锌指蛋白转录因子YY1的功能研究进展

樊星宋兴舜邢倩

(1.东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.江西省中国科学院庐山植物园，江西 九江 332900)

转录因子能够通过与某一基因特定序列的专一性结合，激活或抑制该基因的转录，从而调控该基因的表达，影响生物体的表型变化。转录因子是生物体内一种特殊的蛋白质分子，其与DNA的结合并不遵从于单一的结构类型，锌指蛋白就是一种转录因子。锌指蛋白广泛分布于真核生物基因组中，能够与靶基因的启动子序列特异结合并调控该基因表达，从而影响多个基因发挥功能。锌指蛋白结构域呈“手指状”，主要由半胱氨酸和组氨酸构成，通过与锌离子的结合形成稳定的结构，稳定的锌指结构是锌指蛋白正常行使功能的关键。根据锌指蛋白结构域的这2种主要组成氨基酸的数目及位置，可以将锌指蛋白分为不同类型，其中C2H2型锌指蛋白是目前研究最广泛、最深入的一类锌指蛋白，阴阳转录因子YY1(YIN AND YANG1)就是一种C2H2型锌指蛋白[1]。作为一种同时具有激活转录和抑制转录双重功能的转录因子，YY1自发现以来就广受研究者们的关注，其既可以通过与某些特定基因结合激活该基因的转录，也可以抑制一些基因的转录，除此之外，其还可以与众多蛋白质分子互作来调控靶基因的表达。本文就YY1基因在不同物种中的结构及功能的研究现状进行综述。

1 C2H2型锌指蛋白转录因子YY1

YY1广泛存在于动植物基因组中，属于C2H2型锌指蛋白中的GLI-Kruppel类锌指蛋白，参与抑制和激活多种启动子。多数C2H2型锌指蛋白由25～30个氨基酸残基组成，保守残基为2个半胱氨酸(Cys)和2个组氨酸(His)，以及1个苯丙氨酸(Phe)和1个亮氨酸(Leu)；一般情况下，C2H2型锌指蛋白的结构域由锌指结构域和其他特殊结构域组成。C2H2型锌指蛋白除了可以在转录水平上调控基因的表达之外，也会参与转录后修饰环节，转录后修饰可以增强锌指蛋白的激活或抑制功能[2]。同时，人类基因组中YY1转录因子可以通过招募组蛋白去乙酰化酶1抑制人免疫缺陷病毒1型长末端重复序列，表明YY1可能参与组蛋白修饰作用[2]。迄今为止，研究者们在数十种动植物中发现了YY1的同源基因。

2 不同物种YY1基因的结构与功能

2.1 哺乳动物中YY1的研究进展

在不同物种YY1基因的研究中，哺乳动物YY1的研究最深入。这与哺乳动物YY1在基因组中的定位及功能有关。在人类基因组中，YY1基因位于人类第14号染色体的端粒部位，含有多个内含子，可以通过不同的选择性剪接形成8种剪接体。其编码的人类转录因子YY1含有414个氨基酸，在YY1蛋白的N端有一个典型的高度酸性化的转录激活结构域；蛋白中间区域可与多种基因、蛋白质结合互作；在转录因子YY1蛋白的C端，有4个锌指结构域，可以和DNA特异性结合，具有一定的转录抑制作用[3]。因此，YY1的蛋白结构决定了其同时具有转录激活和转录抑制2种截然相反的功能。目前报道的YY1保守DNA结合序列包括以下8种：GCCATnTT、GnCGACATnTT、CnCCATnTT、CCGCCATnTT、taCGCCATtTTg、CGCCATCTT、CGCCATTTT以及GCCATnTT[4]。一般情况下，YY1与5′-CCAT-3′和5′-ACAT-3′结合，但研究发现，YY1与5′-CCAT-3′结合位点有较高的亲和力[3]。

YY1介导的转录抑制可以通过YY1和激活因子之间的直接竞争性结合、干扰激活因子功能或招募参与染色质重塑的辅抑制因子来发生，如Ring1和YY1结合蛋白(RYBP)[3]；YY1作为一种PhoRC(Pleiohomeotic Repressive Complex)蛋白，也可以通过募集Polycomb Group Protein(PcG蛋白)到靶基因位点来调控一些下游基因的表达[4]。

YY1也通过直接结合启动子，与参与RNA聚合酶II复合体形成的一般转录因子相互作用[4]，通过掩蔽转录抑制域，揭示转录激活域，招募共激活因子，或由其本身作为共激活因子参与转录激活[3]。

研究表明，YY1可调节与多种细胞过程相关的许多基因的转录激活和抑制，包括细胞分化、DNA修复、自噬、细胞存活与细胞凋亡和细胞分裂。如，YY1的突变会造成前体B细胞的分化进程发生改变，对B细胞的分化造成影响，进而影响淋巴瘤的发生[5]。研究发现，在细胞恶性转化过程中，YY1的表达不受正常调控手段影响，因此YY1已被认为是许多癌症的主要驱动因素[5]。如，过表达YY1后还可以增加肝癌细胞的增殖、迁移以及侵袭能力[6]。除了促进癌细胞的迁移与侵袭，加速癌症的发展，YY1也能通过下调长链非编码RNA SOX2OT的表达来抑制胰腺癌细胞的迁移和侵袭[7]。近期研究发现，YY1还可以通过与多种转录因子协同作用，共同调控一些与肝脏脂质代谢有关的基因的表达[8]。近年来，诸多研究者把目光聚焦在YY1与癌症的关系上，无论是促进还是抑制肿瘤的发生，YY1作为信号通路的关键位置，有望成为靶向治疗癌症的新的突破点。

2.2 模式植物拟南芥中YY1的研究进展

在不同物种中，转录因子YY1的序列具有一定的保守性。在模式植物拟南芥基因组中，At YY1是一个编码了387个氨基酸的蛋白质，分子量约为44.7KDa。其N端含有4个串联排列的C2H2型锌指结构和1个单独存在的C2H2型锌指结构，单就这4个串联的锌指结构域而言，YY1基因具有高度同源性，在哺乳动物和各种植物中，YY1都具有相似的串联锌指结构域。但是，与典型的植物C2H2型锌指蛋白不同的是，At YY1并没有由长间隔与锌指结构域隔开的植物特异性QALGGH基序。在C端区域，At YY1存在一个酸性区域行使转录激活功能。此外，研究发现，At YY1的C端基本区域中，还含有一段特殊序列，起到核定位信号的作用[1]。

相较于进展迅速的动物类研究，在植物中关于YY1基因功能的研究屈指可数。At YY1最早被提及，是2009年Hubert Rehrauer等发表于《Plant Physiology》上的一篇文章。在这篇以拟南芥转录组分析为主要内容的文章中，首次提及了At YY1是一个在花器官中特异表达的基因[9]。在这之后，At YY1正式进入了拟南芥研究者们的视线。2012年，清华大学刘进元教授实验室对At YY1进行了进一步的研究。其开发了一种非放射性DNA结合基序发现方法，通过SAAB(selection and amplification-binding assay)实验选择出了一段富含G的11bp长的DNA结合基序——GGGGGNNNNGN，并验证了该基序与AtYY1的结合能力[10]。结合突变分析，确定了该段序列的保守性，发现对G的突变会大大影响该序列的蛋白结合能力。在此基础上，刘进元教授实验室还提供了一些可能与At YY1调控相关的基因，结合At YY1的表达谱分析，推测At YY1在光调控和盐胁迫等方面具有一定的功能[10]。

2a后，在一篇针对MED18基因功能研究的文章中，提出MED18与YY1互作，可以调控植物免疫[11]。MED18是真核生物中一种具有进化保守性的转录辅助因子复合物Mediator家族中的一员[11]。这种转录辅助因子复合物可以接收来自其他元件的调控信息，辅助转录因子影响基因组水平的转录调控。通过双分子荧光互补鉴定(BiFC)的方式，发现MED18与AtYY1互作。MED18与AtYY1的互作并不影响At YY1的DNA结合活性，研究者们推测MED18可能通过直接的物理作用而不是通过影响AtYY1的DNA结合活性来调控AtYY1的转录抑制功能[11]。研究表明，At YY1可以调节植物病害易感基因的表达。对yy1突变体在灰霉菌侵染2d后的叶片材料定量分析发现，TRX-h5、GRXS13和GRX480基因的表达显著升高[11]。TRX-h5、GRXS13和GRX480均为植物病害易感基因，染色质免疫共沉淀(ChIP)数据进一步表明YY1可以直接转录调控GRX和TRX基因的表达[11]。

2016年，研究发现，在拟南芥发育过程中，AtYY1的表达量变化显著。通过GUS染色，Northern印记，RT-PCR等手段分析表明，At YY1在种子发育过程中，乃至幼苗期间，表达量较高；除此之外，YY1在花和20d左右的莲座叶中也有较高的表达量；而在30d左右的莲座叶中，YY1的表达量明显降低[1]。AtYY1在拟南芥发育过程中表达量的变化，表明AtYY1在植物发育过程中有着重要作用。

同时，研究表明AtYY1可能参与ABA信号通路的调控[1]。脱落酸ABA(abscisic acid)是植物中最重要的激素之一，其在植物的生长发育，从种子的萌发到叶片衰老，以及对干旱、盐、低温和病原菌感染等各种环境胁迫的响应等方面起着重要的作用[12]。植物ABA信号通路的相关研究已经非常深入，明确了很多控制ABA信号的调节因子。ABA的核心信号元件包括信号转导器和转录因子，如细胞质内产生的PYR/PYL/RCAR(PYLs)蛋白可作为ABA受体，与ABI1、ABI2或其他2C型蛋白磷酸酶(PP2Cs)组成复合物，抑制其活性，降低PP2C对SnRK2激酶的抑制，激活SnRK2对碱性亮氨酸拉链(basic region/leucine zipper motif,bZIP)转录因子的直接磷酸化，从而上调脱落酸诱导基因的表达传递ABA信号[12]；SnRK(SNF1-related kinase)也是ABA信号途径中的关键成员，其与ABA信号和糖代谢信号的交互作用直接相关，这种信号交互过程还涉及到了ABI3、ABI4和ABI5[13]；其中与AtYY1相关的是ABI4。研究发现，ABA可以诱导At YY1的表达量发生变化，ABI4则是该过程的上游调控因子[1]。已知ABI4可以直接结合ABI5的启动子区域及其自身启动子区域，激活基因表达；而ABI5又能在ABA诱导的基因表达激活过程中和ABI3相互作用[11]。除了在ABA信号通路中参与种子萌发等过程外，ABI4还参与侧根发生等生理过程[14]。在Tian Li等的实验中，通过对突变体及过表达突变体进行ABA处理和NaCl处理，发现At YY1可能对拟南芥ABA及渗透反应存在抑制作用[1]，进一步研究发现AtYY1可能参与调节拟南芥对脱水、干旱等胁迫的响应[1]。通过基因表达谱分析和染色质免疫共沉淀(ChIP)分析，ABA REPRESSOR1(ABR1)作为ABA信号通路的一种阻遏物，被认为是At YY1调控ABA信号通路的主要靶点[1]。

又有研究发现，At YY1可以被酪蛋白激酶II(CKII)磷酸化，来提高At YY1的转录活性和蛋白稳定性[15]。在各种信号通路中，蛋白质的活性和稳定性对其功能的发挥有着重要作用。而蛋白质的磷酸化和去磷酸化又在调节蛋白质活性和稳定性中起着重要作用，由于大量的蛋白激酶和磷酸酶均与ABA信号转导有关，说明可逆磷酸化修饰在调节ABA信号转导的过程中至关重要[15]。At YY1作为CKII的潜在靶标，与CKII、CKB3和CKB4 的2个调节亚基物理相互作用。在体外实验中，AtYY1可以被CKII磷酸化，而S284位点正是CKII的主要磷酸化位点。当S284位点被磷酸化后，At YY1的转录活性和蛋白稳定性均有增加，从而增强了AtYY1在ABA信号通路中的作用[15]。

在最近的一篇与At YY1相关的文章中，提出了At YY1与INOSITOL REQUIRING 80(INO80)相互作用，结合COMPASS Ⅲ组分ATX4和ATX5，行使一些功能，如调控开花时间[16]。INO80是一种染色质重塑复合物，在染色质重塑过程中负责H2A与H2A变体H2A.Z之间的转换过程，还参与滑动核小体[16]。而ATX4和ATXR5都属于SDG蛋白家族，其蛋白中均含有SET结构域。其中ATX4被推测为H3K4甲基转移酶，可以与ATX1和ATX3一起参与抽薹/开花时间的相关调控[16]。此外，ATX4和ATX5被报道在植物生长和ABA响应中发挥部分冗余作用，且能够负向调控干旱胁迫反应[17]。因此，推测AtYY1或许参与拟南芥开花时间的调控，或者在ABA信号通路中与ATX4或ATX5有联系。

目前，AtYY1已被明确指出在ABA信号通路中起着重要作用。在接收到ABA信号后，At YY1可以通过直接激活ABR1基因的表达，间接抑制ABA应答基因的表达，从而对拟南芥种子萌发、幼苗生长、抵抗干旱以及叶片衰老等方面产生作用。除此之外，通过全基因组靶基因分析，AtYY1或许还参与多种生物过程中，包括拟南芥光合作用相关通路、激素反应以及一些应激反应[10]。

2.3 其他植物中YY1的研究进展

抗干旱是研究植物抗逆的主要领域，在拟南芥中，AtYY1作为ABA信号通路的关键调控因子，可以调节植物抗旱程度。2021年，Mahmoud Gad等发表了甘蓝型油菜种子萌发过程中响应干旱胁迫的QTL定位的相关研究，其中，提到了AtYY1在甘蓝型油菜中的同源基因——BnaC09g27320D与甘蓝型油菜的耐旱性有关[18]。TRM1，被认为是玉米中YY1的同源基因，是二磷酸核酮糖羧化酶的抑制基因[19]。通过免疫印迹分析等技术，发现黑暗条件下培养的玉米幼苗叶片叶肉细胞和束鞘细胞中TRM1 mRNA的表达量几乎检测不到，但经过光照后，表达量迅速增加。然而，无论是内源性的TRM1抗体活性物质，还是外源添加的TRM1，在绿叶提取物中的降解速度都比黄化叶更快[19]。因此，推测TRM1与光调控叶片发育有关。

3 展望

在动物中，YY1作为一种重要的PhoRC蛋白，可以与诸多PRC1/PRC2蛋白互作，募集蛋白到靶基因位点，调控下游基因表达。由于其特有的阴阳特性，既能激活下游基因的表达，也能抑制基因的表达。YY1参与细胞分裂、肿瘤等组织的发生以及脂质代谢等重要生物学过程。目前，针对YY1在肿瘤发生过程中的作用机制还有待进一步研究。因此，在肿瘤发生领域，以YY1为靶向治疗癌症具有广阔的研究、应用前景。

在植物领域，YY1基因4段串联锌指序列的高度保守性，推测YY1在不同物种中可能具有相似或相近的功能。目前，小麦、玉米、木本植物YY1基因的相关研究相对欠缺。根据目前模式植物拟南芥中YY1对提高植物抗旱能力的研究，对YY1基因功能的深入研究能够为提高植物抗旱性提供重要参考，也能为作物抗旱育种提供理论基础。