植物Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族的分類、結(jié)構(gòu)和功能研究進(jìn)展

周穎君　王浩　紀(jì)劍輝

摘要：Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族因其保守結(jié)構(gòu)域均含有3個(gè)連續(xù)的a螺旋而得名。該家族最早被發(fā)現(xiàn)能與光應(yīng)答元件即GT元件特異性結(jié)合，因此也被稱為GT因子家族。最新研究表明該轉(zhuǎn)錄因子家族不僅參與光反應(yīng)應(yīng)答，還廣泛地參與植物生長發(fā)育過程以及對(duì)生物和非生物脅迫的應(yīng)答。主要從植物Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族的分類、結(jié)構(gòu)特征及其生物學(xué)功能等方面進(jìn)行綜合介紹，從而幫助研究者加深對(duì)植物Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族的理解，進(jìn)而促進(jìn)基因功能研究的開展。

關(guān)鍵詞：Trihelix；轉(zhuǎn)錄因子；分類；結(jié)構(gòu)特征；功能

中圖分類號(hào)：Q943 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）22-5501-03

Abstract： Trihelix transcription factor family has been known for its conserved domain containing three continuous helix. The family was first discovered that it can bind specifically with the light response element named as GT element， so we also called it GT factor family. The latest research showed that Trihelix family not only participate in light reaction response， but also widely participate in plant development and biotic and abiotic stress response. In the review， the plant Trihelix transcription factor family was introduced mainly from aspects of classification， structural characteristics and biological function， thereby helping researchers to deepen the understanding of plant Trihelix transcription factor family， and then to promote the research development of gene function.

Key words： Trihelix； transcription factor； classification； structural characteristics； biological function

轉(zhuǎn)錄因子是一類DNA結(jié)合蛋白，能夠與靶標(biāo)基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件發(fā)生特異性相互作用，進(jìn)而調(diào)控靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。植物中已發(fā)現(xiàn)有超過60個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族[1]，目前研究較多的是MYB、NAC、WRKY、DOF、AP2/EREBP等轉(zhuǎn)錄因子家族，越來越多的研究表明，這些轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育和環(huán)境脅迫應(yīng)答等發(fā)面起著非常重要的作用。Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族作為植物中的一個(gè)小家族，截至20世紀(jì)末還僅限于對(duì)其光應(yīng)答反應(yīng)的研究，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步以及生物信息學(xué)的發(fā)展，越來越多的Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族成員被鑒定，例如目前擬南芥中已鑒定出30個(gè)Trihelix基因，水稻中鑒定出31個(gè)，其他物種也相繼有報(bào)道。隨之對(duì)其在植物生長發(fā)育、抗逆境脅迫等其他方面功能的研究也逐步展開。本研究主要從Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族的分類、結(jié)構(gòu)特征及其生物學(xué)功能等方面進(jìn)行綜述。

1 Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族的分類

2009年Fang等[2]系統(tǒng)地分析了55個(gè)來自水稻（26個(gè)）、擬南芥（26個(gè)）和煙草（3個(gè)）等植物中的GT蛋白序列，根據(jù)其進(jìn)化關(guān)系，將GT蛋白分為GTα、GTβ和GTγ 3個(gè)亞家族。2012年Kaplan-Levy等[3]分析了30個(gè)來自擬南芥和31個(gè)來自水稻的Trihelix轉(zhuǎn)錄因子，根據(jù)Trihelix轉(zhuǎn)錄因子保守結(jié)構(gòu)域的特征，將Trihelix家族分為GT-1、GT-2、GTγ、SH4和SIP1 5個(gè)亞家族，其中對(duì)GT-1和GT-2亞家族的研究相對(duì)較早，兩個(gè)亞家族之間的同源性也遠(yuǎn)高于其他亞家族。2014年Qin等[4]分析了來自苔蘚、卷柏、二穗短炳草和水稻等11個(gè)物種中319個(gè)Trihelix轉(zhuǎn)錄因子，采用JTT氨基酸替代模型將Trihelix家族分為CladeⅠ、CladeⅡ、CladeⅢ、CladeⅣ和CladeⅤ 5個(gè)亞家族。推測(cè)Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族分類的差異可能受分析樣本量的影響，但整體上趨于一致。

2 Trihelix轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)特征

2.1 Trihelix保守結(jié)構(gòu)域

Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族均含有一個(gè)位于N端的保守結(jié)構(gòu)域（擬南芥At5g47660除外），其中GT-2亞家族在C端也含此結(jié)構(gòu)域，GT-2亞家族兩個(gè)Trihelix保守結(jié)構(gòu)域的形成可能是由同一個(gè)祖先結(jié)構(gòu)域通過自身加倍形成，這一加倍事件可能發(fā)生在苔蘚和被子植物的祖先分化之前。該結(jié)構(gòu)域含3個(gè)串聯(lián)的α螺旋，呈螺旋-環(huán)-螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)，這與MYB轉(zhuǎn)錄因子家族3個(gè)α螺旋形成的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋的結(jié)構(gòu)類似，因此，人們通常認(rèn)為Trihelix基因家族起源于一個(gè)MYB-like基因[5]。Trihelix保守結(jié)構(gòu)域的每個(gè)α螺旋均有一個(gè)保守的色氨酸，其中GT-1和GTγ亞家族中第三個(gè)保守的色氨酸被苯丙氨酸取代，SIP1亞家族中則被異亮氨酸取代。Trihelix結(jié)構(gòu)域也為Trihelix轉(zhuǎn)錄因子的靶標(biāo)基因識(shí)別域，相關(guān)研究表明，3個(gè)串聯(lián)的α螺旋會(huì)形成一個(gè)疏水內(nèi)核，其中第三個(gè)α螺旋與靶標(biāo)序列直接結(jié)合，且位于其上的蘇氨酸的磷酸化能增強(qiáng)Teihelix轉(zhuǎn)錄因子與靶標(biāo)的結(jié)合[6]。

2.2 第四ɑ螺旋結(jié)構(gòu)域

第四α螺旋結(jié)構(gòu)域位于Trihelix保守結(jié)構(gòu)域的下游，通常被認(rèn)為是Trihelix轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合靶標(biāo)基因序列所必需的，除SH4亞家族之外，其他亞家族均含有此結(jié)構(gòu)域。但SH4亞家族有一個(gè)延長的Trihelix保守結(jié)構(gòu)域，可能承擔(dān)與第四α螺旋結(jié)構(gòu)域類似的功能。第四α螺旋結(jié)構(gòu)域一般為保守的序列（F/Y）-（F/Y）-X-X-（L/I/M）-X-X-（L/I/M），X為親水殘基，通常為精氨酸、賴氨酸、天冬氨酸或谷氨酸[7]。

2.3 卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域

卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域位于Trihelix轉(zhuǎn)錄因子的C端，除At1g13450和At3g25990之外，其他Trihelix轉(zhuǎn)錄因子均含有此結(jié)構(gòu)，相較于N末端的保守結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域在亞家族內(nèi)部保守，但在亞家族之間則差異較大。相關(guān)研究表明，此結(jié)構(gòu)域通常與轉(zhuǎn)錄因子的二聚化或多聚化相關(guān)[8]。

3 Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族的生物學(xué)功能

由于Trihelix轉(zhuǎn)錄因子最早被發(fā)現(xiàn)能識(shí)別光應(yīng)答元件，并與之特異性結(jié)合，所以早期對(duì)其功能的研究主要集中在對(duì)光依賴型靶標(biāo)基因的調(diào)控。但隨著越來越多的Trihelix轉(zhuǎn)錄因子被克隆和鑒定，對(duì)其功能的研究也越來越深入，研究發(fā)現(xiàn)Trihelix轉(zhuǎn)錄因子不僅參與光應(yīng)答基因的調(diào)控，還廣泛參與植物生長發(fā)育的各個(gè)過程，例如胚囊、種子離層和晚期胚胎的發(fā)育、花器官形態(tài)的建成、表皮毛和氣孔的形成。此外，越來越多的研究表明，Trihelix轉(zhuǎn)錄因子還受病蟲害、凍害、干旱和高鹽等的強(qiáng)烈誘導(dǎo)，廣泛參與植物對(duì)生物和非生物脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。

3.1 Trihelix轉(zhuǎn)錄因子與光應(yīng)答

已有研究表明，Trihelix家族中與光應(yīng)答相關(guān)的成員主要集中在GT-1和GT-2兩個(gè)亞家族。除了最早發(fā)現(xiàn)的GT-1和GT-2轉(zhuǎn)錄因子，Park等[15]通過篩選大豆的cDNA庫獲得GT-2亞家族的轉(zhuǎn)錄因子GmGT-2，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子能在光誘導(dǎo)下呈現(xiàn)出表達(dá)下調(diào)。Nagano等[9]通過酵母單雜交篩選出豌豆中的DF1轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子有著與GT-2蛋白相似性極高的保守域，后被證實(shí)為Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族GT-2亞家族的成員，DF1轉(zhuǎn)錄因子能與DE1和GT-2順式作用元件特異性結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的應(yīng)答反應(yīng)，并受黑暗條件的誘導(dǎo)表達(dá)。Wang等[10]從水稻中克隆出GT-1亞家族的轉(zhuǎn)錄因子Rml1，并通過Northern印記法證實(shí)了該轉(zhuǎn)錄因子參與光應(yīng)答反應(yīng)，其表達(dá)水平在光周期下呈現(xiàn)出規(guī)律的表達(dá)變化。

3.2 Trihelix轉(zhuǎn)錄因子與植物生長發(fā)育

PETAL LOSS（PTL）基因是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)與植物形態(tài)發(fā)生相關(guān)的Trihelix轉(zhuǎn)錄因子，屬于GT-2亞家族。PTL同源基因出現(xiàn)在除禾本科以外的所有被子植物中，通常在花發(fā)育早期——尤其是在花萼原基發(fā)生時(shí)期表達(dá)。相關(guān)研究表明擬南芥中PTL基因的突變會(huì)造成花萼以及花瓣發(fā)育的缺陷[11，12]，例如造成萼片邊緣生長過盛、萼片邊緣融合，影響花瓣的尺寸、形狀以及造成花瓣數(shù)量減少等。最新研究表明PTL基因?yàn)榕吣野l(fā)育所必需，其突變體會(huì)造成極核融合前的發(fā)育停滯。GTL1（GT-2-LIKE1）同樣屬于Trihelix轉(zhuǎn)錄因子GT-2亞家族，Breuer等[13]研究發(fā)現(xiàn)GTL1抑制擬南芥腺毛狀體發(fā)育過程中倍性依賴細(xì)胞的增長。另有染色質(zhì)免疫沉淀試驗(yàn)表明GTL1轉(zhuǎn)錄因子能與SDD1（Stomatal density and distribution1）基因啟動(dòng)子中的GT3序列特異性結(jié)合[14]，抑制SDD1基因的表達(dá)，從而增加葉片背面氣孔的密度，加大水分的蒸騰作用，這一點(diǎn)在GTL1突變?cè)囼?yàn)中也得到了證實(shí)，即GTL1突變體中葉背面氣孔密度降低。進(jìn)一步的研究表明，在干旱條件下，GTL1表達(dá)水平降低伴隨著葉片氣孔密度降低，從而減少了水分的蒸騰。

3.3 Trihelix轉(zhuǎn)錄因子與環(huán)境脅迫應(yīng)答

AtGT-3b為Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族GT-1亞家族的成員，Park等[15]通過酵母雙雜交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AtGT-3b能與大豆鈣調(diào)蛋白基因SCaM-4啟動(dòng)子中的GT-1順式作用元件特異性結(jié)合，并且在病原菌和鹽處理后AtGT-3b和SCaM-4表達(dá)量迅速提高。這些結(jié)果表明AtGT-3b對(duì)病原菌和鹽脅迫存在著明顯的應(yīng)答反應(yīng)。AtGT2L是一種鈣離子依賴性鈣調(diào)素結(jié)合蛋白，為Trihelix轉(zhuǎn)錄因子GT-2亞家族的成員，Northern印記雜交試驗(yàn)[16]表明AtGT2L在蓮座葉、莖生葉和花中的表達(dá)量較高，對(duì)低溫、鹽和脫落酸均存在應(yīng)答反應(yīng)。試驗(yàn)表明過量表達(dá)AtGT2L會(huì)使逆境脅迫誘導(dǎo)基因RD29A和ERD10基因的表達(dá)量增高。GmGT-2A和GmGT-2B是從大豆中鑒定出的Trihelix轉(zhuǎn)錄因子家族GT-2亞家族的成員，Xie等[17]的研究表明，這兩個(gè)基因可以調(diào)節(jié)幼苗的生長并且對(duì)鹽、低溫和干旱等非生物脅迫表現(xiàn)出應(yīng)答反應(yīng)。其中GmGT-2A并不具有轉(zhuǎn)錄激活能力，可能需要通過翻譯后修飾來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)顯示GmGT-2B在過量表達(dá)的同時(shí)，DREB2A和RCI3的表達(dá)量也會(huì)增加，而這兩個(gè)基因此前已被證實(shí)能增強(qiáng)植株的抗逆性，但其具體的作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

4 問題與展望

相較于DOF、MYB、DREB、WRKY和NAC等轉(zhuǎn)錄因子家族，Trihelix是近期才被關(guān)注的轉(zhuǎn)錄因子家族，從基因數(shù)目而言，Trihelix也只是轉(zhuǎn)錄因子家族中的一個(gè)小家族。Trihelix最早被發(fā)現(xiàn)參與光應(yīng)答反應(yīng)，其后隨著生物技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，Trihelix轉(zhuǎn)錄因子被發(fā)現(xiàn)還參與對(duì)植物生長發(fā)育的調(diào)控，并在植物應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫中起到重要作用。到目前為止，Trihelix基因家族中參與光應(yīng)答反應(yīng)的成員主要集中在GT-1和GT-2亞家族，參與植物生長發(fā)育調(diào)控的成員主要分布在GT-2、SH4和SIP1亞家族，參與應(yīng)答生物和非生物脅迫的成員主要分布在GT-1、GT-2和GTγ亞家族。這也表明Trihelix轉(zhuǎn)錄因子的功能與分類并不具有明顯的關(guān)聯(lián)性。近來也有研究表明，Trihelix基因也可能存在于動(dòng)物中[18]。隨著今后對(duì)Trihelix基因家族研究的深入，將有更多的成員被鑒定，其功能也將會(huì)進(jìn)一步被挖掘。

參考文獻(xiàn)：

[1] RIECHMANN J L， HEARD J， MARTIN G， et al. Arabidopsis transcription factors： Genome-wide comparative analysis among eukaryotes[J]. Science， 2000， 290（5499）：2105-2110.

[2] FANG Y， XIE K， HOU X， et al. Systematic analysis of GT factor family of rice reveals a novel subfamily involved in stress responses[J]. Molecular Genetics and Genomics， 2010， 283（2）：157-169.

[3] KAPLAN-LEVY R N， BREWER P B， QUON T， et al. The trihelix family of transcription factors-light， stress and development[J]. Trends in Plant Science， 2012， 17（3）：163-171.

[4] QIN Y， MA X， YU G， et al. Evolutionary history of trihelix family and their functional diversification[J]. DNA Research， 2014， 21（5）：499-510.

[5] NAGANO Y. Several features of the GT-factor trihelix domain resemble those of the Myb DNA-binding domain[J]. Plant Physiology， 2000， 124（2）：491-494.

[6] NAGATA T， NIYADA E， FUJIMOTO N， et al. Solution structures of the trihelix DNA-binding domains of the wild-type and a phosphomimetic mutant of Arabidopsis GT-1： Mechanism for an increase in DNA-binding affinity through phosphorylation[J]. Proteins， 2010， 78（14）：3033-3047.

[7] LAM E. Domain analysis of the plant DNA-binding protein GT1a： Requirement of four putative alpha-helices for DNA binding and identification of a novel oligomerization region[J]. Molecular and Cellular Biology， 1995， 15（2）：1014-1020.

[8] KUHN R M， CASPAR T， DEHESH K， et al. DNA binding factor GT-2 from Arabidopsis[J]. Plant Molecular Biology， 1993， 23（2）：337-348.

[9] NAGANO Y， INABA T， FURUHASHI H， et al. Trihelix DNA-binding protein with specificities for two distinct cis-elements： Both important for light down-regulated and dark-inducible gene expression in higher plants[J]. Journal of Biological Chemistry， 2001， 276（25）：22238-22243.

[10] WANG R， HONG G， HAN B. Transcript abundance of rml1， encoding a putative GT1-like factor in rice， is up-regulated by Magnaporthe grisea and down-regulated by light[J]. Gene， 2004， 324：105-115.

[11] GRIFFITH M E， CONCEICAO A D S， SMYTH D R. PETAL LOSS gene regulates initiation and orientation of second whorl organs in the Arabidopsis flower[J]. Development， 1999， 126（24）：5635-5644.

[12] BREWER P B， HOWLES P A， DORIAN K， et al. PETAL LOSS， a trihelix transcription factor gene， regulates perianth architecture in the Arabidopsis flower[J]. Development， 2004， 131（16）：4035-4045.

[13] BREUER C， KAWAMURA A， ICHIKAWA T， et al. The trihelix transcription factor GTL1 regulates ploidy-dependent cell growth in the Arabidopsis trichome[J]. The Plant Cell， 2009， 21（8）：2307-2322.

[14] YOO C Y， PENCE H E， JIN J B， et al. The Arabidopsis GTL1 transcription factor regulates water use efficiency and drought tolerance by modulating stomatal density via transrepression of SDD1[J]. The Plant Cell，2010，22（12）：4128-4141.

[15] PARK H C， KIM M L， KANG Y H， et al. Pathogen-and NaCl-induced expression of the SCaM-4 promoter is mediated in part by a GT-1 box that interacts with a GT-1-like transcription factor[J]. Plant Physiology，2004，135（4）：2150-2161.

[16] XI J， QIU Y， DU L， et al. Plant-specific trihelix transcription factor AtGT2L interacts with calcium/calmodulin and responds to cold and salt stresses[J]. Plant Science， 2012， 185-186：274-280.

[17] XIE Z M， ZOU H F， LEI G， et al. Soybean Trihelix transcription factors GmGT-2A and GmGT-2B improve plant tolerance to abiotic stresses in transgenic Arabidopsis[J]. PloS One， 2009， 4（9）：e6898.

[18] RIANO-PACHON D M， CORREA L G G， TREJOS-ESPINOSA R， et al. Green transcription factors： A chlamydomonas overview[J]. Genetics， 2008， 179（1）：31-39.