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] 20090113
[基金项目] 重庆市自然科学基金项目(CSTC2005881154);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,
Email: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 RTPCR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 XL1Blue,BM258
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)[67],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′AARWSNTGYMGNYTNMGNTGG3′,PcPdr
5′CCARTARTTYTTNAYNTSRTTRTC3′(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
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(5GSP1: AGACGATGGAGACGGAGAATGAGATC,
5GSP2:CGGAGAATGAGATCTTCTTCGTCAG),分别
与文库载体上 5′端的 2条特异引物 5NP1(5′TC
CGAGATCTGGACGAGC3′)和 5NP2(5′CTCGG
GAAGCGCGCCATTGTGGT3′)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
CTTTTCTGA3′)和载体上 3′端的特异引物 3RP
(5′TAATCGACTCACTATAGGGCGAATTGG3′)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
TTAGATG3′,Pg2:5′ATGTCTTACGTGACCCAACATA
CAG3′,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
CCTAATCATG3′,RSP5′CAGATGATGCATGAAA
CTCCTAGGT3′。
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12kb
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 polyA结构)的3′
UTR区(3′untranslatedregion),在3′UTR区中
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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
2971,预测等电点为857。
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
2642%,80个极性氨基酸,占总数的 3019%,32
个碱性氨基酸,占总数的 1208%,29个酸性氨基
酸,占总数的1094%,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 2971,预测等电点为
857,分子式C1296H2023N387O402S8;预测半衰期为30
h,不稳定系数为4070,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,
3094%),少量的延伸链(extendstrand,491%),β
转角(βturn,302%)和随机卷曲(random coil,
6113%)组成。用 LOOPP预测得到的二级结构与
此十分相似。
运用 SWISSMODEL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CMYBR2R3的晶体结构,可以明显的看出
与DNA大沟结合的HTH(helixturnhelix)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NetPhos20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 R2R3MYB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
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酶)CHI(chalconeisomerase,查尔酮异构酶),F3H
(flavanone3hydroxylase,黄烷酮 3羟化酶)和 DFR
(dihydroflavonol4Reductase,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[1112]。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
icHelixloophelix)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
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构基因的表达还需要进一步的研究。
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SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China;
3.DehongTropicalAgricultureInstituteofYunnan,Ruili678600,China)
[Abstract] UsingRACEwithaFagopyrumdibotryscaluscDNAlibrary,oneclone,namedFdMYBP1,encodingaputative
R2R3MYBproteinwasidentified.FdMYBP1appearedtobeafullengthcDNAof1159bpencodingaproteinof265aminoacids.
ThroughstructureandpropertyanalysisofFdMYBP1withbioinformationalmethods,itwasfoundthattheaminoacidsequenceofFd
MYBP1showedgreathomologytootherMYBPwiththeR2R3repeatregionintheNterminus.SouthernblotanalysisindicatedthatFd
MYBP1belongstoasinglecopygeneinF.dibotrysgenomes.TheFdMYBP1genehasthesameclassiccharacterswithotherMYBP
andprobablyinvolvedinthepathwayofflavonoidmetabolisms.
[Keywords] Fagopyrumdibotrys;MYBtranscriptionfactor;flavonoid
[责任编辑 吕冬梅]
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