拟南芥TCP转录因子：开拓超越发育的视野外文翻译资料

拟南芥TCP转录因子：开拓超越发育的视野

Shutian Li*

Department of Biology/Chemistry; Osnabreuro;uck University; Osnabreuro;uck, Germany

摘要：转录因子的TCP家族是以前4个特征成员命名的，即来自玉米(ZeaMays)的墨西哥类蜀黍支1(TB1)、来自金鱼草(AntirorinumMajus)的环形棘皮纲(CYC)以及来自水稻的增殖细胞核抗原Ⅰ(PCF1)和Ⅱ(PCF2)。这种植物特异性蛋白家族的成系分析揭示了一个保守的碱性螺旋环螺旋DNA键合基序，称为TCP结构域。根据这一共享域的结构，将TCP蛋白分为I类(TCP-P)和II类(TCP-C)，建议通过竞争结合类似的顺式调控模块(称为位点II元素)来拮抗地调节植物的生长和发育。在过去的几十年中，整个植物王国的TCP已经被证明可以控制大量的植物过程。值得注意的是，TCPs还通过刺激生物活性代谢物(如油菜素甾体(BR)、茉莉酸(JA)和黄酮类化合物)的生物合成途径来调节植物的发育和防御反应。此外，诱变分析与生化实验相结合，确定了位于TCP域内的几种关键氨基酸，赋予了I类TCPs的氧化还原敏感性，并确定了TCPs独特的DNA结合特性。本文综述了TCPs在各种生物途径中的发育功能，重点介绍了TCPs参与生物活性物质的合成。此外，还阐述了TCPs在氧化还原调节和DNA结合偏好方面的新生化方面。此外，TCPs在效应触发免疫(ETI)和防御昆虫中的意外参与表明，广泛公认的发育调节因子能够细化防御信号，从而使植物能够逃避有害的发育表型。总之，这些最近令人印象深刻的突破显著提高了我们对TCPs如何将内部发育线索与外部环境刺激结合起来来协调植物发育的理解。

关键词：拟南芥； 发育； 防御反应； DNA结合特性； 氧化还原调节；TCP转录因子

1. 前言

TCP转录因子构成了一个植物特异性的发育调控家族，并共享一个保守区域，该区域被预测形成一个非典型的基本螺旋-环-螺旋(bHLH)DNA结合结构域，称为TCP结构域。这个蛋白质家庭代表4个成员，包括墨西哥类蜀黍支1(TB1)，环形棘皮纲(CYC)，增殖细胞核抗原因子Ⅰ(PCF1)和Ⅱ(PCF2)，根据它们在植物发育中的功能或它们的DNA结合能力来确定。然而墨西哥类蜀黍支抑制玉米中的侧枝，环形棘皮纲控制金鱼草花背腹侧的不对称性，增殖细胞核抗原1和2促进水稻中细胞增殖和器官生长。根据植物特异性TCP域内的差异特征，可以将TCP蛋白区分为2种不同类型，包括I类(TCP-P)和II类(TCP-C)，后者能被进一步分为2个子群，即普遍存在的卷荚相思和特殊被子植物环形棘皮纲/墨西哥类蜀黍支1。有趣的是，TCP蛋白有一个共同的短alpha;-螺旋L**LL基序位于DNA结合结构域的第二螺旋。无论在动物还是植物，已经证明在L**LL基序的亮氨酸残基形成的疏水基能调节蛋白质相互作用。在拟南芥中，这个很短的富含亮氨酸的基序存在于陆地特殊植物CC型谷氨还蛋白（ROXYs）的C-终点并且对于在ROXYs和TGA转录因子的分子相互作用至关重要。在TCP域外，一些组ⅡTCPs拥有功能上未知的富含精氨酸基序（R域），这个基序可能会促进形成蜷曲螺旋以及调整蛋白质相互作用。此外，环形棘皮纲/墨西哥类蜀黍支1亚纲的大部分成员含有保守的ECE（谷氨酸-半胱氨酸-谷氨酸）基序，该基序在功能上不具有典型性并位于它们的TCP和R域。电泳迁移率偏移化验(EMSAs)揭示了TCP结构域的功能是紧密联系水稻增殖细胞核抗原的启动子原件。这些被认为是位点Ⅱ成分的顺式调控模块对于在水稻分生组织的PCNA基因的转录活化作用是不可缺少的。2组TCPs识别顺式作用元件不是相互独立的，而是两组TCPs享有共同的目标基因并通过竞争性结合相似的位点Ⅱ成分来相对地调节植物生长发育。TCPs不仅能够形成同二聚体，也能在相同的家族特殊成员中优先形成异二聚体。除了结合位点Ⅱ成分更加有效，异二聚体比单独的同二聚体更显示出一个不同的顺序倾向。因此，不同的同二聚体和异二聚体结合与稍有不同顺式调控元件相互作用导致识别目标基因有特异的亲和力，从而形成了功能多样性和特异性。

迄今为止，TCP蛋白仅在被子植物中具有功能特征，在 形成植物形态方面发挥着调节作用。有趣的是，TCP基因也发生在裸子植物和非种子植物中，如蕨类植物、番茄、苔藓和藻类。分子发育系统学揭示了TCP蛋白质可能最先出现在链型植物类群，比有差异的鼓藻属要早6.5～8亿年，两组TCP基因都可在鼓藻属中检测到，但不能在克里藻属和绿叠球藻属中检测到。在无种子植物中，TCP基因组成了5～6个成员构成的小家族。在陆地植物进化的过程中，新功能化跟随着重复基因的亚功能化，发展TCP基因家族使其在裸子植物和被子植物包含大量成员。复制和随后的多样化发生在ECE（环形棘皮纲/墨西哥类蜀黍支1）进化枝的TCP蛋白质，这例证了这个古老家族的进化。系统发育分析揭示了复制引起的环形棘皮纲的3个主要副本在日期上早于核心双子叶植物。一个全组基因广泛的研究发现超过20种TCP的补体存在于拟南芥、水稻、白杨、葡萄树和西红柿（见图1）。TCP蛋白质来源于许多物种且遍及植物界，TCP蛋白质已经被证实能够调整很多生物过程，比如花的不对称性，植物形态结构，包括分支和侧部器官发育，种子发芽，配子体发育，叶片衰老，生物周期节律和防御反应。值得注意的是，这些植物过程的一些方面包括TCP能够调整生物活性化合物的生物合成途径。在此研究中,概括性地总结TCP蛋白质的发育功能，重点是TCP蛋白质参与生物合成途径影响包括植物发育和防御叶蝉机制。TABLE A1 另外，2个新的生物化学方面：关于TCP因子的独特DNA结合性质是由几个存在于TCP域的关键氨基酸残基授予的；通过组ⅠTCP蛋白质的保守半胱氨酸详细介绍DNA结合反应的依赖性氧化还原调节。此外，证实了TCP蛋白质参与效应引发固有免疫反应和防御昆虫媒介显示这些经典发育调控者能够调整防御信号途径从而使植物能够避免有害的发育表型。总而言之，最近TCP因子在生理学和生物化学上的功能进一步的阐明极大地影响我们对TCP蛋白质如何通过调节外部环境输入和内部发育信号来调节植物发育的理解。

图1所示：拟南芥TCP蛋白家族不同分类(I和II)和亚群(CYC/TB1和CIN)的系统发育树。TCP蛋白的氨基酸序列使用默认参数与ClustalW2对齐并用系统发育树显示为一个分支图。本文以玉米TB1、金鱼CYC、水稻PCF1和PCF2这4个TCP蛋白家族的起始成员作为内部参考。

1. TCP蛋白质的发育功能

在拟南芥编码的24个中，13个被分进了组Ⅰ，其余的被分进了组Ⅱ。拟南芥TCP基因家族的功能分析将不同的功能蛋白分配给所有的组Ⅱ成员，但只分配给部分的为数更多的组Ⅰ亚科（见表A1）。给定类似的顺式元件绑定TCP因子的两个组，有人假定TCP蛋白质参与拮抗和协同的生物相互作用的不同光谱。两类TCP因子之间的对抗关系可以平衡组Ⅰ成员的相对活动，组Ⅰ成员能促进叶子中的细胞增殖，组Ⅱ CIN-TCPs在叶子生长中是负调控因子也是叶片衰老的正调控因子。

目前为止，TCP蛋白质已经被证实能够参与大量的生长发育过程（见表A1）。几个独立研究揭示了8个杯状TCP基因在侧部器官发生中的冗余作用，包括TCP2，TCP3,TCP4，TCP10,TCP24和TCP5,TCP13,TCP17。这些杯状TCP因子似乎与多种不同的细胞途径相互干扰来控制叶片发育。拟南芥环形棘皮纲/墨西哥类蜀黍支1亚群少了很多且只有三个成员，即TCP1，TCP12，TCP18（见图1）。TCP18与花原蛋白相互作用，即FT和TSF，TCP18在腋芽中调整活动来抑制腋生分生组织的不成熟花开花转型。此外，TCP18与TCP12具有冗余作用作为腋芽内分枝信号的整合子来控制分支生长。相对而言，目前关于组ⅠTCP的发育作用的了解较少，可能是由于其成员之间的遗传冗余。功能基因组学方法揭示了TCP21/CCA1(CHE)是昼夜节律不可或缺的组成部分。这个TCP蛋白与CAB的发生时间相互作用表达1(TOC1)，并抑制转录通过与CCA1启动子关联，从而建立一个分子时钟振荡器的两个核心元件之间的链路。生理时钟与多种植物生理的交叉对话逻辑过程，包括应激适应，激素，光形态发生和防御信号，揭示了TCP蛋白的功能多样性。遗传解剖的TCP14单突变体揭示了TCP14在种子萌发过程中胚胎生长潜能的激活。TCP14和TCP15双重突变型进一步证明TCP14和TCP15的冗余功能以及TCP15在幼茎节间调节细胞增殖以发育叶片和花组织。最近，酵母单杂交化验已经验证TCP20在系统的信号路径通过根直接觅食硝酸盐发挥重要作用。引人注目的是，TCP蛋白对植物生长发育的某些影响是通过参与生物活性代谢产物的生物合成来介导的，包括油菜素内酯(BRs)、茉莉酸(JA)和类黄酮。油菜素内酯(BRs)作为一种天然的多羟基甾体植物激素，在从种子萌发到叶片衰老的多个生理过程中发挥着重要作用。BR的生物合成和信号转导受到干扰则会导致特有的表型改变，如植株矮小、叶柄缩短和叶片变圆。一种功能获得遗传方法确定TCP1是弱BR受体突变体油菜素内酯(bri1-5)的遗传抑制基因，因为激活标记位点TCP1-1D能够部分抑制bri1-5的缺陷表型。相反地，在野生型植物中，TCP1SRDX嵌合抑制基因的过表达导致转基因植物的矮小，如形成典型的BR缺乏或不敏感突变体。DWF4编码一个22-羟化酶，并负责BR生物合成过程中的多个22-羟化步骤。结合实时RT-PCR分析和染色质免疫沉淀法实验，对BR生物合成间质的定量分析表明，TCP1通过直接刺激DWF4的表达促进BR生物合成，从而可能导致叶柄、莲座叶和花序分茎的纵向伸长。除了TCP1在BR代谢中发挥作用，这两类TCP蛋白参与茉莉酸(JA)的生物合成，从而以拮抗的方式影响叶片衰老。众所周知，外源施用茉莉酸甲酯(MeJA)可以促进叶片衰老，脂氧合酶2(LOX2)等茉莉酸甲酯生物合成基因在叶片发育衰老过程中具有瞬时诱导作用。LOX2编码叶绿体定位的脂氧合酶，催化alpha;-亚麻酸(18:3)转化为13(S)-过氧化氢亚麻酸，这是生物合成氧磷脂JA的第一步。miRJAW控制杯状TCP直接作用在LOX2转录促进JA合成，从而冗余地参与叶片衰老。有趣的是，LOX2和组ITCP9基因被确定为组ITCP20蛋白的直接靶点。进一步的衰老表型分析表明TCP9TCP20双突变体的叶片衰老较早，而TCP9或TCP20单突变体则没有,表明组ITCP通过JA信号通路控制叶片衰老的作用相反。此外，对表达抗miRJAW的mTCP3的转基因植株进行组合分析或者显性负的TCP3SRDX揭示了TCP3在类黄酮合成中的一个新的调节功能。mTCP3植物的幼苗和种子可以大量产生类黄酮途径的3个最终产物，包括黄酮醇、花青素和原花青素。蛋白相互作用实验证实，TCP3与R2R3-MYBs结合，增强TT-8结合的R2R3-MYBs的转录激活能力。R2R3-MYBs不仅控制早期类黄酮生物合成步骤，而且通过形成三元R2R3-MYB/bHLH/WD40(MBW)复合物，激活晚期类黄酮生物合成基因。对mTCP3和TCP3SRDX植物的转录组分析揭示了许多涉及类黄酮生物合成的解除调控基因，进一步强调了TCP3在类黄酮生物合成途径激活中的作用。此外，在mTCP3植物中还发现了一些生长素相关的发育缺陷，如叶片分类改变、血管结构异常、顶端优势降低和根发育受损。基因实验揭示了查尔酮合成酶突变体tt4-11无法产生任何类黄酮，但却消除了mTCP3表达引起的生长素相关缺陷。综上所述，这些观察结果表明TCP3与R2R3-MYBs相互作用，增强类黄酮的产生，从而抑制生长素的反应。除了直接参与生物活性代谢物的生物合成外，TCP蛋白还被认为通过植物激素信号的特异性轻敲来调控植物的发育。TCP14和TCP15与OGT和SPY相互作用，促进叶片和花中的细胞分裂素(CK)反应，从而影响叶片形状和表皮毛发育。吲哚-3-乙酸(IAA)羧基甲基转移酶显性突变体iamt1-D的分子特征表明，miRJAW-tar 获得的TCP基因的下调部分解释了其卷曲叶现象型。虽然IAMT1影响TCP基因表达的确切机制尚不清楚，但IAMT1的表达改变可能扰乱了IAA的稳态，这可能参与了这种交叉交流。由于IAA3/短下胚轴2 (SHY2)的功能是抑制生长素的反应，而水稻小生长素UP RNA (SAUR)基因是生长素合成和运输的负调控因子，杯状TCP直接激活IAA3/SHY2和一个SAUR基因(At1g29460)，表明这些功能冗余的TCP通过对生长素反应产生负面影响来控制侧器官的形态发生。

尽管II类TCP基因在多种发育途径中扮演上述角色，但关于第一类TCP基因发育功能的实验证据仍然缺乏。家族成员之间的功能冗余和几个TCP基因miRJAW的转录后下调使TCP蛋白的进一步功能阐明变得复杂和困难。再加上多种TCP突变体的组合，工程抗miRJAW版本的mTCP和优势消极形式的TCPSRDX已经成功地绕过这些障碍。另外，靶基因的鉴定和它们功能的进一步表征将为进一步了解TCP蛋白参与信号途径提供帮助。

1. TCP蛋白参与防御反应

植物通常利用细胞表面定位的模式识别受体(PRRs)来感知保守的微生物或病原体相关的分子模式（MAMP或PAMPs）,导致足以抵御大多数微生物病原体的MAMP/PAMP引发免疫(MTI)。为了抵消MTI，不同的微生物独立地进化出分泌和传递效应蛋白到植物细胞外空间(外质体效应物)或植物细胞内(细胞质效应物)，其中病原体效应物与细胞宿主的目标相结合，以一种有利于病原体感染的方式调节MTI和/或干预代谢。作为一个对策，植物通过部署一组多态的细胞内免疫受体，也称为抗病(R)蛋白来识别特定的病原体效应物。大多数植物R

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