全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 7期，2009年 7月 729
收稿 2009-05-08 修定 　2009-05-25
资助 国家自然科学基金(30300195)和河南省教育厅自然科学
研究计划项目(20 09B1 8000 8)。
* 通讯作者(E-mail: mengfanrong73@yahoo.com.cn; Tel:
0 37 1-63 5 55 79 0)。
植物甲基结合蛋白(MBD)
张问 1, 李永春 2, 张艳霞 1, 凌娜 1, 孟凡荣 1,*
河南农业大学 1生命科学学院, 2国家小麦工程技术研究中心, 郑州 450002
Methyl-Binding Domain Proteins in Plants
ZHANG Wen1, LI Yong-Chun2, ZHANG Yan-Xia1, LING Na1, MENG Fan-Rong1,*
1College of Life Science, 2National Engineering Research Centre for Wheat, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,
China
提要: DNA甲基化是生物体内普遍存在的一种基因修饰, 甲基结合蛋白(MBD)是与甲基化DNA结合的反式作用因子, 在
植物生长发育过程中起调控作用。本文介绍了植物DNA甲基化和MBD蛋白在植物生长发育调控中的研究进展, 并对其
研究前景作了展望。
关键词: DNA甲基化; MBD蛋白; 植物
DNA甲基化是生物体内普遍存在的一种基因
修饰现象。其与植物的基因表达调控、染色体结
构维持、转座子调控以及转基因沉默都密切相
关。甲基结合域(methyl-binding domain, MBD)蛋
白是与甲基化DNA结合的反式作用因子, 直接参与
对DNA甲基化依赖的基因表达调控过程。近年来,
DNA甲基化和MBD的研究已成为植物表观遗传学
研究的热点。
1 DNA甲基化与植物生长发育的调控
植物的DNA甲基化主要存在于CpG和CpNpG
这样一些对称序列的胞嘧啶(Gruenbaum等 1981;
Matzke等 1989; Tariq和 Paszkowski 2004), 这种对
称性结构为甲基化模式的遗传提供了可能。在基
因组中, 大部分甲基化胞嘧啶主要存在于富含重复
序列的异染色质(如着丝粒)等区域(Bender 2004);
近年来的研究表明, 在植物基因的转录区域也存在
一些甲基化位点(Zhang等 2006)。
在植物生长发育过程中, DNA甲基化模式是动
态变化的, 与植物生长发育的基因表达调控密切相
关。有研究表明, 拟南芥中甲基转移酶抑制表达
后, 转基因植株的甲基化水平降低, 并导致生长发
育异常, 如: 顶端优势丧失、植株变矮、根系变
短、叶片的形状和大小发生变化、花器同源异型
化、育性下降等(Finnegan等 1998)。采用去甲基
化试剂5-氮胞苷(5-azaC)处理一些植物导致受体细
胞脱甲基化后, 其一系列的表型可发生变化, 例如:
水稻植株矮化(Sano等 1990)、小麦和拟南芥花期
提前(Burn等 1993)等。
2 与甲基化DNA结合的反式作用因子MBD
迄今, 对DNA甲基化依赖的基因表达调控机
制仍不十分清楚。一般认为, 甲基化DNA能特异
结合某些调控蛋白, 进而召募转录抑制复合体(包括
共抑制因子及组蛋白脱乙酰基酶等)并诱发组蛋白
的脱乙酰化, 从而引起染色体的结构改变和转录抑
制(Jorgensen和 Bird 2002; Zemach和Grafi 2003;
Springer和 Kaeppler 2005; Ballestar和 Esteller
2005)。早期的研究表明, 哺乳动物MBD 蛋白
MeCP2可以与甲基化DNA特异结合(Meehan等
1989; Lewis等 1992); 缺失分析显示, MeCP2与甲
基化DNA结合需要一个大约70个氨基酸的最小区
域, 这一区域命名为MBD。进一步的研究表明,
MBD一般包括由几个β-折叠和1个α-螺旋组成的
特定夹层结构(Meehan等 1989; Wakefie ld等
1999)。MBD蛋白具有多个家族成员, 人类的MBD
有5个, 即MeCP2和MBD1~4 (Nan等1998; Hendrich
等 1999; Dhasarathy和Wade 2008)。植物MBD的
研究仍处于起步阶段, 其中模式植物拟南芥MBD的
植物生理与分子生物学 Plant Physiology and Molecular Biology
植物生理学通讯 第 45卷 第 7期，2009年 7月730
研究较为深入(Zemach和Grafi 2007)。
3 拟南芥的MBD及其功能
拟南芥MBD家族包含13个成员, 依据保守域
的相似性可分为 8个亚类(表 1) (Zemach和Grafi
2003; Ito等 2003; Springer和Kaeppler 2005)。表
达特性分析显示, AtMBD11在根、茎、莲座叶、
茎生叶、花芽、花和种子中均有较高水平的表达,
其余的MBD基因在不同组织间有明显的差异表达,
推测MBD可能参与拟南芥生长发育的调控过程
(Berg等 2003)。
用凝胶阻滞实验研究MBD蛋白与甲基化DNA
互作的结果表明, AtMBD5、AtMBD6和AtMBD7
可以与甲基化的CpG位点特异结合, 而AtMBD4和
AtMBD11则有不依赖于甲基化的DNA结合特性
(Ito等 2003; Scebba等 2003; Zemach和 Grafi
2003)。
与哺乳动物MBD类似, 拟南芥的MBD也可以
通过招募包含染色体修饰因子、脱乙酰化酶
(HDACs)和组蛋白甲基转移酶在内的转录抑制复合
体, 从而抑制特定植物基因的表达(Zemach和Grafi
2007)。拟南芥的AtMBD7是在植物中发现的一类
特殊MBD, 其中包含有 3个MBD保守域, 有研究
表明其中2个具有与甲基化DNA结合的功能, 以致
其与甲基化位点的结合更加稳定; 另外, 由于
AtMBD7包含有 2个具有结合特性的保守域, 所以
可能会促使DNA上2个甲基化位点通过与AtMBD7
的结合而拉近并形成特定的结构, 这可能与建立或
维持染色质的特定结构有关( Zema ch 和 G r a f i
2007)。酵母双杂交实验的结果显示, 具有精氨酸
甲基转移酶活性的AtPRMT11是AtMBD7的互作蛋
白, 而且有研究表明, 基因沉默与DNA的甲基化以
及组蛋白精氨酸甲基化都有关联 , 由此推测
AtMBD7可能参与DNA甲基化和组蛋白修饰之间
的交叉对话过程(Scebba等 2007)。
转基因技术分析拟南芥MB D 的功能显示,
AtMBD6和AtMBD7的表达抑制后, 并未观察到转
基因植株的表型变化(Zemach和Grafi 2007), 而
AtMBD11的抑制表达则会导致锯齿状叶、花器易
位、育性下降和开花延迟等异常表型( B e r g 等
2003)。有趣的是, 通过T-DNA插入导致AtMBD9
失活后, 转基因植株的开花提前, 且分支增多; 进一
步分析显示, 转基因植株中开花抑制因子 FLC
(flowering locus C)基因的表达也受到抑制, 这可能
是导致开花提前的原因之一; 在AtMBD9中还包含
有PHD结构域和乙酰赖氨酸结合域(bromo)两个保
守域, 它们都是参与转录激活的结构域。由此推
测, AtMBD9可能是开花抑制因子FLC基因的转录
激活因子, 正常表达的AtMBD9可以通过激活FLC
而抑制提前开花(Peng等 2006)。
4 其它植物的MBD及其功能
在水稻、玉米和杨树中也分别有 17、17和
14个编码MBD蛋白的基因(Springer和Kaeppler
2005)。聚类分析显示, 单子叶植物的MBD分属于
拟南芥MBD 8个亚类中的 6个亚类, 其中缺少第
IV和VI亚类的MBD (表 1), 推测单子叶植物和双
子叶植物MBD蛋白可能在进化过程中出现了功能
表 1 植物中MBD蛋白的分类
亚类 拟南芥 玉米 水稻 小麦
I MBD1 0、MBD1 1 MB D 1 0 5、MB D 1 0 6、 MBD707 TaMBD6
MBD1 09、MBD 115
II MB D 1、MB D 3、M BD 4 MBD1 01、MBD 120 MBD7 11、MBD 706 TaMBD1、TaMBD5
III MBD 2、MBD 1 2 MBD1 08、MBD 111 MBD7 01、MBD 703 TaMBD2
IV MBD 5、MBD 6 — — —
V MBD9 MBD116 MBD710 —
VI MBD7 — — —
VII MBD8 MB D 1 1 7、MB D 1 1 9、 MB D 7 0 8、MB D 7 0 9、 TaMBD3、TaMBD4
MBD121 MBD715
VIII MBD13 MB D 1 1 0、MB D 1 1 3、 MB D 7 0 4、MB D 7 0 5、 —
MB D 1 1 4、MB D 1 2 2、 MB D 7 1 2、MB D 7 1 3、
MBD123 MB D 7 1 4、MB D 7 1 5、
MBD7 17、MBD 718
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上的分支(Springer和Kaeppler 2005)。现在单子叶
植物MBD的研究主要集中在基因克隆和表达特性
的分析。有研究表明, 玉米的MBD114只在幼苗
和根尖中特异表达, 而MBD120在成熟叶中特异表
达, 其余的玉米MBD基因在胚乳、种子、幼苗、
根尖、幼叶和成熟叶片中均表达, 但不同组织间的
表达量有差异(Springer和Kaeppler 2005)。
我们课题组曾克隆了6个小麦的MBD基因, 命
名为 TaMBD1~6 (Li等 2008; 孟凡荣等 2008a)。采
用实时定量RT-PCR分析 6个小麦MBD基因在幼
穗、干种子、胚、胚乳、胚芽、胚根、茎、
根和叶片中的表达特性显示, TaMBD1、TaMBD4
和 TaMBD5在干种子和胚乳中的表达量高于其它
检测组织; TaMBD2在胚芽中的表达量高于其它组
织; TaMBD3和 TaMBD6在幼穗中的表达量最高
(李永春等 2007; Li等 2008)。我们课题组的最近
研究结果表明, 小麦的MBD基因在种子发育和萌
发过程中有不同的表达特性(未发表资料), 这预示
MBD在小麦的生长发育过程中可能有调控功能。
现在我们课题组已构建了小麦MBD基因的原核表
达载体, 并实现了小麦MBD蛋白的体外表达(孟凡
荣等 2008b, c)。
相信随着植物基因组计划的不断推进和植物
分子生物学的发展, 更多的植物MBD基因将会得
到分离和克隆。未来几年内, 植物MBD的研究热
点可能集中在以下几个方面: (1)植物MBD基因的
分离克隆及其表达特性分析; (2)植物MBD与甲基
化DNA的识别与结合特性; (3)植物MBD的互作蛋
白识别及其参与的染色质组装; (4)通过基因敲除技
术进一步分析MBD的生物学功能。
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