全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (7): 643~653 643
收稿 2012-04-19　　修定 2012-05-24
资助 国家重点基础研究发展计划(2009CB118505)和国家自然科
学基金(31071338, 31171474)。
* 通讯作者(E-mail: qwmeng@sdau.edu.cn; Tel: 0538-
8249606)。
Whirly转录因子研究进展
孔凡英, 邓永胜, 周斌, 孟庆伟*
山东农业大学生命科学学院, 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安271018
摘要: Whirly蛋白是广泛存在于植物细胞内的一种转录因子。它既能与单链DNA结合, 也能与RNA结合, 无论在细胞核还
是在质体内都有着广泛而复杂的生物学功能。本文概述了Whirly蛋白的结构、种类、分布及其作用机制, 并重点讨论了
其在细胞核及质体内的功能, 最后对Whirly蛋白研究中需要解决的问题做了展望。
关键词: 转录因子; Whirly蛋白; 单链DNA结合蛋白
Research Advancement of Whirly Transcription Factors
KONG Fan-Ying, DENG Yong-Sheng, ZHOU Bin, MENG Qing-Wei*
State Key Laboratory of Crop Biology, College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018, China
Abstract: Whirly transcription factors which are ubiquitous in the cell were shown to bind to both ssDNA and
RNA and have different functions both in nucleolus and plastids. This review summarizes the crystal structure,
distribution, mechanism of Whirly proteins binding to ssDNA and focuses on their functions in nucleolus and
plastids. The problems remain to be determined are also prospected.
Key words: transcription factor; Whirly protein; single-strand DNA binding protein
Whirly转录因子是一类植物所特有的高度保
守的单链DNA结合(single-strand DNA binding,
SSB)蛋白, 迄今为止在动物(包括线虫、果蝇)和酵
母中都没有发现。第一个Whirly家族成员是2000
年Desveaux等从马铃薯(Solanum tuberosum)中分
离出来的核转录因子PBF-2 (PR-10a binding factor
2), 它可以与激发子应答元件ERE (elicitor response
element)以单链形式结合。随后, Whirly家族成员
在众多的物种中陆续被报道, 如在拟南芥中发现
了3个该家族蛋白成员, 马铃薯中发现了2个(Krause
等2005; Marechal等2008)。此外, 在大豆、小麦、
水稻、玉米、百合等几十种植物中也都可以找到
该蛋白的氨基酸序列。广泛的分布预示着它们在
植物生长发育和各种生理过程中可能扮演着十分
重要的角色(Grabowski等2008)。下面从Whirly蛋
白家族的结构、分布和功能等几个方面全面回顾
目前相关研究的概况。
1 Whirly蛋白的结构
蛋白质的结构决定功能, 研究转录因子的结
构可以解释它们是如何与靶DNA序列结合, 如何
激活转录, 以及它们的活性是如何调节的。学者
们对Whirly蛋白的自由形式及Whirly-ssDNA复合
体等的结构进行了大量研究。
1.1 Whirly蛋白一级结构的保守性
Whirly蛋白一般有3个结构域: Whirly结构
域、N末端结构域和C末端多变区。Whirly结构域
是最重要的结构域, 是ssDNA结合的区域; N末端
结构域可能有叶绿体或线粒体信号肽以及转录激
活区; C末端多变区具有自我调节区, 可以调节
ssDNA结合活性(Desveaux等2002) (图1-A)。
Whirly蛋白在植物中是高度保守的, 将番茄
LeWhy1基因编码的氨基酸序列与GenBank中所有
的氨基酸序列进行比对, 结果显示: 无论双子叶植
物还是单子叶植物的Whirly蛋白都是高度同源的
(图1-B)。Whirly结构域是Whirly蛋白最为保守的
区域, 尤其是氨基酸残基KGKAAL、YDW、K (图
1-B中*标出), 说明该家族成员具有类似的ssDNA
结合机制(Desveaux等2005)。这个结构域一般位
于蛋白质的中间部分, 含有大约160个氨基酸, 由8
个β-折叠(β1-8)和1个α-螺旋(α2)组成。在β-折叠6
(β6)附近还有一个高度保守的区域是核定位信
植物生理学报644
号。同样, 另外2个α-螺旋(α1、α3)也是保守的。
Whirly蛋白的N末端和C末端是最不保守的区域。
许多Whirly蛋白的N末端具有寡聚谷氨酰胺、脯
氨酸或丝氨酸的转录激活区。根据系统发生分析
以及是否具有转录激活区可以将高等植物的
Whirly蛋白分为5类: ESI, 双子叶植物, 有转录激活
区; ESII, 双子叶植物, 没有明显的转录激活区;
MSI, 单子叶植物, 有富含脯氨酸的转录激活区;
MSII, 单子叶植物, 没有明显的转录激活区; GSI,
裸子植物, 没有明显的转录激活区(图2)。没有转
图1 植物中Whirly蛋白氨基酸序列比对及结构域分析
Fig.1 Multiple sequences alignment and domains analysis of Whirly proteins in higher plants
A: Whirly蛋白的结构域分析; B: 植物中Whirly蛋白氨基酸序列比对。用于生成植物中Whirly蛋白氨基酸序列比对图的序列的
GenBank登录号: 番茄(Lycopersicon esculentum L.) Why1 (AC212301); 拟南芥(Arabidopsis thaliana L.) Why1 (AAC05348), 拟南芥Why2
(NP_177282), 拟南芥Why3 (AEC05619); 马铃薯(Solanum tuberosum L.) Why1 (AAF91282), 马铃薯Why2 (ADI77438); 葡萄(Vitis vinifera L.)
Why1 (XP_002277278), 葡萄Why2 (CBI16990); 玉米(Zea mays L.) Why1 (NP_001123589), 玉米Why2 (ADX60190); 水稻(Oryza sativa L.)
Why1 (BAD68418), 水稻Why2 (EEE56344); 高粱(Sorghum bicolor L.) Why1 (XP_002436467), 高粱Why2 (XP_002453336); 短柄草(Brachypodium
distachyon L.) Why1 (XP_003557198), 短柄草Why2 (XP_003574931); 卷柏(Selaginella moellendorffii L.) Why (EFJ33294)。图2同此。
孔凡英等: Whirly转录因子研究进展 645
录激活区的Whirly蛋白可能通过形成异源四聚体
调节其转录激活活性(Desveaux等2005)。另外, 有
些Whirly蛋白的N末端还具有叶绿体或线粒体信
号肽。这意味着Whirly蛋白可能在细胞核与叶绿
体或线粒体信号转导中具有重要作用。C末端多
变区具有对SSB活性有重要调节作用的自我调节
区。它的高度保守的E和W (图1-B中*标出)可以与
ssDNA结合结构域的K (图1-B中*标出)相互作用,
而W的突变能明显提高Whirly蛋白与ssDNA的结
合能力(Desveaux等2005)。
1.2 Whirly蛋白的晶体结构特征
Desveaux等(2002)、Cappadocia等(2008; 2010;
2011)先后解析了StWhy1、StWhy2的晶体结构, 包
括自由形式和结合ssDNA的复合体形式。
1.2.1 Whirly蛋白单体的晶体结构 Desveaux等
(2002)将马铃薯p24蛋白(PBF-2的一个亚基)的晶体
结构解析到2.3 Å (图3-A)。蓝色部分代表8个β-折
叠, 红色部分是3个α-螺旋。由图3可以看出4个反
向平行的β-折叠组成1个β-片层, 即β1-4组成β-片层
1, 而β5-8组成β-片层2。两个β-片层互相垂直, 之
间由α1连接, 形成类似刀刃的突起, 看起来像陀螺,
这也是Whirly蛋白名字的由来。
1.2.2 Whirly蛋白四聚体的晶体结构 Whirly蛋白
单体(p24)的分子量是26 kDa, 而溶解状态的PBF-2
的分子量是100 kDa, 说明PBF-2是Whirly蛋白的四
聚体形式(Desveaux等2000)。研究发现, 四聚体的
直径是90 Å, 中心厚度是50 Å, 由4个p24蛋白通过
中心的螺旋-环-螺旋连接在一起, C4对称分布形成
(图3-B)。这种C4对称结构与大肠杆菌及人类的
ssDNA结合蛋白的同源四倍体的结构非常类似
(Raghunathan等1997; Yang等1997)。另外, Whirly
蛋白四聚体的β-片层结构辐射向外, 3个α-螺旋向
四聚体中心汇聚, 从而在蛋白质表面形成了一个
疏水的直径为0.8 nm的中心空穴, 这些空穴可以形
成带电的内腔。事实上, 许多植物蛋白可以形成
这种结构, 它们的中心空穴可以存储物质, 如铁蛋
白(ferritin)可以存储铁原子(Theil 1987; Grant等
1998), 硫氧化还原酶(sulfur oxygenase reductase)
可以存储代谢物(Urich等2006), 而Hsp16.5及
DegP则可以存储蛋白质(Krojer等2008; Sutter等
图2 植物中Whirly蛋白家族的系统发育进化树分析及分类
Fig.2 Phylogenetic tree and classification of the Whirly family in plants
植物生理学报646
2008)。据此, 我们推测Whirly蛋白也可能利用中
心空穴存储有害的物质, 保护DNA免受胁迫的伤
害。酵母双杂交实验显示Whirly蛋白也可以和不
同的Whirly蛋白结合, 形成异源四聚体(Desveaux
等2005)。
1.2.3 Whirly蛋白二十四聚体的晶体结构 Cap-
padocia等(2011)发现Whirly蛋白的四聚体可以进
一步组合形成四聚体的六聚体, 即二十四聚体(图
3-C)。二十四聚体是一个内空的432对称的球壳
蛋白, 外直径为12 nm, 内直径为5 nm。Cappado-
cia等(2011)发现K67, 即KGKAAL里的第2个赖氨
酸, 对于二十四聚体的形成至关重要。在马铃薯
StWhy2的晶体结构中, 它可以与F138位C骨架形
成氢键(图3-C-I); 在StWhy2-DNA晶体结构中, 它
也可以与碱基T3边缘形成氢键(图3-C-II)。突变
体实验证明K67的突变不影响StWhy2形成四聚
体及与ssDNA结合的能力, 但突变的Whirly蛋白
不能形成二十四聚体。Cappadocia等(2011)还得
到了K67A (将67位的K突变为A)突变的Whirly蛋
白自由形式及其与dT32结合形成的复合体的晶
体结构, 发现该氨基酸突变对Whirly蛋白四聚体
晶体结构的影响不大, 只是139-145环处有微小重
排, 新的环和对称的四聚体结合, 抑制二十四聚体
的形成。此外, 只有当Whirly蛋白浓度很高或与
长的ssDNA结合时才可能形成二十四聚体, 说明
二十四聚体对于长的ssDNA的结合具有重要作
用。
两个相邻的二十四聚体可以通过β-折叠或外
表面的ssDNA的相互作用形成四十八聚体 (图
3-D)。以此类推, 四十八聚体可以进一步结合形成
更大的蛋白质聚合体, 从而可以与大分子的ssDNA
结合(Cappadocia等2011)。
2 Whirly蛋白与ssDNA结合
ssDNA结合蛋白在核酸代谢中起着非常重要
的作用, 它们参与DNA复制、修复、重组、转录
及端粒保护等过程。Whirly蛋白是广泛存在于植
物中的一类ssDNA结合蛋白, 它的功能依赖于与
ssDNA的结合, 因此了解Whirly蛋白与ssDNA结合
图3 Whirly蛋白的晶体结构
Fig.3 Crystal structure of Whirly proteins
A: Whirly蛋白单体的晶体结构(改自Desveaux等2002); B: Whirly蛋白四聚体的晶体结构(改自Desveaux等2002); C: Whirly蛋白二十四
聚体的晶体结构(改自Cappadocia等2011); C-I: StWhy2的晶体结构(改自Cappadocia等2011); C-II: StWhy2-DNA的晶体结构(改自Cappado-
cia等2011); D: Whirly蛋白四十八聚体的晶体结构(改自Cappadocia等2011)。
孔凡英等: Whirly转录因子研究进展 647
的机制具有重要意义。
2.1 Whirly蛋白与ssDNA结合特征
2.1.1 无序列特异性 Whirly蛋白曾被报道与3种核
酸序列结合: ERE元件(Desveaux等2000, 2004)、端
粒重复序列(Yoo等2007)、拟南芥AtKP1的上游元
件(Xiong等2009), 这3种序列没有相似性。在叶绿
体或线粒体内, Whirly蛋白也可以和叶绿体或线粒
体基因组的许多区域结合, 这些区域也没有序列
相似性(Cappadocia等2008; Prikryl等2008; Mare-
chal等2009)。这意味着Whirly蛋白与ssDNA的结
合并没有序列特异性。我们知道植物质体基因组
是富含A/T的, Cappadocia等(2010)分析了St-Why2
与其他富含A / T的 s s D N A的互作 , 试验显示
ERE32、cERE32、rcERE32和dT32都可以和St-
Why2结合, 并且它们的晶体结构也与StWhy2-
ERE32的晶体结构一致。既然这样, 为什么报道的
细胞核内的Whirly蛋白却与特定的序列结合呢？
我们猜测可能是因为Whirly蛋白主要定位于质体,
在细胞核内含量很少, 所以在细胞核内, Whirly蛋
白只能和极少数具有明显单链结构的位置结合,
如转录区富含A/T的区域或端粒重复结构; 而在质
体内, 丰富的Whirly蛋白使其能与各种ssDNA结
合, 从而不具有序列特异性。在质体内, Whirly蛋
白能否与特定的ssDNA序列结合, 调控质体基因的
表达还有待进一步的研究。
2.1.2 对不同DNA的亲和力不同 Whirly蛋白可以
与ssDNA、dsDNA的溶解部分、RNA结合, 但亲
和力不同。StWhy2可以和16个碱基的黏性末端及
16个碱基的ssDNA分子结合, 但对前者的亲和力明
显高于后者(Yoo等2007)。这意味着解链的dsDNA
对Whirly蛋白与ssDNA的结合也有作用。Whirly
蛋白对ssDNA的亲和力高于dsDNA (Desveaux等
2000; Prikryl等2008)。Cappadocia等(2010)用同位
素标记dsDNA后用电泳的方法发现: 随着加入
Whirly蛋白的增加 , 产生了更多的ssDNA, 即
Whir ly蛋白可以诱导 s sDNA的产生。这说明
Whirly蛋白之所以更倾向于与ssDNA结合可能是
因为Whirly蛋白可以促进dsDNA向单链状态转
换。这也可以解释为什么Whirly蛋白对ssDNA的
粘性末端有极高的亲和力。除了ssDNA外, Whirly
蛋白还能与RNA结合, 但亲和力较低。
2.2 Whirly蛋白与ssDNA结合的分子机制
基于结构的序列分析显示无论叶绿体还是线
粒体定位的Whirly蛋白ssDNA结合结构域的氨基
酸是保守的, 在结构上也是一致的, 说明Whirly蛋
白在2种细胞器中与ssDNA结合的机制是一致的,
并具有类似的功能。
2.2.1 Whirly蛋白结合ssDNA的位置 Whirly蛋白
的高度保守的Whirly结构域是其行使ssDNA结合
功能的结构域, 弯曲的β-片层起着与ssDNA结合的
作用。Desveaux等(2002)用分子筛凝胶层析和
EMSA实验证明p24以四聚体的形式与ssDNA结
合, 每个四聚体只能结合一分子的ssDNA, 并且推
测ssDNA和β-片层面结合, 并围绕p24四聚体折叠
(图4-A)。Desveaux等(2002)用EMSA蛋白缺失突
变实验进一步表明, 高度保守的KGKAAL是核心
作用区域, 为了更好地结合, 还需要YDW和β-折叠
6位置的K。保守的KGKAAL基序也存在于其他
ssDNA结合蛋白中, 如: DNA聚合酶, 端粒末端结
合蛋白, RAD52及RecA同源蛋白, 说明该区域对于
ssDNA的结合具有重要作用(Desveaux等2005)。
为了进一步研究Whirly蛋白是如何与ssDNA结合
的, Cappadocia等(2010)获得了StWhy248-216-ssDNA
复合体的晶体结构(图4-B), 发现ssDNA主要结合
在相邻原体的β-片层边缘及之间, 而β-片层的上部
则没有, 这与其他ssDNA结合蛋白不同。事实上,
大部分ssDNA结合蛋白都以β-片层的核心作为主
要的结合平台。Cappadocia等(2010)推测在β-片层
上部之所以没有观察到DNA是因为在此区域的
DNA形成了长的、极细的DNA分子, 或者进入了
复合体内部。另外, Cappadocia等(2010)还发现尽
管StWhy2可以与32个核苷酸长度的ssDNA形成晶
体, 每个蛋白单体只可以结合9个核苷酸, 据此推
测长的ssDNA链可以从四聚体的一个结合位置转
移到另一个位置, 从而与长的ssDNA链结合。Cap-
padocia等(2011)又发现Whirly蛋白可以通过形成
二十四聚体或更大的聚合体来和大分子的ssDNA
结合。相互临近的二十四聚体结合的DNA片段的
5′和3′端仅相距1.9 nm, 相当于3个核苷的距离, 所
以长的ssDNA在晶体中有2种可能: 进入同一个四
聚体的邻近的原体或进入邻近的二十四聚体。
2.2.2 Whirly蛋白结合ssDNA的作用力 Whirly蛋
植物生理学报648
白与ssDNA结合主要依赖于临近碱基及碱基与疏
水氨基酸残基的堆叠和疏水键作用, 还依赖其四倍
体对称结构。ssDNA是以延伸的构像与Whirly蛋白
结合的, dsDNA在结合过程中存在原子位阻, 所以
Whirly蛋白优先与ssDNA结合。另外, dsDNA骨架
存在突然地扭曲也是其不能与Whirly蛋白结合的
一个原因。Whirly蛋白主要通过与ssDNA的磷酸
集团形成氢键, 碱基在相邻亚基的β-片层间堆叠来
与ssDNA结合, 只有很少的序列特异性互作, 所以
它们的结合没有序列特异性。Whirly蛋白的KG-
KAAL等氨基酸是ssDNA结合所必需的, 是高度保
守的, 但这并不意味着Whirly蛋白与ssDNA是序列
特异性互作, 因为这些保守的氨基酸并不参与与
碱基的结合, 而是参于Whirly蛋白特定的空间结构
的维持, 如KGKAAL可以维持β-片层的结构, 它的
第2个K是形成二十四聚体所需要的。
3 Whirly蛋白在植物细胞中的分布
Whirly蛋白在高等植物中分布广泛, 大量存
在于单子叶植物、双子叶植物和裸子植物中, 并
且每种植物中至少有2个该家族成员, 分别定位于
叶绿体和线粒体。生物信息学分析显示拟南芥的
3个Whirly蛋白都有叶绿体或线粒体信号肽。拟南
芥原生质体及洋葱表皮的GFP瞬时表达显示它们
分别定位于叶绿体和线粒体(Krause等2005)。
Grabowski等(2008)发现百合(Hordeum vulgare)的
HvWhy1在同一个细胞里同时定位于细胞核和叶
绿体, 并且细胞核和叶绿体里的Whirly蛋白的分子
量大小一致, 只是在数量上叶绿体里的比细胞核
里的多很多。而将Whirly蛋白预测的叶绿体信号
肽去除后, HvWhy1主要定位于细胞核。这是迄今
为止发现的第一个在同一个细胞内既定位于细胞
核又定位于叶绿体的蛋白质。HvWhy1蛋白在叶
绿体里主要定位于基质里, 在类囊体膜上也有少
许。在叶绿体的不同发育时期, Whirly蛋白的含量
也不一样, 在叶尖部分比叶柄部分多。通过双分
子荧光技术, 发现在细胞核里的Whirly蛋白主要以
同源多聚体形式存在 , 而在叶绿体里的则不是
(Grabowski等2008)。
4 Whirly蛋白在植物细胞内的生理功能
Whirly蛋白同时定位于细胞核和质体意味着
它们在细胞核和叶绿体或线粒体中都具有重要的
作用。目前对Whirly蛋白生理功能的研究主要集
中在拟南芥中。人们通过过表达、RNAi、基因突
变等功能基因组学研究手段获得了许多研究Whirly
图4 Whirly蛋白与ssDNA结合的位置
Fig.4 The position of Whirly proteins binding to ssDNA
A: 改自Desveaux等(2002); B: 改自Cappadocia等(2010)。
孔凡英等: Whirly转录因子研究进展 649
蛋白生物功能的植物材料, 并利用这些植物材料
研究了Whirly蛋白在抗病信号转导、维持端粒结
构稳定、质体基因组修复、质体基因组表达等方
面的作用(表1)。
4.1 Whirly蛋白在细胞核内的生理功能
4.1.1 抗病信号转导 植物细胞感受病菌感染后会
激活一系列的信号转导, 引起基因表达的变化, PR
基因就是可以被病原入侵激活表达的基因(Dangl
和Jones 2001; Ryals等1996)。目前研究发现 ,
StWhy1能特异地与ERE元件结合并诱导PR-10a基
因的表达(Despres等1995)。体外研究发现非侵染
条件下, StWhy1和AtWhy1保持非活性状态, 当受
到适当的防卫信号刺激时才被激活(Desveaux等
2000)。Desveaux等(2004)发现水杨酸可以激活At-
Why1的表达并参与水杨酸-依赖的抗病反应。水
杨酸(salicylic acid, SA)是一种重要的植物激素, 在
植物防卫反应中发挥重要功能, 它可以诱导抗病
基因表达, 也能使植物获得系统获得性免疫(sys-
temic acquired resistance, SAR)。非诱导免疫基因
(non-expressor of PR genes1, NPR1)产物是SA诱导
的SAR反应中一个十分重要的正调控因子, 位于
SA积累的下游和PR基因表达的上游(Cao等1994;
Delaney等1995; Mou等2003)。植物中似乎含有至
少两条截然不同的SA调节防御反应的信号转导途
径: 一条依赖于NPR1, 调节PR基因的表达及对细
菌和真菌病原体的抗性 ; 另一条可能不依赖于
NPR1, 能激活对病毒的抗性。拟南芥AtWhy1本身
的激活及发挥作用均不依赖于NPR1, 因此, At-
Why1可能是不依赖于NPR1的SA信号途径的一个
重要元件, 其具体作用机制还需要进一步研究证
实。AtWhy1也能与NPR1协同作用诱导PR-1基因
的表达。此外, 姚沁涛等(2008)用RNA干扰技术发
现水稻OsWhirly基因沉默会导致超敏反应(Hyper-
sensitive response, HR)增强, 初步揭示Whirly转录
因子可能是调控水稻HR反应的负调控因子。
4.1.2 维持端粒结构稳定 端粒是存在于真核细胞
线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体, 它
与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构, 能
够维持染色体的完整。端粒DNA主要功能有: 保
护染色体不被核酸酶降解; 防止染色体相互融合;
为端粒酶提供底物, 解决DNA复制的末端隐缩, 保
证染色体的完全复制(Greider 1996)。端粒动态平
衡是维持染色体完整的重要过程, 需要端粒酶和
其他相关蛋白的共同调节。在植物中, 端粒DNA
末端存在一个大约20~30个碱基的富含G的粘性末
端(Riha等2000), ssDNA结合蛋白通过与该区域结
合调节端粒酶的活性, 如ssDNA结合蛋白STEP1就
是这样调节端粒酶活性的(Kwon和Chung 2004)。
表1 Whirly蛋白的生物功能及其研究中用到的植物材料
Table 1 Plant materials used for researching the functions of Whirly proteins
来源 基因名称 材料名称 亚细胞定位 获得株系方法 Whirly生理功能 表型 参考文献
拟南芥 AtWhy1 KO-1 叶绿体 T-DNA插 维持端粒稳定 端粒变长, 端粒酶活性提高 Yoo等2007
KO-2 入突变
拟南芥 AtWhy1 OE 叶绿体 35S启动子 维持端粒稳定 端粒变短, 端粒酶活性降低 Yoo等2007
拟南芥 AtWhy2 OEX 线粒体 35S启动子 调节线粒体基 植株矮小, 角果短, 种子少; Marechal等2008
因表达 叶片扭曲, 成熟叶早衰
拟南芥 AtWhy1 KO1 叶绿体 T-DNA插 调节叶绿体基 无 Marechal等2009
AtWhy3 KO3 入突变 因表达 无
AtWhy1/3 KO1/3 叶片卷曲, 叶绿体发育失常
拟南芥 AtWhy1 WHY1-OE 叶绿体 35S启动子 调节细胞核基 AtKP1基因的表达被抑制 Xiong等2009
AtWhy3 WHY3-OE 因表达
拟南芥 AtWhy2 K67A 线粒体 定点突变 抗病信号转导 对ciprofloxacin敏感 Cappadocia等
2011
水稻 OsWhy OsWhy- 未知 RNAi 调控HR反应 病菌侵染后死亡率增高 姚沁涛等2008
玉米 ZmWhy1 zmwhy1-1 叶绿体 转座子插 调节叶绿体 叶片黄化, 植株矮小, 没 Prikryl等2008
zmwhy1-2 入突变 发育 有成熟核糖体
zmwhy1-1/-2
　　材料名称为原文中使用的名称, KO表明基因敲除, OE、OEX表明过表达, K67A表明将67位的K突变为A。
植物生理学报650
研究发现, Myb类转录因子也可以与端粒末端重复
序列结合(Karamysheva等2004; Schrumpfova等2004;
Yu等2000)。Yoo等(2007)通过质谱分析发现拟南芥
AtWhy1是新的端粒结合蛋白, 它可以特异地与植物
单链端粒DNA序列结合。拟南芥atwhy1突变体的
端粒长度明显增加 , 并且端粒酶活性也大大提
高。与之对应的, 在拟南芥中过表达该基因则使
端粒变短, 端粒酶活性变小。这说明AtWhy1在调
节端粒长度和端粒酶活性, 维持端粒动态平衡中
具有重要作用。
4.2 Whirly蛋白在质体中的生理功能
4.2.1 调控质体基因组DNA-RRR途径 外界环境
和生物体内部的因素经常会导致DNA分子的损伤
或改变。DNA双链断裂(double-strands break,
DSBs)是细胞最严重的损伤之一, 它能引起遗传信
息的缺失或重排, 导致细胞死亡或突变。叶绿体
或线粒体DNA要面对电子传递链所产生的大量的
ROS, 因此对其DNA复制、重组和修复(DNA repli-
cation, recombination, and repair, DNA-RRR)效率
具有更高的要求。最近, 科学家们鉴定出了一些
细胞核编码的参与质体DNA-RRR途径的ssDNA结
合蛋白, 如线粒体定位的OSB1、在哺乳动物DNA-
RRR过程起重要作用的复制蛋白A的同源蛋白等
(Ishibashi等2006; Zaegel等2006)。Marechal等
(2009)发现质体定位的Whirly蛋白参与维持拟南
芥质体基因组的稳定。拟南芥AtWhy1和AtWhy3基
因的双突变体不能形成有功能的叶绿体, 质体基
因组的重组区域也变大。Cappadocia等(2010)进一
步研究发现Whirly蛋白对叶绿体和线粒体DNA双
链断裂的修复是以错误倾向修复的方式进行的。
Cappadocia等(2010)推测在这个过程中, Whirly蛋
白通过与ssDNA的结合来阻止基因组错误的切割
造成的退火。Cappadocia等(2011)进一步补充了这
个模型: Whirly蛋白通过高度保守的氨基酸K进一
步组装成二十四聚体, 二十四聚体对质体基因组
修复具有非常重要的作用。在突变体中过表达该
氨基酸突变的基因所得到的植株依然对ciprofloxa-
cin敏感(Cappadocia等2011)。
4.2.2 调节质体基因的表达 植物线粒体和叶绿体
基因组分别编码大约70及100个基因, 大部分基因
产物参与质体基因表达或能量传递 (Unseld等
1997)。大量研究表明, 许多细胞核基因编码的质
体定位的核酸结合蛋白可以调控质体基因的表达
(Nickelsen 2003; Lurin等2004; Barkan等2007;
Schwacke等2007)。Pfalz等(2006)通过凝胶过滤、
亲和纯化等步骤分离了拟南芥和芥菜叶绿体转录
活跃的染色质(transcriptionally active chromosome,
TAC), 从中鉴定出了35个组分, 其中就有叶绿体定
位的Whirly1蛋白, 这说明Whirly蛋白可以与质体
DNA结合。Prikryl等(2008)和Cappadocia等(2010)
分别用免疫共沉淀的方法进一步证实了这个结
论。玉米的ZmWhy1可以与CRS1互作, 共同调节
atpF内含子的剪切过程(Jenkins等1997; Asakura和
Barkan 2006)。CRS1在体内和体外都可以和叶绿
体基因atpF内含子结合, 参与该基因内含子的剪切
(Till等2001; Ostheimer等2003; Ostersetzer等
2005)。RNA酶或DNA酶可以打破CRS1与Zm-
Why1的互作, 说明它们是通过RNA或DNA互作
的。ZmWhy1基因突变后atpF内含子剪切效率明显
降低, 成熟的23S、4.5S和16S rRNAs含量也下降,
但rRNA前体增加, 说明Whirly蛋白可能促进编码
一种可以调节核糖体大亚基装配的基因的表达
(Barkan 1993)。与叶绿体类似, 线粒体DNA免疫共
沉淀试验显示拟南芥线粒体定位的AtWhy2也可以
和线粒体DNA结合。过表达AtWhy2基因的植株矮
小, 角果短, 只能产生相当于WT一半的种子; 叶片
扭曲, 黑绿色, 成熟叶早衰, 并且早衰相关基因
SAGs大量表达(Gepstein等2003; Yoshida等2001)。
Marechal等(2008)还用BN-PAGE的方法检测了过
表达植株呼吸链复合体的活性, 发现明显缺乏线
粒体基因组编码的复合体I和IV, 而细胞核基因编
码的NADH脱氢酶和复合体II则没有变化, 说明过
表达该基因影响了线粒体基因的表达, 而对细胞
核基因的表达没有影响。进一步检测发现, 线粒
体基因组表达的基因如nad3、nad4、nad7, cox1、
cox2、cox3和atp8、atp9、rps3、rpl16都明显下
调。另外, Marechal等(2008)还发现代表成熟转录
RNA的小RNA比代表初始转录物的大RNA变化
小, 这可能是因为转录后编辑过程补偿了初始转
录物的下降, 也说明Whirly蛋白的过量表达影响的
是线粒体初始转录物的产生, 这有两个可能: 抑制
了转录或使线粒体DNA含量减少。检测线粒体
DNA的含量发现, 过表达AtWhy2基因的植株线粒
体DNA含量明显下降(Marechal等2008)。
孔凡英等: Whirly转录因子研究进展 651
5 展望
植物有3个具有遗传信息DNA的细胞器——
细胞核、线粒体和叶绿体。保护DNA, 维持遗传
信息有序表达对于植物生存和发育至关重要。
Whirly蛋白是迄今为止发现的第一个在同一个细
胞内既定位于细胞核又定位于质体的蛋白质。它
们在细胞核和质体内都具有非常重要的作用: 在
细胞核内, Whirly蛋白能够调节基因表达, 参与SA
依赖的抗病信号转导, 维持端粒稳定; 在质体内,
也能调节质体基因的表达, 维持质体基因组的稳
定, 参与质体基因组修复(图5)。Whirly蛋白的结
构及生理功能非常复杂, 虽然目前这方面的研究
已经取得了很大的进展, 但还有许多问题值得进
一步探讨。Whirly蛋白能够与ERE元件结合, 调节
基因表达。事实上, 拟南芥基因组的很多基因都
含有ERE元件的核心序列GTCAAAAA/T, 如过氧
化物酶PRXCB (peroxidase)基因、酪氨酸转氨酶
TAT3 (tyrosine aminotransferase3)、具有电子传递和
氧结合能力的细胞色素P450家族蛋白基因及参与
生长素合成的ACC合酶基因等, Whirly蛋白对于这
些基因的表达是否具有调控作用, 有待进一步研
究。迄今发现了许多可能的质体信号如ROS、光
合电子传递链的氧化还原状态等; 也发现了许多
核质信号转导组分如GUN, Executer1蛋白等, 但核
质信号转导途径还不清楚, Whirly蛋白既能与细胞
核DNA结合, 也能与质体DNA结合, 极有可能是核
质信号转导组分, 它是否通过一种未知的机制调节
核质基因表达的平衡, 参与核质信号转导尚待阐
明。我们克隆了番茄的叶绿体定位的LeWhy1基因,
发现它被低温、高温、NaCl等非生物胁迫诱导表
图5 Whirly蛋白在植物细胞中的生理功能
Fig.5 Functions of Whirly proteins in plant cells
达, 它在非生物胁迫下是否对植物具有保护作用,
及其具体的作用机理等问题仍需要解决。
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