植物NAC轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

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1、植物NAC轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展陳波指導(dǎo)老師：韓斌NAC(NAM，ATAF1/2，CUC2)轉(zhuǎn)錄因子的研究發(fā)軔于上世紀(jì)90年代后期，Souer等(1996)通過轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法在矮牽牛中克隆到第一個(gè)NAC基因NAM(NoApicalMeristem)。次年在擬南芥中克隆到CUC2基因(Cup-ShapedCotyledon2)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)矮牽牛NAM，擬南芥ATAF1/2和CUC2基因編碼蛋白N端都含有一段保守的氨基酸序列，命名為NAC結(jié)構(gòu)域(Adiaetal，1997)。NAC結(jié)構(gòu)域蛋白數(shù)目眾多，組成了最大的植

2、物特異性轉(zhuǎn)錄因子家族之一(Riechmannetal，2000；Gutierrezetal，2004)，在過去十余年中，已經(jīng)在多種植物中克隆到NAC家族基因。大量研究表明，NAC轉(zhuǎn)錄因子參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控、器官建成、生物脅迫與非生物脅迫應(yīng)答等多種生理生化過程，有著廣泛而重要的作用。因其功能的多樣性，NAC轉(zhuǎn)錄因子正逐漸成為植物分子生物學(xué)中的研究熱點(diǎn)，本文即對(duì)當(dāng)前NAC轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展做一綜述。1.NAC轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征和系統(tǒng)發(fā)育1.1NAC蛋白的結(jié)構(gòu)域與其分子功能NAC家族蛋白長(zhǎng)度一般在400

3、個(gè)氨基酸以內(nèi)，由保守的NAC結(jié)構(gòu)域與高度差異的C末端區(qū)域組成。NAC結(jié)構(gòu)域位于N端，大約包含160個(gè)氨基酸殘基，根據(jù)多重序列聯(lián)配的結(jié)果又可以細(xì)分為A，B，C，D，E5個(gè)亞結(jié)構(gòu)域(Kikuchietal，2000)，其中A，C，D序列高度保守，B和E保守性較低。C末端區(qū)域在長(zhǎng)度和序列上都具有多樣性，該端不包含在整個(gè)基因家族水平上保守的序列，但是存在一些保守的motif分布于不同亞組的NAC蛋白中(Ookaetal，2003；Fangetal，2008；Shenetal，2009)(圖1)。轉(zhuǎn)錄因子一般包

4、含DNA結(jié)合區(qū)，轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)，寡聚化位點(diǎn)和核定位信號(hào)(NLS)這四個(gè)功能區(qū)域。在NAC家族蛋白中，NAC結(jié)構(gòu)域被證實(shí)具有DNA結(jié)合的能力(Xieetal，2000；Ernstetal，2004)，在AtNAM中DNA結(jié)合位點(diǎn)被定位于D、E亞結(jié)構(gòu)域(Duvaletal，2002)；轉(zhuǎn)錄激活功能區(qū)(Transcriptionalactivationregions，TARs)位于C末端區(qū)域，多個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)C端具有轉(zhuǎn)錄激活能力(Xieetal，2000；Heetal，2005；Huetal，2006；Lu

5、etal，2007)；NAC蛋白可以結(jié)合成同源或者異源二聚體來行使功能，這種結(jié)合的能力被定位于NAC結(jié)構(gòu)域，C末端區(qū)域會(huì)影響結(jié)合的強(qiáng)度(Xieetal，2000；Hegedusetal，2003)；GFP融合蛋白指示多個(gè)NAC蛋白定位在細(xì)胞核中，軟件預(yù)測(cè)NLS位于NAC結(jié)構(gòu)域中(Taokaetal，2004；Nogueiraetal，2005；Guoetal，2006；Huetal，2006；Huetal，2008)(圖1)。部分NAC蛋白在C末端區(qū)域具有跨膜motif(圖1)，預(yù)測(cè)在擬南芥中有13個(gè)

6、以上此類NAC，水稻中有6個(gè)以上，當(dāng)它們以完整的膜結(jié)合形式存在時(shí)是非活性的，其功能激活需要特異蛋白酶將其從膜上釋放(Kimetal，2006；Kimetal，2007)。圖1.NAC轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)示意圖(Shenetal，2009，略有改動(dòng))1.2NAC結(jié)構(gòu)域的X射線晶體結(jié)構(gòu)將三個(gè)代表性的NAC蛋白CUC1，CUC2和ATAF1的NAC結(jié)構(gòu)域相互替換，分別轉(zhuǎn)化擬南芥愈傷，結(jié)果顯示NAC結(jié)構(gòu)域是最終誘導(dǎo)芽產(chǎn)生頻率的決定因素，說明NAC結(jié)構(gòu)域決定基因功能的特異性(Taokaetal，2004)。Ernst等

7、(2004)利用X射線晶體衍射技術(shù)解析了擬南芥ANAC019NAC結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)。NAC結(jié)構(gòu)域中沒有經(jīng)典的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)，而是以一個(gè)扭曲的反向平行β折疊片為中心，一端被N末端的α螺旋，另一端被一個(gè)稍短的α螺旋圍繞(圖2A，B)。結(jié)構(gòu)信息的闡明有助于我們理解突變體中NAC蛋白的變化，如矮牽牛nam突變體由于dTph1轉(zhuǎn)座子的跳轉(zhuǎn)導(dǎo)致N端α螺旋被插入了2個(gè)額外的氨基酸，對(duì)其結(jié)構(gòu)造成影響，使NAM蛋白失活；擬南芥cuc1-4編碼蛋白在59位由亮氨酸突變?yōu)楸奖彼?，?dǎo)致在緊密的疏水區(qū)插入了一個(gè)大的氨基

8、酸殘基，影響NAC結(jié)構(gòu)域空間構(gòu)象的穩(wěn)定性(Olsenetal，2005a)。ANAC019的NAC結(jié)構(gòu)域在溶液中偏向于形成二聚體(Olsenetal，2004)，突變分析表明二聚化是NAC穩(wěn)定結(jié)合DNA的必要條件(Olsenetal，2005b)。晶體結(jié)構(gòu)顯示二聚體的結(jié)合是N末端區(qū)域一些高度保守的氨基酸殘基相互作用的結(jié)果，包括疏水性互作形成的一個(gè)短的反向平行β折疊和由保守的Arg-18和Glu-26形成的兩個(gè)鹽橋(圖2B)。這兩個(gè)鹽橋?qū)S持二聚體很重要，