ERF基因家族：共同调节新陈代谢外文翻译资料

ERF基因家族：共同调节新陈代谢

作者：TsubasaShoji^1,*and LingYuan^2,3,*

摘要：

植物产生结构多样的特殊代谢物，包括具生物活性的生物碱和萜类化合物，以响应生物和非生物环境胁迫。APTALA2 /乙烯反应因子(AP2/ERF)转录因子(transcription factor, TFs)在调控特殊代谢物的生物合成中起关键作用。越来越多的基因组和功能证据表明，ERF 基因的一个子集以簇的形式出现在染色体上。这些茉莉酸响应性ERF转录因子基因簇调控着许多重要代谢物的生物合成，从天然产物，如尼古丁和甾体生物碱(SGAs)，到人工药物，如青蒿素，长春碱，长春新碱。在此，我们综述了ERF簇的功能、调控机制和进化过程，并重点介绍了在理解簇ERF基因的不同作用及其在代谢工程中的可能应用方面的最新进展。

1特殊代谢的转录调节

植物合成和积累多种特殊代谢物，有生物活性的生物碱和萜类，在不断变化的环境条件下生长时具有适应性优势。长期以来，人类一直在利用植物衍生的代谢物或植物化学物质，作为传统药物、药物、染料、香水和工业原料。著名的植物衍生临床药物的例子包括倍半萜内酯、青蒿素、二萜紫杉醇和单萜吲哚生物碱(MIA)、长春新碱和长春碱^[1]。 最近的分子、基因组和生物信息学方法有助于预测和鉴定大量编码酶的基因，这些酶用于生物合成特殊代谢物^[2,3]。相比之下，控制这些代谢酶的调节基因的特征不太清楚。

与特殊途径相关的代谢基因在响应发育和环境刺激过程中受到动态调控。这种调控一般发生在转录水平^[4]，在植物体内，大量的代谢流需要多个代谢和转运基因的协同表达。这种协同表达通常由转录因子介导（表 1）^[5]。例如，MYB和bHLH (basic helix-loop-helix)家族中的TF可调节多种物种中的花青素和相关类黄酮物质生物合成途径^[6]。调控基因的遗传变异促成了自然界中发现的这些代谢物的巨大多样性^[7,8]。事实上，最近对无色特殊代谢物的生物合成的研究，进一步加强了转录调控在植物多种代谢过程中的重要性^[9-11]。

表 1 TF是否启动了代谢进化？

在TF调节子中，一个或一组TF调节一组不连续的基因，例如以特定代谢途径方式的基因。随着时间的推移，TF和相关的调控网络会发生重大变化，从而推动代谢多样化。由于TF能够识别和控制多个基因启动子，在通常情况下，单个TF能调节进化多样化但功能相关的代谢途径。这一概念与进化上保守的TF参与调节多种专门途径是一致的。通过代谢酶的突变变化进行的催化创新在很大程度上导致了自然界化学多样性的增加^[67]。然而，在不影响蛋白质稳定性和功能的情况下，必须对酶进行修饰的程度有所限制。以组合方式开发了有限的酶库（图1）。代谢进化的募集模型^[5]提出TF在酶组合成通路的过程中起启动作用，其中一系列代谢基因在TF的控制下被反复募集到调节子中，获得同源顺式调节。元素（图1）。在这个模型中，由TF引发的代谢酶的功能表达将跟随催化修饰（图1中未描绘）^[5]。

图1. 将代谢基因募集到调节子中。

转录因子启动在代谢途径进化中的作用的一个例子。在番茄谱系中的JRE4和烟草谱系中的ERF189控制下，一组代谢基因被招募到调节子中，这是茄科中两个不同的分类群。 在基因启动子中产生同源顺式调节元件允许在保守的TF控制下将结构基因重复募集到调节子中。缩写：ERF，乙烯响应因子； JA，茉莉酸；JRE4，JA 响应式 ERF4；SGA，甾体配糖生物碱。

茉莉酸酯(JAs)是一种脂肪酸衍生植物激素，是植物在应对植食性和坏疽性病原菌的防御反应中的关键信号^[12-14]。JA处理很容易引发大量特殊代谢物的产生，这些代谢物可能在植物防御中发挥适应性作用^[15,16]。JA信号传导途径是通过JA刺激的、蛋白酶体依赖性的JAZ阻遏蛋白降解和由此产生的TF激活介导的，例如bHLH家族的成员MYC2 ^[13-16]。这一中心JA信号级联反应通过其他TF^[5,15,16]与下游代谢过程进一步连接，包括APETALA 2/ETHYLENE RESPONSE FACTOR (AP2/ERF) 家族的TF。

2 调节不同的特殊途径的进化保守的ERF TF

植物特异性AP2/ERF家族是最大的TF家族之一，通常每个物种都有超过100个成员。AP2/ERF转录因子可分为AP2、ERF、RAV和Soloist四个亚家族，负责调节多种发育过程和防御机制^[17]。AP2/ERF转录因子的DNA结合结构域由三个beta;-折叠和一个alpha;-螺旋组成，能识别特定的顺式调节元件，包括GCC-box元件(5 -AGCCGCC-3 )^[18]。

Van der Fits和Memelink在2000年发现了十八烷类衍生物的Responsive Catharanthus AP2-domain 3 (ORCA3) TF，该转录因子参与调控长春花^[19]中MIA的生物合成。此后，在IXa组的分支II中有一小群相关的ERF转录因子^[9,20,21]，在几种植物谱系的一系列特殊代谢途径中，作为茉莉酸反应的转录调节因子出现(图2)。 这些REF包括调控长春花中的MIA的ORCA2、ORCA3、ORCA4、ORCA5和ORCA6 ^{[19, 22-27]}，调控美洲蛇根草中MIA 的OpERF2^[28]，调控烟草(Nicotiana tabacum)中的尼古丁的ERF189和ORC1/ERF221^[9,29]，调控番茄(Solanum lycopersicum)和马铃薯(Solanum tubersum)中的甾体生物碱(SGAs)的JA-Responsive ERF4 (JRE4)/Glycoalkaoid Metabolism 9 (GAME9)^[30-32]，以及调控黄花蒿(Artemisia annua)中的青蒿素的AaORA^[33,34]。

图 2. 茉莉酸 (JA) 反应型乙烯反应因子 (ERF) 转录因子和目标专门代谢物。

显示了进化枝 II、IXa 组、目标代谢物和产生代谢物的植物的代表性 ERF。青蒿的图像是在日本高知的牧野植物园拍摄的。 缩写：ERF，乙烯响应因子； JRE4，茉莉酸响应 ERF4； MIA，单萜吲哚生物碱； ORCA, 十八烷烃衍生物的响应长春花的AP2-结构域； SGA，甾体配糖生物碱。

JA响应的ERF差异性地靶向顺式调节元件，包括规范的GCC-box和相关但不同的富含GC的元件^[21]。例如，结合到GC -box元件上的是ORCA3和JRE4^[21]，而不是ERF189。DNA结合域内的少量氨基酸残基是产生这些结合特异性差异的关键决定因素^[21]。值得注意的是, 已知JRE4和ERF189的假定结合位点富集于一系列下游结构基因的启动子区域^[31,35,36]。在基因启动子中产生的同源顺式调节元件，允许在保守的转录因子控制下将结构基因重复募集到调节子中（表1）。

尽管 DNA 结合偏好存在差异，但ERF的功能通常在不同物种的同源物中保守。例如，烟草尼古丁生物合成基因，喹啉酸磷酸核糖基转移酶2 (QPT2)的ERF189靶向启动子，在转基因番茄中具有活性，并以与烟草相同的方式进行调节；它的启动子活性是由JA 响应的、具有细胞类型特异性的，并且取决于内源性JRE4的功能^[37]。此外，ERF189和ORCA5可以各自调节对方的内源性靶结构基因，从而 分别在长春花和烟草中异源表达时产生代谢物积累^[24]。这些结果强调了直系同源ERF可以在功能上等效和可交换的概念。

3 聚集的ERF 转录因子基因

在广泛的真双子叶植物中，JA响应性的ERF基因存在于多个拷⻉中，并且通常聚集在基因组中（图2）。拟南芥 (Arabidopsis thaliana) ERF13 (AtERF13) 是一个值得注意的例外，它以单个基因拷⻉的形式存在。相⽐之下，烟草有两个簇，每簇10个和5个ERF基因^[35]，⻢铃薯有8个簇^[30]，番茄有5个簇^[30,31]，长春花有5个簇^[26] , 牛角瓜有四个簇^[26]， 常绿钩吻藤有四个簇^[26]（图3）。除了第IXa组进化枝II ERF，在基因组中的簇中也发现了其他组中的 ERF，如第III组 C -repeat结合因子基因^[38,39]。与包含编码各类代谢酶基因的代谢基因簇不同^[40,41]，TF簇通常由串联的一个TF家族的基因组织成^{[11,26,35,38,39,42]}。主要通过不相等的交换事件发生的重复基因复制，可能有助于这些簇的形成^[43]。在许多植物家族中，聚集的ERF的系统发育关系表明，可能存在多个独立ERF簇（图2）。在大型 ERF 基因家族中，一小部分基因形成簇^{[26,35,38,39]}，引发了有关 ERF 簇的生物学和进化意义的问题。

图 3. 来自不同植物物种的 ERF 的系统发育关系和基因聚类。

使用 ClustalW [68] 比对 DNA 结合域的氨基酸序列，并使用 MEGA-X [69] 中实施的邻接 (NJ) 算法生成树。比例尺表示每个残基的氨基酸取代数。来自tomato（番茄；茄科）（SL4.0）、Nicotiana tabacum（烟草；茄科）（TN90）、Catharanthus roseus（长春花；夹竹桃科）、Calotropis gigantea（巨型马利筋；夹竹桃科）、Gelsemium sempervirens（黄色茉莉花；胡蔓藤科)、Daucus carota (胡萝卜; 伞形科) (ASM162521v1)、 Manihot esculenta (木薯;大戟科) (v6) 和 Glycine max (大豆;蝶形花科) (v2.1)。包括来自拟南芥的 AtERF1（进化枝 I，第IXa组）、AtERF13（进化枝II，第IXa组）、AtERF5（第IXb组）、AtORA59（第IXc 组）和 AtERF4（第VIII组）（黑星）。明显的直系同源关系用虚线表示。示意性地绘制了 ERF 基因簇。为避免复杂化，烟草是一种异源四倍体物种 [35]，仅描述了一个由十个 ERF 组成的集群，而不是五个 ERF 的同源对应物。在低尼古丁烟草突变体 nic2 [35] 中删除的区域以灰色突出显示。缩写：AtERF，拟南芥 ERF； ERF，乙烯响应因子； JRE，茉莉花响应式 ERF；ORCA, 十八烷烃衍生物的响应长春花的AP2结构域。

由于重复基因之间的功能分化，由聚集的ERF编码的蛋白质通常具有重叠但不同的功能。在茄科谱系中，ERF189和JRE4分别在烟草中尼古丁和番茄中SGA的生物合成中发挥主要调节作⽤，而ERF簇中的其他成员在生物碱生物合成的调节中仅具有辅助功能或没有功能。ERF189或JRE4功能的丧失导致生物碱的产量急剧减少^[32,44]。在番茄中，与JRE4最接近的同源物JRE3（图3）的过表达不会诱导SGA形成^[45]。在烟草中，除ERF189外，过表达ERF基因仅能适度诱导尼古丁的生物合成^[9,46]。调节JRE4或ERF189的⽣物碱与其成簇同源物之间的差异在基因表达谱中也很明显：(i)与其同源物的低⽔平表达相反，ERF189和JRE4在产生生物碱的器官中高度表达^{[30,31,35,44]}；(ii)乙烯似乎只抑制了JA诱导的ERF189、JRE4及其下游基因的表达，但对其集群中的大多数其他ERF没有影响^[9,32]；(iii)只有簇内的非生物碱诱导ERF基因被强烈诱导以响应盐胁迫^[32,47]。有趣的是，ERF189和JRE4都占据了它们各自的基因簇的中⼼区域（图3），在其中可能发生了更动态的进化变化，并通过重复的基因复制导致簇扩展。尽管需要进一步的证据，但这一观察结果表明，这些集群专用于谱系特异性生物碱的调节。

长春花基因组包含一个由五个基因组成的ERF簇：ORCA2、ORCA3、ORCA4、ORCA5、和 ORCA6 ^[26,48]。所有这五个ERF都参与调节MIA的生物合成^[19,22-27]。与最初表征的 ORCA3相比[19]，ORCA2、ORCA4、ORCA5和ORCA6激活了更广泛的代谢基因^[24-27]。 长春花毛状根中的ORCA4或ORCA5的过度表达，可显著诱导MIA的积累^{[23,24] 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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