全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第4期，2006年8月 731
TIR1终于被确证为生长素受体
白华举1,2,3 陈军营2 刘林3 陈新建2,*
1 山东师范大学生命科学学院，济南 250004；2 河南农业大学农学院，郑州 450002；3 临沂师范学院生命科学系，山
东临沂276005
TIR1 Was Confirmed as an Auxin Receptor Finally
BAI Hua-Ju1,2,3, CHEN Jun-Ying2, LIU Lin3, CHEN Xin-Jian2,*
1College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250004, China; 2College of Agronomy, Henan Agricultural University,
Zhengzhou 450002, China; 3Department of Life Sciences, Linyi Normal College, Linyi, Shandong 276005, China
提要 生长素受体—— TIR1 近期被确定，解决了生长素研究中长期令人困惑的一大难题。生长素首先和 TIR1 结合并且
促进 TIR1 和 Aux/IAA 蛋白质的相互作用。TIR1 和其他至少 3 种 F-box 蛋白质一起发挥作用，激活了泛素化的蛋白质降解
过程，启动了基因转录，从而导致了植物生长发育过程中的生长素反应。
关键词 生长素受体；TIR1；Aux/IAA 类蛋白质；生长素响应因子(ARF)
收稿 2006-04-04 修定 　2006-06-05
资助 国家转基因植物研究与产业化专项基金(JY03-B-19-2)
和河南省杰出人才创新基金(022100090)。
*通讯作者(E-mail: xinjian@371.net, Tel: 0371-
63554960)。
植物生长素的研究已有100 多年，但是生长
素受体为何物一直是悬而未决的问题。2005年的
《Nature》上连续有两篇论文(Dharmasiri等2005a;
Kepinski和Leyser 2005)给出了明确的答案：认为
TIR1就是人们长期寻找而又未果的植物生长素受
体，从而引起了科学界的高度关注与巨大轰动
(Napier 2005; Parry和Estelle 2006; Laskowski
2006)。
生长素受体是研究生长素信号传导链的最重
要环节，几十年来人们对它的研究始终未曾放松
过，但却经历了曲折而漫长的探索过程。在这个
探索过程中，大体上有两条线路。第一条路线是
ABP的研究。ABP1 (auxin binding protein 1)是最
早进入人们视线的并认为是最可能的生长素受体候
选者(Batt等1976)。经过了几十年来的无数实验
证明，取得了令人瞩目的成就，尤其是近年来经
过现代生物化学、分子生物学、反向遗传学技术
的证明，确证ABP1参与了生长素诱导的细胞伸长
和细胞分裂等过程 (Jones和Venis 1989; Chen等
2001)。但仅就目前的证据将ABP1 称为生长素的
受体，还为时尚早。第二条路线是蛋白质降解途
径的研究。上世纪末期，随着对生物体内泛素 -
蛋白酶体参与的蛋白质降解途径的深入了解，人
们发现生长素可以引起某些蛋白质降解从而激活有
关基因的表达。但在Dharmasiri (2005a)、Kepinski
和Leyser (2005)在《Nature》中的两篇文章发表
之前对生长素如何启动有关蛋白降解的知之甚少。
因此，生长素受体 TIR1 的发现，将整个生长素
信号传递途径的大概脉络勾列了出来，人们终于
走出了迷宫，因此这一研究具有划时代的意义！
本文就生长素受体TIR1的发现与确证以及相关的
信号传递过程作简要介绍。
1 生长素受体TIR1
1997 年，Ruegger 等筛选到一种拟南芥突变
体，此种突变体具有抑制生长素运输的能力。从
此种突变体中分离到TIR1基因，其产物称之为运
输抑制剂响应蛋白1 (transport inhibitor response pro-
tein 1, TIR1)。但后来的研究发现它在生长素的转
运中并不起作用(Ruegger等 1998)。TIR1是一个
含有F-box 的蛋白质，已知 F-box 是一个蛋白质
与另一个蛋白质结合的特征性结构域，因此认为
TIR1 的作用可能是生长素信号转导中的一个成
员。Gray等(2001)发现 TIR1可以直接和Aux/IAA
蛋白结合并启动它的降解。在这之前，人们早就
注意到Aux/IAA蛋白是参与生长素诱导的生理反应
研究通讯 Research Letter
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中特异的蛋白成分(Dharmasiri等2005a; Kepinski和
Leyser 2005)。
2005年，Estelle和Leyser两个研究小组用了
几乎同样的方法分别证明TIR1就是人们长期寻找
而又一直未果的生长素受体(Dharmasiri等2005a;
Kepinski和Leyser 2005)。
首先，他们用常规的研究受体和配体的方
法——放射性标记的方法证明[ 3H ] I A A 结合于
SCFTIR1复合体(泛素连接酶3)上，即生长素受体存
在于SCFTIR1 复合体上，并且还计算出其表观解离
常数在20~80 nmol·L-1 之间。在SCFTIR1 复合体与
[3H]IAA 结合的同时他们又分别用IAA、1-NAA 和
2,4-D与之竞争结合，发现其IC50 (抑制一半时所
需的浓度)分别为1.2×10-7、1.3×10-6 和 1.4×10-6
mol·L-1，说明此种复合物对内源的生长素IAA比人工
合成的生长素的结合能力要高出一个数量级以上。
泛素连接酶 3 有很多种，主要分为两大类，
促进细胞后期分裂复合体(anaphase-promoting com-
plex, APC)和SCF (Skp1-Cdc53/Cul1-F-box protein)。
植物中的 SCFTIR1 复合体包括 CUL1、ASK1、RBX1
和 TIR1，由于前3种蛋白质是SCF 复合体所共有
的，且在植物和动物中都相当保守，所以认为生
长素可能直接和TIR1结合。为了证实此推测，他
们将源于拟南芥的TIR1基因在昆虫和非洲爪蟾胚
胎中进行表达，所获得的TIR1 可以和[3H]IAA 反
应，其结合曲线符合受体与配体的结合特征。用
pull down assay技术来证明TIR1和Aux/IAA 蛋白
的结合与生长素是否存在有关。pull-down assay
是研究蛋白质互作的方法之一，其基本方法是将
诱饵蛋白(bait protein)基因对接上一个容易被纯化
的特异蛋白质的基因，如谷胱甘肽转移酶
( G S T )，融合蛋白可以用谷胱甘肽化的树脂纯
化；将猎物蛋白(prey protein)的基因对接上一个
特异抗原的基因，如 M y c (鸟髓细胞瘤病毒，
myelocytomatosis)基因，其融合蛋白可以用抗
Myc 的抗体进行检测。这是一种集基因的融合与
表达、亲和层析、免疫检测等多技术于一体的综
合技术。IAA与TIR1结合后可以促进TIR1和Aux/
IAA 蛋白的结合，并且在一定的 IAA 浓度范围内
TIR1和 Aux/IAA蛋白结合能力随着IAA 浓度的提
高而加大，表明TIR1和 Aux/IAA蛋白结合对生长
素是依赖的。二者的结合在加入生长素 5 min 后
就发生，20 min 后二者的结合达到饱和(Yang
2004)。这种结合在 4~25℃范围内不发生变化。
可见二者结合不随温度的变化而变化。由此可以
猜测，在这个结合过程中不涉及TIR1或 Aux/IAA
额外的酶介导的修饰。这种结合需要有生长素的
持续存在。并且IAA7 (Aux/IAA的一种)提前用生
长素处理与否均不影响它和TIR1之间的结合，说
明生长素是和TIR1结合而不是和Aux/IAA蛋白结
合的，即生长素的受体是 TIR1 而非 Aux/IAA 蛋
白。N- 末端缺失 6~84 个氨基酸残基后，TIR1 就
不能和生长素结合，说明生长素的结合位点位于
TIR1 的 N- 末端。
虽然已经确定TIR1是生长素受体，且又是F-
box蛋白质家族中的一个成员，那么F-box蛋白质
家族中的其他成员是否也具有生长素受体的作用
呢？2005年Estelle小组的研究结果对此给出了确
切的答案：除了TIR1外，另外3个蛋白——AFB1、
AFB2 和 AFB3 也具有受体的作用，它们结合生长
素后都可以和SCF 结合成复合物，从而导致Aux/
IAA与之结合。这4个F-box蛋白质家族成员共同
参与生长素调节的反应(Dharmasiri等2005b)。这
一发现揭示了为什么突变体tir1对生长素反应和表
型变化不大的原因。
从生长素到与生长素反应相关基因的表达的
信号传导链随着生长素受体的发现而清晰地勾画出
来(图1)。人们对这个信号传导链中的其他成员的
认识早于对受体的认识，所以人们在揭示这一信
号途径的过程中不得不采用了“倒叙”的手法。
而随着“主角”——受体的“粉墨登场”，整
个剧情就变得清楚起来。以下就这个信号转导链
中所涉及的其他成员作一介绍。
2 Aux/IAA类蛋白质
1982年，Waker和Key在大豆胚轴中发现Aux/
IAA 蛋白质的mRNA (即 Aux28 和 Aux22 两个基因
的 mRNA)。Aux/IAA 蛋白是高等植物中普遍存在
的一类蛋白，其分子量一般在 20~30 kDa，在拟
南芥中有29个编码Aux/IAA蛋白质的基因(Liscum
等 2002)。Aux/IAA 属于早期的生长素反应基因，
大部分基因的转录受生长素的上调。它们所编码
的蛋白质半衰期一般很短，如拟南芥的 A X R 2 /
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IAA7为6~8 min，而AXR3/IAA17为80 min (Dreher
等2006)。这类蛋白质含有4个保守的结构域，即
结构域I~IV (Abel等1995)。其中结构域II是与
TIR1 结合的区域(Gray 等 2001)，其核心模块是
GWPPV，其点突变后，受生长素活化的 TIR1 就
不能与之结合(图1和图2)。这和前期的工作相吻
合，过去已经证明此区域是决定该蛋白不稳定性
的(Ramos等 2001)。结构域III和 IV是与生长素
响应因子(auxin response factor, ARF)相结合的部
位。在没有生长素时 Aux/IAA 蛋白就通过这 2 个
部位与 A R F 结合，使之处于受阻碍状态。当生
长素信号在核中出现后，SCFTIR1 复合体中的受体
TIR1 即与生长素结合而被活化，从而和结合 ARF
(染色体上)的 Aux/IAA 蛋白结合，使之从染色体
上脱落下来，形成 SCFTIR1-Aux/IAA 复合体，接
下来复合体上的Aux/IAA 蛋白被泛素化，然后为
蛋白酶体(proteasome)降解。脱离阻碍蛋白Aux/
IAA 的 ARF 成为活化的转录因子，与之结合的基
因即开始转录。
3 生长素响应因子(ARF)
生长素响应因子是Ulmasov等(1997)发现的，
是指能与生长素早期反应基因启动子中的生长素应
答元件(AuxRE) TGTCTC 序列特异结合，它可调
节生长素反应基因表达的转录激活或抑制因子
(Guilfoyle和Hagen 2001)。Aux/IAA蛋白和ARF结
合后可抑制 ARF 诱导的基因转录。
目前，已在拟南芥中发现了23个编码ARF的
基因(Liscum 和 Reed 2002)，其中 ARF23 可能是
一个假基因，在其 D N A 结合区有一个终止密码
子，因此它缺少 DNA 结合区的羧基端序列，到目
图1 TIR1介导的生长素信号传递途径
根据Woodward 和 Bartel (2005)结果重绘。
图2 Aux/IAA和ARF的蛋白质结构
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前为止还没有证据证明ARF23 可以表达。
A R F 是一类新的转录因子，其分子量在
70~130 kDa之间，有转录因子的典型结构(Tian等
2004): N-端有 DNA结合区(DBD)、中间的转录激
活区或称中央区(middle region, MR)和C-末端的寡
聚化区(图 2)，核定位信号(NLS)常位于 MR 内。
在 DBD 区内，它可与生长素响应基因启动子中的
TGTCTC 序列特异性结合。C- 端的寡聚化区含有
结构域III和IV (因其与Aux/IAA蛋白中的结构域
III和IV同源而得名)，可使ARF形成同源二聚体，
也可使 ARF 和 Aux/IAA 形成异源二聚体。在 DBD
与结构域 III 之间存在一个不同长度的非保守的
M R，具有转录激活或抑制功能，转录激活或抑
制则取决于 MR 区域中的氨基酸组成：富含谷氨
酰胺时(如 ARF5、ARF6、ARF7和 ARF8) (Ulmasov
等1999)起转录激活作用，而富含其它氨基酸如脯
氨酸和丝氨酸时，就起转录抑制作用(Ulmasov等
1997; Deshaies 1999)，生长素如何通过受体作用
于这些起抑制作用的 ARF 尚未见报道。
4 泛素化后Aux/IAA蛋白受蛋白酶体的分解
人们早就注意到，生长素诱导下Aux/IAA 蛋
白的泛素化(ubiquitination)和为蛋白酶体降解(图
1)。1993年，Leyser等在筛选对生长素反应不敏
感的拟南芥突变体时克隆到了 AXR1(AUXIN RE-
SISTANT 1)的基因。研究发现，该基因所编码
的不是生长素受体，而是与泛素化的活化酶有关
的蛋白质，这一发现首次将生长素诱导的反应与
泛素化的蛋白降解途径联系起来。
近年来，对泛素化依赖的蛋白质降解途径
(ubiquitin-dependent proteolytic pathway)已经成为
生命科学研究中的热点，2004年的诺贝尔化学奖
就是授予研究泛素化蛋白质降解途径的美国和以色
列科学家的。生长素受体是泛素化酶 3 的一个成
分的发现就是泛素化蛋白质降解途径在代谢调节中
起作用另一个范例。有关泛素化蛋白质降解途径
已有过不少综述，因此本文中不再赘述。
5 结语
TIR1作为生长素受体的发现和确证有里程碑
性的意义，但这并不意味着生长素的研究都已非
常清楚，以下几个问题可能是今后值得进一步探
讨 的 。
(1)生长素和Aux/IAA蛋白的关系问题。生长
素一方面促进大部分的Aux/IAA 基因的转录，另
一方面又直接结合并活化受体 TIR1，从而导致
Aux/IAA 蛋白在泛素 - 蛋白酶体降解途径中的降
解。这一矛盾现象如何解释，是否由于生长素在
分解 Aux/IAA 蛋白和活化 ARF，从而导致生长素
反应基因在表达的同时已经合成了备用的Aux/IAA
蛋白，以便在生长素降低后立即结合并钝化
A R F 、关闭已经表达的基因呢？如果是这样的
话，即可以用来解释受生长素诱导的反应需有生
长素持续存在的原因。在同一个细胞中 Aux/IAA
蛋白的分解和Aux/IAA基因的表达并翻译这两个矛
盾过程是如何得到巧妙统一的？是通过时间、空
间、运输和修饰将这两个过程隔离开，还是另有
什么原因？这些问题需进一步研究。
(2) F-box 类蛋白是否为植物细胞中仅有的生
长素受体？有些生长素反应非常快，不可能在转
录水平上实现，这些反应主要是跨膜离子转运的
变化，可能由膜结合蛋白质行使这一功能。这种
受体是否为 AB P 1，需要进一步探讨。
(3) F-box蛋白作为生长素激素受体，其发现
也和其他发现一样，引发了一系列问题。其中最
重要的是生长素是怎样促进TIR1-Aux/IAA相互作
用的。这里有两个可能，一个可能是生长素与
TIR1结合后引起有利于底物结合的构象变化；另
一可能则是生长素稳定TIR1和其底物之间的相互
作用，因此它可能是结合在TIR1-Aux/IAA界面上
的。据此，可以认为受体和效应物结合的分子机
制可能将是今后这一问题研究中的热点问题。
(4)在动植物中有许多F-box蛋白质。作为生
长素受体，这是首次发现 F-box 蛋白质可以受小
分子配体调节。但到底有多少 F-box 蛋白质家族
的成员可受小分子配体调节？F-box与配体如何结
合？结合配体得到活化的受体在完成使命后又是如
何和配体脱离而回到起始状态？这些过程的分子机
制也是值得深入研究的课题。
总之，F-box 蛋白作为生长素受体的发现和
确证，是植物学研究领域的一大盛事！这一成果
将对近期或将来的研究起不可估量的推动作用。
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