类蛋白Tubby基因家族研究进展

徐佳宁，刘 钢，张利云，高建伟

(1.济南市农业科学研究院，山东济南 250316；2.山东水利技师学院，山东淄博 255130；3.山东省农业科学院蔬菜花卉研究所，山东济南 250100)



类蛋白Tubby基因家族研究进展

徐佳宁1，刘 钢2，张利云1，高建伟3

(1.济南市农业科学研究院，山东济南 250316；2.山东水利技师学院，山东淄博 255130；3.山东省农业科学院蔬菜花卉研究所，山东济南 250100)

摘要综述了TLP基因家族的研究进展，结果发现有多个TLP基因参与植物对多种生物胁迫和非生物胁迫的应答，这些TLP基因可以作为植物抗逆育种的候选基因，应用于植物抗逆遗传育种工作中。

关键词类蛋白Tubby基因；基因家族；Tubby基因

Tubby基因家族最早在小鼠基因组中被发现[1]，之后又有多个具有Tubby结构域的蛋白质被发现，因而被称为类Tubby蛋白(Tubby like-protein，TLP)[2]，并广泛存在于动植物基因中。在小鼠中，当Tubby基因发生突变时会产生疾病表型，如成熟性肥胖、失明和耳聋[1，3]。目前，已在脊椎动物中发现了5个TLP家族成员，依次是Tub、Tulp1～Tulp4[3]。拟南芥基因组中发现了11个TLP家族成员，依次是AtTLP1～AtTLP11[4]；水稻基因组中有14个TLP家族成员，依次是OsTLP1～OsTLP14[5]；玉米基因组有15个TLP家族成员，依次是ZmTLP1～ZmTLP15[6]。类 Tubby蛋白的广泛存在表明其在动植物生命过程中发挥极其重要的作用与功能。近年来，随着对TLP基因研究的深入，发现其在动植物生长发育和胁迫应答等方面发挥重要功能。因此，笔者综述了TLP基因家族的结构特征及在动植物中的研究进展，旨在为TLP基因应用于植物抗逆遗传育种提供理论依据。

1TLP基因家族的分子特征

TLP基因家族特征是C端含有一个长度约 270 个氨基酸的tubby结构域，而其N端含有多种不同的结构域。N端结构的多样性预示了TLP基因功能的多样性。1999年，Shapiro实验室发布了tubby结构域的结晶结构，为研究其功能奠定了基础[7]。Tubby结构域的空间结构由一个疏水的α螺旋和围绕在其周围的含有12片反向的β折叠的β桶状结构组成。疏水的α螺旋定位在TLP蛋白C端。与动物N端结构的多样性不同的是，植物中TLP蛋白的N端往往含有一个保守的F-box结构域。

研究TLP家族中不同成员在组织中分布和亚细胞定位有利于阐明其不同功能。在脊椎动物中，Tub基因在视网膜和脑组织的海马体和下丘脑中表达[1，8]，Tulp1 和Tulp2 分别主要在视网膜和睾丸中表达[9]。然而Tulp3在小鼠生长发育过程中各个组织中广泛表达，且在成年小鼠中枢神经系统中稳定表达[10-11]。在无脊椎动物中，TLP同源基因也在神经系统中表达。线虫的tub-1在其纤毛神经元中表达[12-13]，果蝇的TULP在胚胎发育早期的成神经细胞和胚胎发育晚期的整个神经系统中表达[14]。在拟南芥中，AtTLP1、AtTLP2、AtTLP3、AtTLP6、AtTLP7、AtTLP9、AtTLP10 和AtTLP11 呈组成型表达，而AtTLP5、AtTLP8则表现出明显的组织特异性[4]。在水稻中发现TLP在绝大部分组织中都有表达，且在不同组织中的表达水平不同，说明不同TLP在水稻各种组织中发挥的作用不同[5]。

2在植物中的研究进展

2.1拟南芥拟南芥的TLP基因家族包含11个基因(AtTLP1～AtTLP11)，其中7个基因定位在染色体I上。除AtTLP4，其他10个AtTLP基因均在拟南芥组织中表达。11个基因C端Tubby结构域的氨基酸序列存在30%～80%的相似性。除AtTLP8外，其他AtTLP基因的N端都存在一个保守的F-box结构域。在转基因植株中超表达AtTLP9基因可以提升其对ABA的敏感性，说明AtTLP9可能参与ABA信号通路[4]。6个AtTLP基因(AtTLP1、AtTLP2、AtTLP3、AtTLP9、AtTLP10、AtTLP11)与拟南芥中的ASK1蛋白互作。F-box结构域和Tubby结构域共同参与ASK1蛋白的互作过程[4，15]。AtTLP6可以与拟南芥中的ASK1、ASK2和ASK11蛋白互作。AtTLP7基因不能与ASK1蛋白互作可能是其F-box结构域中的辅氨酸转变成亮氨酸，以及半胱氨酸转变成丝氨酸造成的[15]。AtTLP9在种子萌发过程中参与ABA信号通路的调控和氧化胁迫应答。AtTLP3在种子萌发和早期生长过程中参与ABA信号通路的调控[16]。

2.2水稻水稻TLP基因家族包含14个成员(OsTLP1～OsTLP14)，大多数OsTLP基因的N端都包含1个F-box结构域。所有OsTLP基因在水稻不同组织和不同发育阶段均有表达。OsTLP编码基因家族的系统分析发现，所有基因在水稻对白叶枯病菌的反应中都表现为转录升高[5]。其中OsTLP2 蛋白质可以结合OsWRKY13 转录因子启动子区的 PRE4 顺式元件，OsWRKY13 受病原物的诱导，并调控水稻对细菌和真菌的抗性。超表达OsWRKY13 会提高水稻对白叶枯病和稻瘟病的抗性[17]。OsTLP2、OsTLP7、OsTLP8和OsTLP9 4个蛋白在Xa21介导的白叶枯病抗性反应中发生表达变化，说明其受抗性反应诱导[18]。另外，OsTLP14在种子萌发后的幼苗早期1～2 cm时表达量极高，但在5 cm时其表达量骤然降低，至分蘖后期检测不到表达，说明OsTLP14仅在种子萌发及幼苗形成过程中发挥作用[18]。

2.3其他植物玉米TLP基因家族包含15个成员(ZmTLP1～ZmTLP15)，可分为4个亚家族。ABA处理下，7个ZmTLP基因的表达显著上调。特别是ZmTLP6上调超过40倍，说明ZmTLP基因参与ABA信号通路的调控。7个ZmTLP基因的表达量在高温或低温条件下显著上调。其中，ZmTLP3、ZmTLP8和ZmTLP9同时应答低温和高温胁迫，说明其在植物适应温度变化过程中起重要作用[6]。从苹果的冷胁迫差异基因表达谱中发现了一个TLP基因的同源物(MdTLP7)，该基因的表达量在 4 ℃ 冷处理 6 h 时显著上调表达，暗示其在植物非生物胁迫中起重要作用[19]。将MdTLP7 转入大肠杆菌后，MdTLP7 的表达显著增强了原核细胞抵抗盐与温度胁迫的能力。该研究还发现，MdTLP7 的Tubby结构域的β桶状结构对该蛋白的抗逆功能起关键作用。鹰嘴豆的干旱响应蛋白质组中发现了一个TLP基因(CaTLP1)，其表达量在干旱胁迫、高盐胁迫和ABA处理下均呈现明显的上调[20]。将其转入番茄后，转基因番茄对干旱胁迫、盐胁迫和氧化胁迫的耐受性均提高，说明CaTLP1基因的表达可以提升植物对胁迫的抗性。

3在动物中的研究进展

TLP蛋白质在动物中虽然是一个较小的基因家族，但在动物生长发育中却发挥着不可替代的作用。TLP家族蛋白的缺失往往导致动物表型特征的变化，甚至出现严重的疾病。缺失tubby基因的小鼠会出现肥胖、失明和耳聋等症状。肥胖症状在缺失tubby基因的小鼠上呈现一个缓慢的渐变过程，一般在小鼠12～16周龄开始出现肥胖症状，并逐步达到正常小鼠体重的2倍[21-22]。小鼠在体重增加过程中体内胰岛素水平也持续增长，但血糖含量保持正常。在人类中，TUB基因被定义为人体肥胖基因的候选基因之一[23]。除了肥胖，缺失Tub基因的小鼠在发育过程中也表现感觉神经的发育不全，包括视网膜和耳蜗退化[24]。

人类的TULP1基因突变可导致一种以常染色体隐性遗传方式遗传的色素性视网膜炎[25-27]。小鼠敲除TULP1基因后表现出光感受器神经突触的早期缺陷，以及视网膜变性前期的双相树突发育不良。这说明TULP1基因在光感受器突触的正常发育中起关键作用[28]。与单独敲除TULP1基因和Tubby基因其中一个基因相比，同时敲除这2个基因可加快视网膜变性[29]。小鼠TULP3基因突变后可导致胚胎致死或缺陷，缺陷主要包括露脑、脊柱裂和多趾[10，30-32]。目前，尚未有关于敲除小鼠TULP2基因和TULP4基因的报道。但在秀丽隐杆线虫中，利用RNA干扰技术发现TULP2基因可以改变其先天免疫反应，TULP4基因的减少可导致细胞因子白细胞介素-6产量的降低[33]。

4展望

自1996年首次从小鼠中克隆到Tub基因以来，发现TLP基因家族虽然是一个较小的基因家族，却广泛存在于动植物基因中，并在动植物生长发育中发挥不可替代的作用与功能。当TLP发生基因突变时会随之产生部分疾病表型。虽然Tubby基因家族在动植物中的功能尚未完全明确，但近年来，有关其基因家族作用与功能的挖掘与研究已经取得了一些研究成果，其结构也进一步被挖掘出来，其中tubby结构域的高度保守性也表明TLP在多细胞真核生物中具有重要的生理功能。特别是对植物TLP基因家族的研究发现，多个TLP基因参与植物对于生物胁迫和非生物胁迫的应答。这说明TLP基因可以作为植物抗逆育种的候选基因，应用于植物抗逆遗传育种工作中。

参考文献

[1] KLEYN P W，FAN W，KOVATS S G，et al.Identification and characterization of the mouse obesity gene tubby：A member of a novel gene family[J].Cell，1996，85(2)：281-290.

[2] CARROLL K，GOMEZ C，SHAPIRO L.Tubby proteins：The plot thickens[J].Nature reviews molecular cell biology，2004，5(1)：55-64.

[3] IKEDA S，HE W，IKEDA A，et al.Cell-specific expression of tubby gene family members(tub，Tulp1，2，and 3)in the retina[J].Investigative ophthalmology & visual science，1999，40(11)：2706-2712.

[4] LAI C P，LEE C L，CHEN P H，et al.Molecular analyses of theArabidopsisTUBBY-like protein gene family[J].Plant physiology，2004，134(4)：1586-1597.

[5] KOU Y，QIU D，WANG L，et al.Molecular analyses of the rice tubby-like protein gene family and their response to bacterial infection[J].Plant cell reports，2009，28(1)：113-121.

[6] YULONG C，WEI D，BAOMING S，et al.Genome-wide identification and comparative analysis of the TUBBY-like protein gene family in maize[J].Genes & genomics，2016，38(1)：25-36.

[7] BOGGON T J，SHAN W S，SANTAGATA S，et al.Implication of tubby proteins as transcription factors by structure-based functional analysis[J].Science，1999，286(5447)：2119-2125.

[8] IKEDA A，NAGGERT J Ü K，NISHINA P M.Genetic modification of retinal degeneration in tubby mice[J].Experimental eye research，2002，74(4)：455-461.

[9] NORTH M A，NAGGERT J K，YAN Y，et al.Molecular characterization of TUB，TULP1，and TULP2，members of the novel tubby gene family and their possible relation to ocular diseases[J].Proceedings of the national academy of sciences，1997，94(7)：3128-3133.

[10] IKEDA A，IKEDA S，GRIDLEY T，et al.Neural tube defects and neuroepithelial cell death in Tulp3 knockout mice[J].Human molecular genetics，2001，10(12)：1325-1334.

[11] NISHINA P M，NORTH M A，IKEDA A，et al.Molecular characterization of a novel tubby gene family member，TULP3，in mouse and humans[J].Genomics，1998，54(2)：215-220.

[12] MAK H Y，NELSON L S，BASSON M，et al.Polygenic control ofCaenorhabditiselegansfat storage[J].Nature genetics，2006，38(3)：363-368.

[13] MUKHOPADHYAY A，DEPLANCKE B，WALHOUT A J M，et al.C.eleganstubby regulates life span and fat storage by two independent mechanisms[J].Cell metabolism，2005，2(1)：35-42.

[14] RONSHAUGEN M，MCGINNIS N，INGLIS D，et al.Structure and expression patterns ofDrosophilaTULP and TUSP，members of thetubby-like gene family[J].Mechanisms of development，2002，117(1)：209-215.

[15] LAI C P，JEIFU S.Interaction analyses ofArabidopsisTubby-like proteins with ASK proteins[J].Botanical studies，2012，53(4)：447-458.

[16] BAO Y，SONG W M，JIN Y L，et al.Characterization ofArabidopsisTubby-like proteins and redundant function of AtTLP3 and AtTLP9 in plant response to ABA and osmotic stress[J].Plant molecular biology，2014，86(4/5)：471-483.

[17]CAI M，QIU D，YUAN T，et al.Identification of novel pathogen-responsive cis-elements and their binding proteins in the promoter of OsWRKY13，a gene regulating rice disease resistance[J].Journal of geophysical research solid earth，2008，31(1)：86-96.

[18] 魏健，李莉云，曹英豪，等.水稻类Tubby蛋白质在叶片生长和白叶枯病抗性反应中的表达[J].植物学报，2011，46(5)：525-533.

[19] DU F，XU J N,ZHAN C Y，et al.An obesity-like gene MdTLP7 from apple(Malus × domestica)enhances abiotic stress tolerance[J].Biochemical & biophysical research communications，2014，445(2)：394-397.

[20] WARDHAN V，JAHAN K，GUPTA S，et al.Overexpression of CaTLP1，a putative transcription factor in chickpea(CicerarietinumL.)，promotes stress tolerance[J].Plant molecular biology，2012，79(4/5)：479-493.

[21] COLEMAN D L，EICHER E M.Fat(fat)and tubby(tub)：Two autosomal recessive mutations causing obesity syndromes in the mouse[J].Journal of heredity，1990，81(6)：424-427.

[22] WANG Y，SEBURN K，BECHTEL L，et al.Defective carbohydrate metabolism in mice homozygous for the tubby mutation[J].Physiological genomics，2006，27(2)：131-140.

[23] SHIRI-SVERDLOV R，CUSTERS A，VAN VLIET-OSTAPTCHOUK J V，et al.Identification of TUB as a novel candidate gene influencing body weight in humans[J].Diabetes，2006，55(2)：385-389.

[24] OHLEMILLER K K，HUGHES R M，MOSINGER-OGILVIE J，et al.Cochlear and retinal degeneration in the tubby mouse[J].Neuroreport，1995，6(6)：845-849.

[25] KOVATS S G，LEE J J，PENCHASZADEH G K，et al.TULP1 mutation in two extended Dominican kindreds with autosomal recessive retinitis pigmentosa[J].Nat Genet，1998，18：177-179.

[26] GU S，LENNON A，LI Y，et al.Tubby-like protein-1 mutations in autosomal recessive retinitis pigmentosa[J].The lancet，1998，351(9109)：1103-1104.

[27] HAGSTROM S A，NORTH M A，NISHINA P M，et al.Recessive mutations in the gene encoding the tubby-like protein TULP1 in patients with retinitis pigmentosa[J].Nature genetics，1998，18(2)：174-176.

[28] GROSSMAN G H，PAUER G J T，NARENDRA U，et al.Early synaptic defects intulp1-/- mice[J].Investigative ophthalmology & visual science，2009，50(7)：3074-3083.

[29] HAGSTROM S A，ADAMIAN M，SCIMECA M，et al.A role for the Tubby-like protein 1 in rhodopsin transport[J].Investigative ophthalmology & visual science，2001，42(9)：1955-1962.

[30] NORMAN R X，KO H W，HUANG V，et al.Tubby-like protein 3(TULP3)regulates patterning in the mouse embryo through inhibition of Hedgehog signaling[J].Human molecular genetics，2009，18(10)：1740-1754.

[31] PATTERSON V L，CHRISTINE D，ANJU P，et al.Mousehitchhikermutants have spina bifida，dorso-ventral patterning defects and polydactyly：Identification of Tulp3 as a novel negative regulator of the Sonic hedgehog pathway[J].Human molecular genetics，2009，18(10)：1719-1739.

[32] CAMERON D A，TRACIE P，MARTIN P.Tulp3 is a critical repressor of mouse hedgehog signaling[J].Developmental dynamics an official publication of the American association of anatomists，2009，238(5)：1140-1149.

[33] SCOTT A，REBECCA L，BRAD L，et al.Identification of innate immunity genes and pathways using a comparative genomics approach[J].Proceedings of the national academy of sciences，2008，105(19)：7016-7021.

Research Progress ofTubbylike-protein Gene Family

XU Jia-ning1, LIU Gang2, ZHANG Li-yun1et al

(1. Jinan Academy of Agricultural Sciences, Jinan, Shandong 250316; 2. Water Conservancy of Shandong Technician College, Zibo, Shandong 255130)

AbstractThe research progresses ofTLPgene family were reviewed. SeveralTLPswere found to be involved in the response of plants to various biotic and abiotic stresses. TheseTLPscan be utilized as appropriate candidates to create stress-resistant plants using genetic engineering.Key wordsTubbylike-protein; Gene family;Tubby

基金项目山东省农业科学院院地科技合作引导计划项目“番茄TLP基因家族的生物信息学分析及其对高温胁迫的响应机制研究”(2015YDHZ27)；济南市农业科技创新计划项目“茄果类蔬菜越夏新品种选育”(201406)。

作者简介徐佳宁(1984- )，女，山东淄博人，助理研究员，在读博士，从事植物生物化学与分子生物学研究。

收稿日期2016-02-02

中图分类号S 188

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)07-114-02