植物生理综述

TCP结构域：在依赖蛋白调控的植物的生长与发育过程中发现于霏08341113（中山大学生命科学学院08级逸仙班广州510275）摘要：CYC和TB1基因编码的结构相关蛋白涉及进化中关键的形态学特征。但是，CYC和TB1的生物学功能依然未被证实。为了解决这个问题，本文分析了CYC与TB1预测二级结构中的保守序列，并且寻找已知功能的相关蛋白。其中一个保守序列被预测组成了一个非典型bHLH（basic-helix-loop-lelix）结构。这个结构域在两个水稻DNA结合蛋白——PCF1和PCF2中也有发现，其功能涉及DNA结合及二聚作用。这预示着该保守结构域很可能确定了一个新的转录因子家族，于是我们就用这个家族中发现的第一个典型性成员（TB1,CYC和PCFs）来对它进行学术命名，即TCP家族。其他一些未知功能的植物蛋白也属于这个家族。本文研究了在拟南芥中该家族的两个成员，发现它们在快速生长的花原基细胞表达。结合CYC和TB1影响分裂组织的生长来看，TCP家族的许多成员都能影响细胞分裂。它们中的一些基因可能在植物进化过程中产生新的形态学特征。关键词：TCP家族CYCTB1拟南芥PCF1PCF2调控细胞分裂对称性正文：一、简介CYC和TB1基因涉及进化中形态学特征的形成。CYC参与控制花型的对称性一一随着植物进化多次改变的一个特征。TB1基因控制了玉米从它的野生原始种（墨西哥类蜀黍）向现代种的转变。尽管CYC和TB1已经被分离，但是它们编码的蛋白的生物学功能仍不清楚。为了解决这个问题，本文分析了其预测的二级结构和相关蛋白，并且比较了一些基因表达形式。CYC基因和其相关基因DICH共同建立了金鱼草属有背腹性的不对称花。在CYC和DICH双突变的花中，背部、侧部和腹部花瓣的不同消失了，花呈辐射对称状。CYC基因在野生型花的背部花瓣分裂组织中表达，从发育的最早一直持续到最后几步。其初期活性降低野生型背部花瓣分裂组织的生长率并且控制原基起始。后期的表达阻止背部雄蕊的完全发育，并且影响不对称性，背部细胞的大小及类型和侧部花瓣。基因TB1影响叶腋分生组织的生长发育：在较低节点，它阻止芽的发生，而在较高节点上，它刺激雌性花序的发育。玉米TB1突变体中，较低节点的腋芽发育成底部的分枝，而较高节点的腋芽发育成带有雄花花序的分枝，这个表型预示着玉米的祖先是墨西哥类蜀黍。这个过程受控于CYC和TB1，尽管它们之间似乎没有什么联系，但是我们仍然发现有一些相同的理念存在。第一，两个基因都涉及叶腋结构的发育，包括花和分枝；第二，两个基因都能影响花瓣以及雄蕊的发育，这些器官的发育受B类花器官特征基因的调控；第三，两个基因都至少能启到一部分器官生长调节器的作用。为了明晰CYC和TB1的生物功能，我们调查了其编码蛋白可能的功能，特别研究了可能在CYC和TB1中充当功能结构域的保守序列。预测其中一个序列的二级结构为bHLH。这个序列与典型bHLH转录因子中发现的bHLH结构无关，但是与在水稻DNA结合蛋白中发现的PCF1和PCF2的bHLH结构域密切相关。基于这个共同点，我们定义了一类新的很可能充当转录因子角色的蛋白——TCP家族。我们在快速生长的拟南芥花器官中发现了TCP家族中两个新典型成员的表达。联系CYC和TB1对表型的影响，我们认为TYC家族可以影响细胞的分类及生长。植物发育过程中TCP家族基因中一些基因的招募可能引起被子植物进化中一些关键的形态学改变。二、结论分析2.1CYC和TB1包括一个bHLH结构域第一个保守序列被预测组成了bHLH，这个bHLH结构域是以结构标准分类的，与MyoD，E12和相关蛋白中发现的bHLH序列无关。CYC和TB1中bHLH结构域的进步序列包括21个氨基酸残基和一个由两部分构成的核定位信号（NLS）。第一个螺旋区域是两性的（同时具有亲水和憎水部分），包括交互的保守疏水残基和部分保守的亲水残基。第二个螺旋区域包括一个LXXLL-膜体，启到连接动物中核受体和配体的转录共激活剂的中间体作用。螺旋区域II还包括3个潜在磷酸化（丝氨酸或苏氨酸）位点，群众的两个是保守的。连接两个螺旋体的环状区域具有保守的高度重复的甘氨酸，天冬氨酸和丝氨酸残基，相当于脯氨酸对于。丫。。除了bHLH结构域，CYC和TB1还有一个保守序列成为R结构域，在极性残基（精氨酸、赖氨酸和谷氨酸）中富含。R结构域被预测组成了一个亲水的a螺旋。bHLH和R结构域都被预测组成卷曲螺旋，类似于亮氨酸拉链所组成的。2.2TCP结构域当CYC合TB1被首次描绘出是，没有已知生物学功能的蛋白质序列与其相同。但是，越来越多的数据和研究显示，两个新的蛋白——PCF1和PCF2与CYC和TB1具有相同的bHLH序列。这些蛋白因为可以特异性地结合水稻增殖细胞的核抗原（PCNA）的基因的启动子而被分离。PCNA是一个涉及DNA复制和细胞周期控制的蛋白。PCF蛋白可以与DNA进行同质或异质的二聚体结合。一个包括bHLH结构域的序列帮助DNA结合并且对于二聚作用是不可或缺的。这提示我们CYC和TB1也许也可以作为DNA结合蛋白，同时可能通过它们的bHLH结构域与其他蛋白发上相互作用。除了CYC，TB1和那些PCF，拟南芥和玉米中一些未知功能的序列显示出bHLH结构域的同源性。分析这些蛋白质序列发现，bHLH结构域一些关键残基具有高度保守性：在基本区域中有两个短的残基分支，疏水残基沿着两个a-螺旋的极性面分布，螺旋体II包含一个色氨酸，环状结构中的螺旋阻断甘氨酸在两个螺旋区域中间。但是，在环状结构中的残基和螺旋区域的亲水残基并不保守。对比来自两个亚家族的蛋白质序列发现：一个与CYC和TB1密切相关，另一个则与PCFs更相关。CYC/TB1亚家族的基本序列包括一个二聚的NLS，而PCF亚家族的基本序列则只有二聚NLS中的一部分。尽管，每个亚家族大部分都是保守的，两个亚家族但是构成环状结构的残基是不同的。CYC/TB1的螺旋体II比PCF亚家族的要长，PCF亚家族中的在9个氨基酸残基后被脯氨酸打断。每个亚家族共享bHLH结构域外的特殊序列：PCF亚家族的成员共享毗邻bHLH结构域的序列；一些CYC/BL1亚家族的成员共享定位在远离TCP结构域的R-结构域。由这个序列对比得出的树状分析证明可将蛋白质分为两个组。因此，CYC,TB1和PCFs属于一个蛋白质大家族，共享一个我们称为TCP结构域的共同膜体，我们是以所发现成员的首字母进行命名的(TB1,CYC,PCF)。根据PCFs中发现的证据，TCP结构域可能涉及DNA结合和蛋白与蛋白的相互作用。2.3TCP蛋白在分生组织增值中起到的作用迄今为止，典型TCP蛋白的共同特征在分生组织生长中的功能是：CYC控制花分生组织和原基的生长；PCF1和PCF2与基因(PCNA)的启动子相结合，涉及分生组织细胞的分裂。为了研究其生长是否涉及TCP家族其他成员间的相互作用，我们分析了拟南芥的两个ESTs——TCP2和TCP3——与CYC和TB1密切相关。如果它们参与细胞的生长与增值，则可能在分生组织中表达。TCP2和TCP3的cDNAs已被测序并绘出了基因图谱，同时已利用原位杂交测出其表达部位。收集并植入播种后0.12.16和22天植物组织的部分，与TCP2和TCP3模板的地高辛配基-标记探针进行杂交。两个基因的转录部分在质量上极相似。在第4-8天时，顶端分生组织产生叶原基时，没有发现TCP2和TCP3的mRNA。8天之后，顶端分生组织开始产生花原基，这时，可以发现两个基因的微弱表达。在花发育的最早期几步也可以观察到其转录。在第1-2个阶段，花的分生组织呈圆顶型，信号分散到各处。从第3阶段开始，当花原基开始形成，分别监测4个轮生体中每一个的表达。在萼片中，3-4阶段mRNA的积累量最多，这一阶段萼片原基正将芽包围。这之后，信号逐步衰退。当萼片原基刚出现时可以检测到微弱的信号，第8-12个阶段快速生长是达到峰值。在这个时候，多数信号存在于尖端和萼片原基的边缘。背部和腹部的花瓣也有相同水平的表达量。在雄蕊中，信号在第7-8个阶段增加，这是雄蕊原基开始迅速生长同时其他的开始可以被分辨出来。第8-9个阶段信号制约其他的发育，只在花粉囊中发现，这是小孢子母细胞正在减数分裂。背部和腹部雄蕊的转录水平相似。第10阶段，当花粉粒成熟，在雄蕊中将不再发生转录。在心皮中，信号在第9阶段的胎座组织中发现，此时，胚珠正在形成。在根中的表达没有分析。概括来说，拟南芥的TCP2和TCP3基因在花的发育过程会清冽表达；在花瓣和雄蕊原基中表达量最高，但是在萼片和心皮中也可以检测到。表达量与原基快速生长的阶段相一致，这些基因符合调控原基生长的特征，但是不能确信这种表达类型是否可以兼容其他功能。不像CYC，它的表达量在背部和腹部并没有明显不同。参考文献：CubasP,LauterN,DoebleyJ,CoenE.TheTCPdomain:amotiffoundinproteinsregulatingplantgrowthanddevelopment.PlantJ.1999Apr;18(2):215-22.NagA,KingS,JackT.miR319atargetingofTCP4iscriticalforpetalgrowthanddevelopmentinArabidopsis.ProcNatlAca