植物Trihelix转录因子家族的分类、结构和功能研究进展

周颖君　王浩　纪剑辉

摘要：Trihelix转录因子家族因其保守结构域均含有3个连续的a螺旋而得名。该家族最早被发现能与光应答元件即GT元件特异性结合，因此也被称为GT因子家族。最新研究表明该转录因子家族不仅参与光反应应答，还广泛地参与植物生长发育过程以及对生物和非生物胁迫的应答。主要从植物Trihelix转录因子家族的分类、结构特征及其生物学功能等方面进行综合介绍，从而帮助研究者加深对植物Trihelix转录因子家族的理解，进而促进基因功能研究的开展。

关键词：Trihelix；转录因子；分类；结构特征；功能

中图分类号：Q943 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）22-5501-03

Abstract： Trihelix transcription factor family has been known for its conserved domain containing three continuous helix. The family was first discovered that it can bind specifically with the light response element named as GT element， so we also called it GT factor family. The latest research showed that Trihelix family not only participate in light reaction response， but also widely participate in plant development and biotic and abiotic stress response. In the review， the plant Trihelix transcription factor family was introduced mainly from aspects of classification， structural characteristics and biological function， thereby helping researchers to deepen the understanding of plant Trihelix transcription factor family， and then to promote the research development of gene function.

Key words： Trihelix； transcription factor； classification； structural characteristics； biological function

转录因子是一类DNA结合蛋白，能够与靶标基因启动子区域的顺式作用元件发生特异性相互作用，进而调控靶标基因的转录。植物中已发现有超过60个转录因子家族[1]，目前研究较多的是MYB、NAC、WRKY、DOF、AP2/EREBP等转录因子家族，越来越多的研究表明，这些转录因子在植物生长发育和环境胁迫应答等发面起着非常重要的作用。Trihelix转录因子家族作为植物中的一个小家族，截至20世纪末还仅限于对其光应答反应的研究，随着生物技术的进步以及生物信息学的发展，越来越多的Trihelix转录因子家族成员被鉴定，例如目前拟南芥中已鉴定出30个Trihelix基因，水稻中鉴定出31个，其他物种也相继有报道。随之对其在植物生长发育、抗逆境胁迫等其他方面功能的研究也逐步展开。本研究主要从Trihelix转录因子家族的分类、结构特征及其生物学功能等方面进行综述。

1 Trihelix转录因子家族的分类

2009年Fang等[2]系统地分析了55个来自水稻（26个）、拟南芥（26个）和烟草（3个）等植物中的GT蛋白序列，根据其进化关系，将GT蛋白分为GTα、GTβ和GTγ 3个亚家族。2012年Kaplan-Levy等[3]分析了30个来自拟南芥和31个来自水稻的Trihelix转录因子，根据Trihelix转录因子保守结构域的特征，将Trihelix家族分为GT-1、GT-2、GTγ、SH4和SIP1 5个亚家族，其中对GT-1和GT-2亚家族的研究相对较早，两个亚家族之间的同源性也远高于其他亚家族。2014年Qin等[4]分析了来自苔藓、卷柏、二穗短炳草和水稻等11个物种中319个Trihelix转录因子，采用JTT氨基酸替代模型将Trihelix家族分为CladeⅠ、CladeⅡ、CladeⅢ、CladeⅣ和CladeⅤ 5个亚家族。推测Trihelix转录因子家族分类的差异可能受分析样本量的影响，但整体上趋于一致。

2 Trihelix转录因子结构特征

2.1 Trihelix保守结构域

Trihelix转录因子家族均含有一个位于N端的保守结构域（拟南芥At5g47660除外），其中GT-2亚家族在C端也含此结构域，GT-2亚家族两个Trihelix保守结构域的形成可能是由同一个祖先结构域通过自身加倍形成，这一加倍事件可能发生在苔藓和被子植物的祖先分化之前。该结构域含3个串联的α螺旋，呈螺旋-环-螺旋-环-螺旋结构，这与MYB转录因子家族3个α螺旋形成的螺旋-转角-螺旋的结构类似，因此，人们通常认为Trihelix基因家族起源于一个MYB-like基因[5]。Trihelix保守结构域的每个α螺旋均有一个保守的色氨酸，其中GT-1和GTγ亚家族中第三个保守的色氨酸被苯丙氨酸取代，SIP1亚家族中则被异亮氨酸取代。Trihelix结构域也为Trihelix转录因子的靶标基因识别域，相关研究表明，3个串联的α螺旋会形成一个疏水内核，其中第三个α螺旋与靶标序列直接结合，且位于其上的苏氨酸的磷酸化能增强Teihelix转录因子与靶标的结合[6]。

2.2 第四ɑ螺旋结构域

第四α螺旋结构域位于Trihelix保守结构域的下游，通常被认为是Trihelix转录因子结合靶标基因序列所必需的，除SH4亚家族之外，其他亚家族均含有此结构域。但SH4亚家族有一个延长的Trihelix保守结构域，可能承担与第四α螺旋结构域类似的功能。第四α螺旋结构域一般为保守的序列（F/Y）-（F/Y）-X-X-（L/I/M）-X-X-（L/I/M），X为亲水残基，通常为精氨酸、赖氨酸、天冬氨酸或谷氨酸[7]。

2.3 卷曲螺旋结构域

卷曲螺旋结构域位于Trihelix转录因子的C端，除At1g13450和At3g25990之外，其他Trihelix转录因子均含有此结构，相较于N末端的保守结构域，此结构域在亚家族内部保守，但在亚家族之间则差异较大。相关研究表明，此结构域通常与转录因子的二聚化或多聚化相关[8]。

3 Trihelix转录因子家族的生物学功能

由于Trihelix转录因子最早被发现能识别光应答元件，并与之特异性结合，所以早期对其功能的研究主要集中在对光依赖型靶标基因的调控。但随着越来越多的Trihelix转录因子被克隆和鉴定，对其功能的研究也越来越深入，研究发现Trihelix转录因子不仅参与光应答基因的调控，还广泛参与植物生长发育的各个过程，例如胚囊、种子离层和晚期胚胎的发育、花器官形态的建成、表皮毛和气孔的形成。此外，越来越多的研究表明，Trihelix转录因子还受病虫害、冻害、干旱和高盐等的强烈诱导，广泛参与植物对生物和非生物胁迫的应答反应。

3.1 Trihelix转录因子与光应答

已有研究表明，Trihelix家族中与光应答相关的成员主要集中在GT-1和GT-2两个亚家族。除了最早发现的GT-1和GT-2转录因子，Park等[15]通过筛选大豆的cDNA库获得GT-2亚家族的转录因子GmGT-2，发现该转录因子能在光诱导下呈现出表达下调。Nagano等[9]通过酵母单杂交筛选出豌豆中的DF1转录因子，该转录因子有着与GT-2蛋白相似性极高的保守域，后被证实为Trihelix转录因子家族GT-2亚家族的成员，DF1转录因子能与DE1和GT-2顺式作用元件特异性结合，从而实现对光的应答反应，并受黑暗条件的诱导表达。Wang等[10]从水稻中克隆出GT-1亚家族的转录因子Rml1，并通过Northern印记法证实了该转录因子参与光应答反应，其表达水平在光周期下呈现出规律的表达变化。

3.2 Trihelix转录因子与植物生长发育

PETAL LOSS（PTL）基因是第一个被发现与植物形态发生相关的Trihelix转录因子，属于GT-2亚家族。PTL同源基因出现在除禾本科以外的所有被子植物中，通常在花发育早期——尤其是在花萼原基发生时期表达。相关研究表明拟南芥中PTL基因的突变会造成花萼以及花瓣发育的缺陷[11，12]，例如造成萼片边缘生长过盛、萼片边缘融合，影响花瓣的尺寸、形状以及造成花瓣数量减少等。最新研究表明PTL基因为胚囊发育所必需，其突变体会造成极核融合前的发育停滞。GTL1（GT-2-LIKE1）同样属于Trihelix转录因子GT-2亚家族，Breuer等[13]研究发现GTL1抑制拟南芥腺毛状体发育过程中倍性依赖细胞的增长。另有染色质免疫沉淀试验表明GTL1转录因子能与SDD1（Stomatal density and distribution1）基因启动子中的GT3序列特异性结合[14]，抑制SDD1基因的表达，从而增加叶片背面气孔的密度，加大水分的蒸腾作用，这一点在GTL1突变试验中也得到了证实，即GTL1突变体中叶背面气孔密度降低。进一步的研究表明，在干旱条件下，GTL1表达水平降低伴随着叶片气孔密度降低，从而减少了水分的蒸腾。

3.3 Trihelix转录因子与环境胁迫应答

AtGT-3b为Trihelix转录因子家族GT-1亚家族的成员，Park等[15]通过酵母双杂交试验发现AtGT-3b能与大豆钙调蛋白基因SCaM-4启动子中的GT-1顺式作用元件特异性结合，并且在病原菌和盐处理后AtGT-3b和SCaM-4表达量迅速提高。这些结果表明AtGT-3b对病原菌和盐胁迫存在着明显的应答反应。AtGT2L是一种钙离子依赖性钙调素结合蛋白，为Trihelix转录因子GT-2亚家族的成员，Northern印记杂交试验[16]表明AtGT2L在莲座叶、茎生叶和花中的表达量较高，对低温、盐和脱落酸均存在应答反应。试验表明过量表达AtGT2L会使逆境胁迫诱导基因RD29A和ERD10基因的表达量增高。GmGT-2A和GmGT-2B是从大豆中鉴定出的Trihelix转录因子家族GT-2亚家族的成员，Xie等[17]的研究表明，这两个基因可以调节幼苗的生长并且对盐、低温和干旱等非生物胁迫表现出应答反应。其中GmGT-2A并不具有转录激活能力，可能需要通过翻译后修饰来实现。转基因试验显示GmGT-2B在过量表达的同时，DREB2A和RCI3的表达量也会增加，而这两个基因此前已被证实能增强植株的抗逆性，但其具体的作用机制还需进一步研究。

4 问题与展望

相较于DOF、MYB、DREB、WRKY和NAC等转录因子家族，Trihelix是近期才被关注的转录因子家族，从基因数目而言，Trihelix也只是转录因子家族中的一个小家族。Trihelix最早被发现参与光应答反应，其后随着生物技术的发展和研究的深入，Trihelix转录因子被发现还参与对植物生长发育的调控，并在植物应对生物和非生物胁迫中起到重要作用。到目前为止，Trihelix基因家族中参与光应答反应的成员主要集中在GT-1和GT-2亚家族，参与植物生长发育调控的成员主要分布在GT-2、SH4和SIP1亚家族，参与应答生物和非生物胁迫的成员主要分布在GT-1、GT-2和GTγ亚家族。这也表明Trihelix转录因子的功能与分类并不具有明显的关联性。近来也有研究表明，Trihelix基因也可能存在于动物中[18]。随着今后对Trihelix基因家族研究的深入，将有更多的成员被鉴定，其功能也将会进一步被挖掘。

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