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植物MYC转录因子的克隆与功能研究进展

来源:用户上传      作者:王颜 那杰

摘要 MYC转录因子属于植物bHLH类转录因子家族,为该家族中研究较多的转录因子。综述了不同植物分离克隆的MYC转录因子的结构与特性,分析了其在植物的生长发育、抗逆反应、次生代谢产物合成、激素信号途径中起着重要的作用,为MYC转录因子在不同植物基因工程和代谢工程中改造应用,提高非生物胁迫耐受性以及药用活性成分的产量等研究提供参考。

关键词 植物MYC转录因子;克隆;调控

中图分类号 Q-943 文献标识码 A

文章编号 0517-6611(2021)12-0013-03

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.004

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Advances on Cloning and Function Study of Plant MYC Transcription Factor

WANG Yan,NA Jie (School of Life Sciences,Liaoning Normal University,Dalian,Liaoning 116081)

Abstract As one member of the plant bHLH family,MYC transcription factor,which is studied widely,plays vital roles in plant growth and development,stress tolerance,secondary metabolite synthesis and hormone signaling pathway.With the gradually cloning of MYC transcription factor from different plants,some researches such as applications in gene engineering and metabolism engineering,improvement of tolerence against non biological stress and production output of active pharmaceutical ingredients in order to meet the need of current production become research highlights.Advances on studies in recent years on cloning methods and diversity regulating functions of plant MYC transcription factor were reviewed in this paper.

Key words Plant MYC transcription factor;Clone;Regulation

轉录因子又称反式作用因子,定位于细胞核,能识别并特异性结合真核生物基因启动子顺式作用元件。近年来从植物中分离克隆到多种MYC转录因子,笔者对这些含有特征结构域的植物MYC转录因子的克隆方法和调节功能进行综述,以期进一步改造和应用该转录因子。

1 MYC转录因子的结构与特性

MYC转录因子属于bHLH类转录因子家族成员。1996年首次从拟南芥中克隆出AtMYC1基因,在植物种子生长发育过程中起着重要作用[1]。同年在拟南芥突变体鉴定出对茉莉酸(JA)刺激不敏感的MYC2[2]。2017年研究发现,茉莉酸通过其激活的转录因子MYC2/3/4来抑制FT基因的转录进而抑制植物开花诱导[3],表明MYC转录因子在调控植物的生长发育中发挥重要作用。

典型的转录因子包含一般包含4个功能区:①DNA结合区(与启动子顺式作用元件结合的一段比较保守的氨基酸序列,决定转录因子的特异性)。植物中比较典型的DNA结合区有锌指结构域、MYC结构域、bZIP结构域、MADS盒结构等;②同一家族的转录因子之间的区别体现在转录调控区(包含抑制区和激活区),典型的转录激活区位于N-末端,常富含酸性氨基酸、脯氨酸或谷氨酰胺等。一般认为其可通过与启动子某些位点结合而阻止其他转录因子的结合,或者通过抑制其他转录因子或改变DNA结构从而阻止转录。③寡聚化位点,为不同转录因子相互作用的功能区,序列保守,常毗连DNA结合区,通过形成特定空间构象影响转录因子活性。④核定位信号区(NLS)控制转录因子入核,富含碱性氨基酸、精氨酸和赖氨酸。

MYC转录因子所含有的bHLH保守结构域决定了它对DNA序列结合的特异性和亲和力,且可以促进各种异源二聚体和同源二聚体的形成[4]。bHLH包含一个碱性区域和一个HLH区域。碱性区域位于结构域的N端,具有与DNA识别和结合的位点,而在结构域的C端含有一个保守的螺旋-环-螺旋(HLH)结构域,可以与其他蛋白形成同源或异源二聚体。

根据碱性区域与顺式作用元件识别方式的不同, bHLH类转录因子可分为A、B、C、D和E组[5-6],A组和B组分别与E-box(5’-CANNTG-3’)、G-box(5’-CACNTG-3’)序列特异性结合;C组由B组进化而来,含1~2个PAS结构域;D组没有碱性DNA结合区,不能与DNA结合,但可以结合其他bHLH蛋白形成二聚体进行负调控;E组的碱性区域富含脯氨酸和甘氨酸,能够与N-box(5’-CACGNG-3’)特异性结合。根据该分类条件,可以确定植物中大多数的MYC转录因子属于B组。

2 MYC转录因子的克隆技术

2.1 酵母单杂交技术

酵母单杂交是利用转录因子和顺式作用元件结合调控报告基因的原理筛选和克隆目的转录因子的有效方法[7]。在最基本启动子上游连接已知的顺式作用元件并在下游连接报告基因,将编码转录因子的表达载体转入酵母细胞中,当目的转录因子和顺式作用元件结合后就可以激活启动子,促使报告基因表达,根据表达的报告基因就可以筛选出与顺式作用元件结合的转录因子[8]。2012年李书涛[9]以ts启动子的JA响应区为诱饵,采用酵母单杂交技术筛选获得可与ts启动子的JA响应区结合的TcMYC转录因子,过表达研究表明其可以激活ts基因的表达。

2.2 电子克隆技术

电子克隆技术是在基因组数据库和表达序列标签ESTs数据库基础之上建立起来的新型克隆技术。1991年,Adams等[10]首次利用ESTs寻找新的基因。随后基于ESTs的电子克隆技术飞速发展,利用计算机强大的计算能力,对现有的网络资源(ESTs数据库、氨基酸数据库、基因组数据库、蛋白质数据库)进行处理,组装和延伸ESTs序列,并利用RT-PCR技术获得cDNA序列信息。2007年林元震等[11]以拟南芥ICE1蛋白序列为信息探针,利用杨树EST数据库和毛果杨基因组序列拼接的结果,设计引物并通过RT-PCR从甜杨克隆了杨树的第一个ICE1基因。2016年高丽华等[12]利用电子克隆技术以拟南芥的MYC4为探针,在棉花的EST数据库中反复的检索和拼接,最后确定了棉花中GhMYC4序列。

2.3 同源克隆技术

同源克隆是克隆未报告基因的常用手段,其主要通过比对序列的同源性寻找保守区,并根据保守序列设计引物,PCR扩增获得目的基因的保守片段,再通过cDNA文库筛选或RACE技术获得基因全长[13]。2005年朱作峰等[14]在水稻基因组序列中发现类似MYC序列的同源序列并成功克隆了一个水稻OsMYC基因。2013年,冯海龙[15]利用同源克隆法从番茄中分离出一个新的MYC类bHLH转录因子SlICE1a,且发现过量表达SlICE1a的烟草植株与野生型相比,具有更高的耐寒性和耐盐性。

2.4 转录组测序

转录组测序是利用第二代高通量测序技术对某一物种的细胞或组织在某特定时期产生的转录本和基因序列进行测序,将得到的序列与公共数据库中的序列进行比对,挖掘出新的基因并预测该基因的功能[16]。相对于电子克隆技术,转录组测序不需要设计探针,即可对多个物种的基因进行分析,且检测结果更精准、通量更高、范围更广。2015年,欧佳佳[17]对干旱胁迫处理后的小叶杨进行转录组测序,并在差异表达基因中筛选出8个在干旱条件下上调表达的MYC基因。2016年,何雪莹[18]利用MeJA诱导的阳春砂转录组数据,结合生物信息学方法对转录因子进行分析,筛选出5个与萜类化合物合成相关MYC基因。

3 MYC转录因子的多样化调节功能

3.1 调控植物生长发育

植物转录因子调控生殖器官发育是一个复杂的过程,除传统的开花诱导途径外,植物激素茉莉酸信号途径也参与了开花诱导过程,茉莉酸可以通过激活MYC2/3/4抑制相关基因的表达从而抑制植物开花[3]。研究表明茉莉酸可以负调控植物如拟南芥氣孔的发育,但敲除MYC2/3/4的突变体植株对茉莉酸处理不敏感[19]。此外,MYC转录因子也可以调控腺毛和根毛的生长。2000年,Payne等[20]研究发现一个可以控制腺毛和根毛生成的转录因子AtMYC1,其与GL3有部分的同源序列,可与MYB转录因子相互作用并调控腺毛的发育。最近研究发现,大青杨的PuMYC2基因既能促进不定根的生长也能抑制主根的形成[21]。由于一些药用植物的活性成分多积累在腺毛和根毛中,通过研究调控腺毛和根毛的转录因子,可望提高药用活性成分的产量。在植物叶片中AtMYC2可以通过抑制生长素的合成抑制叶脉的生长,myc2突变体植株在生长阶段的生长素含量明显提高,叶脉生长量比野生型植株显著增加[22]。在种子的萌发阶段,拟南芥中AtMYC2的表达量与种子营养物质的贮存速度成正比,且在成熟期中期明显增加[23]。在果实成熟阶段,苹果中的MdMYC2可以通过促进MdACS1和MdACO1表达,影响果实中乙烯的生物合成,促进果实的成熟[24]。同时研究表明MYC转录因子与植物衰老相关,衰老时间会影响种子的数量、果实的成熟以及植物生长量[25],而MYC2可以与bHLH Ⅲd亚族转录因子进行拮抗作用调控叶片的老化[26],也可以在黑暗条件下与JAZ7相互作用抑制叶片的衰老[27]。

3.2 抵御环境胁迫

干旱、高温、低温和盐胁迫等环境因素都会影响植物的生长发育,降低作物的品质,通过研制抗逆相关基因,可以提高植物对恶劣环境的耐受性,提高经济作物的产量。MYC转录因子在植物对高盐、干旱、低温和病原等抗逆反应中起着重要的调控作用。2016年,高丽华等[12]从陆地棉中分离出的典型MYC转录因子——GhMYC4转录因子,与拟南芥的AtMYC2具有很高的同源性,转AtMYC2的植株对干旱耐受性明显提高,而转GhMYC4的拟南芥可以明显提高植物对高盐和干旱的抗性和耐受性。2018年Li等[28]发现拟南芥的MED25亚基通过与茉莉酸信号转导的MYC2转录因子相互作用来调节茉莉酸诱导的灰霉病的抗性。除抗旱、抗高盐、抗病外,MYC转录因子在植物的耐寒性上也有一定的调控作用。2017年Lu等[29]在墨西哥玉米中分离出MYC型ICE样转录因子基因ZmmICE1,其表达的蛋白含有高度保守的碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域和ICE样蛋白的C末端区域。而且,拟南芥ice1-2突变体中ZmmICE1的异位表达增加了抗冻性。研究发现ICE1蛋白可以与MYC67和MYC70转录因子相互作用,过量表达MYC基因会降低植物的耐寒性并下调冷应答基因的表达,由此推断MYC蛋白与CBF3 / DREB1A启动子中的顺式元件相互作用,可能干扰ICE1和顺式元件之间的相互作用[30]。新疆杨中PalbHLH1的表达水平不仅可以影响花青素的含量还可以改善植物的抗旱和抗盐碱能力,在杨树中异位表达增强了抗氧化酶活性和H2O2的释放以及对灰葡萄孢和灰霉菌感染的抵抗力[31]。

3.3 调节次生代谢产物生物合成 MYC转录因子在植物的次生代谢产物中也发挥着重要的调控作用。植物的次生代谢产物种类丰富,不仅具有药用价值、营养价值,还具有保健功效。合理运用植物基因工程技术利于改良植物性状和品质,提高植物中的次生代谢产物,改良蔬菜和水果的颜色,并赋予植物更高的食用和商用价值。

长春花、青蒿、红豆杉和丹参等药用植物含有多种活性成分,其本质大多是生物碱、萜类和黄酮类化合物。长春花CrMYC2可以与MeJA应答基因ORCA3结合,控制ORCA3基因的表达,从而调控长春花生物碱的合成[32]。烟草NtMYC2a/b与NtJAZ1/2/3结合激活尼古丁生物合成相关基因的表达,调控尼古丁的生物合成[33]。红豆杉TcMYC可与ts基因启动子响应MeJA的区域结合从而激活ts基因的表达,可能在SA和MeJA介导紫杉醇合成中起着重要作用[9]。青蒿AaMYC2与AaJAZ1-4结合并激活青蒿素生物合成酶CYP71AV1和DBR2基因表达,正调节青蒿中青蒿素的生物合成[34]。红豆杉bHLH转录因子TcJAMYC可与E-box结合进而激活紫杉醇通路相关基因启动子,可以有效提高悬浮细胞培养体系中紫杉醇的产量[35]。2015年通过转录组测序技术从丹参中筛选出了受MeJA诱导上调的转录因子SmMYC2,利用农杆菌转化法将SmMYC特异性沉默的amiRNA植物表达载体导入丹参后发现,在转基因发根中酚酸类化合物和萜类化合物均有下降,发现JA信号转录因子SmMYC2可以通过调控SmRAS6、SnCYP98A14影响酚酸类化合物的合成[36-37]。

在蔬果以及谷物中,可以通过改变黄酮类化合物的含量改善作物的性状和品质,其中花青素能够使植物的果实和花朵呈现不同的颜色,而食用花青素含量多的食物可以改善免疫系统并降低患癌症的风险。VvMYC1与MYB转录因子相互作用并协同调节花青素和原花青素生物合成相关途径基因,控制葡萄果实中花青素和原花青素的生物合成[38]。苹果MdMYC2参与花青素的生物合成[39],与拟南芥MYC2具有很高的同源性且功能相似,但易被蛋白酶体识别并被降解。芥菜BjMYC2的上调可能激活叶片中花青素的生物合成[40]。小黑麦的 BcMYC1 基因可以调控糊粉层中花青素的生物合成[41]。苦荞的FtMYC基因参与花青素的生物合成,提高植物对极端环境的耐受性[42]。水稻OsMYC除了响应JA诱导外还是产生樱花素的关键因子[43]。普通小麦ThMYC4E的过表达能够提高小麦谷物、根、茎、叶和花中花青素的含量,改变籽粒颜色,使乙醇提取物呈现出更高的抗氧化活性[44]。

4 小结

MYC转录因子参与植物多种生命活动,调节植物器官生长发育以及非生物胁迫反应耐受性调节中起着重要的作用,通过研究MYC转录因子的调控机制,将对提高植物对非生物胁迫的耐受性,改良植物,进而提高经济作物的产量提供有益参考。对其在萜类、酚酸类和黄酮类化合物等次生代谢产物的生物合成调节作用的深入认识,将为药用活性成分工业化生产奠定良好基础。

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