植物MYB类转录因子研究进展

综　述R evie w

2002201215收到,2002201228接受。

国家重点基础研究发展规划项目(973项目G 1999011604)资助。3联系人,E 2mail :zywang @https://www.360docs.net/doc/114549405.html, ,Tel :02126404209024423。

植物MYB 类转录因子研究进展

陈　俊　王宗阳3

(中国科学院上海植物生理研究所,上海200032)

摘要:植物M Y B 转录因子以含有保守的M Y B 结构域为共同特征,广泛参与植物发育和代谢的调节。含单一M Y B 结构域的M Y B 转录因子在维持染色体结构和转录调节上发挥着重要作用,是M Y B 转录因子家族中较为特殊的一类。含两个M Y B 结构域的

M Y B 转录因子成员众多,在植物体内主要参与次生代

谢的调节和控制细胞的形态发生。含3个M Y B 结构域的M Y B 蛋白与c 2M Y B 蛋白高度同源,可能在调节细胞周期中起作用。

关键词:M Y B 结构域,M Y B 转录因子,组合调控学科分类号:Q74

随着多种模式生物基因组计划的完成,如何

从这些浩如烟海的DNA 序列中揭示基因的功能以及它们有序的时空表达,已成为后基因组时代的重要课题。人类基因组计划的完成显示人类只有30000～50000个基因,生命体是如何以如此少的

基因完成如此复杂的生命活动的呢?很重要的一点在于基因的表达调控,使得每一个基因能适时、适地、适量地表达,并且使得某些基因可以产生多种功能各异的蛋白质。真核基因的表达随细胞内外环境的改变而在不同层次上受到精确调控,如染色体DNA 水平、转录水平及转录后水平的调控等。而转录水平的调控发生在基因表达的初期阶段,是很多基因表达调控的主要方式。转录水平的调控指一类称为转录因子(有时又称反式作用因子)的蛋白质特异结合到靶基因调控区的顺式作用元件上,或调节基因表达的强度,或应答激素刺激和外界环境胁迫,或控制靶基因的时空特异性表达。

转录因子通常是一种模块化的蛋白,一般由几个独立的功能域组成,包括DNA 结合功能域,转录激活功能域,蛋白2蛋白相互作用功能域,信号分子结合功能域,核定位信号区等。根据DNA 结合功能域的结构,转录因子可分为以下几类:bHL H (碱性螺旋2环2螺旋)、bZIP (碱性亮氨酸拉链)、homeodomain 蛋白、MADS 2box 蛋白、zinc 2finger 蛋

白、Myb 蛋白、Ap2/EREBP 蛋白、HSF 蛋白、HM G

蛋白和A T hook 蛋白等(Schwechheimer 和Bevan 1998)。

本文试以植物中数量最多、功能最多样化的M Y B 类转录因子为例,对该类转录因子的研究历

史和现状作一简单介绍。阐述了M Y B 转录因子的结构、功能和进化,并举例说明M Y B 类转录因子如何与其它转录因子家族成员相互作用,通过组合调控(combinatorial control )的方式实现对靶基因的精密调控。

1　MYB 类转录因子

M Y B 类转录因子家族是指含有M Y B 结构域

的一类转录因子。M Y B 结构域是一段约51～52个氨基酸的肽段,包含一系列高度保守的氨基酸残基和间隔序列(图1)。首先是每隔约18个氨基酸规则间隔的色氨酸(W )残基,它们参与空间结构中疏水核心的形成。有时色氨酸残基会被某个芳香族氨基酸或疏水氨基酸所取代,尤其是在植物R2R32M Y B 转录因子中,R3M Y B 结构域的第一

个色氨酸经常被亮氨酸、异亮氨酸或苯丙氨酸所取

代。其次,在每个保守的色氨酸前后都存在一些高度保守的氨基酸,例如在第一个色氨酸的C 2末端通常是一簇酸性氨基酸(图1)。正是上述这些保守的氨基酸残基使M Y B 结构域折叠成螺旋2螺旋2转角2螺旋(helix 2helix 2turn 2helix )结构。

1982年K lempnauer 等在禽成髓细胞瘤病毒(avian myeloblastosis virus )中鉴定出一个能直接导致急性成髓细胞白血病(acute myeloblastic leukemia )的癌基因,称为v 2myb ,不久发现在正常动物细胞中也存在相应的原癌基因c 2myb ,随后研究结果表明v 2M Y B ,c 2M Y B 蛋白都定位在细胞核中,与核基质和染色质紧密相连,而且都具有DNA

1

8植物生理与分子生物学学报,J ournal of Plant Physiology and Molecular Biology 2002,28(2):81-88

结合活性和转录调节功能(Biedenkapp等1988, Luscher和Eisenman1990)。Ogata等(1994)通过核磁共振(NMR)的方法最终确定了c2M Y B蛋白结合DNA时的空间结构,明确表明c2M Y B蛋白的3个M Y B结构域都能形成类似于螺旋2转角2螺旋的结构,其中R2和R3负责特异结合DNA序列。至此,尽管M Y B蛋白不具备当时已知的转录因子类型,如bHL H、bZIP和zinc finger等的结构花式(motif),然而对c2M Y B蛋白和v2M Y B蛋白的研究结果都显示,M Y B类蛋白都含有由M Y B结构域组成的DNA结合功能域为共同特征,

它们自成

一类新的转录因子家族

。

图1　M Y B转录因子的DNA结合功能域

Fig.1　DNA2binding domain of M Y B transcription factors

DNA binding domains of M Y B transcription factors are aligned by Pileup program from GCG software package.The protein se2 quences included in this comparison are from human,c2M Y B;A rabidopsis,Atpc2myb1,Atpcmyb2,At G L1;maize,IBP1,Zm2 M Y BC1;Oryz a sativa,RTBP1.Among them,IBP1and RTBP1contain only a single M Y B domain;At G L1and ZmM Y BC1 are R2R32M Y B proteins;Atpc2myb1,Atpcmyb2and c2M Y B belong to R1R2R32M Y B subfamily.The regularly spaced W residues and I,F residues often re placing the W residue in R3M Y B domain are in bold.The C ys residue involved in redox poten2 tial regulation is italic and in bold.The DNA recognition helix of IBP1,RTBP1are boxed.

1982年以来,人们不断地从人、小鼠、酵母、玉

米、拟南芥、金鱼草、水稻和棉花中鉴定出与c2

M Y B蛋白同源的蛋白。它们的共同特征是N2端

区域高度保守,通常由2个M Y B结构域(R2,R3)

或3个M Y B结构域(R1,R2和R3)构成。植物物

种中的M Y B蛋白与c2M Y B蛋白不同,大都只含

有两个M Y B结构域,这极大地引起了人们对植物

中M Y B类转录因子的研究兴趣。自从Paz2Ares

等从单子叶植物玉米中克隆出与色素合成有关的

Zm M YB C1基因后,又从很多植物中分离到功能

各异的m yb基因(Rabinowicz等1999)。Romero

等(1998)的研究指出拟南芥中至少有80个表达的

m yb基因。Rabinowicz等(1999)发现玉米中至少

也含有80个表达的m yb基因。除含两个M Y B结

构域的M Y B蛋白以外,在植物中还发现了含一个

M Y B结构域的M Y B蛋白以及含3个M Y B结构

域的M Y B蛋白。Stmyb1是植物中鉴定的第一个

只含一个M Y B结构域的M Y B蛋白,随后相继发

现IBP1、BPF1、CCA1和L H Y等只含有一个M Y B

结构域的M Y B蛋白(Bilaud等1996)。植物中含3

个M Y B结构域的M Y B蛋白的发现,更是极大地

丰富了人们对植物M Y B蛋白的认识(Kranz等

2000)。植物中含单个M Y B结构域和含3个

M Y B结构域的M Y B蛋白与主要的含两个M Y B

结构域的M Y B蛋白共同构成了植物M Y B类转录

因子家族,并与动物等其它物种中的M Y B蛋白形

成了一类古老而且高度保守的转录因子超家族。

2　植物MYB类转录因子家族

植物M Y B类转录因子以含有M Y B结构域为

共同特征,根据所含M Y B结构域的数目,植物中

的M Y B类转录因子可简单分成3个亚类:只含一28植物生理与分子生物学学报 28卷

个M Y B 结构的M Y B 蛋白亚类成员可能是一类重要的端粒结合蛋白,在维持染色体结构的完整性和调节基因转录上起重要作用(Bilaud 等1996);R2R3亚类成员含有两个M Y B 结构域,对应于动物中c 2M Y B 蛋白的R2和R3M Y B 结构域。该类成员数目众多,它们或参与次生代谢的调节,或控制细胞的分化,或应答激素刺激和外界环境胁迫以及抵抗病原菌的侵害;R1R2R3亚类成员含有3个M Y B 结构域,与动物、真菌中的R1R2R32M Y B 蛋白高度同源,主要参与细胞周期的控制和调节细胞的分化(Ito 2000)。表1列举了已知的植物M Y B 类转录因子及其可能的生物学功能。2.1　植物中只含一个MYB 结构域的MYB 蛋白

植物中发现的这类M Y B 蛋白,如表1所示,有L H Y 、CCA1、CPC 和R TBP1(Yu 等2000)等。它们在结构上都只含一个M Y B 结构域,可存在于肽链的N 2端,C 2端或中间。由于无论是R1R2R32M Y B 蛋白还是R2R32M Y B 蛋白,它们的R2、R3M Y B 结构域都是特异结合DNA 序列所必需,而只含一个M Y B 结构的M Y B 蛋白很可能以不同的方式结合DNA 序列,如水稻R TBP1蛋白正是通过形成同源二聚体而结合到端粒序列上(Yu 等2000)。根据是否具有一种称为端粒盒(TELOBOX )的结构,可以把这类M Y B 蛋白分成

两个小类。第一小类成员都含有端粒盒结构,如IBP1、R TBP1、BPF1和PcM Y B1蛋白等(表1)。第二小类成员不含有端粒盒结构,如StM Y B1、CCA1、L H Y 和CPC 蛋白等(表1)。端粒盒结构因

为它能结合端粒序列而得名,实际上是一种特殊的M Y B 结构域(Bilaud 等1996)。其N 端27个氨基

酸与c 2M Y B 蛋白的R3M Y B 结构域有30%的一致性,而其C 2端19个氨基酸与c 2M Y B 蛋白的R3M Y B 结构域只有10%的一致性。尤其是端粒盒

结构的C 2末端VDL KD KWR T 氨基酸序列与R2或R3M Y B 结构域同源性较低,但在含端粒盒的蛋白成员中却高度保守(图1)。对芹菜中参与光调控的PcM Y B1蛋白的研究表明,VDL KD KWR T 氨基酸序列决定了PcM Y B1与DNA 的特异结合(Feldbrugge 等1997)。值得一提的是,这些含端

粒盒的蛋白还能结合在某些基因的启动子上,作为反式作用因子参与基因的转录调节(Bilaud 等1996)。Jin 和Martin (1999)认为端粒盒结构决定

了这类蛋白与端粒序列的结合,参与维持染色体末端的完整性可能是它们的主要功能,而作为转录调节子则是处于第二位的功能。

表1　植物M Y B 类转录因子及其生物学功能(根据Jin 和Martin 1999修改)

T able 1　Plant M Y B transcription factors and their biological functions (Modified from Jin and Martin 1999)

Subclass M Y B protein Species

cis 2element

Biological function

single

RTBP 21Oryz a sativa

GGGTTT Telomeric DNA binding protein L HY A rabidopsis thaliana unknown Circadian clock regulation

CCA1A rabidopsis thaliana unknown Regulating phytochrome and circadian CPC1A rabidopsis thaliana unknown Root hair formation

BPF 21Pet roselinum crispum Gn Tm

Telomeric DNA binding protein IBP 21Zea m ays

A GGGTTT Telomeric DNA binding protein PcM Y

B 21Pet roselinum crispum AACCTAA Involved in light regulation R2R3

ZmM Y BC1Zea m ays MBS ⅡAnthocyanin ZmM Y BPL Zea m ays

MBS ⅡAnthocyanin AN2Petunia hybrida MBS Ⅱ

Anthocyanin PhM Y B3Petunia hybrida

MBS/MBS ⅠAnthocyanin

AtM Y B G L1A rabidopsis thaliana MBS ⅡTrichome development MIXTA A ntirrhinum m ajus MBS ⅡConical cell development AtM Y B103A rabidopsis thaliana unknown Pollen development

OsMY B5

Oryza sativa

AACA motif Regulating glutelin expression WEREWOL F A rabidopsis thaliana unknown Root hair formation HvG AMY B Hordeum vulgare T AACAAA G ibberellin res ponse

AtMY B2A rabidopsi thaliana T AACTG A ABA and dehydration res ponse OsMY B7Oryza sativa

G 2box Oxygen response

C pm5/7/10Cratero stigma plantagineum unknown ABA and dehydration res ponse AtMY B30A rabidopsis thaliana unknown Hypersensitive cell death LeMY B1

L ycopersicum esculentum G AT AAG I 2box binding factor

R1R2R3

MS A 2binding protein

N icotiana tabacum

MBS Ⅰ

B 2type cyclin regulation

MBS Ⅰ:TAACC/GGTT ,MBS Ⅱ:TAACTAAC.

3

82期 陈　俊等:植物M Y B 类转录因子研究进展

2.2　植物中R2R3亚类MYB成员

R2R32M Y B转录因子是植物中数目最多的一类M Y B蛋白,它们以N2端含有由两个M Y B结构域构成的DNA结合功能域为共同特征。DNA结合功能域除特异结合DNA外,有时其中的碱性氨基酸可兼作核定位序列(Biedenkapp等1988)。绝大部分R2R32M Y B蛋白的C2端都具有转录激活功能域特征。这些都是R2R32M Y B蛋白作为转录因子所必需的要素。

DNA结合功能域是转录因子最关键的结构域。R2R32M Y B转录因子的DNA结合功能域由两个同源的M Y B结构域(R2,R3)组成双部位结构,通过R2和R3M Y B结构域的协同作用完成与靶序列的特异结合,是一种比较独特的DNA结合功能域的组织方式。尽管植物R2R32M Y B蛋白与动物R1R2R32M Y B蛋白c2M Y B以近乎相同的方式结合DNA序列,但是它们识别的DNA序列却有较大的差别,甚至在植物R2R32M Y B蛋白成员内部也相去甚远。究其原因主要与DNA结合功能域的结构有关(Martin和Paz2Ares1997)。Jin 和Martin(1999)还认为R2R32M Y B蛋白的DNA 结合功能域与其它转录因子家族不同,由于含有由两个同源的M Y B结构域组成的双部位结构,其自身存在固有的柔韧性和灵活性,使得结合的DNA 序列具有不确定性。

绝大部分植物R2R32M Y B蛋白通常还具有转录激活功能域。Kranz等(1998)根据植物中R2R32M Y B蛋白的C2端氨基酸序列把这些R2R32 M Y B蛋白分组,发现各亚组的保守序列中有的富含酸性氨基酸,有的富含Ser/Thr,有的富含Pro和G ln,有的同时具备上述几个特征。这提示R2R32 M Y B转录因子大都具有转录激活功能。陈俊等(2001)从水稻未成熟种子中克隆了5个R2R32 M YB基因,它们编码的蛋白质C2端均具有上述转录激活功能域特征,并利用酵母单杂交系统证实了其中两个蛋白具有转录激活功能。然而,最近从拟南芥中鉴定的AtM Y B4蛋白却能抑制靶基因的表达,是植物R2R32M Y B转录因子家族中发现的第一个参与转录沉默(transcriptional silencing)的成员(Jin等2000,Hemm等2001)。

2.3　植物中R1R2R3亚类MYB成员

1999年,Braun和Grotewold(1999)从拟南芥中鉴定出两个R1R2R32M YB基因,Kranz等(2000)进而又在所有主要植物进化谱系包括苔藓、蕨类、单子叶和双子叶植物中发现了R1R2R32 M YB基因,而且在每个物种的基因组中都只存在2～3个成员,这与动物中很小的R1R2R32M YB 基因家族极为类似。序列比较也表明植物R1R2R32M Y B蛋白与动物R1R2R32M Y B蛋白c2 M Y B高度同源(图1)。另外,通过比较植物R1R2R32M YB基因和动物c2M YB基因的基因组序列,发现它们的内含子和外显子结构也极为类似(Braun和Grotewold1999)。以上结果充分说明R1R2R32M YB基因在生物界中具有高度的保守性。也提示在研究植物R1R2R32M Y B蛋白时,可以借鉴动物中c2M Y B蛋白的研究结果。

3　MYB类转录因子在植物体内具有广泛的生物学功能

从表1可以看出M Y B转录因子有着广泛的生理功能,几乎参与植物发育和代谢的各个方面。组合调控(combinatorial control)是真核基因表达调控的重要方式,主要通过多种转录因子间的相互作用来实现对靶基因的精密调控(Singh1998)。本文拟从组合调控的角度,举例说明植物M Y B类转录因子与其它转录因子家族成员如何通过组合调控的方式来实现对靶基因的精密调控。

3.1　参与对植物激素的应答

植物激素是调节植物生命活动所必不可少的生物活性物质,研究植物对这些激素的应答反应及植物体内相关的信号传导途径,一直是植物生理和分子生物学研究的热点。拟南芥中的A tM YB2基因是第一个被发现受ABA诱导表达的R2R32 M YB基因。AtM Y B2蛋白与bHL H类蛋白RdBP1相互作用,协同调节R d22基因的表达。Abe等(1997)认为AtM Y B2蛋白和RdBP1bHL H 蛋白的互作可能是植物体内除了bZIP/G2BOX之外的另一条应答ABA的途径。再如表1中Hv G AM Y B蛋白参与对赤霉素的应答;Cpm5、Cpm7和Cpm10蛋白参与植物对ABA和干旱的应答(表1)。尽管还没有鉴定出应答IAA、乙烯及细胞分裂素的M Y B类转录因子,但是Kranz等(1998)用乙烯、IAA、ABA、G A3和细胞分裂素分别处理拟南芥,通过“反向Northern印迹”方法研究了拟南芥中74个R2R32M YB基因的表达情况。本文作者作了初步统计,发现大约有11个R2R32 M YB基因受ABA诱导,9个受IAA诱导,6个受

48植物生理与分子生物学学报 28卷

乙烯诱导,5个受细胞分裂素诱导,1个受G A3诱导。这些初步的结果表明拟南芥中的R2R32M Y B 转录因子可能广泛地参与对植物激素的应答。

3.2　控制植物细胞的形态和模式建成

植物M Y B转录因子另一个研究得较清楚的功能是控制细胞的形态和模式建成(pattern forma2 tion)。在这个领域中取得的进展大都归功于大量的拟南芥根毛和表皮毛突变体。目前从拟南芥中克隆的与根毛发育有关的基因有T T G、CPC、W ER和GL2。T T G基因编码WD40类蛋白, CPC基因编码只含一个M Y B结构域的M Y B蛋白,W ER基因编码一个R2R32M Y B蛋白,GL2编码一个同源异形蛋白(homeodomain protein)。除此之外,还发现一个与玉米R蛋白类似的bHL H 蛋白也参与根毛的特化,但此基因尚未被克隆(Lee 和Schiefelbein1999)。Lee和Schiefelbein(1999)综合根毛突变体的研究结果,提出了一个调节根表皮细胞发育的分子模型,认为两个M Y B类转录因子CPC蛋白和WER蛋白是决定根表皮细胞命运的关键因素。CPC蛋白和WER蛋白可能与同一个R样的bHL H蛋白相互作用。WER蛋白与bHL H蛋白相互作用产生具有转录激活功能的蛋白复合体,一方面通过结合在GL2基因启动子区M Y B蛋白结合位点和M YC类蛋白结合位点激活GL2基因的表达,抑制根毛的形成而产生不成毛细胞;另一方面在不成毛细胞中调节与细胞分裂和成熟相关基因的表达,抑制细胞的分裂。而CPC 蛋白与bHL H蛋白的相互作用产生无活性的蛋白复合体,不能激活GL2基因的表达,使得细胞分裂,形成突起,进而发育成根毛,产生成毛细胞。此模型表明根表皮细胞的形态建成是不成毛细胞中WER蛋白相对高的活性和成毛细胞中CPC蛋白相对高的活性协调作用的结果。可见M Y B类转录因子在根毛形成中起了决定性的作用。在拟南芥下胚轴表皮细胞特化成气孔的过程中,WER M Y B蛋白也发挥了与根表皮细胞特化过程中相同的作用。

拟南芥中另一个表皮细胞特化的例子是表皮毛的形成。拟南芥中叶表皮毛的形成也是由与根毛形成中非常类似的T T G、GL2、GL1、T ry和GL3基因控制的(Payne等2000)。GL1编码一个R2R32M Y B转录因子,GL3编码一个bHL H类转录因子。G L1蛋白通过与G L3蛋白相互作用,结合到GL2基因启动子区上,激活GL2基因在叶表皮细胞中表达,从而控制叶表皮细胞的特化。

3.3　参与植物苯丙烷类次生代谢途径的调节

苯丙烷类代谢是植物主要的3条次生代谢途径之一,它起始于苯丙氨酸,经过几个共同步骤后,分成两个主要分支途径,其中一条分支称为黄酮类代谢途径,主要与植物色素合成相关。R2R32M Y B 转录因子作为调节蛋白广泛参与苯丙烷类代谢途径的调控,主要的证据来自对欧芹、玉米、金鱼草和矮牵牛中黄酮类分支途径的生化和遗传学研究。以玉米为例,在玉米的种子、胚芽鞘、根、茎、叶和雄花穗上都有不同程度的着色。参与调节花青苷生物合成的主要是M Y B类蛋白ZmM Y BC1/Zm2 M Y BPl和bHL H类蛋白R/B两类转录因子家族成员。Zm M YB C1主要在种子糊粉层和一些花组织中表达,ZmM Y BC1蛋白对靶基因的激活还依赖于与同样在种子和花中表达的bHL H类蛋白R的相互作用。而另一个M Y B蛋白ZmM Y BPl,被认为是ZmM Y BC1蛋白的结构和功能同源物,在一级结构上与ZmM Y BC1蛋白有95%的同源性。Zm M YB P基因主要在种子和花以外的器官,如茎和叶中表达。ZmM Y BPl蛋白同样也需要与在茎和叶中表达的bHL H类蛋白B相互作用,从而激活靶基因的表达。玉米正是利用Zm M YB C1/ Zm M YB Pl,R/B基因的组织差异性表达来形成ZmM Y BC1/R,ZmM Y BPl/B两种不同的转录因子组合,控制种子、茎和叶等不同器官中花青苷的生物合成,是植物中组合调控的例子之一(Singh 1998)。在其它物种中也发现了与玉米中类似的M Y B类转录因子和bHL H类转录因子,也是通过它们的相互作用来调节花青苷的生物合成,如矮牵牛中的An2M Y B转录因子和bHL H蛋白JAF13 (Quattrocchio等1999)。

考察上述所列3种功能中的M Y B类转录因子,无论是AtM Y B2蛋白,WER/CPC蛋白,At2 M Y B G L1蛋白还是ZmM Y BC1/ZmM Y BPl蛋白,它们对靶基因的调控都离不开与bHL H类转录因子的互作。提示M Y B转录因子与bHL H转录因子间存在着组合调控的现象。如果把表皮细胞特化的调控途径和花青苷生物合成的调控途径作一比较,可以发现这两个途径的调控都离不开WD40类蛋白、M Y B类蛋白和bHL H类蛋白之间的相互作用。拟南芥表皮毛特化过程中T T G、GL1和

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2期 陈　俊等:植物M Y B类转录因子研究进展

GL3基因分别编码这三类蛋白。同样,拟南芥根毛的特化过程也离不开WD40类蛋白TTG、M Y B 类转录因子WER、CPC和一个未知的类似于R的bHL H蛋白之间的互作。而有趣的是,在矮牵牛花中花青苷生物合成的调控途径中,也发现了这三类蛋白的互作现象,A N2、A N11和JA F13基因分别编码M Y B类转录因子AN2,WD40类蛋白AN11, bHL H类转录因子JAF13(Quattrocchio等1999)。这进一步表明植物M Y B类转录因子存在着与其它转录因子组合调控的现象,也提示组合调控可能是M Y B类转录因子参与转录调节的一种重要机制。

4　植物体内MYB基因活性的调节

转录因子在调控靶基因表达的同时,其自身的活性也在各个层次上受到其它蛋白因子的调节(Schwechheimer和Bevan1998)。大量的证据表明植物m yb基因的调控主要发生在转录水平上,表现在,有些m yb基因的表达具组织特异性和发育时期特异性,如Zm M YB C1基因主要在玉米糊粉层中表达,A tM YB103基因在花药发育早期有很高的表达(Li等1999);有些M Y B基因的表达受外界环境胁迫和激素的诱导。对Zm M YB C1、Zm M YB P和Zm M YB Pl基因启动子的分析结果也表明,在它们的启动子区都存在与应答ABA和光调控相关的顺式作用元件G2BOX,还发现在它们的上游存在另外一些与组织特异表达相关的增强元件(Kao等1996,Cocciolone等2000)。以上这些实验结果表明植物R2R32M YB基因在转录水平上受到很复杂的调控。

转录后水平的调控也是真核基因表达调控的重要方式,如:内含子滞留是植物在缺氧及重金属毒害时通常发生的转录后调控现象,是植物应答环境的一种调控方式(Magaraggia等1997)。水稻OsM YB7基因是从经无氧处理的水稻胚芽鞘cD2 NA文库中获得的,它比正常剪接的转录本多一段5′2非翻译区和两个没有剪接的内含子,可以翻译成1个不完整的M Y B结构域和33个由第一内含子翻译而来的氨基酸序列,序列比较发现这33个氨基酸序列形成一个类似亮氨酸拉链的结构。进一步研究表明正是通过内含子编码的亮氨酸拉链结构和bZIP类蛋白Opague2的相互作用,实现了对氧环境改变的应答。而且细胞内正常剪接的转录本与OsM YB7转录本的比例随着环境中氧浓度的变化而变化,由此可见第一内含子的滞留在应答氧环境改变中发挥了重要的作用(Magaraggia等1997,Locatelli等2000)。

在真核生物中,翻译后加工也是蛋白质发挥生物活性所必需的步骤。常见的有胞内氧化还原调节、磷酸化调节等(Martin和Paz2Ares1997)。植物中R2R32M Y B类转录因子也存在各种翻译后活性调控机制。Williams和Grotewold(1997)证实了玉米ZmM Y BP M Y B蛋白在体外与靶DNA序列的结合需要ZmM Y BP蛋白处于还原状态,推测R2 M Y B结构域中的一个由碱性氨基酸包围的高度保守的Cys残基是氧化还原调节的受体位点(图1)。Moyano等(1996)在研究AmM Y B340蛋白的DNA 结合能力时,发现磷酸化抑制了AmM Y B340蛋白与靶DNA序列的结合能力。

形成同源或异源二聚体也是M Y B类转录因子发挥生理功能的重要方式,如R TBP1M Y B蛋白之间能形成同源二聚体而识别端粒序列(Yu等2000)。再如上文提到的AtM Y B2蛋白,WER/ CPC蛋白,AtM Y B G L1蛋白和ZmM Y BC1/Zm2 M Y BPl蛋白等,都依赖与特定的bHL H蛋白的相互作用而发挥转录调节功能。植物M Y B转录因子中还存在着基因冗余和功能重叠现象。显花植物物种中均存在上百个R2R32M YB基因,据统计,拟南芥基因组中有0.2%～0.6%的基因编码R2R32M Y B转录因子,加之这些M Y B转录因子的DNA结合功能域高度保守,这些势必造成这些M Y B蛋白之间竞争同一结合位点,在植物体内组成一个相互制约、相互协调的网络。这种竞争结合位点的现象已在金鱼草的AmM Y B305和Am2 M Y B340两个M Y B蛋白间发现,它们在特定细胞中对靶基因的净转录激活作用取决于这两个蛋白的相对数量,相对的DNA结合能力以及相对的转录激活功能(Moyano等1996)。

5　植物中myb基因的进化

Lipsick(1996)提出了一个myb基因的进化模型,由于最近又在植物中发现了R1R2R32M YB 基因,Jin和Martin(1999)对此模型进行了适当的补充。该模型认为大约在10亿年以前产生了M Y B结构域,M Y B结构域通过复制或3倍扩增,产生了含有2～3个M Y B结构域的m yb基因,这

68植物生理与分子生物学学报 28卷

些m yb基因在生物体内又经过扩增产生了现有的多个myb基因,这种全基因的扩增程度在动物和真菌中相对较低,只产生了几个m yb基因,而在拟南芥和玉米中均产生了100个以上的m yb基因。考察植物myb基因的进化,可以看出各植物物种中m yb基因的数目和功能的多样性与植物体发育和代谢途径的复杂性几乎平行(Rabinowicz等1999)。Rabinowicz等(1999)指出R2R32M YB基因的扩增是显花植物所特有的现象。认为大部分的R2R32M YB基因的扩增发生在单双子叶植物歧化之前,而在单子叶植物内部又发生了很重要的R2R32M YB基因扩增事件。并认为植物通过选择性地使用R2R32M YB基因来控制它们的特殊生理功能。M Y B类转录因子在植物漫长的进化过程中巧妙地完成了保守性和多样性的统一,可能是植物为适应和应答环境的变化而产生的一类富有弹性调节机制的调节蛋白。

M Y B转录因子作为植物中一个很大的转录因子家族,广泛参与植物的发育和代谢调控。欧洲的几个实验室已展开了对拟南芥R2R32M Y B转录因子的系统研究,尝试用“gene knockout”等方法逐个对R2R32M YB基因进行突变分析,以全面了解拟南芥R2R32M Y B转录因子的功能。这将为其它重要农作物如水稻、油菜和棉花中myb基因的功能研究提供重要的线索,并极大地丰富人们对植物转录因子的认识,更好地理解从信号传导到转录调节的复杂过程。

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Progress in the Study of Plant MYB T ranscription F actors CHEN J un　WAN G Z ong2Yang

(S hanghai Instit ute of Plant Physiology,Chi nese Academy of Sciences,Shanghai200032)

Abstract:Plant M Y B transcription factors are characterized by containing a structurally con2 served M Y B domain and play ubiquitous roles in the regulation of plant development and metabolism.The single2M Y B domain proteins are involved in transcriptional regulation and maintenance of the chromosome structure. The R2R32M Y B proteins with two M Y B do2 mains comprise a large family.Their functions in plants are to regulate the secondary metabolism and control cellular morphogene2 sis.The R1R2R32M Y B proteins with three M Y B domains contain only a few members and share high homology with c2M Y B pro2 tein.Their roles are supposed to be the regula2 tors of the cell cycle.

K ey w ords:M Y B domain,M Y B transcription factors,combi2 natorial control

88J ournal of Plant Physiology and Molecular Biology　2002,28(2):81-88