ERF转录因子.doc

1、 乙烯信号转导通路乙烯是一种非常重要的植物激素。乙烯在植物生长发育和适应生物和非生物胁迫反应中起到了非常重要的作用。种子萌发、开花、叶片衰老、果实成熟、根瘤、细胞程序性死亡以及对非生物胁迫和病原体入侵的反应等生理过程都与乙烯密切相关。乙烯信号转导途径示意图乙烯信号转导通路的最上游是位于内质网膜上的5个乙烯受体，分别被称为：ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4。位于乙烯受体下游的是一个负调节因子，蛋白激酶CTR1。CTR1蛋白激酶通过与乙烯受体相结合定位在内质网上。在没有乙烯存在的条件下，CTR1和受体的结合会协同抑制下游乙烯信号途径。在CTR1负调控因子下游是一个正调控因子EIN2。EIN2基因发生功能缺失突变会产生乙烯不敏感表型，显示出EIN2在乙烯信号通路中起到了核心作用。EIN2的半衰期很短，两个F-Box蛋白ETP1和ETP2负责调控EIN2的泛素化降解。位于EIN2下游的是正调控的转录因子家族EIN3及5个EILs。研究发现，他们同样是受泛素化途径降解的，负责调控EIN3及EILs泛素化降解的F-Box蛋白是EBF1和EBF2。EBF5是一种外切核酸酶它能够通过促进EBF1和EBF2的mRNA的降解来拮抗这两个蛋白对EIN3的负反馈调控。EIN3和EIL1通过启动转录级联反应来激活下游乙烯响应基因的表达。2、 乙烯响应因子（ethylene response factor、ERF）的结构特点及生物信息学分析ERF基因家族是一个很大的转录因子家族，属于AP2/ERF转录因子超家族。Ohme-Takagi和Shinshi研究发现，GCC box是植物乙烯响应的DNA序列元件；同时他们在烟草（Nicotiana tabacuum）中发现了能特异性结合GCC box元件的数个乙烯响应元件结合蛋白（EREBPs），并发现，EREBPs同GCC元件相结合的结构域是59个保守的氨基酸残基。AP2/ERF转录因子超家族的共同特征是都具有保守的AP2/ERF结构域。根据AP2/ERF结构域的个数以及是否含有其他的结构域，将AP2/ERF转录因子超家族分为三个家族：AP2家族，含有两个重复的AP2/ERF结构域；ERF家族，只含有一个AP2/ERF结构域；RAV家族，除了含有一个AP2/ERF结构域以外，还有另外的一个B3结构域。另外，根据AP2/ERF结构域保守氨基酸的不同，又将ERF转录因子家族分为ERF亚家族和CBF/DREB亚家族。Sakuma等根据DNA结合结构域的序列相似性将CBF/DREB亚家族分为6个group：A-1A-6，将ERF亚家族分为6个group：B-1B-6。ERF结构域的三级结构ERF转录因子能够识别两种DNA序列顺式作用元件，即GCC box和CRT/DRE 元件。GCC box的保守序列为AGCCGCC。ERF转录因子的N端的59个氨基酸残基是识别GCC box所必须的。Allen等研究了ERF结构域的3D结构，发现ERF结构域中有一个三条链的反向平行的折叠和一个螺旋，通过折叠与DNA顺式元件相结合。Hao等发现，GCC box的第一个G、第四个G和第六个C是ERF结构域识别所必须的；同时，N端的侧翼序列是ERF结构域结合GCC box所必须的。CRT/DRE元件的保守序列为A/GCCGAC，在DREB蛋白的AP2/ERF结构域中，折叠中的第14位缬氨酸和19位谷氨酸是结合顺式元件所必需的；而在ERF蛋白中，丙氨酸和天冬氨酸占据了同样的位置。这两个氨基酸位于AP2/ERF结构域中的折叠上。Nakano等在拟南芥基因组中共发现了147个基因属于AP2/ERF超家族，其中有122个基因属于ERF基因家族。对ERF家族的122个成员进行AP2/ERF结构域的氨基酸序列的多重比对分析发现，GLY-4、Arg-6、Glu-16、Trp-28、Leu-29、Gly-30和Ala-38完全保守，而Arg-8、Gly-11、Ile-17、Arg-18、Arg-26、Ala-39、Asp-43和Asn-57存在于超过95%的ERF家族成员中。Nakano等对其中115个成员进行了系统发育分析，建立了系统发育树，并根据intron和extron结构和额外的结构域特征将115个ERF基因家族成员分成了12个group：group I - group X、group VI-L和group Xb-L。同时，又对水稻基因组进行了分析，共发现有139个基因属于ERF基因家族。对这些水稻基因进行系统发育分析，将其分成了15个group，其中11个group和拟南芥相同。ERF基因家族在植物中广泛存在。到目前为止已经有许多物种进行了全基因组或转录组的ERF基因家族筛选，并分别进行了系统发育分析。结果如下表（不同的研究结果分别采用了Sakuma和Nakano的分类方法）：FamilyGroup拟南芥水稻高粱玉米烟草葡萄白菜橡胶树Arabidopsis thalianaOryza satavaSorghumZea maysNicotiana tabacuumVitis viniferaBressica rapaHevea brasiliensisERFI10951512II15168297III2327223911IV965223V5811115VI865135VII51531623VIII1515112715IX1718402319X8121099VI-L43266Xb-L310090合计122145105151239122236141部分AP2/ERF结构域26RAV65426144AP21829163135203025Soloist1111113总计147180126185149281173FamilyGroup拟南芥水稻杨树大豆葡萄小麦番茄Arabidopsis thalianaOryza satavaPopulus tricocarpaGlycine maxVitis viniferaTriticum aestivumLycopersicum esculentumDREB subfamilyA16106739A2841845A3161200A4161526131A516131474A6109258总57527736365748ERF subfamilyB115161977B25166319B3181835378B479744B586840B6121416189总65799162734777单个不完全的AP2/ERF结构域22AP21826262618918RAV6752433Soloist10111总计1471642001481321171463、 ERF转录因子的功能ERF转录因子最初发现是在烟草中，作为转录因子同乙烯响应元件GCC box相结合，参与乙烯信号途径，因此被命名为乙烯响应元件结合蛋白（Ethylene response element binding factor、EREBP），后又被重新命名为Ethylene response factor（ERF）转录因子。然而后来的研究过程中发现，ERF家族的成员很多，如拟南芥和水稻中分别共有122和145个，并且不都参与乙烯反应，且DNA结合元件并不直接接受乙烯信号刺激。DREB亚家族成员通常会和CRT/DRE元件（保守序列为A/GCCGAC）结合，参与ABA信号途径和干旱、低温胁迫等反应；而ERF亚家族成员通常会结合GCC box（保守序列为AGCCGCC），参与乙烯信号途径、低氧胁迫反应、病原体胁迫反应、伤害反应等过程。1. ERF转录因子在植物生长发育过程中的作用在AP2/ERF转录因子超家族中，AP2类的转录因子主要在调节发育过程中起作用，如花发育、果实成熟、种子发育等过程；而ERF转录因子家族主要参与环境胁迫和激素刺激的过程，如低温胁迫、干旱胁迫、低氧胁迫以及病原体侵染过程。在拟南芥中，AP2-13、AP2-05和AP2-09分别调节花的生长和卵细胞的发育。在水稻中，AP2/ERF转录因子家族成员SNORKELs在水淹条件下会对乙烯作出反应，诱导节间伸长，使水稻逃离水淹的低氧环境。几个AP2/ERF基因的异常的表达会影响植株的形态建成。如在拟南芥中，TINYT、ERF1和DREB1的异常表达会导致矮化表型的产生；DREB2的表达会延缓植株的生长。Xueping Li等从番木瓜（Carica papaya）中克隆到了4个ERF基因（cpERF1-4），并进行了分析，研究了在不同发育阶段中这四个基因的表达模式。结果发现，在果实成熟过程中，cpERF1和cpERF2的转录水平增加，而cpERF3和cpERF4相反，在果实成熟过程中转录水平下降。同时，他们发现，cpERF1、cpERF3和cpERF4的表达量被1-MCP诱导，而cpERF2的表达量被1-MCP抑制；乙烯会诱导cpERF2的表达，抑制cpERF1、cpERF3和cpERF4的表达。结果说明，cpERF2的表达和番木瓜果实的成熟呈正相关，而cpERF1、cpERF3和cpERF4的表达和番木瓜果实成熟呈负相关。Ying Zhou等从棉花中分离到了一个ERF基因，即GhERF12基因。将这一基因在拟南芥中过表达，发现转基因植株生长的更慢，且出现了矮化的现象。进一步研究发现，许多乙烯相关基因和生长素相关基因快速上调表达，因此推测GhERF12作为转录因子通过激活保守的乙烯响应和生长素生物合成及信号转导来调节植物的生长和发育。2. ERF转录因子在植物非生物胁迫中的作用研究发现，DREB1/CBF（A-1）亚组成员与冷胁迫响应相关。拟南芥DREB1亚组由6个成员组成，其中DREB1A/CBF3、DREB1B/CBF1和DREB1C/CF2在冷胁迫反应中被快速诱导。过度表达的转基因拟南芥植株表现出抗性明显提高，而DREB1A/CBF3和DREB1B/CBF1活性的抑制会导致冷胁迫忍耐性的降低。许多冷胁迫诱导的基因被上调表达。与之相对，DREB2亚组的大多数成员于干旱和热激胁迫反应相关。拟南芥DREB2A和DREB2B被干旱、高盐和热诱导表达，DREB2C、DREB2D和DREB2F被高盐诱导表达，DREB2E被ABA诱导表达。植物的许多ERF基因的异常表达会赋予植物对许多非生物胁迫的响应。研究表明，ERFVII亚组的成员与低氧胁迫相关。从水稻淹没相关的一个关键的QTL位点Sub1处鉴定到了一个水稻ERF亚家族B-2亚组的成员Sub1A。研究发现，Sub1A对乙烯和淹没刺激响应，能够抑制细胞的延长反应和碳水化合物的分解代谢，同时在淹没反应中也可以调节其他的AP2/ERF类的转录因子的表达。Joungsu Joo等鉴定到了水稻的两个ERF基因：OsERF4a和OsERF10a。这两个基因赋予了水稻对干旱胁迫的忍耐性。OsERF4a和OsERF10a属于ERFVII和IV亚组的成员，OsERF4a包含一个保守的EAR结构域，可以起到转录抑制的作用。OsERF4a和OsERF10a的过表达的转基因植株表现出对干旱胁迫忍耐性的提高；许多位于11号染色体上的胁迫抗性相关基因的表达发生改变。Na Chen等从花生（Arachis hypogaea）中获得了6个ERF家族基因，命名为AhERF1-6，分析了他们在冷胁迫、盐胁迫和干旱胁迫条件下的表达模式。结果表明，AhERF4和AhERF6的表达在非生物胁迫条件下被快速和大量的提高；AhERF1和AhERF5的表达在胁迫条件下被轻微地提高；而AhERF3在盐胁迫条件下叶中的表达和AhERF2在干旱条件下叶中的表达被下调。说明花生中的ERF基因家族的不同成员分别在非生物胁迫条件下起到了不同的作用。3. ERF转录因子在植物抗病中的作用ERF类转录因子在植物抗病反应中同样起着非常重要的作用。ERF因子通过上调植物抗病信号途径中下游相关防卫基因的表达抵制病原体侵染，从而提高植物的抗病能力。植物的抗病机制非常复杂，水杨酸（SA）、茉莉酸（JA)和乙烯（ethylene）是主要的抗病信号。ERF转录因子参与水杨酸、茉莉酸和、乙烯等信号传导途径，有些ERF转录因子是抗病信号交叉途径中的连接因子，在抗病信号传导过程中起着重要作用。例如，ERF1被乙烯和茉莉酸协同诱导表达，并且每一个激素的诱导依赖于两种信号转导通路的完整，说明ERF1位于乙烯。茉莉酸抗病信号途径的交叉点，并能调节下游防卫基因的表达。在拟南芥中，ERF1基因的表达会增强对腐生真菌灰霉菌（Botrytis cinerea）、短小芽孢杆菌（Plectosphaerella cucumerina）引起的灰霉病和土传真菌尖镰孢霉十字花科专化型菌株（Fusarium oxysporum sp.conglutinaus）番茄尖