植物中RING型鋅指蛋白研究進(jìn)展

陸瑜

摘 要：鋅指蛋白家族數(shù)目龐大，功能繁多。隨著研究的不斷深入，RING型鋅指蛋白日漸引人關(guān)注。RING型鋅指蛋白都含有一段保守的RING型結(jié)構(gòu)域，大量研究表明，RING型鋅指蛋白廣泛參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程。該文主要概括了鋅指蛋白的概述與分類、RING型鋅指蛋白的結(jié)構(gòu)，RING型鋅指蛋白在植物光形態(tài)建成、側(cè)根發(fā)育、氣孔調(diào)節(jié)等生理過(guò)程、以及在干旱、鹽、高溫、低溫、鋁等非生物脅迫方面的作用。最后就植物RING 型鋅指蛋白的后續(xù)工作進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：RING型鋅指蛋白；生長(zhǎng)發(fā)育；脅迫

中圖分類號(hào) Q943 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）08-0036-04

Abstract：The number of zinc finger protein family is huge and the function is numerous.With the deepening of research，RING-type zinc finger protein is attracting peoples' attention，RING type zinc finger proteins all contain a conserved RING domain，a large number of studies show that RING-type zinc finger protein is widely involved in plant growth and development，plant stress signal transmission process.In this paper，we mainly summarize the overview and classification of zinc finger protein，the structure of RING-type zinc finger protein，the physiological processes of RING-type zinc finger protein in the light form，lateral root development，stomatal regulation，and we conclude the functions of plant RING-type zinc finger protein in drought，salt，high temperature，low temperature，aluminum and other adversity stress.Finally，the follow-up work of RING-type zinc finger protein was prospected.

Key words：RING-type zinc finger protein；Development；Stress

隨著人們對(duì)鋅指蛋白研究的逐漸深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明鋅指蛋白參與動(dòng)物基因的表達(dá)調(diào)控過(guò)程[1]，同樣，其在植物中也發(fā)揮著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)鋅指蛋白與植物體生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)有著重要聯(lián)系。目前，C2H2型鋅指蛋白被廣泛研究，而RING型鋅指蛋白研究較少，主要集中在水稻與擬南芥中，在大豆、番茄等其他作物中研究較少。很多蛋白質(zhì)泛素化途徑中催化終末過(guò)程的E3泛素化連接酶都含有RING結(jié)構(gòu)域，這些RING型鋅指蛋白主要是通過(guò)和其他蛋白質(zhì)之間的相互作用，參與泛素化蛋白降解過(guò)泛素化蛋白降解過(guò)程會(huì)改變蛋白活性，影響生物效應(yīng)，RING型鋅指蛋白可能參與很多重要生物效應(yīng)[2]。本文概括了RING型鋅指蛋白的研究現(xiàn)狀，為今后利用RING型鋅指蛋白通過(guò)基因工程手段培育新品種提供理論依據(jù)。

1 鋅指蛋白概述

鋅指蛋白是1983年發(fā)現(xiàn)于非洲抓蟾卵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子TFIIIA中，是迄今為止真核生物中分布最為廣泛的一類蛋白，人類基因組中有近1%的序列編碼含有指結(jié)構(gòu)的蛋白[3]。鋅指蛋白主要存在于動(dòng)植物及微生物中，在基因表達(dá)調(diào)控、胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化等方面都起著重要作用。在植物體中，鋅是必不可少的元素，鋅元素缺失會(huì)給植物帶來(lái)很多傷害，鋅元素過(guò)量也會(huì)對(duì)植物造成傷害。鋅指蛋白在植物中起到轉(zhuǎn)運(yùn)鋅元素的作用，能調(diào)節(jié)植物中鋅含量，對(duì)植物的抗逆作用有所增強(qiáng)，對(duì)植物具有很重要的意義。

2 鋅指蛋白的組成與分類

鋅指蛋白是一類具有“指狀”結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子[4]。鋅指蛋白家族龐大、錯(cuò)綜復(fù)雜，根據(jù)半胱氨酸（C）和組氨酸（H）的殘基的數(shù)目和位置不同，可將鋅指轉(zhuǎn)錄因子分為C2H2、C4、C6、C3HC4、C4HC3、C2HC、C3H以及聯(lián)合型等多種類型，其中大多數(shù)屬于C2H2型[5]。又可以根據(jù)結(jié)構(gòu)功能把鋅指蛋白分為PHD型蛋白、WRKY型蛋白、DOF型蛋白、GATA型蛋白、TFIIIA型蛋白、RING型蛋白。

3 RING型鋅指蛋白的結(jié)構(gòu)

RING型鋅指蛋白也是一個(gè)龐大的亞家族，主要是和蛋白質(zhì)互作，起到激活、抑制等調(diào)控作用[6]。RING型鋅指蛋白主要的保守區(qū)為C-X2-C-loop-I-C-X-H-X2-C-X2-C-X2-C-loop II-C-X-C[7]。RING型鋅指蛋白是有7個(gè)半胱氨酸（C）和1個(gè)組氨酸（H）結(jié)合2個(gè)鋅離子組成的，每個(gè)鋅離子可以結(jié)合4個(gè)半胱氨酸或者結(jié)合3個(gè)半胱氨酸、一個(gè)組氨酸構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)（圖1）。盡管RING型的鋅指蛋白的變體很多，但是它交錯(cuò)形成的四面體是高度保守的[8]，鋅指的變化可以引起結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而功能發(fā)生變化。

其中，正六邊型代表中間結(jié)合的鋅離子；橢圓代表半胱氨酸（C）、組氨酸（H）殘基；連接線代表連接氨基酸數(shù)，其中如9-39代表，連接的最小范圍到最大范圍；兩端的C、N代表羧基或氨基的末端。

4 RING型鋅指蛋白的功能

4.1 RING型鋅指蛋白在植物的生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)面研究 雖然RING型鋅指蛋白沒(méi)有C2H2型鋅指蛋白研究的透徹，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)RING型鋅指蛋白在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中也扮演著相當(dāng)重要的角色，同時(shí)參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等生理過(guò)程。首先，人們發(fā)現(xiàn)擬南芥中RING型鋅指蛋白COP1（constitutive photomorphogenic 1）的一個(gè)突變體，通過(guò)對(duì)這個(gè)突變體的分析，發(fā)現(xiàn)COP1可以通過(guò)抑制下游基因的表達(dá)，從而達(dá)到抑制光形態(tài)的建成[10]。在光照和黑暗兩種情況下，擬南芥中的COP1基因編碼的蛋白調(diào)控光的形態(tài)建成在光照和黑暗下是不同的，黑暗條件下，COP1基因可以通過(guò)在細(xì)胞核中定位抑制HY5（HY5是bZIP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合直接誘導(dǎo)光合成的基因的啟動(dòng)子，促進(jìn)光形態(tài)的建成[11]基因的表達(dá)，從而影響光的形態(tài)建成；在光照條件下，COP1不在細(xì)胞核中定位，使HY5基因得以表達(dá)，光的形態(tài)得以建成[12]。

擬南芥中的RING型鋅指蛋白SINAT5基因，超表達(dá)后發(fā)現(xiàn)植株的側(cè)根減少，而SINAT5中的半胱氨酸突變，使SINAT5基因失活后，突變體植株側(cè)根反而增多，由此可以看出SINAT5基因?qū)χ仓甑膫?cè)根發(fā)育起著重要作用[13]。IAA等生長(zhǎng)素會(huì)控制植物各方面的生理過(guò)程，特別是側(cè)根的生長(zhǎng)，NAC1基因是傳導(dǎo)生長(zhǎng)素信號(hào)控制側(cè)根生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄激活因子，SINAT5會(huì)通過(guò)泛素化對(duì)NAC1降解，減弱生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo)，控制側(cè)根的發(fā)育[13]。

OsRZFPP34是水稻中一個(gè)RING型鋅指蛋白基因，2014年Hsu等發(fā)現(xiàn)在高溫或ABA處理后，水稻和擬南芥中的OsRZFPP34基因表達(dá)量增高，超表達(dá)OsRZFPP34基因，發(fā)現(xiàn)氣孔打開(kāi)數(shù)量增加，隨后又發(fā)現(xiàn)，在該基因缺失的突變體中，氣孔打開(kāi)減少，超表達(dá)該基因，氣孔打開(kāi)增多，導(dǎo)致葉的抗凍性增強(qiáng)、降低了對(duì)ABA的敏感性，說(shuō)明OsRZFPP34基因和植物氣孔打開(kāi)機(jī)制有著密不可分的聯(lián)系[14]。目前對(duì)RING型鋅指蛋白對(duì)生理發(fā)育等方面研究相對(duì)還比較少，相信隨著研究的不斷深入，RING型鋅指蛋白參與生理過(guò)程的機(jī)制會(huì)更加透徹。

4.2 RING型鋅指蛋白在植物抗逆方面的研究

4.2.1 RING型鋅指蛋白在植物抗旱方面的研究 植物中RING型鋅指蛋白，不僅在生長(zhǎng)發(fā)育等方面起著重要作用，對(duì)植物的抗逆方面也非常重要。目前研究表明Zinc finger、AP2、BZIP、MYB、NAC等轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆的過(guò)程中起著重要的作用。干旱是很多植物無(wú)法生存的一大因素，找到抗旱機(jī)制是非常必要的，特別是對(duì)于水生作物水稻而言。人們經(jīng)過(guò)發(fā)現(xiàn)水稻中RING型鋅指蛋白OsSINAT5基因過(guò)表達(dá)后會(huì)減弱水稻的抗旱能力，一般作物抗旱會(huì)與ABA途徑有聯(lián)系，但是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它不依賴與ABA途徑，通過(guò)檢測(cè)氧化途徑的抗旱因子，發(fā)現(xiàn)OsSINAT5可能通過(guò)抗氧化途徑負(fù)調(diào)控抗旱機(jī)制[15]。同樣擬南芥中的另一個(gè)RING型鋅指蛋白基因同樣具有抗旱作用。當(dāng)擬南芥中缺乏AtAIRP4基因時(shí)，植株根的發(fā)育會(huì)發(fā)生變化，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，當(dāng)我們超表達(dá)該基因時(shí)，發(fā)現(xiàn)種子萌發(fā)時(shí)對(duì)鹽的敏感性增強(qiáng)，相反對(duì)干旱的耐受性增強(qiáng)，從而得出結(jié)論：AtAIRP4基因可能是正調(diào)控干旱途徑，負(fù)調(diào)控鹽途徑[16]。

辣椒是人們?nèi)粘ｏ嬍澈苤匾囊环N蔬菜，辣椒在生長(zhǎng)過(guò)程中也深受干旱的影響，對(duì)于目前來(lái)說(shuō)，解決干旱問(wèn)題，培育抗旱辣椒新品種是非常重要的。RING型鋅指蛋白CaAIRF1作為E3泛素連接酶，通過(guò)泛素化使CaADP1蛋白磷酸酶降解，從而調(diào)控ABA和干旱途徑，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在辣椒中沉默CaAIRF1后，ABA敏感性降低、干旱耐受性減弱，在擬南芥中，超表達(dá)該基因后，ABA的敏感性增加、耐旱的表型，上述結(jié)果證明說(shuō)明該基因與干旱機(jī)制有著密切聯(lián)系[17]。同樣對(duì)干旱脅迫途徑有重要響應(yīng)的一個(gè)RING型鋅指蛋白基因就是擬南芥中的SDIR1。2007年zhang等發(fā)現(xiàn)，它是通過(guò)調(diào)控ABA參與調(diào)控脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，其中主要對(duì)干旱脅迫、鹽脅迫有響應(yīng)，SDIR1通過(guò)對(duì)底物SDIR1P1進(jìn)行泛素化來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子ABI5的表達(dá)，從而還參與了擬南芥的ABA途徑的種子萌發(fā)和鹽響應(yīng)的過(guò)程[18]。

4.2.2 RING型鋅指蛋白在植物抗鹽方面的研究 除了上述擬南芥中的SDIR1有抗鹽作用，擬南芥的STRF1（RING型鋅指蛋白）基因也和鹽脅迫息息相關(guān)。STRF1也是具有E3泛素連接酶活性的，參與植物鹽脅迫響應(yīng)過(guò)程中，STRF1主要調(diào)控膜運(yùn)輸相關(guān)基因表達(dá)量，控制膜運(yùn)輸及產(chǎn)生活性氧來(lái)調(diào)控參與鹽脅迫途徑的[19]。水稻中的OsSIRP1（RING型鋅指蛋白）也參與鹽脅迫。OsSIRP1是從鹽脅迫中，水稻根部表達(dá)量高的眾多基因中挑選的一個(gè)，通過(guò)在擬南芥中過(guò)表達(dá)發(fā)現(xiàn)鹽的耐受性降低，而且影響種子萌發(fā)、根系的生長(zhǎng)，結(jié)果表明OsSIRP1是鹽耐受性的負(fù)調(diào)控子[20]。

4.2.3 RING型鋅指蛋白在植物耐高低溫方面的研究 2001年，Lee等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)擬南芥中的RING型鋅指蛋白HOS1基因表達(dá)異常時(shí)，植物的凍害敏感性降低了，后通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，HOS1會(huì)定位在細(xì)胞核中積累，通過(guò)細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間傳遞低溫信號(hào)，進(jìn)而控制基因表達(dá)起著重要作用，當(dāng)我們過(guò)表達(dá)該基因時(shí)，植株則表現(xiàn)出耐低溫特征，上述結(jié)果說(shuō)明，HSO1是植物低溫響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)控子[21]。高溫脅迫會(huì)使植物產(chǎn)生活性氧（ROS），例如H2O2，H2O2參與了ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的過(guò)程，RING型鋅指蛋白的基因OsHTAS主要在葉肉細(xì)胞中表達(dá)，在發(fā)芽時(shí)，OsHTAS基因能調(diào)控H2O2的積累，從而改變水稻葉片中氣孔的狀態(tài)，提高植株的耐高溫[22]?，F(xiàn)在全球變暖，極端天氣越來(lái)越多，像高溫、凍害時(shí)常發(fā)生，如果能培育出抗高溫、凍害的新品種是最好不過(guò)的了，RING型鋅指蛋白對(duì)培育耐高溫、凍害新品種有重要的參考價(jià)值。

4.2.4 RING型鋅指蛋白在植物抗重金屬方面的研究 從擬南芥中分離出來(lái)了人類和酵母同源的RAD18（與RAD6互作可以修復(fù)受損DNA）的RING型鋅指蛋白AtATRF1基因，通過(guò)鋁脅迫，發(fā)現(xiàn)AtATRF1基因表達(dá)量有所增高，而反過(guò)來(lái)過(guò)表達(dá)AtATRF1基因，發(fā)現(xiàn)擬南芥植株的鋁耐受性增強(qiáng)[23]，我們可以利用這一特性，再結(jié)合其他的耐鋁基因聯(lián)合，培育抗鋁新品種，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。

5 展望

目前，RING型鋅指蛋白研究主要體現(xiàn)在它在生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫方面的研究，有一些基因發(fā)揮功能的機(jī)制已經(jīng)掌握清楚，目前大量的RING型鋅指蛋白基因的功能研究還沒(méi)開(kāi)展，需要加大研究。此外，目前研究開(kāi)展主要集中在水稻、擬南芥中，針對(duì)番茄、大豆等其他作物的研究目前還比較少，未來(lái)我們應(yīng)該多品種深入的研究，利用基因工程手段，培育出多種抗逆新品種。

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