植物WRKY转录因子结构特点及其生物学功能

1、遗 传HEREDITAS (Beijing 28(12: 16071612, 2006专论与综述收稿日期: 2006-02-17; 修回日期: 2006-04-28作者简介: 田 云(1979-, 男, 湖南沅江人, 博士研究生, 专业方向: 植物抗逆分子生物学。Tel : 0731-*; E-mail : tianyun79616 DOI: 10.1360/yc-006-1607植物WRKY 转录因子结构特点及其生物学功能田 云, 卢向阳, 彭丽莎, 方 俊(湖南农业大学生化与发酵工程实验室, 长沙 410128摘 要: WRKY 转录因子是近年来在植物中发现的N-端含有WRKYGQK 高度

2、保守氨基酸序列的新型转录调控因子, 它能够与(T(TTGAC(C/T序列(W-box发生特异性作用, 调节启动子中含W-box 元件的调节基因和/或功能基因的表达, 从而参与植物的各种防卫反应, 调节植物的生长发育等。文章主要论述了植物WRKY 转录因子的基本结构及其生物学功能。关键词: WRKY; 转录因子; W-box中图分类号: Q943.2 文献标识码: A文章编号: 0253-9772(200612-1607-06The Structure and Function of Plant WRKY Transcription FactorsTIAN Yun, LU Xiang-Yang,

3、 PENG Li-Sha, FANG Jun(Biochemistry & Fermentation Lab of Life Science , Hunan Agricultural University , Changsha 410128, China Abstract: WRKY transcription factors that are unique to plants are the new type transcriptional regulatory factors in which N-terminal ends contain a conserved WRKYGQR

4、amino acids sequences. WRKY transcription factors regulate the target genes expression that contain the W-box elements in the promoter regions by specifically binding to (T(TTGAC(C/T sequence. Therefore, the WRKY transcription factors participate in the plant various kinds defense responses and regu

5、late the plant growth and development. This article reviews the progress of the basic structure and biological function of plant WRKY transcription factors. Key words: WRKY; transcription factors; W-boxWRKY 是近年来新发现的植物特有新型锌指型转录调控因子, 因在其N-端含有由WRKYGQK 组成的高度保守的7个氨基酸序列而得名。第一个WRKY 转录因子是由Ishiguro 等1于1994年从

6、白薯中克隆得到, 随后在野燕麦、荷兰芹、拟南芥、马铃薯、白英、烟草和水稻中相继发现2, 目前在拟南芥(Arabidopsis thaliana 中共发现了74个WRKY 成员, 而水稻中则发现了105个完整的WRKY 成员。研究发现, WRKY 结构域及其专一结合的(T(TTGAC (C/T序列(又称W-box更多地存在于与抗病、损伤、衰老相关基因和水杨酸诱导基因的上游调控区域。已有很多证据表明, WRKY 与上述几种生物和非生物逆境激发的应激反应关系密切3。此外, 在果实成熟、种子表皮毛发育、蔗糖信号传导及赤霉素信号传导等过程中均发现了WRKY 基因的表达46。1 WRKY 转录因子结构特点

7、及其分类高等植物典型的转录因子一般由4个功能区域组成, 即: DNA 结合域、转录调控域、核定位信号和寡聚化位点。在WRKY 转录因子中, 最主要的结构特点是各成员的DNA 结合域中都至少含有一个WRKY1608 遗传HEREDITAS(Beijing 2006 28卷结构域。WRKY结构域是一段大约由60个高度保守的氨基酸残基所组成的多肽序列, 其中WRKYGQK 为在所有成员中绝对保守的7个氨基酸残基。另外, WRKY转录因子的DNA结合域中一般都还含有一个锌指结构。根据转录因子所含WRKY结构域的个数和锌指结构的特征, 一般将WRKY转录因子分为3大类2: 第类WRKY转录因子含有2个W

8、RKY结构域, 且其锌指结构类型为C2H2(C- X4-5-C-X22-23-H-X1-H型, 如PcWRKY1、bSPF1、AtZAP1、NtWRKY1、NtWRKY2和CsSE71等, 该类WRKY转录因子的DNA结合功能主要由C-末端的WRKY结构域介导, 而N-末端WRKY结构域的功能尚不清楚, 它可能参与WRKY转录因子与DNA相互结合的过程, 从而提高转录因子结合靶位点的亲和力和特异性; 第类WRKY转录因子只含有1个WRKY结构域, 其锌指结构也为C2H2(C- X4-5-C-X22-23-H-X1-H型, 大部分研究过的WRKY转录因子都属于该类型, 如PcWRKY3、AfAB

9、F2、PcWRKY4和NtWIZZ等, 类WRKY转录因子的WRKY结构域序列与I类WRKY转录因子C-末端WRKY结构域序列的相似性比N-末端WRKY结构域序列的相似性更高, 这也说明类WRKY转录因子C-末端WRKY结构域与其他类型中只含1个WRKY 结构域的功能相同, 即与靶DNA相互结合; 第类WRKY转录因子也只含有1个WRKY结构域, 但其锌指结构为C2-HC(C-X7-C-X23-H-X1-C型, 如PcWRKY5、NtWRKY4和NtWRKY5等。WRKY转录因子另一个主要特点是其WRKY结构域所对应的编码序列中都含有一个位置高度保守的内含子, 其存在的意义还不清楚。Wu等7利

10、用水稻和拟南芥基因组数据库比较分析了这两种重要模式植物中WRKY转录因子基因的数目和分布(表1, 并利用PHYLIP(3.5c版本软件构建系统进化树, 通过分析表明WRKY通过基因或结构域复制进化形成含有成簇基因或结构域的新WRKY基因。尽管WRKY结构域中存在高度保守的WRKYG QK序列, 但在水稻WRKY成员中, 存在着19个变异的WRKY结构域, 其中WRKYGEK(7个, 全为第类和WRKYGKK(5个, 全为第c类是两个普通的变异体, 另外几个分别是WRICGQK、WRMCG- QK、WKKYGQK、WIKYGQK、WKRYGQK、WSKYEQK和WRKYSEK, 它们在水稻中均各

11、只含表1 水稻和拟南芥中WRKY的分布数目7Table 1 Number of WRKY from Rice and Arabidopsis7基因数目Gene number 组合Group子群Subgroup AtWRKY OsWRKY 32 34a 14 14b 18 20 26 30a 3 4b 8 8c 7 7d 8 11 14 36a 8 11b 6 25 合计Total 72 100有1个8, 这可能是水稻中WRKY转录因子的原始共同祖先在长期进化过程中产生变异的结果, 且第III类WRKY转录因子的进化活性比其他类型WRKY转录因子的进化活性均要高。另外, 在拟南芥WRKY转录因子

12、的结构域中也发现了相同的变异与进化现象。通过多种体内和/或体外实验研究表明: WRKY转录因子的WRKY结构域能特异性的与(T(TTGAC(C/T序列(W-box相互作用, 其中该序列中的TGAC保守核心序列是固定不变的。通过凝胶电泳迁移改变实验(electrophoretic mobility shift as-say, EMSA发现W-box保守核心序列中的TGAC任一核苷酸被替换, WRKY转录因子与之结合的能力将大幅下降或完全消失, 同时, WRKY转录因子与W-box的结合还需要Zn2+等金属离子的参与和磷酸化作用等。W-box存在于许多与植物防卫反应相关基因的启动子中, 如烟草中的

13、CHN50基因和拟南芥中的NPR1基因, 在某些WRKY转录因子基因的自身启动子中也存在W-box, 因此, WRKY转录因子可能通过与功能基因或其他调控因子基因启动子中的W-box结合, 调节下游功能基因的表达或调控因子基因的表达, 从而参与植物防卫反应、生长发育等各种生理活动的调节作用。WRKY转录因子一般是在细胞质中合成然后经跨膜运输转运到细胞核, 在转录水平上对基因表达进行调控, 因此在WRKY转录因子的WRKY结构域区域外都存在细胞核定位信号。另外, 某些WRKY转录因子还含有转录因子中常见的某些结构域, 如介导转录因子寡聚化的亮氨酸拉链, 还有丝氨酸-苏12期 田云等: 植物WRK

14、Y转录因子结构特点及其生物学功能 1609氨酸丰富区、谷氨酸丰富区、脯氨酸丰富区和酸性氨基酸区等。在WRKY转录因子中, 除了比较保守的区域外, 其余氨基酸组成的序列同源性并不高。2 WRKY转录因子生物学功能WRKY基因在植物体内并非组成型表达, 目前已识别和克隆的WRKY基因的表达受各种环境(如病原体、真菌诱导子、信号分子水杨酸及其功能类似物、植物不同发育阶段、干旱、低温、创伤、机械胁迫等的诱导, 其表达具有快速、瞬时等特点, 同时还具有组织特异性, 如Dong等9研究了拟南芥防御应答过程中72个AtWRKY基因的表达模式, 结果发现有49个AtWRKY基因在Pseudomonas syr

15、ingae侵染或SA 处理时其表达水平发生了显著变化。因此, 预示W R K Y转录因子参与植物体内的各种生理过程。2.1 WRKY转录因子在植物防卫反应中的作用植物在长期的进化过程中, 至少形成了两套生化防御系统以抵御来自外界的伤害。一套防御反应由病原菌的侵染而引发, 通过产生局部的过敏反应即对封闭损伤位点以预防病原菌的进一步侵染, 即系统获得性抗性(Systemic Acquired Resistance, SAR; 另一套防御反应主要是通过各种信号分子激活植物体内防御基因的表达, 从而使植物表现出对生物胁迫的抗性反应, 与此相关的主要信号转导途径有水杨酸信号转导途径、茉莉素信号转导途径、

16、乙烯信号转导途径和脱落酸信号转导途径等。WRKY转录因子基因受各种生物胁迫和非生物胁迫的诱导表达, 参与植物的胁迫应答。Mare等10从大麦中分离一个新的WRKY转录因子Hv-WRKY38, 该基因在干旱和冰冻处理时能持续表达, 表明其与植物的冷胁迫和干旱胁迫应答相关, 同时Hv-WRKY38转录因子在植物非生物胁迫应答中起着调节作用; Yoda等11从烟草中克隆出一个与WIZZ具有高度同源性的WRKY转录因子基因TIZZ, 转基因烟草感染烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus, TMV后能诱导TIZZ基因的表达, 但无SA的积累, 进一步证实植物中存在一种不依赖于SA的超敏反

17、应(hypersensitive response, HR信号转导途径, 在该途径中, 转录因子TIZZ对植物防御反应的激活起着重要作用; Kalde等12通过研究发现拟南芥中的13个型WRKY转录因子处在不同的植物防卫信号转导途径中, 如病原体侵染和水杨酸(s a l i c y l i c a c id,S A信号转导途径等,W RK Y 转录因子处于何种信号转导途径主要取决于其结合的启动子附近序列的特异性。Xie等13利用生物信息学方法从水稻中鉴定了81个OsWRKY转录因子, 并获得48个全长cDNA序列, 在水稻糊粉细胞中, OsWRKY24、51、71、72均能受ABA诱导表达,

18、利用瞬时表达分析系统表明OsWRKY24、45抑制ABA 诱导的HVA22启动子活性, 而OsWRKY72、77能与ABA协调作用激活该启动子的活性, 说明单子叶植物中的WRKY转录调节因子介导植物对ABA的应答; Park等14发现AtWRKY7转录因子具有一个钙调蛋白结合域(Calmodulin-binding domain, CaMBD, 且能与钙调蛋白(Calmodulin, CaM结合, 表明其在CaM介导的Ca2+信号转导过程起重要作用, 同时发现AtWRKY7转录因子所属的IId类WRKY转录因子均具有保守的CaMBD, 表明该类WRKY转录因子在CaM介导的Ca2+信号转导过程

19、均具有一定的作用; Zou等15从旱生常绿植物Larrea tridentata中分离克隆出转录因子基因LtWRKY21, 该转录因子能激活ABA诱导基因启动子HVA22的活性, LtWRKY21转录因子与ABA、转录激活因子VP1、ABI5协调调控启动子HVA22的表达, 进一步研究表明LtWRKY21可能与VP1、ABI5形成一个位于ABI1下游的功能复合物从而影响ABA调节基因的表达。WRKY70是植物在响应细菌性病原体时整合SA信号转导途径和JA 信号转导途径的一个结点。Li等16以超表达WRKY70和基因敲除WRKY70的拟南芥突变体为材料, 通过利用真菌病原体Alternaria

20、brassicicola和Erysiphe cichoracearum侵染植物材料, 结果表明: 超表达WRKY70能提高SA介导的Erysiphe cichoracearum抗性, 但会降低JA介导的Alternaria brassicicola抗性; 相反, 基因敲除或下调WRKY70的表达则降低植物对SA介导的Erysiphe cichoracearum抗性。因此, WRKY70可能部分通过NPR1来抑制JA信号转导途径, 同时WRKY70是平衡植物SA、JA防卫信号途径的一个重要决定因子。2.2 WRKY转录因子在植物生长发育中的调节作用研究表明: WRKY转录因子还参与植物衰老以及胚

21、胎发育等一系列生命活动。如Lagace等17从自交不亲和的野生马铃薯胚珠中分离出一个型1610 遗传HEREDITAS(Beijing 2006 28卷WRKY转录因子ScWRKY1, 其编码基因在茎和根中的表达水平很低, 在发育的种子中几乎不表达, 而在叶中的表达水平很高, 而且在受精后16天左右的鱼雷期胚胎中有瞬时高表达, 表明ScWRKY1转录因子在胚胎形成过程中起着重要的调节作用; Robatzek 等18发现拟南芥AtWRKY6转录因子在幼片和成熟叶片几乎不表达, 而在衰老叶片中具有很高的表达水平, 同时其表达水平不仅能调节相关防御基因如ELI3、PR1和PR5的表达, 还能调节衰老

22、相关基因如SAG12和SAG13的表达, 说明AtWRKY6转录因子不仅与植物的防御应答有关, 还与植物衰老程序密切相关; Miao等19为了了解与衰老相关的WRKY53转录因子的调节作用, 利用pull-down技术分离鉴定了WRKY53转录因子的候选靶基因, 这些靶基因包括WRKY转录因子和其他转录因子基因、胁迫和防卫相关基因以及衰老相关基因(senescence- associated genes, SAGs, WRKY53通过与不同的启动子结合从而起转录激活因子或转录抑制因子作用, 通过超表达、RNA干扰和基因敲除等技术研究发现WRKY53转录因子能加速和延缓衰老表型, 改变靶基因的表

23、达水平, 表明WRKY53处于负责的转录因子信号网络并调节衰老特异基因的表达; Luo等20通过研究表明: 转录因子WRKY10可能通过与IKU启动子中的W-box结合从而调节IKU基因的表达参与种子的发育过程; Zhang等6,21通过研究发现水稻糊粉细胞中ABA诱导表达的转录因子OsWRKY71可以通过与GA诱导转录激活因子OsGAMYB相互作用, 并且另一个ABA诱导表达转录因子OsWRKY51能通过与OsWRKY71相互作用从而提高OsWRKY71与Amy32b启动子中W-box的结合亲和力, 从而阻断Amy32b启动子的活性, 因此, OsWRKY71和OsWRKY51转录因子在水稻

24、糊粉细胞GA信号转导过程中起抑制作用, 而它们很可能是ABA信号转导途径和GA信号转导途径的重要整合因子。2.3 WRKY转录因子在植物代谢中的调节作用最近, 有人先后克隆并鉴定出了与植物物质代谢调控相关的WRKY转录因子。如Xu等22从棉花中分离出GaWRKY1转录因子, 并发现GaWRKY1转录因子通过调节棉花(+-杜松烯合酶-A(+- cadinene synthase-A, CAD1-A基因的活性从而参与棉花倍半萜烯生物合成的调控作用; Sun等从大麦中分离并纯化出一个与顺式作用元件SURE(sugar re-sponsive相结合的转录因子SUSIBA2(sugar signalin

25、g in barley, SUSIBA2属于WRKY型转录因子, 它不仅能与SURE元件结合, 还能与W-box结合, 研究表明: SUSIBA2是淀粉合成中一个重要的转录调节因子, 因此, WRKY转录因子也参与碳水化合物的合成代谢5。2.4 WRKY转录因子介导的植物应答反应模式WRKY转录因子作为一种重要的诱导型调节因子, 参与植物的多种防卫反应、生长发育调节以及物质代谢调节等各种重要生理活动, 但其作用模型尚不清楚。Asai等23,24研究表明某些WRKY转录因子的功能受丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated pro-tein kinase, MAPK的调节。植物体内的

26、MAPK、MAPK激酶(MAPKK和MAPKK激酶(MAPKKK构成MAP激酶级联, 通过一系列的磷酸化反应将外界信号逐步放大并传递到细胞内, 引发各种生理生化反应。根据前人研究工作, 我们推测WRKY转录因子介导植物各种生理应答反应的主要过程如下(图1: 首先是各种环境诱导因子与细胞膜上的受体作用, 通过某种机制激活体内的MAP激酶级联系统, MAP 激酶级联系统通过一系列的磷酸化反应激活WRKY 转录因子的活性, WRKY转录因子通过与W-box元件发生特异性结合, 调节启动子中含有该元件的相关功能基因或其他调节因子基因的表达, 参与植物各种重要生理应答反应。3 展望研究表明WRKY转录因

27、子参与调节植物的多种生物学过程, 当前的研究则主要集中在WRKY转录因子基因克隆、结构鉴定、表达及其相关功能分析等初步阶段。事实上, WRKY转录因子所介导的植物应答反应过程仍十分模糊, 比如WRKY转录因子的上、下游结合因子仍不能确定, 随着RNAi、miRNA 等研究基因功能方法的不断发展以及标签-融合蛋白筛选系统等互作蛋白质筛选系统的完善, WRKY转录因子所参与的生物学功能将会进一步得到拓宽, 其所介导植物应答反应过程也会逐渐被阐明。12期 田云等: 植物WRKY转录因子结构特点及其生物学功能 1611 图1 WRKY转录因子介导植物各种应答反应模式图Fig. 1 The modes

28、of plant respond pattern are mediated by WRKY transcription factors参考文献(References:1 Ishiguro S, Nakamura K. Characterization of a cDNA encoding anovel DNA-binding protein, SPF1, that recognizes SP8 se-quences in the 5' upstream regions of genes coding for sporamin and beta-amylase from sweet po

29、tato. Mol Gen Genet, 1994, 244(6: 563571.DOI2 Eulgem T, Rushton P J, Robatzek S, Somssich I E. The WRKYsuperfamily of plant transcription factors. Trends Plant Sci, 2000, 5(5: 199206.DOI3 Ulker B, Somssich I E. WRKY transcription factors: from DNAbinding towards biological function. Curr Opin Plant

30、Biol, 2004, 7(5: 491498.DOI4 Johnson C S, Kolevski B, Smyth D R. TRANSPARENT TESTA1612 遗 传 HEREDITAS (Beijing 2006 28 卷 GLABRA2, a trichome and seed coat development gene of Arabidopsis, encodes a WRKY transcription factor. Plant Cell, 2002, 14(6: 13591375.DOI 5 Sun C, Palmqvist S, Olsson H, Boren M

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38、 A WRKY gene from creosote bush encodes an activator of the abscisic acid signaling pathway. J Biol Chem, 2004, 279(53: 5577055779.DOI 16 Li J, Brader G, Kariola T, Palva E T. WRKY70 modulates the selection of signaling pathways in plant defense. Plant J, 2006, 46(3: 477491.DOI 17 Lagace M, Matton D P. Characterization of a WRKY transcription factor expressed in late torpedo-stage embryos of Solanum chacoense. Planta, 2004, 219(1: 185189.DOI 18 Robatzek S, Somssich I E. A new member of the Arabidopsis WRKY transcription factor family, AtWRKY6, is associated with both s