全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月1034
植物MYB2转录因子
陈焕新, 关秋玲, 李秋莉 *
辽宁师范大学生命科学学院, 辽宁大连 116029
MYB2 Transcription Factors of Plant
CHEN Huan-Xin, GUAN Qiu-Ling, LI Qiu-Li*
School of Life Sciences, Liaoning Normal University, Dalian, Liaoning 116029, China
提要: MYB转录因子是植物转录因子中最大的家族之一, 以含有保守的MYB结构域为共同特征。MYB2转录因子是MYB
家族的一个亚家族, 本文介绍植物MYB2蛋白的结构、与顺式作用元件结合的位点、进化以及生物学功能的研究进展。
关键词: 植物MYB家族; MYB2转录因子; 结构; 结合位点; 进化; 功能
收稿 2008-07-18 修定 2008-09-09
资助 国家自然科学基金(30 3 70 8 0 6)。
* 通讯作者(E-mail: liqiuli@dl.cn; Tel: 0411-84258681)。
植物在长期进化过程中, 为适应和抵抗各种生
物和非生物的胁迫, 自身形成了多种机制和复杂的
信号网络, 从而能迅速地感知胁迫, 主动调控以忍
耐胁迫反应。基因表达的转录调控在其响应胁迫
的过程中起作用的转录因子(transcription factor,
TF)是植物中最重要的一类调节基因。
转录因子也称为反式作用因子, 是指能够与真
核基因的顺式作用元件发生特异性相互作用并对转
录有激活或抑制作用的 D NA 结合蛋白(吴乃虎
2001)。转录因子是具有序列特异位点的结合活性
或含有同已知DNA结合结构域相同特征的蛋白质,
因而能保证目的基因以特定的强度、在特定的时
间与空间表达。它通过与靶位点上顺式作用元件
结合, 调节靶基因的转录速度。植物许多基因的表
达都受到特定的转录因子与特定的顺式作用元件相
互作用的调控。自 1987年Paz-Ares首次报道玉米
转录因子的克隆以来, 研究者们相继从高等植物中
分离出了调控干旱、高盐、低温、激素、病原
反应及生长发育等相关基因表达的转录因子已达数
百种(刘强等2000)。典型的转录因子一般具有4个
功能区: DNA结合区、转录调控区、核定位信号
区和寡聚化位点。转录因子通过这些功能区域与
顺式元件相互作用或者与其他转录因子的功能区域
相互作用来调控基因的表达。
1982年, Klempnauer等在禽成髓细胞瘤病毒
(avian myeloblastosis virus)中鉴定出一个能直接导
致急性成髓细胞白血病(acute myeloblastic leukemia)
的癌基因, 称为 v-myb, 不久发现在正常动物细胞
中也存在相应的原癌基因 c-myb, 随后研究的结果
表明, v-MYB、c-MYB蛋白都定位在细胞核中, 与
核基质和染色质紧密相连, 而且都具有DNA结合活
性和转录调节功能。玉米的 cl基因所编码的蛋白
是第一个从植物中发现的MYB转录因子(Paz-Ares
等 1987), 后来的研究又相继在拟南芥和玉米发现
大量的MYB转录因子, 它们在转录调节中起着多方
面的作用。MYB转录因子是植物转录因子家族中
最大的家族之一, 有着广泛的生理功能, 几乎参与
植物发育和代谢的各个方面。植物MYB2转录因
子是MYB大家族中的一个小的亚族, 不同植物的
MYB2基因有着不同的生物学功能, 但它们都是在
转录水平上调控植物各个阶段的生长发育。本文
介绍植物MYB2蛋白的结构、与顺式作用元件结
合的位点、进化以及生物学功能的研究进展。
1 植物MYB2转录因子的结构特点
MYB家族有高度保守的结合域——MYB结构
域, 每个结构域含有 50~53个氨基酸残基, 形成螺
旋 -转角 -螺旋(helix-turn-helix)的构型(图 1); 每个
结构域中有 3个保守的色氨酸残基, 间隔为 18~19
个氨基酸, 是疏水核心的重要成分, 对于维持螺旋-
转角-螺旋的构型起着非常重要的作用(Jin和Martin
1999)。根据所含MYB结构域的数量, 植物中的
MYB类转录因子可分为单一MYB结构域蛋白
(single-MYB)、2个串联MYB结构域蛋白(R2R3-
MYB)和3个串联MYB结构域蛋白(R1R2R3-MYB)
3个亚类。其中数量庞大、功能多样的是 R2R3-
MYB蛋白, 仅在拟南芥中就有 120多种, 估计在其
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他高等植物中也会有相应的甚至更大数量的R2R3-
MYB转录因子。
MYB2转录因子含有2个串联MYB结构域(图
2), 属于 R2R3-MYB类转录因子。比较 12种植物
的MYB2蛋白的氨基酸序列结果表明, MYB2的两
个串联MYB结构域中氨基酸序列比较保守, R2中
含有3个保守的色氨酸残基, 分别间隔19个氨基酸,
R3中只含有后 2个保守的色氨酸残基, 间隔 18个
氨基酸, 而第一个色氨酸残基被异亮氨酸或苯丙氨
酸所取代(图 3)。这些保守的色氨酸残基构成了
MYB2蛋白的疏水核心, MYB2蛋白借助此种结构
插入靶DNA分子大沟与目的基因结合。
研究表明, 每一重复子的C端螺旋是MYB蛋
白结合DNA的识别螺旋, 其中R3的识别螺旋特异
性地与其识别序列的核心结合, 而 R2的识别螺旋
与核甘酸的结合专一性较差(Ogata等 1995)。此
外, 大多数转录因子在 C端与DNA结合域之间都
具有一个富含酸性氨基酸的转录激活功能域。
Urao等(1996)通过在拟南芥叶片原生质体中进行瞬
时表达实验, 分析AtMYB2 基因被干旱诱导后转录
激活活性的结果表明, AtMYB2转录因子通过序列
图 1 小鼠 c-MYB蛋白的R3结构域: 螺旋 -转角 -螺旋
构型(Furukawa等 1996)
图3 12种植物MYB2蛋白的保守氨基酸序列比较
颜色一致的格表示氨基酸序列相同, 黑色方框围起的氨基酸序列是保守的色氨酸残基, 其中在 R3 结构域中, 第一个色氨酸残基
被异亮氨酸或苯丙氨酸所取代。1 2 种植物 MY B2 蛋白的氨基酸序列均是来自于 G enBa nk。
图 2 AtMYB2蛋白的结构简图
根据文献(Yoo等 2005)绘制。AtMYB2 基因的 cDNA全长
1 138 bp, 其中 83~904碱基是它的 CDS区, 共编码 273个氨基
酸。图中 R2和 R3表示AtMYB2蛋白有 2个MYB结构域, TAD
表示它的转录激活区域。
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特异性方式结合到MYB的识别位点上, 转录激活报
告基因(MBS × 5::GUS, MBS位点包含一段TAACTG
序列)。对AtMYB2的 C端区域基因删除后, 报告
基因的转录激活降低, 这进一步证明AtMYB2的C
端酸性区域含有其转录激活的足够氨基酸序列。
他们的结果表明, AtMYB2蛋白作为一个转录激活
子, 它的C端酸性区域是其行使转录激活功能的部
位。
2 MYB2转录因子的识别位点
转录因子只有与顺式作用元件上的识别位点
相结合, 才能行使它的生物学功能, 通过凝胶阻滞
分析和定点突变等常规实验方法, 人们已经确定了
一些MYB2转录因子的识别序列。
Iwasaki等(1995)对拟南芥的一个脱水响应基
因 rd22的研究发现, rd22基因启动子中一段 67 bp
的DNA序列上有一个AtMYB2转录因子的识别位
点TGGTTAG (其互补序列是CTAACCA)。Hoeren
等(1998)通过对低氧诱导下, 拟南芥的AtMYB2转
录因子与ADH1 (乙醇脱氢酶)基因启动子的相互作
用的研究, 证明AtMYB2在ADH1基因启动子上的
识别位点是M BS -2 b ox 上的一个 GT 基序(5
TGGTTT 3), 进一步的实验表明, GT基序中的碱
基序列AAC是AtMYB2转录因子识别ADH1基因
启动子的核心序列。Wang等(2004)在研究棉花
GaMYB2蛋白在表皮毛生长中的作用时, 使用
PLACE软件分析方法找到了GaMYB2的结合位点
(C AGTTG) , 进而通过定点突变实验, 确定了
GaMYB2的作用位点。
3 植物MYB2转录因子的进化
1996年, Lipsick提出了一个MYB基因的进化
模型, 由于后来又在植物中发现了R1R2R3-MYB基
因, Jin和Martin (1999)对此模型进行了适当的补
充。这一模型认为大约在10亿年以前产生了MYB
结构域, MYB区的复制导致了含有多个不完全重复
MYB区的蛋白(R1R2R3-MYB蛋白)的产生, 接下来
的整个基因的扩增(在动物身上扩增比较有限)产生
了数目繁多的MYB蛋白, 由于 R1的丢失, 从而产
生了 R2R3-MYB蛋白。
Chen等(2006)通过拟南芥中的MYB基因家族
与水稻的MYB基因家族进行系统发生学的比较, 认
为MYB基因家族在从单子叶向双子叶植物进化过
程中经历了一个快速的进化扩张过程。MYB家族
其他基因比R2R3-MYB基因更加原始, 或者说是进
化更快。因此, MYB超基因家族可以作为很好的
完整的体系, 用来研究高等植物中复杂的基因家族
的进化。MYB2在不同物种中的进化如图 4所示,
从图 4可以看出, 2种裸子植物聚在一起, 6种单子
叶植物聚在一起, 拟南芥、巨桉、苹果等双子叶
植物与裸子植物、单子叶植物亲缘关系较远, 这与
传统的分类方法完全相同, 但陆地棉则聚到了单子
图 4 MYB2在不同物种中的进化
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叶植物群中, 这与传统的分类方法相比出现了差
异。
Kamiya等(2002)通过研究拟南芥20个生态型
的 AtMYB2基因的 2.2 kb区域的DNA多样性, 发
现该区域核酸多样性系数为0.0027, 低于拟南芥其
他基因。AtMYB2的MYB结构域核酸多样性系数
为0.0036, 高于non-MYB区(0.0013)。通过HKA检
测, 比较这20个拟南芥AtMYB2基因多样性比率和
分歧度, 发现两者差异性比较大。低的多样性和高
的分歧度主要出现在基因的 non-MYB区, 而 non-
MYB结构区, 不同于一般的突变学说, AtMYB2基
因的这种多样性和分歧度主要是由强烈的纯化选汰
(strong purifying selection)和自适应过程(adaptive
process)两个方面的结果导致的。
4 植物MYB2转录因子的功能
植物MYB转录因子有广泛的生理功能, 几乎
参与植物发育和代谢的各个方面。单一MYB结构
域蛋白, 如拟南芥的LHY、CCAI、CPC和RTBP1,
水稻的RTBP21, 玉米的IBP21等, 是一类重要的端
粒结合蛋白, 在维持染色体结构的完整性和调节基
因转录上起重要作用(Yu等 2000)。含有3个MYB
结构域的蛋白, 如烟草中的R1R2R3-MYB蛋白在细
胞分裂的G2/M期发挥重要的调节作用, 调控 cycle
B基因和许多在 G2/M期表达的基因(Ito 2005)。
R2R3-MYB成员是植物中数目最多的一类MYB蛋
白, MYB2转录因子属于R2R3-MYB蛋白, 它们参
与应答激素刺激、环境胁迫, 参与次生代谢的调
节, 还参与控制细胞的分化等。
拟南芥中的 AtMYB2基因是第一个被发现的
受 ABA 和脱水诱导表达的 R2 R3- MY B 蛋白。
AtMYB2蛋白与bHLH (basic-helix-loop-helix, 碱性-
螺旋 -环 -螺旋)类蛋白RdBP1相互作用, 协同调节
Rd22基因(response to dessication, 脱水响应基因)
的表达(Abe等 1997)。还有研究认为, AtMYB2是
一个重要的参与缺氧反应调控的转录调控因子, 它
结合在一些特定的序列, 如MYB结合位点(MBS-
1、MBS-2)并诱导这些缺氧基因表达(Hoeren等
1998)。
巨桉(Eucalyptus grandis)中的 EgMYB2, 也是
R2R3-MYB转录因子家族亚族的一员, 从桉树木质
部形成阶段的基因文库中克隆出来。EgMYB2在
巨桉的连锁图谱映射一个唯一的位点, 与木质素含
量的数量性状位点共存。EgMYB2蛋白重组体能
够与两个木质素合成基因(CCR和 CAD)的启动子
结合, 这两个启动子包含有MYB2的结合位点, 能
在瞬时和稳定表达实验中调控CCR和CAD基因的
转录。与野生烟草相比, 转基因烟草过表达EgMYB2
显示出表型变化, 次生细胞壁明显变厚, 木质素分
布也有变化, 木质素合成酶转录本的丰度不同程度
上增加, 并且苯丙素基因(phenylpropanoid genes)核
心没有被影响。这些结果说明, EgMYB2协同调控
木质素的合成和次生细胞壁的形成属于一个独立的
途径(Goicoechea等 2005)。
Wang等(2004)在研究棉花纤维基因控制时, 发
现棉花GaMYB2蛋白在表皮毛的生长中起调控作
用。棉花纤维基因的启动子 RDL1序列中含有可
被MYB2识别的基序, GaMYB2蛋白与其结合, 能
够进一步驱动棉花纤维基因的表达。他们的实验
还表明, 棉花GaMYB2蛋白 /纤维因子1, 在酵母和
植物中都能转录激活 RDL1启动子。通过实时定
量PCR和原位杂交分析表明, GaMYB2在棉花纤维
早期生长过程中显著表达。转染进入拟南芥后,
GL1::GaMYB2能够补偿GL1 (拟南芥的一个调控表
皮毛生长的MYB转录因子)基因突变体的表皮毛的
形成。另外, 35S::GaMYB2也能诱导种子表皮毛的
产生。进一步研究GL1基因和GaMYB2基因的第
一个内含子时发现, 它在表皮毛中有增强子的功能,
在非表皮细胞中有阻遏子的功能。破坏GaMYB2
基因和GL1基因的第一个内含子中的MYB基序,
将会影响表皮毛的生成。这些结果表明, 棉花和拟
南芥使用相似的转录因子调控表皮毛生成, 据此认
为, GaMYB2可能是棉花纤维生长过程中关键的调
节因子。
Leech等(1993)从苔藓丝状体组织的 cDNA文
库中克隆得到 3 个含有 M Y B 蛋白结合区域的
cDNA, 这 3个 cDNA编码两类不同的MYB蛋白:
Pp1和Pp2。这两个蛋白的C端酸性氨基酸构成α-
螺旋结构, 说明他们和其他MYB基因一样, 编码的
蛋白有转录激活功能。分析发育中的小立碗藓
(Physcomitrella patens)在转录水平时mRNA的含量
发现, Pp1和Pp2两个基因转录的最高水平发生在
野生型丝状体组织中, 同时其有丝分裂指数也达到
最大值。随着野生型组织的生长, 两基因的表达量
开始下降。两基因在突变的小立碗藓中表达水平
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异常, 还会导致其形态学上的变化, 尤其是丝状体
生长率极大地降低。最终的实验数据表明, 在小立
碗藓正常的配子形成的细胞生长过程中, Pp1和
Pp2两个基因的表达是必不可少的。
当然, MYB2转录因子在行使其生理功能时, 不
是单独起作用的。有实验表明, 一种钙调蛋白
GmCaM4能够与AtMYB2转录因子结合, 促进拟南
芥的抗盐能力。拟南芥中过表达的GmCaM4蛋白
可以提高AtMYB2转录因子的转录效率, 同时提高
脯氨酸合成酶的含量, 进而促进盐胁迫下植物体内
脯氨酸的积累(Yoo等2005); 在ABA和脱水诱导下,
拟南芥的AtMYB2蛋白和AtMYC蛋白共同作用,
Rd22基因受调控, 表达量最高, 而在突变体中,
AtMYB2蛋白单独调控Rd22基因, 其表达量并不十
分明显(Abe等 1997)。
5 结语
目前, 对植物MYB2转录因子的研究多集中在
其生理功能上, 而关于MYB2转录因子与其上、下
游基因之间的作用机制研究较少, 如MYB2转录因
子通过哪些作用位点与下游基因结合, 调控哪些下
游基因的表达; 同时, MYB2基因的表达又受哪些
基因或外界条件的调控, 这方面的研究还有待进一
步探索, 以期阐明MYB2转录因子的作用机制及功
能。
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