Dof轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

李 躍，李國(guó)瑞，2，3，黃鳳蘭，2，3，孫華軍，邢 超，叢安琪，李 威，陳永勝，2，3*

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古通遼 028000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古通遼 028000；4.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000)

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Dof轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

李 躍1，李國(guó)瑞1，2，3，黃鳳蘭1，2，3，孫華軍1，邢 超1，叢安琪1，李 威4，陳永勝1，2，3*

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古通遼 028000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古通遼 028000；4.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000)

摘要Dof(DNA Binding with one finger)轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演重要作用，如種子萌發(fā)、光響應(yīng)、貯藏蛋白積累、生物脅迫、碳氮代謝等。介紹了Dof轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)，并綜述了其對(duì)植物的調(diào)控作用，以期為Dof轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞Dof轉(zhuǎn)錄因子；生長(zhǎng)發(fā)育；結(jié)構(gòu)；調(diào)控作用

Dof(DNA Binding with one finger)轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，在動(dòng)物和酵母中并不存在。因其含有一個(gè)單鋅指結(jié)構(gòu)，因此被稱為Dof。轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factor)是能夠保證目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間和空間表達(dá)的蛋白質(zhì)分子。一個(gè)典型的植物轉(zhuǎn)錄因子含有一個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、一個(gè)寡聚位點(diǎn)、一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域和一個(gè)核定位信號(hào)。由于堿性氨基酸的存在，轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與DNA順勢(shì)作用元件之間的相互作用決定了轉(zhuǎn)錄因子的特異性。這些氨基酸殘基在DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域中的空間排列影響其親和力和選擇性。寡聚區(qū)域負(fù)責(zé)確定蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)轉(zhuǎn)錄因子能形成雜環(huán)或同源二聚體，最終影響序列特異性、反式活化效率、DNA結(jié)合親和力和核定位[1]。迄今為止，已有超過100種不同的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域被確認(rèn)[2]，根據(jù)它們的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，轉(zhuǎn)錄因子被分為不同的家族，其中一些存在于所有真核生物中(MYB和bHLH)，而另一些并非存在于所有真核生物中(DOF，DREB，WRKY，NAC)。

被子植物含有大約30個(gè)基因編碼Dof轉(zhuǎn)錄因子，而非維管束植物只有少數(shù)基因編碼Dof轉(zhuǎn)錄因子。由于它們高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，所有Dof轉(zhuǎn)錄因子具有相似的DNA結(jié)合特性，但它們?cè)谥参镏邪l(fā)揮不同的生理作用。Dof轉(zhuǎn)錄因子在植物多種生物過程如種子貯藏蛋白積累、發(fā)芽、休眠、對(duì)植物激素的響應(yīng)、開花時(shí)間、保衛(wèi)細(xì)胞特異性等中發(fā)揮重要作用。從玉米中分離的DNA結(jié)合蛋白被認(rèn)為是第一個(gè)Dof蛋白(ZmDof1)。近幾年，又從玉米及其他植物物種如擬南芥、煙草、南瓜、馬鈴薯、大麥、小麥和稻米中分離出含有Dof結(jié)構(gòu)域的cDNA[3-4]。筆者對(duì)Dof轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并綜述了其對(duì)植物的調(diào)控作用，以期為Dof轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

1Dof蛋白的結(jié)構(gòu)

Dof蛋白含有由50～52個(gè)氨基酸組成的高度保守的N末端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，包括一個(gè)與目標(biāo)基因啟動(dòng)子上的T/AAAAG類元件特異性結(jié)合的C2-C2型單鋅指結(jié)構(gòu)[5]。除DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域外，Dof轉(zhuǎn)錄因子蛋白還含有核定位信號(hào)(NLS)和一個(gè)C末端轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域。由于高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，所有的Dof轉(zhuǎn)錄因子表現(xiàn)出類似的DNA結(jié)合特性，但它們?cè)谥参镏邪l(fā)揮不同的生理作用。除DNA結(jié)合活性外，Dof轉(zhuǎn)錄因子能夠介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互作用。到目前為止研究的除南瓜蛋白質(zhì)外，幾乎每個(gè)Dof蛋白都將AAAG 基序作為重要的序列元件。因此，Dof結(jié)構(gòu)域的保守性使所有的Dof蛋白有相似的DNA結(jié)合特異性。 玉米Dof1的結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為是Dof轉(zhuǎn)錄因子的代表性結(jié)構(gòu)域。玉米Dof1含有238個(gè)氨基酸殘基，含有Dof結(jié)構(gòu)域(氨基酸49～98)，堿性氨基酸區(qū)域，類似于SV40 和2個(gè)NLS以及在蛋白質(zhì)C末端由44個(gè)氨基酸殘基組成的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域[6]。

2Dof轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物的調(diào)控作用

2.1Dof轉(zhuǎn)錄因子與種子萌發(fā)相關(guān)研究表明擬南芥中Dof轉(zhuǎn)錄因子DAG1基因能調(diào)控種子萌發(fā)，在脈管系統(tǒng)中特異性表達(dá)。擬南芥中DAG2基因也參與種子萌發(fā)過程，但在控制種子萌發(fā)過程中與DAG1功能相反[7]。擬南芥中另一個(gè)Dof轉(zhuǎn)錄因子Dof6基因的轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)物積聚在干種子上，成熟后的種子發(fā)生吸脹，逐漸腐爛。然而Dof6的組成型過表達(dá)使植物生長(zhǎng)異常，產(chǎn)生不育現(xiàn)象，這表明Dof6對(duì)種子發(fā)芽產(chǎn)生不利影響[8]。

2.2Dof轉(zhuǎn)錄因子參與光響應(yīng)Dof轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物光敏色素和隱花色素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。擬南芥Dof轉(zhuǎn)錄因子OBP3是光敏色素B和隱花色素1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的組成部分，分別作為積極和消極的調(diào)控者。擬南芥的另一種Dof轉(zhuǎn)錄因子COG1負(fù)調(diào)節(jié)光敏色素A和光敏色素B的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。研究表明，在擬南芥中Dof轉(zhuǎn)錄因子即CDF1、CDF2、CDF3和CDF5對(duì)開花的光周期控制起至關(guān)重要的作用，CDF突變體通過增加CDF的表達(dá)水平調(diào)控對(duì)光周期不敏感的早花[9]。水稻Dof轉(zhuǎn)錄因子OsDof12基因也是光響應(yīng)調(diào)節(jié)基因，在長(zhǎng)日照條件下OsDof12調(diào)節(jié)開花，在暗處理時(shí)該基因受到抑制。

2.3Dof轉(zhuǎn)錄因子與種子貯藏蛋白的積累相關(guān)在谷物種子發(fā)育中，氮和硫主要以醇溶蛋白的形式存儲(chǔ)在淀粉質(zhì)胚乳細(xì)胞中。編碼醇溶蛋白的基因在胚乳中特異表達(dá)，從玉米中克隆了第一個(gè)胚乳特異性蛋白PBF并鑒定出其是玉米醇溶蛋白基因的轉(zhuǎn)錄活化因子，是玉米種子貯藏蛋白。

2.4Dof轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)植物激素相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑復(fù)雜，植物激素通過與存在于植物激素響應(yīng)基因啟動(dòng)子順勢(shì)作用元件上的許多轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合和協(xié)同作用得以實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Dof蛋白是激素響應(yīng)基因的調(diào)節(jié)劑，并介導(dǎo)赤霉素和植物生長(zhǎng)激素的應(yīng)答?？箟难嵫趸敢驯粓?bào)道在玉米根部特異表達(dá)，且通過生長(zhǎng)素依賴性表達(dá)參與根部分化。

2.5Dof轉(zhuǎn)錄因子與生物脅迫相關(guān)根據(jù)Dof轉(zhuǎn)錄因子與半胱氨酸蛋白酶抑制劑基因的相互作用，Dof轉(zhuǎn)錄因子具有生物脅迫耐受性。在植物中鑒定了病原體產(chǎn)生的半胱氨酸蛋白酶和肽酶，幫助半胱氨酸蛋白酶抑制劑在宿主細(xì)胞中定居和增殖。所有這些降解酶的活性受到宿主半胱氨酸蛋白酶抑制劑的影響。2個(gè)Dof蛋白SAD和BPBF在體外發(fā)生由半胱氨酸蛋白酶抑制劑基因啟動(dòng)子衍生的含有Dof結(jié)合位點(diǎn)的寡核苷酸間交互作用。

2.6Dof轉(zhuǎn)錄因子與碳、氮代謝相關(guān)Dof蛋白質(zhì)被認(rèn)為是有機(jī)酸代謝相關(guān)的多個(gè)基因的活化劑，其中包括磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)基因的表達(dá)。玉米Dof1是PEPC基因的激活劑，增強(qiáng)正磷酸二激酶和丙酮酸激酶啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，Dof1的特異性反義RNA表達(dá)能夠抑制這些基因的表達(dá)。氮同化是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要過程，此過程中土壤中無機(jī)氮以硝酸鹽和氨的形式由谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺和谷氨酸。氮同化不僅需要無機(jī)氮，還需要碳骨架、2-酮戊二酸。Dof1過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因擬南芥植物的元素分析顯示在轉(zhuǎn)基因植物中的氮含量增加30%，這表明Dof轉(zhuǎn)錄因子能促進(jìn)凈氮同化。

2.7Dof轉(zhuǎn)錄因子影響植物形態(tài)研究表明在擬南芥中Dof轉(zhuǎn)錄因子與植物形態(tài)相關(guān)。Guo等[10]揭示了AtDof參與調(diào)節(jié)維管束間形成層的形成和維管束組織發(fā)育。擬南芥3個(gè)Dof蛋白即Dof 2.1、Dof 4.6 和 Dof 5.3已被報(bào)道在葉片的前原形成層階段存在，這表明他們?cè)谠纬蓪又械淖饔谩Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，擬南芥中AtDof4.2基因調(diào)控芽分枝和種皮的形成。當(dāng)植物過表達(dá)AtDof4.2基因時(shí)，植物種子表皮細(xì)胞呈塌陷形態(tài)，且過表達(dá)植物會(huì)出現(xiàn)分枝增加的表型。

2.8Dof轉(zhuǎn)錄因子參與保衛(wèi)細(xì)胞發(fā)育SCAP1是從擬南芥中分離出的Dof轉(zhuǎn)錄因子，在成熟保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，SCAP1調(diào)節(jié)編碼氣孔功能和形態(tài)發(fā)生的關(guān)鍵要素基因的表達(dá)，如編碼通道蛋白、MYB60轉(zhuǎn)錄因子和果膠乙基酯酶基因的表達(dá)[11]。這表明SCAP1作為關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞分化的最后階段，最終影響植物的形態(tài)發(fā)育。馬鈴薯中Dof轉(zhuǎn)錄因子StDof1也調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞特異性基因表達(dá)。

3討論

Dof轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中起到至關(guān)重要的作用，與植物特有的各種生物過程息息相關(guān)。已經(jīng)闡明Dof轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征，在幾種作物中也綜述了Dof轉(zhuǎn)錄因子的功能屬性，但Dof轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮調(diào)控功能時(shí)，可能與其存在相互作用的其他轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的下游基因是有待解決的關(guān)鍵問題。

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Research Advances of Dof Transcription Factor

LI Yue1, LI Guo-rui1,2,3, HUANG Feng-lan1,2,3, CHEN Yong-sheng1,2,3*et al

(1. School of Life Science, Inner Mongolia University for Nationalities, Tongliao, Inner Mongolia 028000; 2. Castor Industry Research Center of the Inner Mongolia Autonomous Region University, Tongliao, Inner Mongolia 028000; 3. The Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Castor Breeding, Tongliao, Inner Mongolia 028000)

Key wordsDof transcription factor; Growth and development; Structure; Regulation and control effect

AbstractDof transcription factor is a kind of plant specific transcription factor. Dof transcription factor plays an important role in plant growth and development, such as seed germination, light response, storage protein accumulation, biological stress, carbon and nitrogen metabolism and so on. The structure of Dof transcription factor was elaborated, as well as its regulation effect on plants, so as to provide a theoretical basis for further study of Dof transcription factor.

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460353 )；內(nèi)蒙古民族大學(xué)市校合作項(xiàng)目(SXZD2012006，SXZD2012017)；2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(S20151013601)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介李躍(1992- )，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士研究生，研究方向：蓖麻分子育種。*通訊作者，教授，從事蓖麻分子育種研究。

收稿日期2016-01-26

中圖分類號(hào)S 188

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)07-096-02