全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 10期, 2010年 10月 985
收稿 2010-06-10 修定 　2010-08-03
资助 国家自然科学基金(30730078, 30800082)、高等学校
博士学科点专项科研基金(200802251039)和中央高校基
本科研业务费专项资金项目(0 7 02 9 )。
* 通讯作者(E-mail: lyhshen@126.com; Tel: 0451-82191783)。
植物HY5蛋白结构与功能的研究进展
张荔, 周波, 李玉花 *
东北林业大学生命科学学院, 哈尔滨 150040
提要: HY5 (LONG HYPOCOTYL 5)为光形态建成的正调控因子, 是光调控植物发育的分子开关。在光诱导的基因表达中,
HY5调控着植物基因组中上千基因的表达, 它既可以单独调控相关基因的表达, 也可以与其他调控因子一起共同调控相关
基因的表达。HY5蛋白除了在光形态建成中起作用外, 还在植物激素的信号传递过程中起着极其重要的作用, 它整合了光
信号传递和植物激素的信号传递。本综述简要介绍HY5蛋白的结构、生理功能及其分子机制等方面有关的进展。
关键词: HY5; 光形态建成; 基因表达; 调控因子
Advances in the Structure and Function of HY5 in Plant
ZHANG Li, ZHOU Bo, LI Yu-Hua*
College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: HY5 (LONG HYPOCOTYL 5) is a regulator of photomorphogenic development and a light regulated
developmental molecular switch. It regulates thousands of plant genes in the light-induced gene expression. HY5
can regulate the expression of related genes on its own or with other regulatory factors. Except the function in
the photomorphogenesis, HY5 was also found to play an important role in the process of plant hormone signal
transduction. It integrates the transduction of light signal and hormone signal. As the study and profound
analysis of HY5, its structure, physiological function, and molecular mechanism were clarified gradually. A brief
introduction about the progress of HY5 was reviewed.
Key words: HY5; photomorphogenesis; gene expression; regulator
1 HY5蛋白的性质与结构
HY5 (LONG HYPOCOTYL 5)是从拟南芥hy5
突变体中克隆的与光形态建成相关的重要基因, 其
编码的蛋白由 168个氨基酸组成, 分子量是 18.5
kDa, 为组成型核定位蛋白(Oyama等 1997)。拟南
芥中HY5基因编码的HY5是一个碱性亮氨酸拉链
(basic leucine zipper, bZIP)类型的转录因子。其二
级结构由两部分结构域组成: (1)高度灵活、无序
的N末端结构域(1~110位氨基酸); (2)包含卷曲螺
旋的LZ结构域的C末端结构域(111~168位氨基酸)
(Yoon等 2006)。这种结构决定了其在基因表达调
控中的作用。
1.1 高度灵活、无序的N末端结构域 HY5蛋白N
末端1~77个氨基酸是蛋白质水解作用比较敏感的
区域, 在生理条件下不是完全随机的螺旋形式, 而
以一种 “溶球体 ” (molten globule)的前体结构存
在。N端的 77个氨基酸在和 COP1相互作用中起
着关键的作用(Chattopadhyay等1998), 第 43~58位
氨基酸是结合 COP1的核心结构域。第 78~110位
的氨基酸组成了蛋白的基本区域(basic region, BR),
为螺旋和溶球体的球状结构, 其次级结构不稳定, 通
过与DNA的结合以稳定其三级结构(Yoon等2006)。
1.2 包含卷曲螺旋的LZ结构域的C末端结构 HY5
的 LZ结构域(113~149位氨基酸)不能被胰蛋白酶
酶切水解, 表明 LZ的结构域中有一个稳定的次级
结构(Yoon等 2006)。研究表明HY5的 LZ同型二
聚体由2个α螺旋缠绕组成一个左手的超螺旋结构,
每一个平行双链的 α螺旋卷曲直径为 18 Å, 长度
为 60 Å。LZ结构域中包含 n个七碱基的重复, 记
为(abcdefg)n。亮氨酸是疏水性氨基酸, 排列在 α
螺旋的一侧, 所有带电荷的氨基酸残基排在另一侧,
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2个蛋白质分子平行排列形成二聚体(Yoon等2007)。
拟南芥HY5的LZ结构域包含7个螺旋内部的氢键
连接, 并且形成了更多的盐桥, 这比在其他LZ结构
域中要多, 形成了稳定的HY5的LZ结构域。其蛋
白的C末端具有bZIP结构域, 可直接与基因启动子
作用元件G-box相结合, 激活并诱导基因的表达。
2 HY5蛋白的生理功能
2.1 HY5蛋白在光形态建成中的作用 光不但提供
给植物体能量, 而且在植物整个生命过程中起着调
节发育作用(Kendrick 1994)。生长在光下或者黑
暗条件下的植物幼苗有着两种完全不同的发育模
式, 分别称为光形态建成(photomorphogenesis)和暗
形态建成(skotomorphogenesis)。当幼苗在有光的
条件下生长时, 其下胚轴变短, 子叶大且伸展, 有发
达的叶绿体, 植株去黄化(de-etioletion), 称为光形态
建成; 当植物幼苗生长在黑暗条件下, 其下胚轴伸
长, 幼苗顶端弯曲, 子叶小且萎缩, 并且含有黄化质
体, 表现为暗形态建成。野生型拟南芥在光环境
下, 表现为光形态建成, 但是其 hy5突变体植株生
长在光下时, 表型为暗形态建成(Oyama等 1997)。
在植物细胞中, 光信号首先被光受体接收, 然
后通过信号传递形成细胞内的第二信使系统进而级
联传递起到调节光形态建成的作用。目前已知的
至少有三类接收光信号的光受体, 即吸收红光和远
红光(波长 600~750 nm)的光敏色素(phytochrome)、
吸收蓝光和UV-A (波长为 320~500 nm)的隐花色
素(cryptochrome)和吸收UV-B (波长为282~320 nm)
的受体, 但此受体迄今尚未分离到(Staub等 1996)。
拟南芥过量表达HY5的转基因植株, 在光下生
长时, 其下胚轴缩短, 子叶大且伸展, 有发达的叶绿
体, 植株去黄化, 表现为光形态建成, 表明HY5是
光形态建成过程中一个正调控因子。但是有趣的
是, 在黑暗条件下, 过量表达的HY5植株却不会表
现为光形态建成的表型, 表明了仅仅是HY5自身不
足以引起植物的光形态建成, 还有其他因子的协同
作用(Ang等 1998)。而且在各种光条件处理下,
hy5突变体的下胚轴伸长的受抑制作用明显降低,
说明 HY5位于各种光受体信号转导途径的下游
(Holm等 2002; Ulm等 2004)。
然而, 在不同波长的光下, 负责调节HY5积累
的主要光受体也不同。在蓝光下, 富集的CRY1和
CRY2对HY5的积累起到十分重要的作用。目前
主要认为CRY1和CRY2的作用模式为“分子内氧
化还原模式 ”, 蓝光信号启动了隐花色素本身的氧
化还原反应, 激活了隐花色素的 C端, 通过直接的
蛋白质与蛋白质之间的相互作用使光形态建成负调
控因子 COP1 (constitutively photomorphogenic 1)迅
速钝化, 继而消除了COP1对HY5和其他底物的降
解, HY5积累之后可以促进光形态建成(Wang等
2001)。在红光下, PHYB对于HY5的含量积累起
着主要的作用, 但是PHYA起到的作用很小。近期
的研究结果表明, 在控制拟南芥基因表达和发育过
程中, 红光和蓝光存在着协同作用, 主要是通过红
光光受体光敏色素PHYB和蓝光/UV-A光受体CRY
的共同作用来实现。在远红外光下, P H Y A、
CRY1和 CRY2都会影响HY5的含量。在植物体
中HY5的含量和光形态建成发育的程度呈正相关
(Osterlund等 2000)。
HY5受蓝光诱导表达, 在光形态建成中和其他
受蓝光诱导表达的主要调控因子HYH (HY5-HOMO
LOG)以及SPA1 (SUPPRESSOR OF PHYA 1)和SPA4
共同参与下胚轴伸长的抑制。在蓝光下, SPA1、
HY5和HYH并不是立即就对下胚轴有抑制作用, 但
是它们又是蓝光下对下胚轴抑制作用所不可缺少的
作用因子, SPA1、HY5和HYH的表达量在红光下
有一个阈值, 但是在蓝光下, SPA1、HY5和HYH
的表达量有着明显的提高, 从而导致了对下胚轴持
续的抑制作用(Sellaro等 2009)。
研究表明HY5还在长波长UV-B诱导的信号转
导途径中起着重要的作用(Ulm和Nagy 2005)。HY5
在UV-B光下快速转录激活, 参与调控UV-B特异反
应的基因群。UV RESISTANCE LOCUS8 (UVR8)
是在拟南芥中鉴定出来的一个UV-B光反应特异性
的复合物, 可以调节 UV保护应答反应。HY5及
HYH均参与调节UVR8途径的应答, 在缺失UVR8
的情况下HY5和HYH转录因子不会调节UV-B的
反应, 表明HY5和HYH与UVR8是联系在一起作用
的(Brown和 Jenkins等 2008)。
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2.2 HY5 在植物激素的信号传递中的作用 HY5还
在促进植物激素信号传递基因的转录中起着重要的
作用, 在 hy5突变体的幼苗中, 侧生根和根毛的数
目明显增多, 并且形成速度加快, 主根的向重力性
减低, 表明在 hy5突变体的幼苗中生长素的合成量
增加, 而细胞分裂素的合成量降低。对生长素的 2
个负调控因子 AUXIN RESISTANT 2 (AXR2)和
SOLITARY ROOT (SLR)基因转录水平分析表明, 它
们在 hy5突变体中都是低量表达的。进一步分析
发现这2个基因的启动子都包含一个HY5的结合位
点。体外结合研究表明, HY5可以结合到AXR2的
启动子上, 说明 HY5 促进生长素的负调控因子
AXR2和 SLR的表达。因此, 在 hy5突变体中, 生
长素的负调控因子表达量降低导致生长素的合成增
加。HY5既参与光信号诱导的基因转录调控又参
与生长素信号基因的转录调控, 从而整合了光信号
途径和植物激素的信号传递途径(Cluis等 2004)。
Vandenbussche等(2007)发现HY5是隐花色素
和细胞分裂素信号传递途径的集中点。拟南芥中,
依赖蓝光的光形态建成主要受隐花色素的调节, 如
抑制下胚轴的伸长, 控制子叶的伸展, 调控光调节
基因的表达。同样, 当外源细胞分裂素添加到发芽
的植株上时, 发生了相似的形态建成反应, 表明隐
花色素和细胞分裂素的信号途径中有着一定的连
接。Lee等(2007)在实验中也发现了HY5蛋白除了
调控光信号转导相关基因HFR1、PIF4、HYH和
PKS1外, 还结合生长素途径、乙烯途径和赤霉素
途径的很多靶基因, 如 AUX/IAAs、ARFs (AUXIN
RESPONSE FACTORs)、ERFs (ETHYLENE-RE-
SPONSIVE FACTOR)以及GA1的抑制基因等, 这些
也暗示了在控制基因表达中HY5整合了光和激素
的信号。
3 HY5与其他蛋白的共调控作用
Hardtke等(2000)发现在拟南芥发育早期阶段
HY5的含量达到顶峰, 通过凝胶过滤层析(gel filtra-
tion chromatography)试验表明HY5是150 kDa蛋白
复合体的一部分, HY5和其他转录因子相互结合形
成蛋白复合体。经过进一步的实验, 表明这一复合
体在黑暗条件下和在光下生长的幼苗中都存在, 且
HY5以磷酸化和非磷酸化的形式调控着光、暗形
态建成的发生, 进而也表明了HY5是和其他转录因
子结合在一起共同起作用。
研究证实植物叶中特异表达基因 RbcS1和花
青素的生物合成过程中起作用的 CHS基因的表达
受光诱导, 但是HY5与 CHS (chalcone synthase)和
RbcS1A (RIBULOSE BISPHOSPHATE CARBOXY-
LASE SMALL CHAIN 1A)这2个基因的启动子结合
活性却不受光暗转换条件的影响, 即HY5自身不能
激活 CHS和RbcS1A的转录。最近发现的MYB12
作为CHS基因表达的调控因子, 其表达同样受HY5
的调控。HY5激活下游转录调控因子MYB12后,
与MYB12共同调控CHS基因的表达。而且HY5和
MYB12的突变体均会导致 CHS表达量下降, 说明
HY5和MYB12作为CHS的激活转录因子对CHS的
表达是必不可少的(Lee等 2007)。
生物昼夜节律是由转录高峰在黄昏的TOC1、
ELF4和转录高峰在黎明的CCA1、LHY来调控的
(Yanovsky和Kay 2003)。TOC1、ELF4与 CCA1、
LHY也是相互作用的, TOC1和ELF4激活了CCA1
和LHY的转录, 而CCA1和LHY则对TOC1和ELF4
的转录有抑制作用。这种反馈调节维持了生物周
期节律。研究表明HY5可以结合在这 4种基因的
启动子上, 而且在光下和黑暗条件下HY5对这些基
因启动子的结合都很稳定, 这个结果同样证实了仅
仅HY5自身不足以激活转录。说明可能存在其他
一些共同作用的因子或者是HY5的修饰作用激活
了转录过程(Lee等 2007)。
LZF1 (light-regulated zinc nger protein 1), 一
个 B-box型的转录因子, 位于HY5下游的基因, 是
对拟南芥去黄化起作用的一类基因。LZF1的表达
主要受到光和 HY5的调节, 在体内 HY5结合在
LZF1的启动子上, 通过和其他转录因子共同作用激
活 LZF1的转录, 在 LZF1过量表达体中, PAP1/
MYB75的表达升高, 导致了转基因拟南芥中花青素
的超积累(Chang等 2008)。
PIF3 (PHYTOCHROME INTERACTING FAC-
TOR 3)是basic helix-loop-helix (bHLH)蛋白中的一
员, 参与光信号转导并调控基因表达, 在花青素生
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物合成中起正调控作用(Kim等2003), 但PIF3必须
在HY5存在的情况下才能有作用。而在持续的光
条件下, PIF3和HY5在转录或者翻译水平均不存在
相互调节的作用, 进一步分析表明 PIF3和HY5在
植物体内通过直接与相关基因启动子的不同区域相
结合调节其表达(Shin等 2007)。
4 HY5蛋白的降解调控
在拟南芥光形态建成抑制因子中, COP1可以
和HY5直接作用进行蛋白酶体途径的降解, 调控相
关基因的表达(Osterlund等 2000)。拟南芥中的
COP1是一个由675个氨基酸组成的分子量76 kDa
的可溶性核蛋白, 具有N-末端环形锌指结合域(ring
finger zinc binding domain)、一个卷曲的螺旋区域
(coiled-coil domain)和 C-末端, 而C-末端是与三聚
体蛋白的 β-亚基类似的WD-40重复区域(WD-40
repeats) (Deng等 1992)。COP1亚细胞定位的光调
控是受核定位信号(NLS)和细胞质定位信号(CLS)
的协作来实现的(Stacey等 1999)。在光照条件下,
COP1从细胞核中转移到细胞质, HY5积累启动光
形态建成( Oya ma 等 1 99 7)。而在黑暗条件下,
COP1从细胞质转移到细胞核中, 靶作用于未磷酸
化的HY5, 通过泛素化途径降解(Hardtke等 2000;
Osterlund等 2000)。瞬时表达分析表明植物细胞
内COP1和HY5直接相互作用, COP1蛋白的WD-
40结构域起关键作用(Ang等1998), 而HY5的N末
端 1~77个氨基酸也是必不可少的(Ang等 1998;
Yoon等 2006)。
Datta等(2007)在拟南芥中还发现了一种光形
态建成的正调控因子 SALT TOLERANCE HO-
MOLOG2 (STH2), 它与COP1和HY5都具有相互作
用, 为 COP1的抑制因子, 其 B-box功能域可以直
接与G-box结合激活转录, 可单独或与HY5共同调
控光形态建成反应。这表明 STH2作为光形态建
成的正调控因子可以抑制COP1的表达, 从而减少
COP1对HY5的降解, 使HY5能正调控相关基因的
表达。
5 HY5蛋白的作用元件
在植物的光控发育过程中, 通过一系列信号转
导, 激活相应的转录级联反应。Lee等(2007)发现
在拟南芥光信号传递过程, 由phyA和phyB介导调
控的基因中, 有超过60%的基因是HY5结合的靶基
因, 而且在早期反应阶段HY5对phyA和phyB所介
导的光控基因的表达起着重要作用。基因表达谱
分析表明, HY5在光诱导相关基因表达的调控中, 既
可以作为正调控因子也可以作为负调控因子起作
用, 而且在器官特异基因表达分析中, HY5对各器
官光诱导基因的表达谱的调控是相似的。
在HY5所调控基因的启动子中会含有HY5作
用的顺式作用元件, 除了G-box (CACGTG)结合位
点外, 还有 CG hybrid (GACGTG)、CA hybrid
(GACGTA)、Z-box (ATACGTGT)均可作为HY5作
用的靶位点(Lee等 2007; Shin等 2007), 它们属于
含有ACGT元件(ACE)结合序列家族, 为bZIP类蛋
白的潜在结合位点。但G-box又同时为 bHLH类
蛋白所结合的 E-box (CANNTG)结合序列家族。
序列分析发现在花青素合成代谢结构基因的启动子
区除了含有G-box元件外, 还含有多个ACE和 E-
box元件。试验表明HY5结合在G-box和ACE元
件上, 而PIF3结合在G-box和E-box元件上(Shin等
2007), 因此, HY5在调控花青素合成相关基因的表
达中可能与其他调控因子存在竟争调控。
6 小结与展望
综上所述, 在HY5调控植物光形态建成的过程
中, 红光、远红光、蓝光、UV-A和 UV-B均可
影响HY5的积累, 而且HY5是位于光信号转导的下
游调控相关功能基因的表达; 在植物生长发育过程
中, HY5整合了光信号途径和植物激素的信号传递
途径, 调控激素相关基因的表达, 同时还参与生物
昼夜节律的调控。在分子水平上, 主要通过HY5蛋
白磷酸化水平、COP1介导的泛素化降解、与其
他调控因子形成复合物的共调控、以及与其他调
控因子竟争结合位点来调控相关基因的表达(图
1 )。
自从拟南芥中分离鉴定出HY5蛋白以来, 许多
学者对植物HY5进行了深入研究, 其结构、功能
及其分子机制也逐渐得到阐明, 但植物HY5蛋白仅
仅是高等植物光信号传递网络中的一个调控因子,
光形态建成的调节机理仍尚未完全明了。HY5与
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其他蛋白的协同作用机制还不明确, 因此, 无论从
广度还是从深度都有待于进一步深入研究。
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图 1 植物细胞内HY5介导的光信号转导和形态建成
Fig.1 The light signal transduction and morphogenesis mediated by HY5 in the intracellular of plant
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