS TZ 的表达随棉花幼苗
钠盐处理浓度的升高而增强。在棉花花龄期, CST Z
基因在叶片、根、花瓣和花药组织中大量表达, 在柱
头组织中表达相对较弱[ 9] 。黄骥等( 2002)分离了水
稻( Ory za sat iva)的 C2H 2型锌指蛋白基因, 序列分
析表明它们与 STZ 的锌指区有高度的同源性,盐诱
14 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 6期
导下表达量显著增强[ 10] 。Mukhopadhyay 等( 2004)
通过水稻 cDNA 克隆得到一个编码锌指蛋白基因
OSISAP1, 它编码含 Cx2–4 Cx 9–12 Cx2 Cx4 Cx 2 Hx5
HxC 序列的共 164个氨基酸的锌指蛋白。过量表达
OSISAP1, 可使转基因烟草耐盐性、耐旱性和耐冷性
提高[ 11] 。Li等 ( 2001) 从盐胁迫诱导下分离得到了
下调的OSZFP1基因编码一个145氨基酸的有3个
可能的 C2 C2型锌指结构域, OSZFP1在水稻芽的表
达量要比在根部高, 对芽 6 小时的盐胁迫处理后
OSZFP 1表达量下降。在根部 3小时的盐胁迫处理
后 OSZFP 1表达量下降;另外,外源 ABA 可明显降
低 OSZFP 1在芽部的表达[ 12]。孔瑾 ( 2004)构建了
35S 启动子的 OSZFP 1基因的植物表达载体, 并将
其转入拟南芥和水稻愈伤组织中以过量表达 OS
ZFP 1基因。转基因的拟南芥植株和水稻愈伤组织
对盐处理的敏感性都比野生型要高。这一结果表明
OSZFP 1基因可能编码一种负调控蛋白,它可能抑
制某些盐诱导基因的表达。在 ABA 处理下, 转基因
拟南芥植株比野生型植株抽苔晚,说明 OSZFP 1基
因的作用可能受 ABA 调节 [ 13]。
3. 2 与冷胁迫有关的锌指蛋白
低温能够诱导植物体内一些锌指蛋白基因发挥
作用,使植物耐受低温胁迫。Alexander等( 1999)发
现在冷胁迫下, 转 ZPT22: : L UC 基因的矮牵牛
( Petunia hybrida Vi lm ) 叶片中该基因受冷诱
导[ 14] , ZPT 23亦受冷诱导表达[ 15] , 但是没有报道
转基因植物是否更加耐受低温胁迫。Sakamoto 等
( 2000)研究冷诱导下 STZ 以及拟南芥其他 3个 C2
H 2双锌指蛋白基因 A ZF1、A ZF2、A ZF3 的表达情
况, A ZF1、AZF3和 S TZ 的表达获得增强,而 AZF2
的表达没有显著变化[ 8]。Kim 等 ( 2001 ) 从大豆
( Gly cine max )中通过 cDN A 克隆得到一个编码 C2
H 2型锌指蛋白基因 SCOF1, SCOF1 是由低温和
ABA 诱导的核定位的锌指蛋白基因, SCOF1组成
型过量表达诱导 COR 基因的表达并且增强未经抗
寒锻炼的转基因拟南芥和烟草( N icot iana tabacum )
的抗寒能力, 冷害后的 SCOF1 转基因植株比对照
恢复的快,并且发现 T 2代的 SCOF1转基因拟南芥
仍能稳定诱导表达冷调节基因如 COR15a, COR47
和 RD29B在非低温下表达。有趣的是, SCOF1显
著增强 SGBF1体外绑定 ABRE序列的活性, 酵母
双杂交系统实验证明 SCOF1和 SGBF1蛋白之间
能相互作用,蛋白与蛋白之间的作用对于 ABRE 参
与冷调节基因的表达以增强抗寒能力是非常重要
的[ 16]。Mukhopadhyay 等 ( 2004)研究表明转 OS I
SA P1基因的烟草在低温条件下,明显表现出较强的
抗寒能力如叶片较深绿, 而且转入正常条件下转基
因植株恢复较快 [ 11]。
3. 3 与干旱胁迫有关的锌指蛋白
干旱能诱导矮牵牛 ZPT 22 的表达 [ 14] , 基于
ZPT 22(后重新命名为 EPF25)的同源性, Sugano
等( 2003)分离到干旱上调基因 ZPT23(后重新命
名为 EPF27) ; ZPT 23由冷, 干旱、茉莉酸和重金
属诱导而不是由 ABA 诱导。在干旱胁迫下过量表
达 ZPT 23 的转基因矮牵牛表现出明显的抗旱
性[ 15]。Mukhopadhyay 等( 2004) 验证了 OS I SA P1
的转基因烟草较野生型抗旱性明显增强[ 11] 。Saka
moto 等( 2004)利用绿色荧光蛋白融合基因的瞬时
表达显示了 AZF1、AZF2、AZF3 和 ST Z 的核定位
区,以 RNA 凝胶电泳技术分析这些基因在逆境下的
诱导表达情况,发现 A ZF2和 STZ 由干旱、高盐、冷
和 ABA 诱导显著,而且这两个基因在叶中的表达量
比在根部高,转 S TZ 基因的拟南芥表现出较强的抗
干旱能力,并且转基因植株有矮化现象[ 17] 。
3. 4 与氧胁迫有关的锌指蛋白
抗坏血酸过氧化物酶 1( Apx1)是植物体内 H 2
O2的一个重要的清除剂。在活性氧类( react ive oxy
gen species, ROS)存在时,有一些转录因子如MYB、
WRKY、热激因子和多种类型锌指蛋白的含量增加,
它们共同参与维持 ROS 的稳定含量 [ 18]。Rizhsky
等( 2004)发现拟南芥 Apx1缺失突变体中, H 2O2含
量升高后,转录因子 ZA T 12、ZAT 7和 WRK Y25的
表达量同时增加; ZA T12和 ZA T7 转基因植物增强
了耐氧胁迫能力,而 WRK Y25的转基因植物耐氧胁
迫能力并没有增强; 实验表明: 虽然转 ZAT 12、
ZA T 7或 WRK Y25 的转基因植物并不能使 A px1
表达量增加,但是缺乏 ZA T12 的植物对高 H 2O 2含
量反应比野生植物更敏感[ 19] 。Epple等( 2003)研究
发现,拟南芥的两个锌指蛋白 Lsd1, Lol1参与 ROS
的信号传导和控制细胞程序性死亡 [ 20]。
152005年第 6期 田路明等:逆境相关植物锌指蛋白的研究进展
3. 5 强光胁迫下有关的锌指蛋白
正常生长的野生拟南芥对强光的耐受能力是很
弱的,植物能够耐受强光的能力与光照时间、光质有
一定关系。Lida等( 2000)在拟南芥中通过 cDN A克
隆得到一个编码 C2H 2型锌指蛋白基因 RH L 41,
ZA T 12和 RH L 41是具有相同结构的同一基因。过
量表达 RH L 41 的转基因植物, 耐强光能力明显增
强,表现为形态上的剧烈变化如栅栏薄壁组织增加、
花青素和叶绿素含量的增加[ 21] 。与强光胁迫有关的
锌指蛋白研究还较少,该领域工作有待加强。
4 应用前景及展望
逆境条件能诱导许多逆境相关的转录因子的表
达, 这些转录因子能激活许多抗逆功能基因同时表
达,提高植物的抗逆性。在改良植物的抗逆性方面,
人们利用多类转录因子做了很多的尝试[ 22~ 24]。锌
指是识别特定碱基序列的一种普遍性的转录因子结
构, 通过基因工程技术过量表达一些锌指蛋白可以
提高植物的耐非生物胁迫能力,如 Kim 等( 2001)把
大豆锌指蛋白基因 SCOF1转入拟南芥和烟草, 转
基因植株的抗寒能力显著增强 [ 16] ; Sugano 等( 2003)
获得锌指蛋白 ZPT 23 的转基因矮牵牛表现了对干
旱胁迫能力的增强[ 15] ; Mukhopadhyay 等( 2004)将
水稻锌指蛋白基因 OSI S AP 1转入烟草表现出对高
盐、干旱和低温的抗性增强[ 11]。纵观这些与抗逆有
关植物锌指蛋白的作用, 我们不难发现通过导入一
个抗逆植物锌指蛋白基因,可以促使多个抗逆功能
基因发挥作用, 从而为人们提供了一个利用植物锌
指蛋白基因进行分子育种的途径。目前人们已经发
现许多植物锌指蛋白基因,但是尚有很多的植物锌
指蛋白基因功能并不很清楚, 需要进一步的深入研
究。Guan等( 2002)设计了一个人造锌指蛋白,它拥
有 6个 C2H 2锌指基序, 该锌指蛋白能特异调控花发
育基因 A P3的表达, 此锌指蛋白的过量表达导致植
株不育[ 25]。试想未来人们搞清更多植物锌指蛋白基
因的奥秘之后, 可以根据需要设计预想的人工锌指
蛋白基因; 那么锌指蛋白基因将在植物抗逆基因工
程改良方面显示出巨大潜能。
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