類蛋白Tubby基因家族研究進展

徐佳寧，劉 鋼，張利云，高建偉

(1.濟南市農業(yè)科學研究院，山東濟南 250316；2.山東水利技師學院，山東淄博 255130；3.山東省農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，山東濟南 250100)

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類蛋白Tubby基因家族研究進展

徐佳寧1，劉 鋼2，張利云1，高建偉3

(1.濟南市農業(yè)科學研究院，山東濟南 250316；2.山東水利技師學院，山東淄博 255130；3.山東省農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，山東濟南 250100)

摘要綜述了TLP基因家族的研究進展，結果發(fā)現有多個TLP基因參與植物對多種生物脅迫和非生物脅迫的應答，這些TLP基因可以作為植物抗逆育種的候選基因，應用于植物抗逆遺傳育種工作中。

關鍵詞類蛋白Tubby基因；基因家族；Tubby基因

Tubby基因家族最早在小鼠基因組中被發(fā)現[1]，之后又有多個具有Tubby結構域的蛋白質被發(fā)現，因而被稱為類Tubby蛋白(Tubby like-protein，TLP)[2]，并廣泛存在于動植物基因中。在小鼠中，當Tubby基因發(fā)生突變時會產生疾病表型，如成熟性肥胖、失明和耳聾[1，3]。目前，已在脊椎動物中發(fā)現了5個TLP家族成員，依次是Tub、Tulp1～Tulp4[3]。擬南芥基因組中發(fā)現了11個TLP家族成員，依次是AtTLP1～AtTLP11[4]；水稻基因組中有14個TLP家族成員，依次是OsTLP1～OsTLP14[5]；玉米基因組有15個TLP家族成員，依次是ZmTLP1～ZmTLP15[6]。類 Tubby蛋白的廣泛存在表明其在動植物生命過程中發(fā)揮極其重要的作用與功能。近年來，隨著對TLP基因研究的深入，發(fā)現其在動植物生長發(fā)育和脅迫應答等方面發(fā)揮重要功能。因此，筆者綜述了TLP基因家族的結構特征及在動植物中的研究進展，旨在為TLP基因應用于植物抗逆遺傳育種提供理論依據。

1TLP基因家族的分子特征

TLP基因家族特征是C端含有一個長度約 270 個氨基酸的tubby結構域，而其N端含有多種不同的結構域。N端結構的多樣性預示了TLP基因功能的多樣性。1999年，Shapiro實驗室發(fā)布了tubby結構域的結晶結構，為研究其功能奠定了基礎[7]。Tubby結構域的空間結構由一個疏水的α螺旋和圍繞在其周圍的含有12片反向的β折疊的β桶狀結構組成。疏水的α螺旋定位在TLP蛋白C端。與動物N端結構的多樣性不同的是，植物中TLP蛋白的N端往往含有一個保守的F-box結構域。

研究TLP家族中不同成員在組織中分布和亞細胞定位有利于闡明其不同功能。在脊椎動物中，Tub基因在視網膜和腦組織的海馬體和下丘腦中表達[1，8]，Tulp1 和Tulp2 分別主要在視網膜和睪丸中表達[9]。然而Tulp3在小鼠生長發(fā)育過程中各個組織中廣泛表達，且在成年小鼠中樞神經系統(tǒng)中穩(wěn)定表達[10-11]。在無脊椎動物中，TLP同源基因也在神經系統(tǒng)中表達。線蟲的tub-1在其纖毛神經元中表達[12-13]，果蠅的TULP在胚胎發(fā)育早期的成神經細胞和胚胎發(fā)育晚期的整個神經系統(tǒng)中表達[14]。在擬南芥中，AtTLP1、AtTLP2、AtTLP3、AtTLP6、AtTLP7、AtTLP9、AtTLP10 和AtTLP11 呈組成型表達，而AtTLP5、AtTLP8則表現出明顯的組織特異性[4]。在水稻中發(fā)現TLP在絕大部分組織中都有表達，且在不同組織中的表達水平不同，說明不同TLP在水稻各種組織中發(fā)揮的作用不同[5]。

2在植物中的研究進展

2.1擬南芥擬南芥的TLP基因家族包含11個基因(AtTLP1～AtTLP11)，其中7個基因定位在染色體I上。除AtTLP4，其他10個AtTLP基因均在擬南芥組織中表達。11個基因C端Tubby結構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端都存在一個保守的F-box結構域。在轉基因植株中超表達AtTLP9基因可以提升其對ABA的敏感性，說明AtTLP9可能參與ABA信號通路[4]。6個AtTLP基因(AtTLP1、AtTLP2、AtTLP3、AtTLP9、AtTLP10、AtTLP11)與擬南芥中的ASK1蛋白互作。F-box結構域和Tubby結構域共同參與ASK1蛋白的互作過程[4，15]。AtTLP6可以與擬南芥中的ASK1、ASK2和ASK11蛋白互作。AtTLP7基因不能與ASK1蛋白互作可能是其F-box結構域中的輔氨酸轉變成亮氨酸，以及半胱氨酸轉變成絲氨酸造成的[15]。AtTLP9在種子萌發(fā)過程中參與ABA信號通路的調控和氧化脅迫應答。AtTLP3在種子萌發(fā)和早期生長過程中參與ABA信號通路的調控[16]。

2.2水稻水稻TLP基因家族包含14個成員(OsTLP1～OsTLP14)，大多數OsTLP基因的N端都包含1個F-box結構域。所有OsTLP基因在水稻不同組織和不同發(fā)育階段均有表達。OsTLP編碼基因家族的系統(tǒng)分析發(fā)現，所有基因在水稻對白葉枯病菌的反應中都表現為轉錄升高[5]。其中OsTLP2 蛋白質可以結合OsWRKY13 轉錄因子啟動子區(qū)的 PRE4 順式元件，OsWRKY13 受病原物的誘導，并調控水稻對細菌和真菌的抗性。超表達OsWRKY13 會提高水稻對白葉枯病和稻瘟病的抗性[17]。OsTLP2、OsTLP7、OsTLP8和OsTLP9 4個蛋白在Xa21介導的白葉枯病抗性反應中發(fā)生表達變化，說明其受抗性反應誘導[18]。另外，OsTLP14在種子萌發(fā)后的幼苗早期1～2 cm時表達量極高，但在5 cm時其表達量驟然降低，至分蘗后期檢測不到表達，說明OsTLP14僅在種子萌發(fā)及幼苗形成過程中發(fā)揮作用[18]。

2.3其他植物玉米TLP基因家族包含15個成員(ZmTLP1～ZmTLP15)，可分為4個亞家族。ABA處理下，7個ZmTLP基因的表達顯著上調。特別是ZmTLP6上調超過40倍，說明ZmTLP基因參與ABA信號通路的調控。7個ZmTLP基因的表達量在高溫或低溫條件下顯著上調。其中，ZmTLP3、ZmTLP8和ZmTLP9同時應答低溫和高溫脅迫，說明其在植物適應溫度變化過程中起重要作用[6]。從蘋果的冷脅迫差異基因表達譜中發(fā)現了一個TLP基因的同源物(MdTLP7)，該基因的表達量在 4 ℃ 冷處理 6 h 時顯著上調表達，暗示其在植物非生物脅迫中起重要作用[19]。將MdTLP7 轉入大腸桿菌后，MdTLP7 的表達顯著增強了原核細胞抵抗鹽與溫度脅迫的能力。該研究還發(fā)現，MdTLP7 的Tubby結構域的β桶狀結構對該蛋白的抗逆功能起關鍵作用。鷹嘴豆的干旱響應蛋白質組中發(fā)現了一個TLP基因(CaTLP1)，其表達量在干旱脅迫、高鹽脅迫和ABA處理下均呈現明顯的上調[20]。將其轉入番茄后，轉基因番茄對干旱脅迫、鹽脅迫和氧化脅迫的耐受性均提高，說明CaTLP1基因的表達可以提升植物對脅迫的抗性。

3在動物中的研究進展

TLP蛋白質在動物中雖然是一個較小的基因家族，但在動物生長發(fā)育中卻發(fā)揮著不可替代的作用。TLP家族蛋白的缺失往往導致動物表型特征的變化，甚至出現嚴重的疾病。缺失tubby基因的小鼠會出現肥胖、失明和耳聾等癥狀。肥胖癥狀在缺失tubby基因的小鼠上呈現一個緩慢的漸變過程，一般在小鼠12～16周齡開始出現肥胖癥狀，并逐步達到正常小鼠體重的2倍[21-22]。小鼠在體重增加過程中體內胰島素水平也持續(xù)增長，但血糖含量保持正常。在人類中，TUB基因被定義為人體肥胖基因的候選基因之一[23]。除了肥胖，缺失Tub基因的小鼠在發(fā)育過程中也表現感覺神經的發(fā)育不全，包括視網膜和耳蝸退化[24]。

人類的TULP1基因突變可導致一種以常染色體隱性遺傳方式遺傳的色素性視網膜炎[25-27]。小鼠敲除TULP1基因后表現出光感受器神經突觸的早期缺陷，以及視網膜變性前期的雙相樹突發(fā)育不良。這說明TULP1基因在光感受器突觸的正常發(fā)育中起關鍵作用[28]。與單獨敲除TULP1基因和Tubby基因其中一個基因相比，同時敲除這2個基因可加快視網膜變性[29]。小鼠TULP3基因突變后可導致胚胎致死或缺陷，缺陷主要包括露腦、脊柱裂和多趾[10，30-32]。目前，尚未有關于敲除小鼠TULP2基因和TULP4基因的報道。但在秀麗隱桿線蟲中，利用RNA干擾技術發(fā)現TULP2基因可以改變其先天免疫反應，TULP4基因的減少可導致細胞因子白細胞介素-6產量的降低[33]。

4展望

自1996年首次從小鼠中克隆到Tub基因以來，發(fā)現TLP基因家族雖然是一個較小的基因家族，卻廣泛存在于動植物基因中，并在動植物生長發(fā)育中發(fā)揮不可替代的作用與功能。當TLP發(fā)生基因突變時會隨之產生部分疾病表型。雖然Tubby基因家族在動植物中的功能尚未完全明確，但近年來，有關其基因家族作用與功能的挖掘與研究已經取得了一些研究成果，其結構也進一步被挖掘出來，其中tubby結構域的高度保守性也表明TLP在多細胞真核生物中具有重要的生理功能。特別是對植物TLP基因家族的研究發(fā)現，多個TLP基因參與植物對于生物脅迫和非生物脅迫的應答。這說明TLP基因可以作為植物抗逆育種的候選基因，應用于植物抗逆遺傳育種工作中。

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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

基金項目山東省農業(yè)科學院院地科技合作引導計劃項目“番茄TLP基因家族的生物信息學分析及其對高溫脅迫的響應機制研究”(2015YDHZ27)；濟南市農業(yè)科技創(chuàng)新計劃項目“茄果類蔬菜越夏新品種選育”(201406)。

作者簡介徐佳寧(1984- )，女，山東淄博人，助理研究員，在讀博士，從事植物生物化學與分子生物學研究。

收稿日期2016-02-02

中圖分類號S 188

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-114-02