免费文献传递   相关文献

Cloning and molecular characteristics analysis of a MYB gene from Fagopyrum dibotrys

金荞麦MYB转录因子基因FdMYBP1的克隆及分子特征分析



全 文 :金荞麦 MYB转录因子基因 FdMYBP1的克隆及
分子特征分析
马婧1,祝钦泷1,2,郭铁英1,3,刘光德1,眭顺照1,李名扬1
(1.西南大学 园艺园林学院 重庆市花卉工程技术研究中心,重庆 400716;
2.华南农业大学 生命科学学院 广东省植物功能基因组与生物技术重点实验室,广东 广州 510642;
3.云南省德宏热带农业科学研究所,云南 瑞丽 678600)
[摘要] 目的:对金荞麦MYB转录因子基因FdMYBP1进行克隆和序列特征分析。方法:采用RACE结合cDNA文库筛
选的方法,从金荞麦cDNA文库中克隆 MYBP1基因(FdMYBP1);生物信息学分析,Southern杂交。结果:克隆到1个 MYBP1
转录因子基因(FdMYBP1),通过Southern杂交分析,推测FdMYBP1基因是1~2个拷贝基因;FdMYBP1基因编码1个长256
个氨基酸的蛋白质,在N端存在1个保守结构域,属于 MYB转录因子家族。结论:首次从金荞麦中克隆到转录因子基因
FdMYBP1,它具有MYB同源基因的典型特征,可能在金荞麦类黄酮代谢途径中起作用。
[关键字] 金荞麦;MYB转录因子;类黄酮
[收稿日期] 20090113
[基金项目] 重庆市自然科学基金项目(CSTC2005881154);农业
部野生植物保护项目(2130135)
[通信作者] 李名扬,Tel:(023)68250086,Fax:(023)68251250,
Email:limy@swu.edu.cn
  金荞麦Fagopyrumdibotrys(D.Don)Hara是蓼
科荞麦属多年生草本植物[1],是一种营养丰富并具
有重要药用价值的资源植物[2]。现已从金荞麦地
上部分提取获得10余种化合物[3],其块根活性提取
物主要为类黄酮次生代谢产物,具有显著的抗癌、抑
制肿瘤细胞侵袭和转移,以及消炎抗菌等作用,是多
种抗癌和癌预防药物(如复方金荞麦颗粒、金荞麦
片、和威麦宁胶囊等)的主要成分之一[4]。多种转录
因子在植物类黄酮合成途径的复杂调控中扮演重要
角色,它们通过决定一些酶编码基因的时空表达特异
性,来决定产物在时间和空间分布的特异性,从而参
与类黄酮生物合成的调控。目前己分离和鉴定的参
与类黄酮合成调控的转录因子主要有3类:MYB蛋
白、myc基因家族的bHLH蛋白、WD40蛋白。
本实验通过 RTPCR获得金荞麦 MYB转录因
子的特异探针,并从 cDNA文库中筛选获得 1个
MYB转录调控因子编码基因 FdMYBP1,并对其进
行了序列特征分析。研究结果有助于从分子水平深
入认识类黄酮生物合成途径,为有效调控这一代谢
途径,提高金荞麦总类黄酮产量,解决金荞麦生物活
性物的工厂化生产遭遇的瓶颈问题提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 植物材料及菌种
金荞麦cDNA文库由西南大学园林花卉研究所
构建、保存;烟草 W38,大肠杆菌 XL1Blue,BM258
用于质粒克隆由该实验室保存扩繁。
1.2 试剂
PCRDIGProbeSynthesisKit(Cat.No.11636
090910)试剂盒为 Pharmacia公司产品,cDNA第一
链合成试剂盒 RevertaidTMFirstStrandcDNASyn
thesisKit(MBI,K1622)购自深圳晶美公司,T4连
接酶和各种限制性内切酶购自 TaKaRa(大连),其
他生化试剂均为市售分析纯。
1.3 方法
1.3.1 金荞麦 MYB基因 cDNA和 DNA片段的克
隆 参照田振东等的方法(略改动)[67],采用RACE
和文库结合的方法,快速克隆目的基因。
首先根据玉米 P基因及 MYB转录调控因子
R2R3家族的R2,R3保守区域设计2条简并引物:
PcPdf5′AARWSNTGYMGNYTNMGNTGG3′,PcPdr
5′CCARTARTTYTTNAYNTSRTTRTC3′(R=A/G,
W=A/T,M=A/C,H=A/T/C,Y=C/T,S=G/
C,N=anybase),进行PCR扩增,得到金荞麦 MYB
基因片段。然后根据得到的片段设计基因特异引物
·5512·
第34卷第17期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 17
 September,2009
(5GSP1: AGACGATGGAGACGGAGAATGAGATC,
5GSP2:CGGAGAATGAGATCTTCTTCGTCAG),分别
与文库载体上 5′端的 2条特异引物 5NP1(5′TC
CGAGATCTGGACGAGC3′)和 5NP2(5′CTCGG
GAAGCGCGCCATTGTGGT3′)配对进行 5′RACE,
扩增目的基因的5′端。再根据5′RACE得到的序
列设计特异引物 5LP(5′GAAAACATCACGTCTTC
CTTTTCTGA3′)和载体上 3′端的特异引物 3RP
(5′TAATCGACTCACTATAGGGCGAATTGG3′)直接
扩增FdMYBP1基因cDNA全长序列。
根据FdMYBP1基因cDNA序列,设计1对PCR
引物,使得扩增产物必须包括完整的开放阅读框架
(ORF)并尽可能最大,Pg1:5′AGCTCACAGCGATCGA
TTAGATG3′,Pg2:5′ATGTCTTACGTGACCCAACATA
CAG3′,PCR扩增得到FdMYBP1基因DNA序列。
1.3.2 通过Southern杂交分析FdMYBP1基因拷贝
数 选择3′端非保守性区域304bp的片段作为特
异探针进行杂交,用以判断 FdMYBP1基因的拷贝
数,探针引物如下:LSP5′CCTCAGCTCCAAAC
CCTAATCATG3′,RSP5′CAGATGATGCATGAAA
CTCCTAGGT3′。
1.3.3 FdMYBP1基因cDNA的生物信息学分析 
生物信息学分析主要采用 DNAStat软件包及 ht
tp://www.expasy.org,htp://www.softbery.com/
等链接的网上软件包进行。文中用于序列比对和系
统发育分析的 MYB基因或蛋白质序列在 GenBank
上的序列号如下:VvMYBPA1(AM259485),AtGL1
(P27900),ZmP(P27898),ZmC1(AAA33482),
VvMYBA1(BAD18977),VvMYBA2(BAD18978),At
PAP1(AAG42001),PhAN2(AAF66727),LeANT1
(AAQ55181), AtMYB5 (U26935), PhMYB1
(Z13996), AmMixta(CAA55725), AtMYB12
(CAB09172),AtMYB111(AAK97396),AtTT2
(Q9FJA2), PH4 (AAY51377), AtPAP1
(AAG42001),AtPAP2 (AAG42002),AtWER
(CAC01874),VvMYB5a(AAS68190),VvMYB5b
(Q58QD0)。
2 结果与分析
2.1 FdMYBP1基因的克隆及序列特征
以金荞麦嫩叶、茎表皮混合样cDNA为模板,对
简并扩增获得的 cDNA片段进行克隆测序(图1),
得到1个175bp的cDNA探针。对其在NCBI上进
行BLASTx分析,确认得到的片段是金荞麦 MYBP1
基因的1个片段,因此,选择该片段作为同源探针。
M.DL2000Marker。
图1 金荞麦简并引物扩增(A),5′RACE扩增(B)以及FdMYBP1全长cDNA基因扩增(C)
  通过 RACE和文库结合的方式,以1μL稀释
100×的原始文库为模板,经5′RACE获得了1条约
400bp的片段,测序和 BLASTx比对结果表明为
MYBP1的5′端。用5′端特异引物(5LP)和3′载体
引物(3RP)直接扩增全长基因,得到长度约12kb
条带,对测序结果比对分析推测分离得到的 cDNA
全长是金荞麦类黄酮代谢途径(花色素和原花色素
支路)的调控基因,由于是根据玉米 P基因同源克
隆得到的,命名为FdMYBP1。以金荞麦基因组DNA
为模板,PCR扩增(图 2)得到包括完整 ORF框的
DNA序列。
利用相关软件分析克隆得到的 FdMYBP1基因
cDNA长1159个核苷酸,有 1个 111bp(1~111
bp)的5'UTR区(5'untranslatedregion),1个250bp
(910~1159bp,包括19bp的 polyA结构)的3′
UTR区(3′untranslatedregion),在3′UTR区中  
·6512·
第34卷第17期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 17
 September,2009
M.DNAMarker(DL2000);1.H2O;2.金荞麦花cDNA;
3.金荞麦基因组DNA。
图2 金荞麦基因组FdMYBP1的PCR扩增(A)及
Southern杂交分析(B)
1111~1116bp有典型的poly(A)加尾信号 AATA
AA。得到的FdMYBP1基因DNA全长1098bp,包
含1个81bp的内含子(311~391bp),符合标准的
GT…AG剪接方式,有1个798个核苷酸(112~909
bp)的开放阅读框(openreadingframe,ORF),编码1
个长265个氨基酸的蛋白质,理论相对分子质量为
2971,预测等电点为857。
2.2 Southern杂交分析
用EcoRI,EcoRV,DraI分别酶切金荞麦基因组
DNA,电泳转膜后与地高辛标记的探针杂交,EcoRI
和 EcoRV酶切方式显示1条带,DraI显示2条带,
表明在金荞麦基因组中FdMYBP1基因可能有1~2
个拷贝(图2)。
2.3 金荞麦FdMYBP1基因编码推测蛋白质分析
2.3.1 FdMYBP1蛋白质的基本性质 对 Fd
MYBP1蛋白的一级结构进行分析,结果显示:Fd
MYBP1蛋白含70个疏水氨基酸,占氨基酸总数的
2642%,80个极性氨基酸,占总数的 3019%,32
个碱性氨基酸,占总数的 1208%,29个酸性氨基
酸,占总数的1094%,并且32个碱性氨基酸中有
26个在N端(1~125aa),符合MYB类转录因子特
点;理论相对分子质量为 2971,预测等电点为
857,分子式C1296H2023N387O402S8;预测半衰期为30
h,不稳定系数为4070,推测这个蛋白质是一个不
稳定的蛋白质。
2.3.2 FdMYBP1蛋白质二级结构和三级结构预测
 采用 SPOMA进行二级结构预测,结果表明 Fd
MYBP1蛋白二级结构主要由 α螺旋 (helix,
3094%),少量的延伸链(extendstrand,491%),β
转角(βturn,302%)和随机卷曲(random coil,
6113%)组成。用 LOOPP预测得到的二级结构与
此十分相似。
运用 SWISSMODEL对 FdMYBP1的三级结构
预测,在R2R3区有和其结构相似的用 X射线衍射
测定的CMYBR2R3的晶体结构,可以明显的看出
与DNA大沟结合的HTH(helixturnhelix)结构域。
2.3.3 亚细胞定位和磷酸化位点预测 用 SOFT
BERRY对FdMYBP1进行亚细胞定位预测,FdMYBP1
与Q6Q789有相同的亚细胞定位,在 NCBI中查找
Q6Q789,对应的基因是葡萄中的一个 R2R3类 MYB
转录因子蛋白基因 VvMYB5a,它定位于细胞核[8]。
推测FdMYBP1是定位到细胞核的,由于转录因子蛋
白在细胞质中合成后,必须从核孔运输到细胞核,与
靶基因的启动子或增强子区结合才能调控基因的表
达。因此,亚细胞定位预测进一步证明FdMYBP1是
一个MYB类转录因子。转录因子蛋白一般都是不稳
定蛋白,其活性在很大程度上受可逆磷酸化的调控,
磷酸化常常起到“开关”的作用。用NetPhos20进行
预测,FdMYBP1蛋白有10个 Ser磷酸化位点,5个
Thr磷酸化位点,有2个Tyr磷酸化位点。
2.4 FdMYBP1基因编码蛋白质同源性分析
2.4.1 FdMYBP1蛋白质的相似比对 在 Gene
Bank中对FdMYBP1蛋白质进行保守结构域搜索和
同源性分析,FdMYBP1氨基酸序列在N端存在保守
的R2R3结合结构域,且与其他MYB转录调控因子
的同源区域都集中在这一区域,在 C端同源性极
低。与 FdMYBP1蛋白该结构域同源性最高的是
CAJ90831(葡萄的MYBPA1,76%),而不是玉米的P
基因 ZmP,尽管获得 FdMYBP1基因特异探针的部
分简并引物是根据 ZmP基因与其他 R2R3MYB相
关基因的 R2,R3保守区域设计的,这反应了 MYB
转录调控因子的多态性。
2.4.2 FdMYBP1基因编码蛋白质的进化分析 对
已有的植物MYB蛋白家族构建邻接树(图3)进行
系统分类,发现FdMYBP1和葡萄的VvMYB5a、矮牵
牛PH4和拟南芥AtMYB5聚为一支。AtMYB5是在
拟南芥分离到的没有功能报道的 MYB蛋白;
AAS68190(葡萄的VvMYB5a)是与类黄酮代谢途径
相关的调控因子,在烟草中超量表达 VvMYB5a,在
花瓣中能使 CHS(chalconesynthase,查尔酮合成
·7512·
第34卷第17期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 17
 September,2009
酶)CHI(chalconeisomerase,查尔酮异构酶),F3H
(flavanone3hydroxylase,黄烷酮 3羟化酶)和 DFR
(dihydroflavonol4Reductase,二氢黄酮醇4还原酶)
表达量提高,另外还能调控木质素代谢途径的一些
结构基因的表达,并提高花色素,原花色素,木质素
的含量,作者认为 VvMYB5a可能对整个苯丙氨酸
代谢途径都起调控作用。LaurentDeluc[8]和 Jochen
Bogs[9]等研究发现,AAY51377(矮牵牛PH4)主要作
用在于调节液泡 pH,虽然在共转化 PH4和 PhAN1
株系中也诱导DFR的表达,但由于株系的表型不正
常(生长滞后和矮化),因此不清楚DFR的表达是由
PH4和PhAN1诱导的还是一种应激反应[10]。
图3 FdMYBP1的系统分类图
3 讨论
3.1 FdMYBP1基因结构和功能的关系
对克隆的全长 FdMYBP1基因进行分析发现它
和大多数植物 MYB蛋白质一样[10],仅含有 R2R3
区域。在拟南芥中 R2R3MYB家族包含 125个基
因,在水稻中至少有85个基因。通常R2R3MYB家
族基因的序列同源性仅限于 N端的 MYB结构域,
但有19个亚群的 R2R3MYB蛋白质在 C端也有一
些保守的基序存在,预示它们可能在功能上有一定
的相似性[1112]。FdMYBP1和其他的 MYB相比较,
发现在其 C端存在2个保守的基序,这是 Jiang在
2004年进行分类时没有提到的保守基序,这2个基
序最早是由 Li对拟南芥的 AtMYB5研究时发现
的[13],2006年 FrancescaQuatrocchio在 PH4和
VvMYB5a中又发现这2个基序,并将含有这2个基
序的MYB命名为第20个亚群(group20)[10]。
根据 Jiang2004年对 MYB的分类研究[12],19
个有着同样C端保守基序的 MYB亚群在功能上都
有一定的相似性;系统树分析也表明聚到一支的功
能相似。从上述可以看出,FdMYBP1,AtMYB5,
VvMYB5a在C端有着同样的保守基序,在系统发育
树上也聚到一起;然而,令人不解的是,除 Fd
MYBP1,VvMYB5a在功能上有一定的相似性以外,
其他包含这2个保守基序的基因在功能上似乎并没
有相似性。比较 FdMYBP1,VvMYB5a的 C端序列
也未发现其他的一致序列。基因结构决定功能的观
点已在很多基因中证明是正确的,那么如何解释在
这一类MYB中的结构和功能的不一致性呢?
推测可能有2个方面的可能性。第一,这些基
因可能属于准源基因系,而不是正源基因系,这些相
似的基序只是基因加倍和变异进化所留下的痕迹,
已经不能代表其功能。第二,由于不清楚这4个序
列的三级结构,不知道2个保守基序在每个蛋白的
空间位点是否一致,这也可能导致其功能的不一致。
3.2 类黄酮代谢途径调控的复杂性
目前己分离和鉴定的3类黄酮合成的转录因子
可能单独起作用,也可能形成二聚体或多聚体而发
挥调控作用。
ErichGrotewold在对玉米的 P基因和 C1基因
进行研究时,发现P基因可以单独的激活类黄酮代
谢途径基因的表达,而C1基因则必须和bHLH(bas
icHelixloophelix)蛋白质 R相互作用才能起调控
作用,他们运用突变和酵母双杂交技术确定了 C1
基因和bHLH蛋白质 R相互作用的区域,因为这一
结构域是从和蛋白质 R结合的 MYB中最先确定
的,故把MYB中和bHLH形成二聚体的结构域称为
IR结构域(interactionwithbHLH cofactorRdo
main)[14]。在随后的研究中发现,MYB蛋白和
bHLH蛋白质形成复合体共同调控类黄酮代谢途径
基因的表达是一种普遍的调控方式,单独起作用的
很少。例如,VvMYBPA1,EGL3(编码 bHLH蛋白
EGL3)共转化烟草比 VvMYBPA1单独转化烟草时
对下游基因的激活强度高出50倍[9]。同样,在 Fd
MYBP1的 R3区中也发现了 IR结构域([D/E]Lx2
[R/K]x3Lx6Lx3R),这可能暗示 FdMYBP1也要和
bHLH类辅助蛋白形成异源二聚体才能发挥调控
作用。
本实验证实 FdMYBP1具有 MYB同源基因的
典型特征和关键结构域,推测其在类黄酮代谢途径
中起作用。而对于它调控哪些支路途径以及哪些结
·8512·
第34卷第17期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 17
 September,2009
构基因的表达还需要进一步的研究。
[参考文献]
[1]  李安仁.中国植物志.第25卷[M].北京:科学出版社,1998:117.
[2]  彭勇,孙载明,肖培根.金荞麦的研究与开发[J].中草药,
1996,26(10):629.
[3]  田磊,徐丽珍,杨世林.金荞麦地上部分的研究[J].中国中药
杂志,1997,22(12):743.
[4]  艾群,王斌,王国清.金荞麦制剂的抑菌研究[J].黑龙江医
学,2002,26(9):666.
[5]  VomEndtD,KijneJW,MemelinkJ.Transcriptionfactorscon
trolingplantsecondarymetabolism:Whatregulatestheregulators
[J].Phytochemistry,2002,61:107.
[6]  田振东,柳俊,谢从华.cDNA文库与 RACE方法结合克隆一
个马铃薯病程相关蛋白基因 cDNA[J].遗传学报,2003,30
(11):996.
[7]  戚金亮,马小娟,王丽,等.常规 PCR与 RACE结合法快速从
cDNA文库中克隆基因[J].首都师范大学学报:自然科学版,
2004,25(1):55.
[8]  LaurentDeluc,FrancxoisBarieu,ChloeMarchive,etal.Char
acterizationofagrapevineR2R3MYBtranscriptionfactorthat
regulatesthephenylpropanoidpathway1[J].PlantPhysiol,
2006,12(140):499.
[9]  JochenBogs,FelixWJafe,AdamMTakos,etal.TheGrape
vinetranscriptionfactorVvMYBPA1regulatesproanthocyanidin
synthesisduringfruitdevelopment[J].PlantPhysiol,2007,3
(143):1347.
[10] FrancescaQuatrocchio,WalterVerweij,ArthurKroon,etal.
PH4ofpetuniaisanR2R3MYBproteinthatactivatesvacuolar
acidificationthroughinteractionswithbasichelixloophelixtran
scriptionfactorsoftheanthocyaninpathway[J].PlantCel,
2006,5(18):1274.
[11] StrackeR,WerberM,WeisshaarB.TheR2R3MYBgenefami
lyinArabidopsisthaliana[J].PlantBiol,2001,4:447.
[12] JiangC,GuX,PetersonT,Identificationofconservedgene
structuresandcarboxyterminalmotifsintheMybgenefamilyof
ArabidopsisandOryzasativaL[J].GenomeBiol,2004,5:46.
[13] LiSF,SantiniJM,NicolaouO,etal.Anovelmybrelated
genefromArabidpsisthaliana[J].FEBSLet,1996,379:117.
[14] ErichGrotewold,ManuelBSainz,LauraTagliani,etal.Identi
ficationoftheresiduesintheMybdomainofmaizeC1thatspeci
fytheinteractionwiththebHLHcofactor[J].PNAS,2000,97:
13579.
CloningandmolecularcharacteristicsanalysisofaMYBgenefrom
Fagopyrumdibotrys
MAJing1,ZHUQinlong1,2,GUOTieying1,3,LIUGuangde1,SUIShunzhao1,LIMingyang1
(1.ColegeofHorticultureandLandscape,SouthwestUniversity,ChongqingFlowerEngineeringTechnology
ResearchCenter,Chongqing400716,China;
2.KeyLaboratoryofPlantFunctionalGenomicsandBiotechnologyofGuangdongProvince,ColegeofLifeSciences,
SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China;
3.DehongTropicalAgricultureInstituteofYunnan,Ruili678600,China)
[Abstract] UsingRACEwithaFagopyrumdibotryscaluscDNAlibrary,oneclone,namedFdMYBP1,encodingaputative
R2R3MYBproteinwasidentified.FdMYBP1appearedtobeafullengthcDNAof1159bpencodingaproteinof265aminoacids.
ThroughstructureandpropertyanalysisofFdMYBP1withbioinformationalmethods,itwasfoundthattheaminoacidsequenceofFd
MYBP1showedgreathomologytootherMYBPwiththeR2R3repeatregionintheNterminus.SouthernblotanalysisindicatedthatFd
MYBP1belongstoasinglecopygeneinF.dibotrysgenomes.TheFdMYBP1genehasthesameclassiccharacterswithotherMYBP
andprobablyinvolvedinthepathwayofflavonoidmetabolisms.
[Keywords] Fagopyrumdibotrys;MYBtranscriptionfactor;flavonoid
[责任编辑 吕冬梅]
·9512·
第34卷第17期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 17
 September,2009