水稻Trihelix转录因子家族基因的全基因组分析(2)

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1 引言

转录因子，又称反式作用因子，是一类DNA结合蛋白，它能够与基因启动子区域的顺式作用元件发生特异性相互作用，并且对转录有激活和抑制作用。典型的转录因子含有DNA结合区、转录调控区、寡聚化位点和核定位信号等结构。在植物中约有60多个转录因子基因家族存在[1]，它们作为一类重要的调控基因，在植物抗逆境及生长发育等生物学功能方面具有重要作用，目前已被研究的转录因子家族有AP2/EREBP、NAC、MYB等。

Trihelix转录因子家族是一类近来才被研究的基因家族[2-7],因为它的DNA结合结构域中含有3个串联的螺旋结构（螺旋-环-螺旋-环-螺旋）才被命名为Trihelix。另外，又因为该结构域能与DNA序列上的光应答元件GT元件特异性结合，故此家族也被称作GT因子家族[8,9]。近期研究发现，Trihelix转录因子家族不仅仅为植物所特有，而且动物中也可能含有该家族基因[10]。从基因数目作比较可知，Trihelix家族属于转录因子家族里面的一个小家族，根据序列预测在拟南芥和水稻中分别只有30和31个成员。目前该基因家族在模式生物拟南芥、水稻、豌豆、大豆和烟草等植物中的成员都或多或少的被克隆。而从豌豆细胞核中分离得到的GT-1蛋白因子[8]是最先被鉴定的Trihelix转录因子家族基因，随后Lam等[11]从烟草中克隆到烟草GT-1因子，并证实其含有3个串联的α螺旋结构域。由此对Trihelix家族基因的研究陆续展开，但之后的研究都只局限于它们对光依赖性靶基因的调控[12],直到本世纪随着一系列具有重要功能的家族基因被发现，对Trihelix家族的功能认知才得以扩宽，逐渐成为近期生物学家关注的热点[2-7]。

Trihelix转录因子家族DNA结合结构域中的3个串联的螺旋结构在家族不同成员间保守性很强，通常以单个或两个形式存在，含有碱性和酸性氨基酸、脯氨酸和谷氨酰胺。Trihelix与MYB的保守结构域具有一定的相似性。MYB转录因子保守结构域也有3个连续的α螺旋，但这种结构域一般以2个或者3个串联形式存在，对Trihelix基因家族进行进化分析，推测该家族起源于一个MYB-like基因，尽管如此，它们的保守结构域之间仍然不同，即Trihelix保守结构域每两个螺旋之间插入的氨基酸序列要比MYB长，故它们在三维构象上存在差异，这是导致它们对DNA识别元件不同的原因[13]。有些Trihelix家族基因含有两个Trihelix结构域，通过生物信息学方法对公共数据库所有可能的Trihelix转录因子进行相应分析，结果表明这两个结构域是由同一个祖先结构域通过自身加倍形成，这一加倍事件发生在苔藓和被子植物的祖先分化之前，并且这类基因在进化过程中经历了一系列的突变，从而引起功能适应性的变化[10]。Trihelix家族根据该亚家族第一个被发现成员的名字可被分为GT-1、GT-2、GTγ、SH4和SIPS1 5个亚家族[7]。GT-1亚家族基因是最早被鉴定的Trihelix家族成员，目前在拟南芥、水稻和烟草中都有相关成员被克隆[11,14-19]。该家族基因在N端含有两个结构域，即Trihelix结构域和第4α螺旋结构域，后者紧靠着N端Trihelix结构域下游，结构域序列很短但保守性非常强，序列一般为(F/Y)-(F/Y)-X-X-(L/I/M)-X-X-(L/I/M)，X代表亲水残基（一般为R、K、D或E）。分析拟南芥30个Trihelix家族成员发现，GT-2亚家族最大的特别之处在于含有两个Trihelix保守结构域（N端三螺旋结构域TN和C端三螺旋结构域TC）, 除GT-2亚家族外，其他亚家族均只含有一个。拟南芥几乎所有GT-2亚家族成员均已被克隆和功能鉴定[7]。另外，水稻、大豆、豌豆以及白杨中也有该家族成员被克隆[13,20-24]。SH4亚家族基因[25]是近几年才被鉴定出的Trihelix家族基因，只含有一个N端Trihelix结构域和一个C端长的α螺旋结构域（S），不含第4α螺旋结构域。目前只有在水稻中鉴定出一个该亚家族成员SH4，也被称为SHATTERING(SHA1)[2,3]。对水稻的Trihelix基因家族进行系统分析，Fang等[5]挖掘到一个全新的亚家族GTγ亚家族，该亚家族基因除含有一个N端Trihelix结构域和第4α螺旋结构域（F）外，在C端含有一个长的α螺旋结构（G），与已知的其他亚家族C端α螺旋结构不同。在拟南芥中，该亚家族基因的研究属于空白，目前只有水稻4个GTγ成员OsGTγ-1、OsGTγ-2、OsGTγ-3和OsGTγ-4基因被克隆，其中部分基因功能得到鉴定[5]。与GTγ亚家族类似，SIP1亚家族基因除含有N端Trihelix结构域、第4α螺旋结构域（F）、C端长α螺旋结构域（S）三个结构域。Trihelix结构域的第3个串联重复的内部疏水区保守氨基酸为苯丙氨酸，而在SIP1亚家族中此位点被异亮氨酸取代，这是SIP1亚家族与GTγ亚家族的差别之处；另外，二者C端长α螺旋结构域区别也较大[7]。目前在烟草和拟南芥中有少数SIP1亚家族成员被克隆和功能鉴定[4,6]。