中介體亞基MED25調控植物激素信號轉導的研究進展

竇悅 劉美彤 盧安娜 吳佳潔 王群青 胥倩

（1. 山東農業大學農學院 作物生物學國家重點實驗室，泰安 271018；2. 山東農業大學植物保護學院 山東省農業微生物重點實驗室，泰安271018）

植物的生長發育以及對外界環境的適應都離不開植物激素的調節，這種調節依賴特異的轉錄因子對下游基因的表達調控。基因的特異性轉錄需要將調控信號恰當地傳遞到負責轉錄的通用RNA聚合酶Ⅱ裝置上。然而，絕大多數轉錄因子并不能夠直接與RNA聚合酶II結合，兩者之間還需要一個橋梁來共同形成轉錄預起始復合物（Pre-initiation-complex，PIC）［1］。近年來的研究發現中介體能夠招募轉錄因子形成轉錄復合物，使轉錄因子與RNA聚合酶II連接起來，并對轉錄調控的進行發揮重要作用。Mediator25（MED25）是中介體的一個亞基，它可以與激素途徑中的特定轉錄因子互作并調控下游基因的轉錄，從而影響植物的各種生理過程。

1 植物中介體的發現和研究

中介體首次在酵母中發現，其含有25個亞基，而哺乳動物和植物中則分別由31和35個亞基組成［2-4］。中介體復合物一般由4個模塊組裝而成，分別是頭部（head）、中部（middle）、尾部（tail）以及細胞周期素依賴性激酶（Cyclin-dependent kinase 8，CDK8）［1］。其中頭部模塊主要與RNA聚合酶II相結合，由 MED6、MED8、MED11、MED17、MED18、MED19、MED20和MED22等亞基組成；中部模塊同樣可與RNA聚合酶II結合，同時對中介體結構穩定性十分重要，由MED1、MED4、MED5、MED7、MED9、MED10、MED21和MED31等亞基組成；尾部模塊提供了多種激活子的結合位點，由MED2、MED3、MED14、MED15和 MED16等亞基組成［5］；激 酶 域 主 要 包 括 ：CDK8、Cyclinc、MED12和MED13，它們可以與以上3個模塊組成的中介體中心結構可逆的結合，通過磷酸化轉錄因子、破壞尾部或與轉錄激活子的結合，以及影響中介體與RNA聚合酶II的結合來負向調控轉錄［5］。對中介體復合物的結構分析，進一步明確了中介體復合物與RNA聚合酶II的結合方式對穩定轉錄體系的重要意義。

植物中介體的研究相對比較滯后，直到2007年才被發現并分離出來［6］。研究人員首先通過序列比對的方法尋找酵母中介體亞基在擬南芥中的同源基因，卻僅僅找到MED6、MED7和MED10等少數亞基，另外多數亞基的序列相似性很低，因此難以判定植物中是否也存在中介體復合物［2］。于是研究人員用擬南芥MED6和MED7蛋白制備抗體，以擬南芥懸浮細胞總蛋白為材料進行免疫沉淀，并結合質譜分析最終分離到了擬南芥中的中介體復合物［6］。研究發現擬南芥中介體共有21個保守的亞基和6個植物特有的亞基。與中介體復合物同時洗脫的還有RNA聚合酶II的一些肽段，證實得到的是一個中介體-RNA聚合酶II的復合物。盡管沒有同時將中介體的激酶域洗脫下來，研究人員通過同源比對發現擬南芥中也存在同源的MED12、MED13、CDK8和CycC（Cyclin C）。有意思的是，在分離到的中介體亞基中，有一些是之前報道過的調控特定途徑的蛋白，如MED25/PFT1（PHYTO-CHROME AND FLOWERING TIME）參與開花調控途徑［7］，MED14/SWP（STRUWWELPETER）參與細 胞的增殖［8］，CDK8/HEN3（HUA ENHANCER3）參與花器官的發育等［9］。擬南芥中介體復合物的分離純化為人們研究植物體內的轉錄調控提供了一個新的切入點。

2 植物MED25的研究進展

2.1 植物MED25的發現

MED25在植物中的發現存在一定的偶然性。首先，在篩選擬南芥誘導突變群體的過程中鑒定出一個隱性pft1突變體，其在亞適光條件下顯示晚開花表型。這表明突變基因調控避蔭性（shadeavoidance）［7］。隨后的分析發現PFT1受上游的光敏色素B（phyB）控制，進而調控下游控制開花時間基因（FLOWERING TIME，FT）的表達來正向調節開花過程［7］。雖然當時的研究已經揭示PFT1是一種與動物的轉錄激活子相似的核蛋白，然而直到后來，在純化植物中介體復合物的研究中才發現PFT1編碼的其實就是中介體亞基MED25［6］。自此，med25突變體被應用在不同的功能篩選中，并鑒定出各種由PFT1/MED25調控的植物生理功能［10-11］。除已知MED25參與了開花時間的調控外，還有報道MED25亞基參與了生物和非生物脅迫響應，并與轉錄因子DREB2A（DRE-binding protein 2A）、ZFHD1（Zinc-finger homeo domain1）以及MYB-LIKE相互作用［12-13］。MED8和MED25一樣參與植物的開花調控和對尖孢鐮刀菌Fusarium oxysporum的抗性［13］，以及植物器官大小的調控［14-15］。最新證據表明MED25介導的某些功能在雙子葉植物和單子葉植物之間是保守的［16］。隨著擬南芥中介體復合物的分離，對MED25功能的研究近幾年成為了熱點。

2.2 MED25的功能結構域

酵母不含有MED25的同源基因，在植物中也僅發現單基因編碼的MED25［17］。目前還不清楚MED25在中介體復合物中的位置。然而，從MED25與許多轉錄因子以及MED16（一種尾部模塊亞基）相互作用推斷MED25最可能與中介體復合物的尾部模塊相關［17-18］。

MED25含有執行特定功能的多個蛋白域，分別是von Willebrand Factor Type A（vWF-A）結構域、MD結構域、ACID結構域、以及Q-rich結構域（圖1）［16］。其中位于MED25蛋白N末端的vWF-A結構域是其與中介體復合物尾部亞基MED16相互作用所必需的［18］；中間域（Middle Domain）目前未發現執行具體功能；激活子相互作用結構域（Activator interacting domain，ACID）是MED25與轉錄激活因子（如AP2/ERF和MYC）以及抑制因子（如JAZ蛋白）相互作用所必需的［19-21］。位于MED25蛋白C-末端保守的富含谷氨酰胺的（Q-rich）結構域，它可能參與到轉錄激活功能［6-7，12］。Q-rich區的存在或缺失以及長度都會影響MED25調控植物開花的功能。MED25在Q-rich區域的兩種不同的選擇性剪切在進化上是保守，并且與該蛋白執行的不同功能有關［22］。MED25不直接與RNA聚合酶II相互作用，而是通過招募轉錄因子形成轉錄復合物，然后將轉錄因子與RNA聚合酶II連接起來，從而激活或抑制下游基因的轉錄［12，23-24］。

圖1 擬南芥MED25（AtMED25）的蛋白功能結構域

3 MED25在植物激素信號轉導中的調節作用

近年來的研究結果表明MED25在多種激素相關途徑中發揮著重要的作用，它既可以單一調控某一種激素信號途徑，又可以在植物激素信號途徑crosstalk中起重要調節作用［16］。

3.1 MED25與茉莉酸（JA）信號途徑

在茉莉酸信號途徑中，中介體亞基MED25作為一個正向調節因子，參與擬南芥對生物和非生物脅迫的反應［25］。MYC2是內源激素茉莉酸信號通路的核心轉錄因子，調控茉莉酸反應的多個方面，包括根生長、機械受傷反應和抗病反應等［26］。在低茉莉酸水平下，JAZ蛋白復合物通過直接與MYC2互作、招募組蛋白脫乙酰酶（HDAC）或抑制RNA聚合酶II介導復合物的活性等作用來抑制MYC2的轉錄活性，從而調節茉莉酸介導的基因表達的不同方面［27-30］；在高茉莉酸水平下，JAs被COI1-JAZ共受體復合物感知，這導致JAZ抑制子作用的破壞和MYC2轉錄因子的釋放，從而調控多種茉莉酸介導的抗脅迫反應［26］。在發現MED25之前，MYC和其它調節JA反應途徑的轉錄因子招募中介體復合物的機制尚不清楚［13］。近年來研究發現，MED25突變后影響了MYC2的功能及茉莉酸誘導的基因表達［21］。一系列生化證據表明，在茉莉酸誘導的基因轉錄過程中，MED25的一個重要作用是把RNA聚合酶II及相關的轉錄輔助因子招募到MYC2靶標基因的啟動子區域，進而精細調節MYC2的轉錄調控活性［31］。另外，研究發現MED25與各種茉莉酸相關的轉錄因子之間的相互作用進一步證明了MED25參與茉莉酸信號傳導的作用［32］。首先，使用MED25的保守ACID結構域作為誘餌，對來自62個家族的1589個擬南芥屬轉錄因子進行高通量酵母雙雜交篩選［33-34］，鑒定了8個與MED25相互作用的轉錄因子，其中有6個屬于AP2-ERF家族中，一個屬于GARP-G2樣家族中，另一個屬于B-Box家族中［32，35］。研究發現AP2-ERF家族的3個轉錄因子（At3g23220、At3g23240和At4g18450）作用于茉莉酸信號傳導途徑的下游［32］。它們與目的基因啟動子的GCC-box結合，然后通過AP2-ERF家族蛋白的C末端保守EDLL基序與MED25的ACID域結合，并將轉錄信息傳遞給RNA聚合酶II，介導了一系列基因的表達［23］。另外，包括ORA59和ERF1（Ethylene response factor 1）以及MYC家族的轉錄因子包括MYC2、MYC3和MYC4等與JA響應相關的轉錄因子也顯示與MED25有直接相互作用［19-20］。相關研究顯示，MED25作用于ERF1、ORA59和MYC2的下游，并且對于JA介導的病原體防御基因如 PDF1.2 的激活是必需的［13，19，36］。另外有證據顯示，MED25對于MYC2介導的昆蟲防衛基因VSP的激活也是必須的［13，19］。

與MYC轉錄因子類似，JAZ家族的抑制子如JAZ9通過其保守的JAS（JA Associated）域與MED25直接互作，而這種互作會干擾MED25與MYC2的互作，證明抑制子和激活子通過與MED25的競爭結合來調控茉莉酸信號途徑［21，37］。

此外，MED25還可與中介體復合物的CDK8互作，正向調控JA響應的基因如PDF1.2的表達［38］。另外CDK8與MED25都可與調控蠟質合成的AP2/ERF家族轉錄因子WIN1（WAX Inducer 1）互作，共同調控表皮角質層的形成和植物的防衛反應［39］。

3.2 MED25與生長素（Auxin）信號途徑

研究發現MED25還參與調控生長素介導的根系發育過程。在擬南芥中MED25的功能喪失會促進主根和側根的生長以及側根和不定根形成［40-41］。而MED25過表達可以減少這些反應［41］。已知生長素（吲哚-3-乙酸，IAA）在側根發育的各個階段發揮重要作用［42-43］。IAA或合成植物生長素物質如萘乙酸（NAA）的施用可刺激側根的形成，而用極性生長素轉運抑制劑處理能抑制側根發生［44-45］。有研究表明MED25在側根原基形成期通過負向調節植物生長素運輸和相關基因表達來調節側根的形成［41］。

最新研究表明，中介體復合物CDK8結構域的一部分：MED13/MAB2/GCT（MACCHI-BOU2/GRAND CENTRAL）通過與生長素信號途徑的ARF7和ARF19以及Aux/IAA14的結合來調節生長素信號傳導［46］。在低生長素水平下，Aux/IAA14通過與共阻遏蛋白TPL以及中介體亞基MED13形成復合物來抑制核心中介體復合物與RNA聚合酶II之間的相互作用，從而抑制ARF7和ARF9的作用。在高生長素水平下，Aux/IAA14降解并且導致TPL和MED13從復合物解離［46］。ARF7和ARF9通過與LBD16（LOBDOMAIN16）啟動子中發現的生長素應答元件（AuxE）結合，并與MED25相互作用以募集核心介體復合物和RNA聚合酶II，從而調控基因的表達［46-47］。

3.3 MED25與乙烯（Ethylene）信號途徑

MED25在乙烯信號途徑中既可以作為負調控元件調節植物的抗病反應，又可以作為正調控元件調節植物響應缺素癥。

小麥白粉病作為一種世界性病害，在很長的一段時間里，科學家對防御其的轉錄調控系統缺乏深入的了解［48-49］。最近研究發現，小麥中介體亞基編碼基因TaMED25的敲除可以降低小麥對白粉病的易感性，同時乙烯信號途徑的轉錄因子TaEIL1也可以負調控小麥對白粉病的抗性［50］。將TaMED25的ACID結構域和TaEIL1進行酵母雙雜交實驗，發現兩者能夠互作，并共同調節乙烯信號下游靶基因TaERF1的表達，進而激活乙烯對病原菌信號的響應，負向調控對白粉病的抗性［51］。

營養缺素方面，MED25通過乙烯信號途徑正向調控缺鐵反應。med25突變體顯示出對鐵元素缺乏的敏感性增加，表明MED25是這些反應的正調節劑［52-53］。MED25通過與乙烯信號傳導組分EIN3和EIL1以及調控鐵元素缺乏反應的另一介體復合物亞基MED16相互作用［54］，將鐵缺乏信號傳遞給RNA聚合II以激活參與鐵穩態的基因IRT1（鐵調節的轉運蛋白1）和FRO2（鐵還原氧化酶2）的表達［55-56］，以此來調控應對鐵元素缺乏的脅迫反應。

3.4 MED25與脫落酸（ABA）信號途徑

MED25在蛋白水平上可以與ABI5相互作用，并負向調控脫落酸（ABA）信號途徑［31］。研究發現，擬南芥med25突變體對ABA抑制種子萌發和幼苗生長更加敏感，顯示MED25也參與調控ABA信號途徑［31，57-58］。擬南芥 MED25 在脫落酸信號轉導途徑中主要是與ABI5（ABA-INSENSITIVE 5）相互作用，而ABI5是一個bZIP家族轉錄因子，調控種子成熟和萌發過程中的ABA信號［59］。有趣的是，酵母雙雜交實驗發現MED25并不與ABI5的轉錄激活區互作，因此這種調控還存在某種未知的機制［31］。與茉莉酸信號轉導途徑中所起的正調控作用相反，MED25負調控依賴于ABI5的ABA信號途徑。此外med25突變體內的ABI5蛋白水平顯著升高，是導致突變體對ABA超敏感的原因［31］。進一步的實驗表明MED25與ABI5轉錄因子相互作用并負向調控ABI5蛋白的降解過程，實現對早期幼苗發育的ABA應答基因（EM1、EM6和RAB18）的表達來影響 ABA 信號通路［31，60］。

3.5 MED25共調節多種激素途徑

截至目前，對中介體亞基MED25調控激素方面的報道主要集中在茉莉酸、生長素、乙烯和脫落酸信號途徑中，而MED25又極有可能是多個激素途徑crosstalk的共享元件。前文提到，MYC2是擬南芥中茉莉酸（JA）信號傳導途徑主要調節劑［28］，有趣的是MYC2還是JA信號與其它激素如脫落酸（ABA）、水楊酸（SA）、赤霉素（GAs）和生長素（IAA）信號傳導途徑之間的連接紐帶［26］。MYC2通過其N末端的轉錄激活結構域（TAD）特異性地與中介體亞基MED25的ACID結構域和MD中間結構域的10個氨基酸部分互作，來募集轉錄起始所需的中介體復合物進而對激素信號作出響應［19-20］。可以看出MED25作為多個激素信號通路調節機制的共享元件，既可以和轉錄激活子（如MYCs和ERFs）也可以和抑制子（JAZs、ABI5）相互作用，也可以和中介體復合物的其它亞基或組成部分（MED16和CDK8等）相互作用，改變中介體亞基與轉錄因子和RNA聚合酶II之間的相互作用，以實現多種激素信號的精細調控。最新的研究表明，MED25參與JA和乙烯共同調節的植物的抗病途徑［61］。胍丁胺香豆酰基轉移酶（AtACT）是防御壞死病原體的次生代謝物質-羥基肉桂酸酰胺（HCAAs）生物合成反應的關鍵酶［62-63］，而ORA59是茉莉酸和乙烯介導的植物防御反應的關鍵正調控因子［64］。研究發現ORA59作用于AtACT的啟動子區，MED25可以促進ORA59同源二聚體對AtACT啟動子的活性從而合成HCAAs來共同調節茉莉酸和乙烯的響應。

4 總結與展望

中介體是研究真核生物基因轉錄調控的重要切入點，也是目前研究的熱點。中介體亞基MED25廣泛參與了茉莉酸、生長素、乙烯、脫落酸等激素途徑的信號轉導、調控和轉錄相關的多個生物學過程。可以看出，MED25是一個多功能的中介體亞基，如同一個信號處理器，接收來自不同激素受體的信號，并輸出合適的信號給轉錄機器以啟動激素介導的特異性生理反應，使得特定的信號途徑得以精細而準確的調控。MED25可以通過與激素途徑中特異的轉錄因子以及中介體復合物相互作用來正向或負向調控激素信號轉導，但MED25如何實現多激素途徑信號的準確傳遞還不清楚，其分子機制還需要進一步的探明。在這種多維信號轉導的過程中，中介體的構象是否發生變化，以及哪些轉錄因子會使其構象發生變化進而調控植物生長發育的機理尚不清楚。

目前MED25參與其它植物激素途徑如水楊酸，赤霉素和油菜素內酯等方面的報道還未出現，但已有報道其它中介體亞基參與了這些激素途徑，如MED14、MED15、MED16和MED19a調節水楊酸引發的對活體和半活體病原菌的免疫性［64-66］；番茄中介體亞基SlMED18正調節赤霉素生物合成和信號轉導以及生長素的極性運輸等［67］。相信不遠的未來，MED25在這些激素途徑中的作用也會被一一揭示。

同樣因為中介體對于植物轉錄調控和脅迫響應的重要作用，其亞基或復合物也成為病原菌效應分子攻擊的對象。有報道擬南芥霜霉菌（Hyaloperonospora arabidopsidis）分泌的RXLR家族效應子HaRxL44能與MED19a互作，導致MED19a通過蛋白酶體途徑降解，使水楊酸信號通路的相關基因表達降低，茉莉素/乙烯信號途徑得到加強，改變了植物激素的平衡，最終成功突破植物的防衛反應［66］。MED25作為多個激素信號通路調節機制的共享元件，也極有可能參與相關的病原菌和植物的互作反應中。

綜上所述，MED25如何與其它亞基共同調節激素介導的信號途徑，以及MED25如何調控多種激素拮抗和交叉的分子機理，都將是研究者的關注熱點。目前對于MED25在植物生長發育、抗病、抗蟲、抗逆境脅迫等方面的作用研究也在蓬勃開展，希望本文能夠為進一步研究以MED25為代表的中介體功能提供參考。