全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第4期，2005年8月 419
植物中的Dof 蛋白和Dof转录因子家族
郭晓芳 严海燕*
中国科学院武汉植物园，武汉 430074
Dof Protein and Dof Transcription Factor Family in Plants
GUO Xiao-Fang, YAN Hai-Yan*
Wuhan Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430074, China
提要 Dof (DNA binding with one finger)蛋白是植物所特有的一类转录因子。其 N 末端保守的单锌指 Dof 结构域是既与
DNA 又和蛋白相互作用的双重功能域，识别的核心序列是 AAAG；其 C 末端氨基酸序列较为多变，是 Dof 蛋白的特异转
录调控结构域。Dof 类转录因子在植物中发挥着多种功能。拟南芥和水稻的 Dof 转录因子家族为 Aa、Bb、Cc、Dd 4 个
同源基因群，同类群间可能具有相似或相反的功能。文章就这一问题的研究进展作了介绍。
关键词 转录因子；Dof ；单锌指结构
收稿 2004-12-07 修定 　2005-03-07
资助 中国科学院创新基金启动经费(08025125)。
*通讯作者(E-mail: haiyan@rose.whiob.ac.cn, Tel: 027-
87617011)。
真核生物中，基因的转录通常受转录因子的
调控。Dof (DNA binding with one finger)蛋白是植
物所特有的一类转录因子，在果蝇、美丽线虫和
酿酒酵母的基因组中尚未发现有dof基因的存在[1]。
它含有一个独特的富含Cys残基的单锌指保守结构
域[2]，命名为 Dof 结构域。目前，已在多种单子
叶植物和双子叶植物中发现了Dof蛋白[2~13]，在高
等植物基因表达调控中起作用。本文简要介绍
Dof 蛋白和其研究进展。
1 Dof蛋白的结构、与DNA结合特性以及和其他
蛋白的相互作用
1.1 结构 各种转录因子通常有一个比较保守的结
构域与 D N A 结合，如亮氨酸拉链结构域、锌指
结构域、hemeo 结构域等[14]。有的转录因子还包
含有多个 DNA 结合结构域。例如，一些植物 MYB
蛋白[与 DNA(GGTTTAG)n 或类似重复序列结合的
蛋白]含有几个非完全重复的DNA 结合结构域[15];
植物特异性的WRKY (其结构域含有非常保守的氨
基酸序列 W R K Y G Q K )转录因子也有不同数目的
W R K Y 与 D N A 结合结构域，有人据此将 W R K Y
蛋白分成几个亚类[16]。与 MYB 蛋白和 WRKY 蛋白
不同，Dof 蛋白仅在其N末端有 1个 52 个氨基酸
组成的高度保守的 D o f 结构域，在此结构域中
CX2CX 21CX 2C 基序形成一个单锌指结构，此单锌
指结构中1个Zn2+与4个Cys残基共价结合(图1)。
Zn2+ 和 Cys 残基对 Dof 蛋白的活性是必需的，二
价离子螯合剂的存在以及对Cys残基的任何替换都
会使Dof 蛋白失活，这已在多种 Dof 蛋白与 DNA
相互作用的研究中得到证明[5,7,10,17]。此外，南瓜
的Dof蛋白中两个芳香族氨基酸Tyr73和Trp74在南
瓜 Dof 结构域中的位置分别与 GATA1 锌指蛋白和
类固醇受体DNA识别螺旋中的Tyr和His以及两个
Phe 相同，都起着稳定 Dof 结构域结构的功能，
因而对于南瓜的 Dof 蛋白与 DNA 的结合也是必需
的[13,17,18]。可以推测，不同 Dof 蛋白与 DNA 结合
的 Dof 结构域中除了单锌指与 DNA 结合外，锌指
旁边 C 侧链状结构中某些特定氨基酸也参与和
DNA 的结合，这些细微的变化有可能决定和不同
的 DNA 序列的结合。Dof 蛋白的转录调控结构域
位于 C 末端，如玉米的 ZmDof1 的转录激活结构
域是位于C末端的44个氨基酸残基[19]，其他 Dof
蛋白如拟南芥的 OBP1、OBP2、OBP3 和大麦的
BPBF 在 C 末端也有转录激活结构域[9,20]。转录调
控结构域的氨基酸序列较为多变，不具保守性，
这与 D o f 蛋白功能的多样性是一致的。综上所
述，Dof 蛋白通常包含 2 个主要的结构域：一个
位于 N 末端的保守的 DNA 结合结构域和一个位于
C 末端的调控结构域。在这两个结构域之间通常
还有1个Ser骨架，可能作为分子铰链连接这两个
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结构域[21]。
1.2 与Dof蛋白结合的DNA序列特异性 Dof蛋白
以其Dof结构域与不同的植物特异性基因的启动子
相互作用，在每一个 Dof 蛋白的 DNA 结合序列中
均存在有AAAG 序列 [4~6,8~11,22~24]，只有一个例外，
即南瓜中的 Dof 蛋白 AOBP 识别 AGTA 序列[7]。
Yanagisawa等[25]采用随机合成的DNA进行了结合
位点选择实验，并对玉米的 4 种 Dof 蛋白(Dof2、
Dof2、Dof3 和 PBF)的 DNA 结合序列进行系统分
析的结果表明，所有能够和 Dof 蛋白结合的寡聚
核苷酸均含有 AAAG 序列，而且在这个序列上的
任何单个突变都会取消 Dof 蛋白与 DNA 结合的特
性，这说明 AAAG 序列是 Dof 蛋白识别的核心序
列。而在此核心序列之外的外侧序列对 D o f 的
DNA结合特性也有一定的影响。如玉米的Dof1 和
D o f 2 蛋白与 C 4 植物磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
(phosphoenolpyruvate carboxylase，PEPC)基因启
动子上的 A A A A G 序列有很强的结合能力，与
GAAAG 序列的结合能力较弱，而与 CAAAG 序列
则不能结合[23]。此外，AAAG 的数目对Dof 与 DNA
的结合能力也有影响：2 个串联重复的 AAAG 基
序表现出比 1 个 AAAG 基序约 2 倍高的 DNA 亲和
力[25]。但是，外侧序列对 Dof-DNA 相互作用的
影响是有限的，仅在某种程度上影响二者的相互
作用。目前，这方面的研究很少。其他的转录
因子，如蛋白 - 蛋白之间的相互作用以及转录后
的修饰对Dof蛋白与其目标序列的特异性相互作用
也有影响[25,26]。
1.3 Dof蛋白与其他蛋白的相互作用 Dof结构域是
一个双功能的结构域，它不仅介导与 D N A 的结
合，而且介导蛋白与蛋白之间的相互作用[27,28]。
这种作用通常影响与 DNA 的结合，有时 Dof 与其
他转录因子通过与 DNA 的协同结合作用共同调节
基因的转录[26]。Zhang等[4]最先报道了这一蛋白与
其它蛋白之间的相互作用，如拟南芥的 Dof 蛋白
OBP1就是通过其与bZIP (basic leucine-zipper)蛋白
O B F 4 、O B F 5 的特异性相互作用而分离到的，
OBP1 通过其 Dof 结构域可以促进 OBF 与 DNA 的
结合[6,11]。另一个Dof-bZIP的相互作用例子是PBF
(玉米的一种胚乳特异性Dof蛋白)与O2(玉米的一
种bZIP 蛋白，参与胚乳特异性基因的表达)之间
的相互作用[6]。此外，O2 在胚乳中的另一个靶启
动子 cyPPDK 基因的启动子同时也是叶肉细胞中
ZmDof1 的靶目标[24]。
Dof结构域同样也介导Dof蛋白与其他类型的
蛋白之间的相互作用，如 Dof 蛋白与高流动性基
团结合的染色质(chromatin-associated high mobility
group, HMG)之间的相互作用，不同 HMG 蛋白提
图1 Dof蛋白的基本结构
　　原图由德国 RWTH Aachen 大学生物第一学院 Markus Cavalar 提供(未发表)。图中显示的是玉米 Dof1 (gi2130126)和 Dof2
(gi2130124)的氨基酸序列。在 N 末端 Dof 蛋白有一个高度保守的结构域，而 C 末端的氨基酸序列则常多变。Dof1 和 Dof2 仅有
4 个氨基酸残基不同，即黑色圆圈处。
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高 Dof 蛋白的 DNA 结合性的程度不同[29,30]。
不同家族的转录因子进行的复合调控可能是
对转录因子在体外与体内作用有差异的一个比较合
理的解释[31]。Dof 结构域的双重功能可能有助于
其在体内对靶基因的正确激活或抑制。而蛋白-蛋
白之间的相互作用在转录调控中的真正意义还需要
体内研究的证据。同样，尽管在 Dof 结构域中存
有保守的氨基酸序列，但并不能说明是什么在决
定着蛋白 - 蛋白之间的相互作用。
除了 Dof 结构域外，Dof 蛋白 C 端区域也是
与其他蛋白作用的区域。与保守的 Dof 结构域不
同，C 末端变化多样，它很可能通过与不同类型
调控蛋白或物质的反应，受不同途径信号的调控
而激活或抑制基因的转录。这种多样性可能是
Dof 功能多样性的基础之一，也能够说明为什么
同类Dof 基因在同一类功能中起作用[21]。
已经确定，玉米 Dof1、拟南芥 OBP1~3、大
麦PBF的转录激活区域定位于每个蛋白多变的的C
末端[9,19,20]。 玉米Dof1的转录激活区不仅作用于植
物细胞，也作用于动物和酵母细胞[19]。大麦 PBF
和SAD(scutellum and aleurone-expressed Dof)还与
动植物中均存在的 M Y B 转录因子相互作
用[20,32]。MYB 结合位点和 Dof 结合位点对 MYB 蛋
白激活靶基因的转录都是必需的[20], 表明靶基因转
录的调控受多个调控因子的协同作用。
以上显示，作为转录因子，Dof 蛋白不仅通
过Dof 结构域直接和 DNA 结合，并在此区域还与
其他调控因子或蛋白结合，由调节与 DNA 的结合
而调控基因的转录，而且与许多转录因子一样，
在 C 末端专门有与其他蛋白或因子结合激活或抑
制基因转录的区域。这些不同位点调控的组合可
能是 Dof 蛋白功能多样性的结构基础。
2 Dof蛋白的生物学功能
在多种植物特异性基因的启动子中都发现有
Dof 蛋白结合元件，这表明Dof 蛋白有多种功能，
参与植物多种生命活动的调控。玉米的Dof1是一
系列光应答基因的调控元件，包括C4植物的PEPC
基因[23,24]; 玉米的PBF以及与其同源的大麦和小麦
PBF 转录因子控制胚乳特异性贮藏蛋白基因的表
达[6,9]; 拟南芥OBP1在水杨酸和氧化胁迫信号的诱
导下，可调控植物防御基因的表达[4,22]; 拟南芥的
DAG1 和 DAG2 在种子萌发过程中起调控作用[12]。
此外，Dof 蛋白还参与调控植物激素应答基因的
表达，如烟草的Dof蛋白NtBBF1在顶端分生组织
和微管组织中是生长素诱导表达的植物癌基因rolB
的激活子[5,32]。Dof 蛋白也参与植物基因的负调
控。一个典型的例子是，南瓜的 Dof 蛋白 AOBP
结合到生长素诱导表达的抗坏血酸氧化酶基因启动
子的沉默子区域后，可抑制其表达[7]。一些受赤
霉酸诱导的基因表达过程中也有Dof蛋白参与。例
如，水稻的OsDof3可能是种子萌发过程中赤霉酸信
号途径的一个组分[10]。最近，有人报道番茄中Dof
蛋白参与保卫细胞特异基因的表达调控[11]。尽管
Dof 蛋白的每一种功能还没有得到完全证实，但
它参与植物多种生命过程的调控是毫无疑问的(表1)。
玉米 Dof1 在碳骨架合成中是关键的调控因
子；它在拟南芥中过量表达可促进与碳骨架合成
有关酶表达的增加，一些氨基酸含量的提高和葡
萄糖含量的减少，转Dof1基因的拟南芥植株中氮
含量提高 30%，在低氮条件下拟南芥生长也可有
所改善[35]。Dof 蛋白的此类型特定调控功能，为
采用基因工程改良农产品品质和植物生长特性提供
了可能。
3 Dof转录因子家族的系统发育
了解Dof 蛋白的进化情况有助于研究它的结
构和功能。由于拟南芥和水稻的全基因组序列已
经十分清楚，所以目前对 Dof 转录因子家族的系
统发育研究主要集中在这两种植物，它们可分别
表1 几种Dof蛋白的功能
Dof蛋白 Dof蛋白可能的功能 植物种类 参考文献
ZmDof1 调控光应答基因的表达 玉米 23, 24
P B F 控制胚乳特异性基因的表达 玉米 6
B P B F 大麦 8
W P B F 小麦 8
O B P 1 参与植物的防御反应 拟南芥 4, 22
PsDof1 豌豆 3
D A G 1 调控种子萌发 拟南芥 34
D A G 2 拟南芥 12
NtBBF1 调控生长素应答基因的表达 烟草 5, 33
A O B P 南瓜 9
OsDof3 赤霉酸信号途径的组分 水稻 10
StDof1 调控保卫细胞特异基因的表达 番茄 11
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作为双子叶植物和单子叶植物的代表。根据拟南
芥全基因组序列分析推断在其基因组中有 37 个
Dof基因，但在AtDof1.9 基因的 Dof 结构域中有
一个中止密码子，因此有人认为是一个假基因。
Lijavetzky等[36]将这36个Dof基因分为A、B、C、
D 4 个同源基因群或亚家族，其中 B、C、D 3
组又可根据内含子和Dof结构域之外的共同蛋白基
序的有无进一步分成几个亚组，如 B1、B2、C1、
C2.1、C2.2、C3 等。水稻的 Dof 转录因子家族
包括 30 个 Dof 蛋白，采用与拟南芥同样的方法，
水稻的 Dof 转录因子家族也可分为 a、b、c、d
4 组或 4 个亚家族。其中，c、d 两组又可分为
c1、c2、d1、d2、d3 几个亚组。为了研究 Dof
基因家族内部的进化关系，Lijavetzky等[36]将来自
拟南芥和水稻的66个 Dof蛋白综合起来绘制了一
个进化树，整棵树的布局包括组和亚组的组织都
与拟南芥和水稻各自的进化树很相似。这棵树上
显示出可能的直系(直向)同源(orthologous)基因和
并系(平行)同源(paralogous)基因以及可能的基因丢
失事件[36]。最近，分析基因组范围的结果表明，
拟南芥的基因组可能起源于10~20亿年前的4次不
同的大规模基因组重复(large-scale genome
duplication)。显然，这种基因组的重复会导致Dof
基因的大量扩增。例如，在系统发育树上相隔很
近的2个Dof基因编码的AtDof3.2和AtDof5.3蛋
白有顺序相同的 5 个保守区域，每个区域只有极
少数氨基酸不同，表明这两个基因的产生就是基
因组重复后变异的结果[21]。目前，人们对基因扩
增与功能的多样性之间关系知道的还很有限，但
仍然可以预测，同一个亚组中的基因表现出重叠
的或相关的功能，事实也的确如此。如 OsDof3
是一个在水稻种子萌发过程中受GA诱导而在其盾
板和胚乳中特异表达的 Dof 基因，它和与胚乳发
育相关的其他 Dof 蛋白(PBF、BPBF、WPBF)归
为一组；拟南芥的两个关系非常密切的 Dof 基因
DAG1 (AtDof3.7)和 DAG2 (AtDof2.5)都参与种子
萌发的调控，尽管它们的作用相反，但仍可归为
同一个亚组[22]。因此，研究Dof 蛋白系统进化不
仅可以揭示 Dof 基因的起源与分化，而且对预测
其功能也有很大的帮助。
4 结束语
Dof共同的单锌指结构为转录调控识别启动子
中的共有结构, 其两侧不同类和亚类的保守序列很
可能受各种网络信号调控和通过影响Dof蛋白的空
间结构决定特异 Dof 位点识别的特异功能区，决
定 Dof 识别的特异性和网络信号调控的特异性。
所以，研究 Dof 蛋白各组和亚组中保守序列功能
将不仅可为Dof家族基因的结构和功能勾勒出关键
的轮廓图，也可为整个信号传递网络的研究积累
资料。如果信号调控区域功能能够单独存在，而
特定 Dof DNA 序列的 Dof 结合蛋白又是已知的，
那么，还可以根据需要，人工组合新的 Dof 调控
蛋白，为基因工程提供新的基因。
通过近年的研究，人们对 Dof 转录因子已经
有了一定的认识。可以相信，随着基因组大规模
测序技术以及比较基因组学的发展，其他植物中
的 D o f 蛋白也将会陆续发现。采用插入突变、
RNA 干扰(RNAi)以及转基因技术结合植物的表型
分析，人们对 Dof 蛋白具体功能的认识将会更加
深入。另外，采用基因瞬时表达分析、迁移率
变动实验等手段，进一步阐明 Dof 蛋白调控功能
也应是今后研究这一问题的方向之一。
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