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WRKY转录因子的研究概况

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澎江雇 种学 2012年第2期 文献著录格式:潘园园,徐祥彬,王春玲,等.WRKY转录因子的研究概况[J].浙江农业科学,2012(2):253—257,261 圄 WRKY转录因子的研究概况 潘园园,徐祥彬,王春玲,马 杰,王慧中 (杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江杭州310036) 摘要:对WRKY转录因子的结构、功能、进化,WRKY蛋白的作用机制等进行综述。 文献标志码:A 文章编号:0528—9017(2012)02.0253.05 关键词:转录因子;WRKY;功能 中图分类号:S 432.2 植物在进化过程中,形成了一系列调节的机 链组成的,末端含有Cys/His残基形成的Zn 结合 制。转录因子在这一系列的中具有重要作用, 其中WRKY转录因子家族是近年来研究较广泛的 口袋。N端B折叠片包含保守的WRKYGQK序列, 其大部分在WRKY蛋白的表面,长度约有6 bp, 刚好与W—box的长度一致,可以与相应的DNA作 用,结合到DNA的凹槽内 。 在一些WRKY蛋白中,WRKY氨基酸序列被 WRRY、WSKY、WVKY或者WKKY取代 。 WRKY结构域和NAC、GCM的DNA结合域在空间 类重要的转录因子,它存在于整个绿色植物系 中,在植物发育、衰老及非生物胁迫(干旱、寒 一冷)过程中具有重要作用。 1主要结构特征 1.1 WRKY结构域 WRKY转录因子最显著的特征是其DNA结合 结构上具有较高的相似度 。WRKY和GCM锌指 结构具有相似的Zn“结合序列。WRKY和NAC的 保守序列在空间上都弯曲形成带正电的凹面,负责 与DNA结合。三者的进化有相关性 。 1.2 W.box 域都至少含有1个WRKY结构域。WRKY结构域 是由60个氨基酸组成的多肽序列,靠近N端的7 个高度保守的氨基酸残基WRKYGQK是WRKY结 构域的核心序列,C端是1个非典型的锌指结 构 。根据WRKY结构域的数量及锌指结构的特 征,将WRKY蛋白质分为3类:I类含有2个 WRKY结构域能特异地识别它的同源结合序 列TTGACC/T,即为W—box¨ 。以多种不同的 WRKY蛋白为材料,通过凝胶迁移实验、随机结 WRKY结构域,其锌指结构是CX . CX HX H; II类有1个WRKY结构域,锌指结构与I类相同; 合位点筛选、酵母单杂交和共转染分析等技术表 明,W—box是WRKY与DNA特异结合的最小的共 III类也是有1个WRKY结构域,但是锌指结构是 CX CX:,HX C…。根据氨基酸序列,II类被进一步 分为IIa,IIb,IIc,lid和lie亚型。根据植物的种 有序列 。Ciolkowski等 通过凝胶迁移实验对拟 南芥5个WRKY蛋白进行选择性结合的研究证明 W—box的核心序列TAGC是结合所必须的,但其临 近的序列也在一定程度上决定了结合位点的偏好 性。AtWRKY 6和AtWRKY 11对5’端具有碱基G 的W-box表现高度的亲和力,然而AtWRKY26, 类又将高等植物的WRKY家族更精确地分为I,IIa +IIb,IIc,IId+IIe,III等不同类型 。 Rushton等 第1次精确描述了WRKY结构域 及其锌指结构。他们用二价金属螯合剂1,10.菲罗 啉处理野燕麦,结果ABF1和ABF2与W—box AtWRKY38和AtWRKY43却与5’端具有碱基T, c。A的W—box结合得更好。 (TTGACC/T)结合被破坏,说明Zn“结合口袋是 存在的。Yamasaki等 采用核磁共振阐明了 生物信息学和植物转录因子的功能研究都证明 与胁迫应答有关的基因启动子区域都含有1个或几 WRKY域的立体结构。WRKY域是由4个耦合B 12.15 收稿日期: 2O11.个W—box序列 。PcWRKY1启动子区域的多个 基金项目: 国家自然科学基金项目(31070298);钱江人才计划 作者简介: 潘同冈(1986一),女,硕士研究生,从事植物分子生物学研究工作。E-mail:furongyuyuan@163.con。 mail:whz62@163.corn o 通信作者: 王慧中,E-团 澎江学 千学 2012年第2期 W—box好像对其与WRKY的结合有协同作用。大 麦中,HvWRKY38要求有2个相近的W.box,才能 有效地结合 。此外,WRKY蛋白也可以与非w. box序列结合。0sWRKY13可以与PRE4 (TGCGCTT)结合,也可以与W.box结合 。 HvWRKY46也是既可以结合W—box,也可以与渗 透应答SURE序列(TAAAGATTACTAATAGGAA) 结合 。然而烟草中的NtWRKY12好像只与 SURE序列结合,而不结合W.box 。NtWRKY12 的靠近WRKY域的地方是1个GKK氨基酸序列而 不是普通的GQK,所以可以特异与WK.box (TTTTCCAC)结合。GKK突变为GQK或GEK时, WK.box就不能与之结合了,表明这些氨基酸可能 对结合位点具有重要的识别作用… 。 2 进化 在植物进化过程中,WRKY基因家族的数量 也发生了特异性的扩增 。I类WRKY转录因子 不仅存在于高等植物中,在一些蕨类植物、不能进 行光合作用的黏菌和单细胞原生生物中也被发现 了,说明第1类WRKY转录因子是最原始的 WRKY类型¨ ,通过WRKY域的丢失或过渡 到第1I类,第1I类可能是通过锌指结构中的H转 变成C残基产生了第1II类,而第1II类基因是在单 子叶植物与双子叶植物分化之后才形成的 。在 各类WRKY基因家族中,第1II类进化最活跃,第 1I类较保守,第1类最保守。 3 功能 WRKY家族参与了植物衰老、生长发育、生 物和非生物胁迫应答等过程。WRKY转录因子在 植物体内的表达,受到许多环境因子的诱导,具有 快速、瞬时等特点,并且还具有组织特异性。 3.1 生物胁迫 WRKY转录因子是植物许多先天免疫系统 (ETI,MTI和PTI)、基础应答和后天防卫系统的 主要组成部分¨ 。在这些信号网络中,WRKY蛋 白是MAP激酶的目标作用物¨ 。在大麦抗白粉霉 病的ETI系统中,细胞质中的免疫蛋白MLA识别 真菌无病原性的AVR10,随后在细胞核中, HvWRKY1和HvWRKY2与MLA结合 ,使其激 活,达到抗病的目的。 最近,研究发现可以编码10个不同氨基酸的 等位基因OsWRKY45—1和OsWRKY45.2,在细菌免 疫中起相反的作用。OsWRKY45.1和OsWRKY45.2 分别是在粳稻亚种和籼稻亚种中被发现的,这2种 等位基因的过量表达可以提高水稻抗真菌病原体的 能力,但是在抗白叶枯病时,OsWRKY45.1具负调 控作用,而OsWRKY45—2具正作用¨ 。 烟草NaWRKY3和NaWRKY6对伤害具有响 应。NaWRKY3的转录体在损伤反应中增加,当昆 虫取食时口腔分泌物中的不饱和脂肪酸一氨基酸复 合物进入伤口后,NaWRKY6可以被诱导表达,以 修复损伤 。WRKY转录因子也受线虫诱导,感 染后AtWRKY23的表达量会立即增加 。 3.2非生物胁迫 许多WRKY基因在胁迫诱导信号途径中起作 用,WRKY网既是生物胁迫也是非生物胁迫的组 成成分 。最早研究是在耐旱的常绿植物木焦油 树中分离得到的WRKY基因,其是脱落酸(ABA) 信号网中的1个活化剂 …。ABA可以调节植物非 生物胁迫应答,因此被称作应激激素。在糊粉细胞 的研究中,OsWRKY24和OsWRKY45瞬时表达抑 制了ABA诱导剂的活性,OsWRKY72和OsWRKY 77能激活这些诱导剂的活性 。 wu等 发现OsWRKY11可以激活的热休克 基因HSPIO1,使其表达量上调,以增加水稻的抗 热和抗旱能力。同样,OsWRKY45的过量表达也 可以增强拟南芥抗盐、抗旱以及抗病能力 ; AtWRKY25/33的过量表达也可以增强其抗盐能 力 。拟南芥GmWRKY21的过量表达使其抗寒能 力比宽叶植物更强,GmWRKY54的过量表达也增 强其抗盐和抗旱能力,而GmWRKY13的过量表达 却使植物对盐和甘露醇胁迫更敏感 。这些例子 都充分说明,植物遭受高盐、高渗透压、高CO, 浓度、高O 浓度以及低温或干旱时,WRKY转录 因子能够调节其非生物胁迫应答反应。 早期脱水和ABA诱导激活BhWRKY1,促进其 与启动子区域含有4个W-box的BhGolS1基因结 合,使肌醇半乳糖苷复合酶的表达量增加 ,证 明脱水诱导WRKY因子与下游的目的基因结合在 干旱应激反应中起着至关重要作用。 3.3 种子的形成 WRKY基因在种子形成中具有重要的作用。 WRKY转录因子DGE1在体壁细胞形成过程中表达 量会升高 。野生土豆中的属于Ia类的 ScWRKY1在受精胚珠中有强烈的瞬时表达 。 SUSIBA2则是在胚乳中表达,调节淀粉的形成 。 潘园园,等:WRKY转录因子的研究概况 圆 拟南芥AtWRKYIO,也被称作MINISEED3,在花 粉、胚珠和胚乳形成阶段表达,去除AtWRKY10 的基因突变株的种子在萌发时,会有较少的胚芽和 过早进行胚乳细胞分化,表明WRKY基因在种子 形成过程中具有非常关键的作用 。 3.4种子的休眠与萌发 在谷物中,d.淀粉酶与淀粉的水解作用有关, 是谷物萌发和后萌发的重要酶类,可以被赤霉素 (GA)诱导激活,也可被脱落酸(ABA)抑制。 研究表明,水稻和大麦中ABF1和ABF2的同系物 在糊粉细胞形成过程中被ABA诱导激活,被GA 抑制;水稻和大麦中OsWRKY51,OsWRKY71的 瞬时表达可以抑制水稻中OL-淀粉酶基因RAmylA和 大麦中Amy36b的表达 …。 Zou等 提出了GA和ABA来Amy32b表 达的模型,包括1个抑制系统和1个激活系统。在 Amy32b从抑制状态转换成激活状态的过程中,抑 制系统也就随之转变成了激活系统,这个过程是通 过GA促进抑制剂的降解和GA诱导激活剂的表达 以及ABA诱导阻遏基因的表达和阻止激活基因的 表达调节的。总之,GA和ABA是起相反作用的。 WRKY转录因子在这个系统是抑制剂或激活剂。 例如,AtWRKY27作为GA信号传递过程中的负调 控因子起作用 。T—DNA插入突变研究也表明拟 南芥AtWRKY2在ABA系统中作为负反馈链中的 调节因子促进或抑制种子萌发和后萌发生长 。 3.5 衰老 WRKY转录因子在叶片衰老中也具有调节作 用。AtWRKY6的研究首次证明WRKY在衰老过程 中起一定的作用 。在衰老的叶子中,AtWRKY6 表达迅速升高,识别蛋白激酶SIPK/FRK1并与之 结合,调节大麦叶片衰老 。研究发现, AtWRKY53过量表达会产生衰老表型,相反,在 RNAi和插入突变的AtWRKY53抑制表达植物中, 叶片衰老相对延迟 。AtWRKY70在衰老过程中 起负作用 ,而OsWRKY23的过量表达却促 进了叶片的衰老 。 3.6 发育 WRKY转录因子对种皮的发育具有调节作用。 在拟南芥中,对毛状体形成有影响的TTG2/ AtWRKY44也影响种子外皮中单宁酸和植物胶的合 成 。TTG2主要在幼叶、表皮毛、种皮和根尖中 有表达。Ishida等 通过酵母单杂交发现,在根中 TTG2的表达被bHLH和R R,MYB转录因子调节, TTG2调节GLABRA2(GL2)的表达,而GL2的不 正常表达会导致形成不正常的根毛。 3.7 其他功能 1个WRKY基因可以调节看上去不相干的几 个过程。HvWRKY38和HvWRKY1是一对等位基 因,在DNA水平上他们的序列有99%以上是相同 的,HvwRKY38与低温和干旱胁迫有关 ,而 HvWRKY1却是基础防御的抑制剂,直接与MLA 阻遏蛋白相互作用 15]。HvWRKY1/38与来自水稻 中其他相似基因在种子发芽过程中起抑制作用 。 因此,HvWRKY1/38至少参与了3个不同过程一 生物胁迫应答、非生物胁迫应答、植物萌发。 WRKY家族成员的其他功能也有报道 。 最近,WRKY基因在植物界之外的作用也被发现, 其在肠道寄生虫中与囊壁蛋白基因的转录调节有 关 。比较有趣的是,非植物WRKY转录因子也 与目的基因启动子区域W.box特异的结合,并且 与植物WRKY基因一样有自动调节的机制。 4 作用机制 WRKY蛋白一般富含潜在的转录激活和抑制 域,能激活或者抑制转录。在酵母中,AtWRKY53 受到环境刺激后能激活或抑制报告基因的转录 。 同样,OsWRKY72和OsWRKY77通过在糊粉细胞 内瞬时表达激活ABA信号和抑制GA信号 。 MAP激酶系统与控制WRKY转录因子活性有 关 。在拟南芥中,细胞核内AtWRKY33可以与 MPK4激酶形成复合物,MAMP或者PAMP可以激 活MEKK1一MKK1/2.MPK4模块中的MPK,MKK和 MEKK,导致核内MPK4一MKS1-WRKY33复合物的 分解和AtWRKY33和MKS1的释放,然后 AtWRKY33激活PAD3的表达 。而PAD3可以参 与形成抗菌剂复合体 。衰老过程中,MEKK1可 以直接结合到AtWRKY53启动子WP1位点的上游 W—box上,被磷酸化后再与另1个AtWRKY53结 合,从而达到调节衰老的目的 。 组蛋白修饰在抑制和脱抑制过程中也起重要作 用。拟南芥AtWRKY53、AtWRKY62和AtWRKY70 基因的组蛋白修饰与调节植物的过程有关 。另 外,WRKY蛋白也可以通过smRNA来植物转 录,但是具体的作用机理尚不清楚 。 5 自动和交叉 WRKY转录因子具有自动和交叉的 冒 澎江辔 彳 学 2012年第2期 理研究还处于初步阶段。随着分子生物学方法和手 段的不断进步以及新生物技术的出现,WRKY家 能力 引。PcWRKY1的启动子区域含有3个协同 作用的保守的W.box(w )。在PAMP处理后的 应答过程中,PcWRKY1可以瞬时转录积累。染色 族的作用机理及其功能会被逐步解开,将为我们研 究作物的抗逆性及相关研究提供依据。 参考文献: [1] Eulgem T,Rushton P J,Robatzek S, et a1.The WRKY superfamily of plant transcription factors [J].Trends Plant Sci,2000,5:199 206. 质免疫沉淀实验表明,其他WRKY转录因子与 PcWRKY1的3个W.box结合促进其转录,然而过 量PcWRKY1可以抑制其继续转录。PcWRKY1的 转录是通过其他WRKY转录因子交叉激活的, 随即又被负反馈抑制继续转录来完成表达 的[481。许多WRKY基因富含W.box,表明WRKY 具有自动和交叉的能力¨ 。 I 6互作蛋白 在信号转导途径中,与WRKY转录因子相互 作用的一些酶(如组蛋白去乙酰化酶、MAP激酶 等)已经被鉴定。拟南芥IId类WRKY蛋白包含1 个钙调素(CaM)结合域,它可以在体外与CaM 结合,说明其可能受CaM和ca 离子的 。 串联亲和纯化标签表明,至少有7种拟南芥WRKY 因子可以和14—3—3蛋白质形成复合物 …。14—3—3 蛋白质是通过上百种不同蛋白质的相互作用来 各种细胞功能的。DNA结合实验也表明WRKY蛋 白能作为单体与W—box结合。虽然不知道WRKY 蛋白是否可以形成功能二聚体,但是已有明确证据 表明一些WRKY蛋白之间可以形成统一的特异二 聚体。如拟南芥IIa类AtWRKY18、AtWRKY40和 AtWRKY60蛋白可以形成同一的和特异的二聚 体 。水稻OsWRKY51,71蛋白在糊粉细胞核内 相互作用,虽然不能结合目的基因,但它增强了 OsWRKY71与Amy32b启动子区域的结合 。 7 NBS-LRR-WRKY蛋白质 Deslandes等 发现了一种的融合蛋白,它是 由细胞内的NBS.LRR蛋白和WRKY转录因子结合 形成的。AtWRKY52/RRS1的III类WRKY域的C 端可以形成TIR.NBS.LRR复合物,在核内通过与 细菌感应器PopP,相互作用对细菌病原体进行免 疫 。而AtWRKY52/RRS1和RPS4蛋白能共同抵 抗真菌和细菌病原体 。以上结果表明TIR—NBS. 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