植物Trihelix轉錄因子家族的分類、結構和功能研究進展

周穎君　王浩　紀劍輝

摘要：Trihelix轉錄因子家族因其保守結構域均含有3個連續的a螺旋而得名。該家族最早被發現能與光應答元件即GT元件特異性結合，因此也被稱為GT因子家族。最新研究表明該轉錄因子家族不僅參與光反應應答，還廣泛地參與植物生長發育過程以及對生物和非生物脅迫的應答。主要從植物Trihelix轉錄因子家族的分類、結構特征及其生物學功能等方面進行綜合介紹，從而幫助研究者加深對植物Trihelix轉錄因子家族的理解，進而促進基因功能研究的開展。

關鍵詞：Trihelix；轉錄因子；分類；結構特征；功能

中圖分類號：Q943 文獻標識碼：A 文章編號：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

轉錄因子是一類DNA結合蛋白，能夠與靶標基因啟動子區域的順式作用元件發生特異性相互作用，進而調控靶標基因的轉錄。植物中已發現有超過60個轉錄因子家族[1]，目前研究較多的是MYB、NAC、WRKY、DOF、AP2/EREBP等轉錄因子家族，越來越多的研究表明，這些轉錄因子在植物生長發育和環境脅迫應答等發面起著非常重要的作用。Trihelix轉錄因子家族作為植物中的一個小家族，截至20世紀末還僅限于對其光應答反應的研究，隨著生物技術的進步以及生物信息學的發展，越來越多的Trihelix轉錄因子家族成員被鑒定，例如目前擬南芥中已鑒定出30個Trihelix基因，水稻中鑒定出31個，其他物種也相繼有報道。隨之對其在植物生長發育、抗逆境脅迫等其他方面功能的研究也逐步展開。本研究主要從Trihelix轉錄因子家族的分類、結構特征及其生物學功能等方面進行綜述。

1 Trihelix轉錄因子家族的分類

2009年Fang等[2]系統地分析了55個來自水稻（26個）、擬南芥（26個）和煙草（3個）等植物中的GT蛋白序列，根據其進化關系，將GT蛋白分為GTα、GTβ和GTγ 3個亞家族。2012年Kaplan-Levy等[3]分析了30個來自擬南芥和31個來自水稻的Trihelix轉錄因子，根據Trihelix轉錄因子保守結構域的特征，將Trihelix家族分為GT-1、GT-2、GTγ、SH4和SIP1 5個亞家族，其中對GT-1和GT-2亞家族的研究相對較早，兩個亞家族之間的同源性也遠高于其他亞家族。2014年Qin等[4]分析了來自苔蘚、卷柏、二穗短炳草和水稻等11個物種中319個Trihelix轉錄因子，采用JTT氨基酸替代模型將Trihelix家族分為CladeⅠ、CladeⅡ、CladeⅢ、CladeⅣ和CladeⅤ 5個亞家族。推測Trihelix轉錄因子家族分類的差異可能受分析樣本量的影響，但整體上趨于一致。

2 Trihelix轉錄因子結構特征

2.1 Trihelix保守結構域

Trihelix轉錄因子家族均含有一個位于N端的保守結構域（擬南芥At5g47660除外），其中GT-2亞家族在C端也含此結構域，GT-2亞家族兩個Trihelix保守結構域的形成可能是由同一個祖先結構域通過自身加倍形成，這一加倍事件可能發生在苔蘚和被子植物的祖先分化之前。該結構域含3個串聯的α螺旋，呈螺旋-環-螺旋-環-螺旋結構，這與MYB轉錄因子家族3個α螺旋形成的螺旋-轉角-螺旋的結構類似，因此，人們通常認為Trihelix基因家族起源于一個MYB-like基因[5]。Trihelix保守結構域的每個α螺旋均有一個保守的色氨酸，其中GT-1和GTγ亞家族中第三個保守的色氨酸被苯丙氨酸取代，SIP1亞家族中則被異亮氨酸取代。Trihelix結構域也為Trihelix轉錄因子的靶標基因識別域，相關研究表明，3個串聯的α螺旋會形成一個疏水內核，其中第三個α螺旋與靶標序列直接結合，且位于其上的蘇氨酸的磷酸化能增強Teihelix轉錄因子與靶標的結合[6]。

2.2 第四ɑ螺旋結構域

第四α螺旋結構域位于Trihelix保守結構域的下游，通常被認為是Trihelix轉錄因子結合靶標基因序列所必需的，除SH4亞家族之外，其他亞家族均含有此結構域。但SH4亞家族有一個延長的Trihelix保守結構域，可能承擔與第四α螺旋結構域類似的功能。第四α螺旋結構域一般為保守的序列（F/Y）-（F/Y）-X-X-（L/I/M）-X-X-（L/I/M），X為親水殘基，通常為精氨酸、賴氨酸、天冬氨酸或谷氨酸[7]。

2.3 卷曲螺旋結構域

卷曲螺旋結構域位于Trihelix轉錄因子的C端，除At1g13450和At3g25990之外，其他Trihelix轉錄因子均含有此結構，相較于N末端的保守結構域，此結構域在亞家族內部保守，但在亞家族之間則差異較大。相關研究表明，此結構域通常與轉錄因子的二聚化或多聚化相關[8]。

3 Trihelix轉錄因子家族的生物學功能

由于Trihelix轉錄因子最早被發現能識別光應答元件，并與之特異性結合，所以早期對其功能的研究主要集中在對光依賴型靶標基因的調控。但隨著越來越多的Trihelix轉錄因子被克隆和鑒定，對其功能的研究也越來越深入，研究發現Trihelix轉錄因子不僅參與光應答基因的調控，還廣泛參與植物生長發育的各個過程，例如胚囊、種子離層和晚期胚胎的發育、花器官形態的建成、表皮毛和氣孔的形成。此外，越來越多的研究表明，Trihelix轉錄因子還受病蟲害、凍害、干旱和高鹽等的強烈誘導，廣泛參與植物對生物和非生物脅迫的應答反應。

3.1 Trihelix轉錄因子與光應答

已有研究表明，Trihelix家族中與光應答相關的成員主要集中在GT-1和GT-2兩個亞家族。除了最早發現的GT-1和GT-2轉錄因子，Park等[15]通過篩選大豆的cDNA庫獲得GT-2亞家族的轉錄因子GmGT-2，發現該轉錄因子能在光誘導下呈現出表達下調。Nagano等[9]通過酵母單雜交篩選出豌豆中的DF1轉錄因子，該轉錄因子有著與GT-2蛋白相似性極高的保守域，后被證實為Trihelix轉錄因子家族GT-2亞家族的成員，DF1轉錄因子能與DE1和GT-2順式作用元件特異性結合，從而實現對光的應答反應，并受黑暗條件的誘導表達。Wang等[10]從水稻中克隆出GT-1亞家族的轉錄因子Rml1，并通過Northern印記法證實了該轉錄因子參與光應答反應，其表達水平在光周期下呈現出規律的表達變化。

3.2 Trihelix轉錄因子與植物生長發育

PETAL LOSS（PTL）基因是第一個被發現與植物形態發生相關的Trihelix轉錄因子，屬于GT-2亞家族。PTL同源基因出現在除禾本科以外的所有被子植物中，通常在花發育早期——尤其是在花萼原基發生時期表達。相關研究表明擬南芥中PTL基因的突變會造成花萼以及花瓣發育的缺陷[11，12]，例如造成萼片邊緣生長過盛、萼片邊緣融合，影響花瓣的尺寸、形狀以及造成花瓣數量減少等。最新研究表明PTL基因為胚囊發育所必需，其突變體會造成極核融合前的發育停滯。GTL1（GT-2-LIKE1）同樣屬于Trihelix轉錄因子GT-2亞家族，Breuer等[13]研究發現GTL1抑制擬南芥腺毛狀體發育過程中倍性依賴細胞的增長。另有染色質免疫沉淀試驗表明GTL1轉錄因子能與SDD1（Stomatal density and distribution1）基因啟動子中的GT3序列特異性結合[14]，抑制SDD1基因的表達，從而增加葉片背面氣孔的密度，加大水分的蒸騰作用，這一點在GTL1突變試驗中也得到了證實，即GTL1突變體中葉背面氣孔密度降低。進一步的研究表明，在干旱條件下，GTL1表達水平降低伴隨著葉片氣孔密度降低，從而減少了水分的蒸騰。

3.3 Trihelix轉錄因子與環境脅迫應答

AtGT-3b為Trihelix轉錄因子家族GT-1亞家族的成員，Park等[15]通過酵母雙雜交試驗發現AtGT-3b能與大豆鈣調蛋白基因SCaM-4啟動子中的GT-1順式作用元件特異性結合，并且在病原菌和鹽處理后AtGT-3b和SCaM-4表達量迅速提高。這些結果表明AtGT-3b對病原菌和鹽脅迫存在著明顯的應答反應。AtGT2L是一種鈣離子依賴性鈣調素結合蛋白，為Trihelix轉錄因子GT-2亞家族的成員，Northern印記雜交試驗[16]表明AtGT2L在蓮座葉、莖生葉和花中的表達量較高，對低溫、鹽和脫落酸均存在應答反應。試驗表明過量表達AtGT2L會使逆境脅迫誘導基因RD29A和ERD10基因的表達量增高。GmGT-2A和GmGT-2B是從大豆中鑒定出的Trihelix轉錄因子家族GT-2亞家族的成員，Xie等[17]的研究表明，這兩個基因可以調節幼苗的生長并且對鹽、低溫和干旱等非生物脅迫表現出應答反應。其中GmGT-2A并不具有轉錄激活能力，可能需要通過翻譯后修飾來實現。轉基因試驗顯示GmGT-2B在過量表達的同時，DREB2A和RCI3的表達量也會增加，而這兩個基因此前已被證實能增強植株的抗逆性，但其具體的作用機制還需進一步研究。

4 問題與展望

相較于DOF、MYB、DREB、WRKY和NAC等轉錄因子家族，Trihelix是近期才被關注的轉錄因子家族，從基因數目而言，Trihelix也只是轉錄因子家族中的一個小家族。Trihelix最早被發現參與光應答反應，其后隨著生物技術的發展和研究的深入，Trihelix轉錄因子被發現還參與對植物生長發育的調控，并在植物應對生物和非生物脅迫中起到重要作用。到目前為止，Trihelix基因家族中參與光應答反應的成員主要集中在GT-1和GT-2亞家族，參與植物生長發育調控的成員主要分布在GT-2、SH4和SIP1亞家族，參與應答生物和非生物脅迫的成員主要分布在GT-1、GT-2和GTγ亞家族。這也表明Trihelix轉錄因子的功能與分類并不具有明顯的關聯性。近來也有研究表明，Trihelix基因也可能存在于動物中[18]。隨著今后對Trihelix基因家族研究的深入，將有更多的成員被鑒定，其功能也將會進一步被挖掘。

參考文獻：

[1] RIECHMANN J L， HEARD J， MARTIN G， et al. Arabidopsis transcription factors： Genome-wide comparative analysis among eukaryotes[J]. Science， 2000， 290（5499）：2105-2110.

[2] FANG Y， XIE K， HOU X， et al. Systematic analysis of GT factor family of rice reveals a novel subfamily involved in stress responses[J]. Molecular Genetics and Genomics， 2010， 283（2）：157-169.

[3] KAPLAN-LEVY R N， BREWER P B， QUON T， et al. The trihelix family of transcription factors-light， stress and development[J]. Trends in Plant Science， 2012， 17（3）：163-171.

[4] QIN Y， MA X， YU G， et al. Evolutionary history of trihelix family and their functional diversification[J]. DNA Research， 2014， 21（5）：499-510.

[5] NAGANO Y. Several features of the GT-factor trihelix domain resemble those of the Myb DNA-binding domain[J]. Plant Physiology， 2000， 124（2）：491-494.

[6] NAGATA T， NIYADA E， FUJIMOTO N， et al. Solution structures of the trihelix DNA-binding domains of the wild-type and a phosphomimetic mutant of Arabidopsis GT-1： Mechanism for an increase in DNA-binding affinity through phosphorylation[J]. Proteins， 2010， 78（14）：3033-3047.

[7] LAM E. Domain analysis of the plant DNA-binding protein GT1a： Requirement of four putative alpha-helices for DNA binding and identification of a novel oligomerization region[J]. Molecular and Cellular Biology， 1995， 15（2）：1014-1020.

[8] KUHN R M， CASPAR T， DEHESH K， et al. DNA binding factor GT-2 from Arabidopsis[J]. Plant Molecular Biology， 1993， 23（2）：337-348.

[9] NAGANO Y， INABA T， FURUHASHI H， et al. Trihelix DNA-binding protein with specificities for two distinct cis-elements： Both important for light down-regulated and dark-inducible gene expression in higher plants[J]. Journal of Biological Chemistry， 2001， 276（25）：22238-22243.

[10] WANG R， HONG G， HAN B. Transcript abundance of rml1， encoding a putative GT1-like factor in rice， is up-regulated by Magnaporthe grisea and down-regulated by light[J]. Gene， 2004， 324：105-115.

[11] GRIFFITH M E， CONCEICAO A D S， SMYTH D R. PETAL LOSS gene regulates initiation and orientation of second whorl organs in the Arabidopsis flower[J]. Development， 1999， 126（24）：5635-5644.

[12] BREWER P B， HOWLES P A， DORIAN K， et al. PETAL LOSS， a trihelix transcription factor gene， regulates perianth architecture in the Arabidopsis flower[J]. Development， 2004， 131（16）：4035-4045.

[13] BREUER C， KAWAMURA A， ICHIKAWA T， et al. The trihelix transcription factor GTL1 regulates ploidy-dependent cell growth in the Arabidopsis trichome[J]. The Plant Cell， 2009， 21（8）：2307-2322.

[14] YOO C Y， PENCE H E， JIN J B， et al. The Arabidopsis GTL1 transcription factor regulates water use efficiency and drought tolerance by modulating stomatal density via transrepression of SDD1[J]. The Plant Cell，2010，22（12）：4128-4141.

[15] PARK H C， KIM M L， KANG Y H， et al. Pathogen-and NaCl-induced expression of the SCaM-4 promoter is mediated in part by a GT-1 box that interacts with a GT-1-like transcription factor[J]. Plant Physiology，2004，135（4）：2150-2161.

[16] XI J， QIU Y， DU L， et al. Plant-specific trihelix transcription factor AtGT2L interacts with calcium/calmodulin and responds to cold and salt stresses[J]. Plant Science， 2012， 185-186：274-280.

[17] XIE Z M， ZOU H F， LEI G， et al. Soybean Trihelix transcription factors GmGT-2A and GmGT-2B improve plant tolerance to abiotic stresses in transgenic Arabidopsis[J]. PloS One， 2009， 4（9）：e6898.

[18] RIANO-PACHON D M， CORREA L G G， TREJOS-ESPINOSA R， et al. Green transcription factors： A chlamydomonas overview[J]. Genetics， 2008， 179（1）：31-39.