類蛋白Tubby基因家族研究進(jìn)展

徐佳寧，劉 鋼，張利云，高建偉

(1.濟(jì)南市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250316；2.山東水利技師學(xué)院，山東淄博 255130；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，山東濟(jì)南 250100)

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類蛋白Tubby基因家族研究進(jìn)展

徐佳寧1，劉 鋼2，張利云1，高建偉3

(1.濟(jì)南市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250316；2.山東水利技師學(xué)院，山東淄博 255130；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，山東濟(jì)南 250100)

摘要綜述了TLP基因家族的研究進(jìn)展，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有多個(gè)TLP基因參與植物對(duì)多種生物脅迫和非生物脅迫的應(yīng)答，這些TLP基因可以作為植物抗逆育種的候選基因，應(yīng)用于植物抗逆遺傳育種工作中。

關(guān)鍵詞類蛋白Tubby基因；基因家族；Tubby基因

Tubby基因家族最早在小鼠基因組中被發(fā)現(xiàn)[1]，之后又有多個(gè)具有Tubby結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，因而被稱為類Tubby蛋白(Tubby like-protein，TLP)[2]，并廣泛存在于動(dòng)植物基因中。在小鼠中，當(dāng)Tubby基因發(fā)生突變時(shí)會(huì)產(chǎn)生疾病表型，如成熟性肥胖、失明和耳聾[1，3]。目前，已在脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)TLP家族成員，依次是Tub、Tulp1～Tulp4[3]。擬南芥基因組中發(fā)現(xiàn)了11個(gè)TLP家族成員，依次是AtTLP1～AtTLP11[4]；水稻基因組中有14個(gè)TLP家族成員，依次是OsTLP1～OsTLP14[5]；玉米基因組有15個(gè)TLP家族成員，依次是ZmTLP1～ZmTLP15[6]。類 Tubby蛋白的廣泛存在表明其在動(dòng)植物生命過(guò)程中發(fā)揮極其重要的作用與功能。近年來(lái)，隨著對(duì)TLP基因研究的深入，發(fā)現(xiàn)其在動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫應(yīng)答等方面發(fā)揮重要功能。因此，筆者綜述了TLP基因家族的結(jié)構(gòu)特征及在動(dòng)植物中的研究進(jìn)展，旨在為TLP基因應(yīng)用于植物抗逆遺傳育種提供理論依據(jù)。

1TLP基因家族的分子特征

TLP基因家族特征是C端含有一個(gè)長(zhǎng)度約 270 個(gè)氨基酸的tubby結(jié)構(gòu)域，而其N端含有多種不同的結(jié)構(gòu)域。N端結(jié)構(gòu)的多樣性預(yù)示了TLP基因功能的多樣性。1999年，Shapiro實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了tubby結(jié)構(gòu)域的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，為研究其功能奠定了基礎(chǔ)[7]。Tubby結(jié)構(gòu)域的空間結(jié)構(gòu)由一個(gè)疏水的α螺旋和圍繞在其周圍的含有12片反向的β折疊的β桶狀結(jié)構(gòu)組成。疏水的α螺旋定位在TLP蛋白C端。與動(dòng)物N端結(jié)構(gòu)的多樣性不同的是，植物中TLP蛋白的N端往往含有一個(gè)保守的F-box結(jié)構(gòu)域。

研究TLP家族中不同成員在組織中分布和亞細(xì)胞定位有利于闡明其不同功能。在脊椎動(dòng)物中，Tub基因在視網(wǎng)膜和腦組織的海馬體和下丘腦中表達(dá)[1，8]，Tulp1 和Tulp2 分別主要在視網(wǎng)膜和睪丸中表達(dá)[9]。然而Tulp3在小鼠生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中各個(gè)組織中廣泛表達(dá)，且在成年小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)中穩(wěn)定表達(dá)[10-11]。在無(wú)脊椎動(dòng)物中，TLP同源基因也在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)。線蟲的tub-1在其纖毛神經(jīng)元中表達(dá)[12-13]，果蠅的TULP在胚胎發(fā)育早期的成神經(jīng)細(xì)胞和胚胎發(fā)育晚期的整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)[14]。在擬南芥中，AtTLP1、AtTLP2、AtTLP3、AtTLP6、AtTLP7、AtTLP9、AtTLP10 和AtTLP11 呈組成型表達(dá)，而AtTLP5、AtTLP8則表現(xiàn)出明顯的組織特異性[4]。在水稻中發(fā)現(xiàn)TLP在絕大部分組織中都有表達(dá)，且在不同組織中的表達(dá)水平不同，說(shuō)明不同TLP在水稻各種組織中發(fā)揮的作用不同[5]。

2在植物中的研究進(jìn)展

2.1擬南芥擬南芥的TLP基因家族包含11個(gè)基因(AtTLP1～AtTLP11)，其中7個(gè)基因定位在染色體I上。除AtTLP4，其他10個(gè)AtTLP基因均在擬南芥組織中表達(dá)。11個(gè)基因C端Tubby結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列存在30%～80%的相似性。除AtTLP8外，其他AtTLP基因的N端都存在一個(gè)保守的F-box結(jié)構(gòu)域。在轉(zhuǎn)基因植株中超表達(dá)AtTLP9基因可以提升其對(duì)ABA的敏感性，說(shuō)明AtTLP9可能參與ABA信號(hào)通路[4]。6個(gè)AtTLP基因(AtTLP1、AtTLP2、AtTLP3、AtTLP9、AtTLP10、AtTLP11)與擬南芥中的ASK1蛋白互作。F-box結(jié)構(gòu)域和Tubby結(jié)構(gòu)域共同參與ASK1蛋白的互作過(guò)程[4，15]。AtTLP6可以與擬南芥中的ASK1、ASK2和ASK11蛋白互作。AtTLP7基因不能與ASK1蛋白互作可能是其F-box結(jié)構(gòu)域中的輔氨酸轉(zhuǎn)變成亮氨酸，以及半胱氨酸轉(zhuǎn)變成絲氨酸造成的[15]。AtTLP9在種子萌發(fā)過(guò)程中參與ABA信號(hào)通路的調(diào)控和氧化脅迫應(yīng)答。AtTLP3在種子萌發(fā)和早期生長(zhǎng)過(guò)程中參與ABA信號(hào)通路的調(diào)控[16]。

2.2水稻水稻TLP基因家族包含14個(gè)成員(OsTLP1～OsTLP14)，大多數(shù)OsTLP基因的N端都包含1個(gè)F-box結(jié)構(gòu)域。所有OsTLP基因在水稻不同組織和不同發(fā)育階段均有表達(dá)。OsTLP編碼基因家族的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，所有基因在水稻對(duì)白葉枯病菌的反應(yīng)中都表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄升高[5]。其中OsTLP2 蛋白質(zhì)可以結(jié)合OsWRKY13 轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子區(qū)的 PRE4 順式元件，OsWRKY13 受病原物的誘導(dǎo)，并調(diào)控水稻對(duì)細(xì)菌和真菌的抗性。超表達(dá)OsWRKY13 會(huì)提高水稻對(duì)白葉枯病和稻瘟病的抗性[17]。OsTLP2、OsTLP7、OsTLP8和OsTLP9 4個(gè)蛋白在Xa21介導(dǎo)的白葉枯病抗性反應(yīng)中發(fā)生表達(dá)變化，說(shuō)明其受抗性反應(yīng)誘導(dǎo)[18]。另外，OsTLP14在種子萌發(fā)后的幼苗早期1～2 cm時(shí)表達(dá)量極高，但在5 cm時(shí)其表達(dá)量驟然降低，至分蘗后期檢測(cè)不到表達(dá)，說(shuō)明OsTLP14僅在種子萌發(fā)及幼苗形成過(guò)程中發(fā)揮作用[18]。

2.3其他植物玉米TLP基因家族包含15個(gè)成員(ZmTLP1～ZmTLP15)，可分為4個(gè)亞家族。ABA處理下，7個(gè)ZmTLP基因的表達(dá)顯著上調(diào)。特別是ZmTLP6上調(diào)超過(guò)40倍，說(shuō)明ZmTLP基因參與ABA信號(hào)通路的調(diào)控。7個(gè)ZmTLP基因的表達(dá)量在高溫或低溫條件下顯著上調(diào)。其中，ZmTLP3、ZmTLP8和ZmTLP9同時(shí)應(yīng)答低溫和高溫脅迫，說(shuō)明其在植物適應(yīng)溫度變化過(guò)程中起重要作用[6]。從蘋果的冷脅迫差異基因表達(dá)譜中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)TLP基因的同源物(MdTLP7)，該基因的表達(dá)量在 4 ℃ 冷處理 6 h 時(shí)顯著上調(diào)表達(dá)，暗示其在植物非生物脅迫中起重要作用[19]。將MdTLP7 轉(zhuǎn)入大腸桿菌后，MdTLP7 的表達(dá)顯著增強(qiáng)了原核細(xì)胞抵抗鹽與溫度脅迫的能力。該研究還發(fā)現(xiàn)，MdTLP7 的Tubby結(jié)構(gòu)域的β桶狀結(jié)構(gòu)對(duì)該蛋白的抗逆功能起關(guān)鍵作用。鷹嘴豆的干旱響應(yīng)蛋白質(zhì)組中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)TLP基因(CaTLP1)，其表達(dá)量在干旱脅迫、高鹽脅迫和ABA處理下均呈現(xiàn)明顯的上調(diào)[20]。將其轉(zhuǎn)入番茄后，轉(zhuǎn)基因番茄對(duì)干旱脅迫、鹽脅迫和氧化脅迫的耐受性均提高，說(shuō)明CaTLP1基因的表達(dá)可以提升植物對(duì)脅迫的抗性。

3在動(dòng)物中的研究進(jìn)展

TLP蛋白質(zhì)在動(dòng)物中雖然是一個(gè)較小的基因家族，但在動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育中卻發(fā)揮著不可替代的作用。TLP家族蛋白的缺失往往導(dǎo)致動(dòng)物表型特征的變化，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的疾病。缺失tubby基因的小鼠會(huì)出現(xiàn)肥胖、失明和耳聾等癥狀。肥胖癥狀在缺失tubby基因的小鼠上呈現(xiàn)一個(gè)緩慢的漸變過(guò)程，一般在小鼠12～16周齡開(kāi)始出現(xiàn)肥胖癥狀，并逐步達(dá)到正常小鼠體重的2倍[21-22]。小鼠在體重增加過(guò)程中體內(nèi)胰島素水平也持續(xù)增長(zhǎng)，但血糖含量保持正常。在人類中，TUB基因被定義為人體肥胖基因的候選基因之一[23]。除了肥胖，缺失Tub基因的小鼠在發(fā)育過(guò)程中也表現(xiàn)感覺(jué)神經(jīng)的發(fā)育不全，包括視網(wǎng)膜和耳蝸退化[24]。

人類的TULP1基因突變可導(dǎo)致一種以常染色體隱性遺傳方式遺傳的色素性視網(wǎng)膜炎[25-27]。小鼠敲除TULP1基因后表現(xiàn)出光感受器神經(jīng)突觸的早期缺陷，以及視網(wǎng)膜變性前期的雙相樹(shù)突發(fā)育不良。這說(shuō)明TULP1基因在光感受器突觸的正常發(fā)育中起關(guān)鍵作用[28]。與單獨(dú)敲除TULP1基因和Tubby基因其中一個(gè)基因相比，同時(shí)敲除這2個(gè)基因可加快視網(wǎng)膜變性[29]。小鼠TULP3基因突變后可導(dǎo)致胚胎致死或缺陷，缺陷主要包括露腦、脊柱裂和多趾[10，30-32]。目前，尚未有關(guān)于敲除小鼠TULP2基因和TULP4基因的報(bào)道。但在秀麗隱桿線蟲中，利用RNA干擾技術(shù)發(fā)現(xiàn)TULP2基因可以改變其先天免疫反應(yīng)，TULP4基因的減少可導(dǎo)致細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6產(chǎn)量的降低[33]。

4展望

自1996年首次從小鼠中克隆到Tub基因以來(lái)，發(fā)現(xiàn)TLP基因家族雖然是一個(gè)較小的基因家族，卻廣泛存在于動(dòng)植物基因中，并在動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮不可替代的作用與功能。當(dāng)TLP發(fā)生基因突變時(shí)會(huì)隨之產(chǎn)生部分疾病表型。雖然Tubby基因家族在動(dòng)植物中的功能尚未完全明確，但近年來(lái)，有關(guān)其基因家族作用與功能的挖掘與研究已經(jīng)取得了一些研究成果，其結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步被挖掘出來(lái)，其中tubby結(jié)構(gòu)域的高度保守性也表明TLP在多細(xì)胞真核生物中具有重要的生理功能。特別是對(duì)植物TLP基因家族的研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)TLP基因參與植物對(duì)于生物脅迫和非生物脅迫的應(yīng)答。這說(shuō)明TLP基因可以作為植物抗逆育種的候選基因，應(yīng)用于植物抗逆遺傳育種工作中。

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Research Progress ofTubbylike-protein Gene Family

XU Jia-ning1, LIU Gang2, ZHANG Li-yun1et al

(1. Jinan Academy of Agricultural Sciences, Jinan, Shandong 250316; 2. Water Conservancy of Shandong Technician College, Zibo, Shandong 255130)

AbstractThe research progresses ofTLPgene family were reviewed. SeveralTLPswere found to be involved in the response of plants to various biotic and abiotic stresses. TheseTLPscan be utilized as appropriate candidates to create stress-resistant plants using genetic engineering.Key wordsTubbylike-protein; Gene family;Tubby

基金項(xiàng)目山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院地科技合作引導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目“番茄TLP基因家族的生物信息學(xué)分析及其對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制研究”(2015YDHZ27)；濟(jì)南市農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“茄果類蔬菜越夏新品種選育”(201406)。

作者簡(jiǎn)介徐佳寧(1984- )，女，山東淄博人，助理研究員，在讀博士，從事植物生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。

收稿日期2016-02-02

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)07-114-02