植物特异性转录因子的DNA结合结构域: 结构、功能和进化外文翻译资料

植物特异性转录因子的DNA结合结构域: 结构、功能和进化

作者：Kazuhiko Yamasaki^{1, 2}, Takanori Kigawa^{2, 3}, Motoaki Seki⁴, Kazuo Shinozaki⁴, and Shigeyuki Yokoyama^{2, 5}

单位：

1 Biomedical Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 1-1-1 Higashi, Tsukuba 305-8566, Japan

2 RIKEN Systems and Structural Biology Center, 1-7-22 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama 230-0045, Japan

3 Department of Computational Intelligence and Systems Science, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, Yokohama 226-8503, Japan

4 RIKEN Plant Science Center, 1-7-22 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama 230-0045, Japan

5 Department of Biophysics and Biochemistry, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan

摘要：植物特异性转录因子(TFs)根据其特有的DNA结合结构域(DBDs)划分为不同的家族，例如 AP2/ERF、 B3、 NAC、 SBP 和 WRKY。近期，研究者们已经通过核磁共振技术和 x衍射晶体学测定出DBDs以及与 DNA结合成复合物状态后的三维结构。在本文中，我们基于结构分析，总结了植物特异性转录因子DNA结合结构域对其生物学功能的影响及其自身进化的意义。令人惊讶的是，B3和限制性内切酶EcoR II的非催化DBD之间具有结构相似性。因此，我们建立出B3/ DNA复合物的结构模型。植物特异性TFs的大部分DBD可能来源于与转座元件相关的内切酶。单细胞真核生物中进化出DBDs之后，它们通过充分地进化，适应多样的植物特异化需求，拓展了许多新的功能。

植物特异性转录因子TF家族

根据编码 DBDs 的保守序列，植物特异性转录因子被划分为多个家族。在完成拟南芥(Arabidopsis)全基因组测序后^[1,2]，研究人员鉴定出约30个TF家族的1500个可能的转录因子。其中，约有一半转录因子家族并未在其他真核生物谱系出现，因此，学者们推断其具有植物特异性。这些植物特异性转录因子家族包括APETALA2(AP2)/乙烯反应元件结合因子(ERF)、NO APICAL MERISTEM、 ATAF1/2、CUP-SHAPED COT- YLEDON 2(NAC)、 WRKY、SENSI- TIVE 3 (ABI3)/VIVIPAROUS1 (VP1)、生长素反应因子(ARF)和鳞片启动子结合蛋白(SBP)。目前已确定的植物特异性TF家族成员大多参与调控植物特异性器官发育和植物适应立地环境的应答反应过程^[3]。AP2/ERF、 NAC、 SBP 和 WRKY 家族成员都拥有DBDs，它们以各自的TF家族命名。ABI3/VP1和ARF家族成员均拥有一个B3 DNA结构域，被归类为B3超家族。

那么，植物特异性 TFs 的进化起源是什么？这些保守的结构域说明了什么？特异的DNA结构与如何识别靶基因DNA序列？三维结构为解答谜题提供线索^[4-14]。我们的小组和其他研究者已经确定了植物特异性TFs 和DNA复合物中的 DBDs 的结构。本文介绍了植物特异性转录因子家族的主要特征，并阐述了这些转录因子的特殊结构，这对理解植物特异性转录因子的功能机制和进化历史具有意义重大。

AP2/ERF家族

AP2/ERF家族是最大的植物特异性TF家族(图1)，分为以下四个主要亚家族：AP2、ERF、脱水反应性元件结合蛋白(DREB)和ABI3/VP1相关蛋白 (RAV)。^[15-19]这些亚家族的成员参与了对非生物胁迫的响应，如：寒冷、脱水、热激和机械胁迫，乙烯反应以及植物花、根、胚和种子发育响应^[20]。RAV亚家族成员还参与叶片衰老过程。

DBD及其识别序列

所有 AP2/ERF 家族成员具有大约60个氨基酸的保守DBD(即AP2/ERF结构域)。DREB 亚家族和 ERF亚家族成员只有一个AP2/ERF 结构域，而AP2亚家族成员则有两个重复结构域^[21]。RAV 亚家族的成员除了拥有 AP2/ERF 结构域之外，还拥有一个B3结构域^[22]。DREB转录因子在AP2/ERF结构域之外具有特征区域，有助于DNA结合。事实上，不同亚家族之间，DBD识别和结合的DNA序列是不同的。DREB和ERF亚家族的成员可以识别相似但略有不同的序列^[15]，例如DREB 转录因子识别脱水响应元件DRE序列5rsquo;-A /GCCGAC- 3rsquo;, ERF转录因子识别GCC-box序列5rsquo;- AGCCGCC-3rsquo; ^[23]。 AP2亚家族成员可识别较长一段序列，5rsquo;-GCAC(A/G)N(A /T) TCCC(A /G)ANG(C/T)-3rsquo;。^[21]RAV1的AP2/ERF结构域与B3结构域不同，可以识别5rsquo;-CAACA-3rsquo;基序。

图1. 植物特异性转录因子(TF)家族DNA结合域(DBDs)的结构。(a) DNA复合体中的AP2/ERF结构域。(b) B3域。(c) DNA复合体中的WRKY结构域。(d) NAC域。(e) SBP结构域。在(c)和(e)中，红色球体表示Zn离子。(d)中，红色圆圈和红色箭头分别表示形成二聚界面和铰链的反平行b片。(c)和(d)中，黑色箭头分别表示WRKYGQK和WKATGXD[K/R]序列的位置。(e)箭头表示c端基本尾。(1)拟南芥中预测蛋白的数量，(2)结构描述，(3)代表性识别序列，(4)主要已知功能，(5)蛋白质数据库(PDB)输入代码(图中使用的蛋白质在DBD结构中有下划线)。蛋白质以彩虹色显示，从蓝色(N端)到红色(C端)。由于WRKY^[2]之外的数据库中预测蛋白的数量有所不同，因此预测蛋白的数量在范围内显示。^[3]对于B3超家族，Swaminathan et al.统计的数量已在此标明，分子图形用Pymol画出(Shrdinger, LLC)。

DNA复合物的DBD结构^[4]

与GCC-box DNA结合的AtERF1，其AP2/ERF结构域的核磁共振溶液结构如图1a所示。结构域由一个三股的b-折叠结构和一个a-螺旋结构组成。b-折叠的部分可结合于DNA的大沟，其中折叠平面几乎平行于DNA的螺旋轴^[24,25]。而细菌起源的Tn916-整合酶和l-整合酶的三维结构和DNA结合模式类似于AtERF1，它们也具有一个反向平行的三链b-折叠结构，b-折叠位于DNA大沟中，与a-螺旋排列在一起。归巢内切酶的结构也与之相似。^[26,27]事实上，在纤毛虫、蓝藻和噬菌体中发现了编码归巢内切酶的基因，该基因的定位区域与AP2/ERF结构域同源。此外，学者^[28,29]在顶复亚门中发现了大量可能包含AP2/ERF域的转录因子，这表明该家族谱系进行了特异性扩展。最近，研究人员对DNA复合物AP2/ERF结构域进行晶体学分析^[30]，发现AtERF1和细菌整合酶具有相同的结构基序和DNA结合模式。然而，顶复门原虫结构域的不同之处在于，它是在同型二聚体中发现的，其中一个单体的a-螺旋与另一个单体的b-折叠进行排列。最近，研究人员^[29,31]已经确定了顶复门原虫 AP2/ERF转录因子的识别序列，发现其与植物AP2/ERF的识别序列具有多样性和差异性。

B3超家族

^[3]B3超家族包括ARF、LAV、 RAV、和生殖顶端分生组织 (REM) 家族，在拟南芥中共有118个成员，其功能主要与激素反应相关。它们具有大约110个氨基酸的B3特异DNA结构域，ARF、LAV家族成员具有单一B3结构域，而REM家族的重复次数多达6次。此外，如前所述，RAV家族成员除了具有B3 特殊DNA结构域外，还具有AP2/ERF结构域。通过研究，已经确认的是以下家族特异识别基序，如：^[32]ARF家族成员识别基序(5rsquo;-TGTCTC-3rsquo;) ，^[33]LAV家族成员ABI3/VP1成员识别基序(5rsquo;-CATGCA-3rsquo;)，^[21] RAV家族成员B3结构域识别基序(5rsquo;-CACCTG-3rsquo;)。与其他家族相比，^[34]REM家族的VRN1具有非特异性DNA结合能力。

DBD结构和蛋白质/DNA复合物模型

^[7,9]研究人员已经确定了REM家族中RAV1和At1g16640的B3域的溶液结构。该结构都由一个位于开口筒体中的七股beta;折叠组成，并位于筒体两端含有两个短alpha;螺旋(图1b和2a)。^[33,36]其结构与大肠杆菌限制性内切酶EcoR II和芽孢杆菌限制性内切酶Bfi I的非催化DBD惊人地相似(图2a和b)，^[7]B3结构域和限制性内切酶EcoR II之间的保守氨基酸残基同样具有相似性。EcoR II中DNA复合物的DBD结构也已明确。那么，基于结构相似性，我们根据EcoR II中DNA复合物的DBD结构，构建了DNA复合物中RAV1-B3结构域的结构模型(图2c)。在此之前，^[7]我们曾用NMR滴定法鉴定DNA上的残基，然后构建了复合体的模型。虽然两种模型的分子界面相似，但它们在蛋白质和DNA螺旋轴的相对方向上相差约908。在现有的模型中，蛋白质-DNA结合区域扩展为6个碱基对，这与B3结构域的识别序列一致。由于在模型装配方面进行了改进，现有模型较之过去，效率大大提高。通过现有模型我们可以识别出12个位于DNA附近的残基(图2)，而之前的模型可以识别7个残基，4个旧模型才能得到现有模型1个所能得到的结果。这些残基在稳定蛋白质- DNA复合物结构方面具有重要作用，可成为蛋白质工程的研究方向，修饰蛋白质功能。

图2. 基于与EcoR II非催化结构域的相似性建立B3结构域/DNA复合物的模型。(a) RAV1-B3结构域[Protein Data Bank (PDB) code: 1wid]。(b) EcoR II的N端非催化结构域(N域)(PDB代码:1na6)。(c) RAV1-B3结构域/DNA复合体模型。在(a)和(b)中，b筒核心的结构非常相似(黄色)，而填充螺旋的位置不同(红色)。该模型是通过(i) RAV1-B3结构域和EcoRIIN-结构域/DNA复合体结构的两两对齐来构建的。参与DNA结合残留物Thr193, Pro194, Ser195, Lys199, Leu200, Arg202, Val204, Arg241, Ser243, Trp245, Asn246, Ser250,其侧链用(c)中的木棍表示。其中,Leu200, Arg202, Trp245,和Asn246必然DNA碱基通过形成氢键、疏水作用、这些在序列特异性DNA结合中可能是重要的[在(c)中显示红色并标记]。其他残基靠近DNA的磷酸基[在(c)中显示为黄色]，其中Thr193、Ser195、Lys199、Arg241、Ser243和Ser250与磷酸氧形成氢键。Trp245通过疏水作用与DNA碱基相互作用，同时与磷酸氧形成氢键。

WRKY家族

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