植物中的MYB转录因子王希庆1　陈柏君2　印莉萍1(1首都师范大学生物系,北京100037;2北京大学生命科学学院,北京100871

)

摘　要:　MYB转录因子是植物转录因子中最大的家族之一。概述MYB蛋白的结构、功能、进化以及与DNA结合的多样性。另外,对是否存在冗余MYB蛋白的问题亦进行了探讨。关键词:　MYB转录因子　结构　功能　冗余

ThePlantMYBTranscriptionFactorsWangXiqing1　ChenBojun2　YinLiping1(1DepartmentofBiologyCapitalNormalUniversity,Beijing100037;

2CollegeofLifeSciencePekingUniversity,Beijing100871)

Abstract:　TheMYBtranscriptionfactorscompriseoneofthelargestfamiliesinplanttranscriptionfactors.ThispaperisasurveyofmainachievementsinMYBproteins’structure、function、evolutionanddiversityofinteractionwithDNA.AnditisalsodiscussedthatwhetherthereisredundantMYBproteins.Keywords:　MYBtranscriptionfactors　Structure　Function　Redundancy

1　引言在植物的生长发育中,之所以各细胞之间出现了分化,就是因为细胞内基因的表达存在着时间和空间的差异,导致这种差异的主要原因之一就是转录因子(transcriptionfactor,TF)在转录水平上的调节作用[1]　。转录因子也称为反式作用因子,是指能够与真核基因的顺式作用元件发生特异性相互作用,并对转录有激活或抑制作用的DNA结合蛋白[2]。根据与DNA结合的方式可以把TF分为两类:普遍性转录因子(generaltranscriptionfactor,GTF)和特异性转录因子(sequence2specifictranscriptionfac2tor)[3,4,5]。GTF能和启动子的核心序列TATA框

结合,可以激活所有基因的转录,而特异性转录因子和DNA序列上的其它调节元件结合,只能激活特定的基因。典型的转录因子一般具有4个功能区:DNA结合区、转录调控区、核定位信号区和寡聚化位点。通常根据保守性较强的DNA结合区把转录因子分类,例如螺旋2转角2螺旋(helix2turn2helix)、锌指(zincfinger)结构、亮氨酸拉链(leucinezipper)

和

MADS盒等结构。MYB转录因子也是其中非常重

要的一类,而且是植物转录因子中最大的家族之一。最早的MYB转录因子(v2MYB)是从鸟类的白血病病毒AMV和E26中发现的,一般认为,v2MYB

是其前体c2MYB在氨基端和羧基端缩减部分氨基酸残基而成。玉米的cl基因所编码的蛋白是一个从植物中发现的MYB转录因子,后来研究发现,在拟南芥和玉米中都存在着大量的MYB转录因子,

它们在转录调节中起着多方面的重要作用。2　MYB转录因子的结构特征一般每个MYB区域,即DNA结合区(DNA2bindingdomain)含有51～53个氨基酸,在c2MYB蛋白中,含有3个串联的、不完全重复的MYB区(R1、R2和R3)(图1)[6]　,每个MYB区折叠成螺旋2

转角2螺旋的形式参与与DNA大沟的结合。在每个MYB区域中,一般都含有3个保守的色氨酸残基(其间隔18～19个氨基酸),起着疏水核心的作用,

对于维持HTH的构型有着特别重要的意义[7]。在c2MYB的DNA结合区的羧基端有一个酸性的转录激活区(transcriptionactivationdomain)[8],

一般折叠成双亲性的α2螺旋发挥作用,而且作用有一定的可塑性。一般认为转录激活区区域的氨基酸顺序保守性不是很强,在拟南芥R2R3MYB家

生物技术通报・综述与专论・ BIOTECHNOLOGY　BULLETIN 2003年第2期族的22个亚群中,在羧基端被认为是转录激活区的区域,在氨基酸序列上仅仅有着非常有限的保守性[9]。在c2MYB的羧基端,还有一个负调节区(negativeregulatorydomain,NRD),此区域的缺失或者其中某些部位的突变,经常会使转录激活功能增强。NRD还可能与分子内部的MYB区域存在着某种相互作用[7]。图1　c2MYB结构示意图R1～3:3个串联的、不完全重复的MYB区TA:转录激活　NRD:负调节区 通过对几种不同的MYB蛋白相比较,发现连接MYB区的肽链存在有高度保守性的几个氨基酸残基,这些残基的突变,会使蛋白质与DNA结合的稳定性降低,甚至使蛋白质完全丧失与DNA的结合能力[10]。在植物中,有含3个串联、重复MYB区域(R1、R2和R3)的MYB转录因子,例如拟南芥中的AtF4D11.7和AtF6N23.19蛋白;也有的仅含有1个或MYB区域,例如拟南芥中的LHY、CCA1和CPC1蛋白,玉米中的IBP1蛋白,马铃薯中的Myb2St1蛋白;但数量庞大、功能多样的还是含有2个MYB区(R2和R3)的MYB蛋白,仅在拟南芥中就有125种之多,估计在其它高等植物中也会有相应的甚至更大数量的R2R3MYB转录因子。3　MYB转录因子与DNA结合的多样性c2MYB在与DNA特异性结合时,R2和R3是必须的,R1可能只是增强了与DNA的亲和作用。在每一个MYB重复区中,靠近羧基端的螺旋对与DNA的结合起识别作用,尤其是R3的羧基端的螺旋,与DNA识别顺序的核心相互结合,作用尤其重要。与R3的作用相比,R2的特异性要相对较弱,但R2和R3与DNA作用的方式比较相似[11]。因为在c2MYB中,R2和R3重复区在与DNA的结合中是必不可少的,所以通常认为,仅有1个MYB区的转录因子与DNA的结合有着不同的作用方式。人体内的端粒蛋白hTRF1只有1个MYB区,它的羧基端的螺旋与c2MYB的各重复区的相对应的螺旋相比,要长许多,所以,它与DNA的作用方式肯定是不同于c2MYB与DNA作用的另外一种方式。据推测,hTRF1的DNA结合区也折叠成螺旋2转角2螺旋的构型,其与DNA的作用方式可能与同源异型蛋白转录因子与DNA相互作用的方式相似。还有一种观点认为,仅含有1个MYB区域的蛋白转录因子可能形成同源或异源二聚体发挥作用。由此可见,具有不同个数MYB重复区的转录因子,与DNA的结合有着不同的方式,即使在具有相同个数的MYB重复区的蛋白,与DNA的相互作用也存在着明显的不同。来自哺乳动物(例如A2MYB、B2MYB和c2MYB)、无脊椎动物和细胞状粘菌的含有3个MYB重复区的蛋白,都能与T/CAACG/TGA/CTA/C/T

(MBSI)部位相结合,植物中一些含有2个MYB重

复区的蛋白也可以与其结合,同时这些植物MYB

蛋白也可以与TAACTAAC(MBSII)部位结合,而MBSII是绝大多数R2R3MYB蛋白所识别的部位[12]。能够优先与MBSI结合的R2R3MYB蛋白在一级结构上与c2MYB非常相似,这在一定程度上反映了MYB转录因子在进化上的一定程度上的保守性。多数MYB转录因子的DNA-结合区,在识别DNA部位的能力上有一定的可塑性,这是它本身所固有的特性,并且受到其它蛋白因子强烈的影响所至。这种在识别、结合DNA能力上的可塑性的存在,就使得在结构上非常相似的MYB转录因子可能识别不同的DNA部位,从而具备不同的功能。根据DNA-结合区可以把植物中的R2R3MYB家族分为A,B,C3类。拟南芥基因(AtMYBGL1)在

毛状体分化和细胞体积的增大中起作用;金鱼草基因(AmMYBMIXTA)在花瓣表皮细胞的圆锥形细胞分化和形成中起到重要的作用,而对细胞大小没有影响;玉米基因(ZmMYBC1,ZmMYBPL,Zm2MYBP)、矮牵牛基因(PhMYBAN2)和金鱼草基因(Am2MYBROSEA,Am2MYBVENOSA)都在花青素的合成中起调节作用。尽管以上基因都属于亚家族C类,有着非常相似的DNA-结合区,但它们在植物中的生理功能却完全不同。

322003年第2期

王希庆等:植物中的MYB转录因子4　MYB蛋白的功能人们之所以对MYB蛋白有浓厚的兴趣,最终还是取决于对MYB蛋白功能的兴趣。绝大多数的MYB蛋白起到转录激活作用,但间接的证据表明,有的MYB蛋白也可以降低目的基因的表达,但迄今为止,还没有转录抑制区存在的直接证据。MYB蛋白虽然在序列上有一定的保守性,在结构上有一定的相似性,但不同的物种、不同的个体,

甚至同一个体不同的组织器官之间,MYB蛋白的功能也存在着重大差异。与动物相比,植物中存在着更大数量的MYB蛋白,它们的功能也更加广泛[13]。在二次代谢、细胞的形态建成、对环境的应答和细胞周期中都起到一定的调控作用。玉米中的c1基因所编码的蛋白是MYB转录因子的一种,它能够和R/B基因家族所编码的蛋白协同作用,对花青素的合成起到调控作用,拟南芥中的GL1基因也编码一种MYB蛋白,在毛状体的形成中起作用,金鱼草的mixta基因编码的MYB

蛋白,能够激活表皮细胞细胞壁的特定物质的定向合成,从而对细胞的形状也有一定影响[22],拟南芥

中的另一种MYB蛋白ATMYB2在对脱水、盐胁迫和ABA的应答中起到转录调控的作用,拟南芥中的5个AtMYB3R基因所编码的MYB蛋白的功能类似于动物中的MYB蛋白,在细胞周期的调控中起作用。5　MYB蛋白的进化从进化观点上可以较好的理解MYB区域的多样性。Lipsick在1996年提出了关于MYB区进化的观点。这种观点认为,MYB区的复制导致了含有多个不完全重复MYB区的蛋白(R1R2R3MYB蛋白)的产生,接下来的整个基因的扩增(在动物身上,

扩增比较有限),产生了数目繁多的MYB蛋白。因为R1的丢失,从而产生了R2R3MYB蛋白[14]。在拟南芥中,R2R3MYB蛋白超过了100多种,在植物其它物种中,估计也会有相应甚至更大数目的R2R3MYB蛋白。在动物中,A2MYB、B2MYB和c2MYB蛋白在细胞周期控制中起重要作用,有趣的是,在植物中发现的含有3个重复区的MYB蛋白好像也参与了细胞周期的控制,并且在结构上与动物的MYB蛋白相似。这说明,在植物和动物中含有3个重复区的MYB蛋白,可能都来自一个古老的MYB蛋白,它们虽在不同的生物中,但在结构和功能上却有很多相似之处。另外,在酵母、动物和植物等不同生物中,含有一个MYB区的MYB蛋白都能识别G含量丰富的调节顺序,并且在结构上有很强的保守性。一些来自不同生物的R2R3蛋白,在结构和功能上也存在一定的保守性。这些都说明,MYB蛋白的进化,很可能要早于动植物的分离。在动物和酵母中,也存在着一种较特殊的、含有3个重复区的MYB蛋白,与其它含有3个重复区的MYB蛋白在功能上相似,也参与细胞周期的控制,但在结构上,虽然R1和R2与c2MYB非常相似,但对于R3,除了3个有规律间隔的Trp外,几乎再没有一点保守性[15]。6　广泛的MYB蛋白冗余并不存在植物中有那么多的MYB蛋白,有的功能很相似,甚至相同,那么是不是存在大量的冗余的MYB呢?在玉米中,MYB基因ZmMYBC1和ZmMYB2PL所编码的MYB蛋白有着相同的功能:激活花青素合成中的结构基因的转录。然而,它们却是在不同的组织中表达:ZmMYBC1在糊粉层和花器官的一些组织中表达,而ZmMYBPL却是在营养组织中表达。可见,虽然它们有相同的功能,但却是在不同的空间表达,不能相互代替。在脊椎动物中的3种MYB基因的产物:A2MYB、B2MYB和c2MYB蛋白,它们有着近乎完全相同的DNA结合区,均能识别相同的DNA顺序,然而,分别通过对小鼠的3种基因的无数次的异常表达和敲除实验证实:3种MYB蛋白的功能并不是完全等价的,它们都是小鼠进行正常发育和生理功能不可缺少的。因此,即使MYB基因所编码的MYB蛋白的构型多么的相近,也不可以相互代替。为什么会这样呢?众所周知,转录因子通常要和其它蛋白相互作用来对转录进行调控,MYB蛋白也不可能例外,多个蛋白之间的相互作用,使得即使在结构上仅有非常细微差别的MYB蛋白,在功能上却有着明显的不同。所以,在植物中也不会存在有大量冗余的