植物中RING型鋅指蛋白研究進展

陸瑜

摘 要：鋅指蛋白家族數目龐大，功能繁多。隨著研究的不斷深入，RING型鋅指蛋白日漸引人關注。RING型鋅指蛋白都含有一段保守的RING型結構域，大量研究表明，RING型鋅指蛋白廣泛參與植物的生長發育、脅迫與信號轉導等過程。該文主要概括了鋅指蛋白的概述與分類、RING型鋅指蛋白的結構，RING型鋅指蛋白在植物光形態建成、側根發育、氣孔調節等生理過程、以及在干旱、鹽、高溫、低溫、鋁等非生物脅迫方面的作用。最后就植物RING 型鋅指蛋白的后續工作進行了展望。

關鍵詞：RING型鋅指蛋白；生長發育；脅迫

中圖分類號 Q943 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）08-0036-04

Abstract：The number of zinc finger protein family is huge and the function is numerous.With the deepening of research，RING-type zinc finger protein is attracting peoples' attention，RING type zinc finger proteins all contain a conserved RING domain，a large number of studies show that RING-type zinc finger protein is widely involved in plant growth and development，plant stress signal transmission process.In this paper，we mainly summarize the overview and classification of zinc finger protein，the structure of RING-type zinc finger protein，the physiological processes of RING-type zinc finger protein in the light form，lateral root development，stomatal regulation，and we conclude the functions of plant RING-type zinc finger protein in drought，salt，high temperature，low temperature，aluminum and other adversity stress.Finally，the follow-up work of RING-type zinc finger protein was prospected.

Key words：RING-type zinc finger protein；Development；Stress

隨著人們對鋅指蛋白研究的逐漸深入，越來越多的證據表明鋅指蛋白參與動物基因的表達調控過程[1]，同樣，其在植物中也發揮著重要的作用。研究發現鋅指蛋白與植物體生長發育以及脅迫響應有著重要聯系。目前，C2H2型鋅指蛋白被廣泛研究，而RING型鋅指蛋白研究較少，主要集中在水稻與擬南芥中，在大豆、番茄等其他作物中研究較少。很多蛋白質泛素化途徑中催化終末過程的E3泛素化連接酶都含有RING結構域，這些RING型鋅指蛋白主要是通過和其他蛋白質之間的相互作用，參與泛素化蛋白降解過泛素化蛋白降解過程會改變蛋白活性，影響生物效應，RING型鋅指蛋白可能參與很多重要生物效應[2]。本文概括了RING型鋅指蛋白的研究現狀，為今后利用RING型鋅指蛋白通過基因工程手段培育新品種提供理論依據。

1 鋅指蛋白概述

鋅指蛋白是1983年發現于非洲抓蟾卵母細胞的轉錄因子TFIIIA中，是迄今為止真核生物中分布最為廣泛的一類蛋白，人類基因組中有近1%的序列編碼含有指結構的蛋白[3]。鋅指蛋白主要存在于動植物及微生物中，在基因表達調控、胚胎發育、細胞分化等方面都起著重要作用。在植物體中，鋅是必不可少的元素，鋅元素缺失會給植物帶來很多傷害，鋅元素過量也會對植物造成傷害。鋅指蛋白在植物中起到轉運鋅元素的作用，能調節植物中鋅含量，對植物的抗逆作用有所增強，對植物具有很重要的意義。

2 鋅指蛋白的組成與分類

鋅指蛋白是一類具有“指狀”結構域的轉錄因子[4]。鋅指蛋白家族龐大、錯綜復雜，根據半胱氨酸（C）和組氨酸（H）的殘基的數目和位置不同，可將鋅指轉錄因子分為C2H2、C4、C6、C3HC4、C4HC3、C2HC、C3H以及聯合型等多種類型，其中大多數屬于C2H2型[5]。又可以根據結構功能把鋅指蛋白分為PHD型蛋白、WRKY型蛋白、DOF型蛋白、GATA型蛋白、TFIIIA型蛋白、RING型蛋白。

3 RING型鋅指蛋白的結構

RING型鋅指蛋白也是一個龐大的亞家族，主要是和蛋白質互作，起到激活、抑制等調控作用[6]。RING型鋅指蛋白主要的保守區為C-X2-C-loop-I-C-X-H-X2-C-X2-C-X2-C-loop II-C-X-C[7]。RING型鋅指蛋白是有7個半胱氨酸（C）和1個組氨酸（H）結合2個鋅離子組成的，每個鋅離子可以結合4個半胱氨酸或者結合3個半胱氨酸、一個組氨酸構成四面體結構（圖1）。盡管RING型的鋅指蛋白的變體很多，但是它交錯形成的四面體是高度保守的[8]，鋅指的變化可以引起結構改變，進而功能發生變化。

其中，正六邊型代表中間結合的鋅離子；橢圓代表半胱氨酸（C）、組氨酸（H）殘基；連接線代表連接氨基酸數，其中如9-39代表，連接的最小范圍到最大范圍；兩端的C、N代表羧基或氨基的末端。

4 RING型鋅指蛋白的功能

4.1 RING型鋅指蛋白在植物的生長發育發面研究 雖然RING型鋅指蛋白沒有C2H2型鋅指蛋白研究的透徹，隨著研究的不斷深入，人們發現RING型鋅指蛋白在植物的生長發育過程中也扮演著相當重要的角色，同時參與信號轉導等生理過程。首先，人們發現擬南芥中RING型鋅指蛋白COP1（constitutive photomorphogenic 1）的一個突變體，通過對這個突變體的分析，發現COP1可以通過抑制下游基因的表達，從而達到抑制光形態的建成[10]。在光照和黑暗兩種情況下，擬南芥中的COP1基因編碼的蛋白調控光的形態建成在光照和黑暗下是不同的，黑暗條件下，COP1基因可以通過在細胞核中定位抑制HY5（HY5是bZIP轉錄因子結合直接誘導光合成的基因的啟動子，促進光形態的建成[11]基因的表達，從而影響光的形態建成；在光照條件下，COP1不在細胞核中定位，使HY5基因得以表達，光的形態得以建成[12]。

擬南芥中的RING型鋅指蛋白SINAT5基因，超表達后發現植株的側根減少，而SINAT5中的半胱氨酸突變，使SINAT5基因失活后，突變體植株側根反而增多，由此可以看出SINAT5基因對植株的側根發育起著重要作用[13]。IAA等生長素會控制植物各方面的生理過程，特別是側根的生長，NAC1基因是傳導生長素信號控制側根生長的轉錄激活因子，SINAT5會通過泛素化對NAC1降解，減弱生長素信號傳導，控制側根的發育[13]。

OsRZFPP34是水稻中一個RING型鋅指蛋白基因，2014年Hsu等發現在高溫或ABA處理后，水稻和擬南芥中的OsRZFPP34基因表達量增高，超表達OsRZFPP34基因，發現氣孔打開數量增加，隨后又發現，在該基因缺失的突變體中，氣孔打開減少，超表達該基因，氣孔打開增多，導致葉的抗凍性增強、降低了對ABA的敏感性，說明OsRZFPP34基因和植物氣孔打開機制有著密不可分的聯系[14]。目前對RING型鋅指蛋白對生理發育等方面研究相對還比較少，相信隨著研究的不斷深入，RING型鋅指蛋白參與生理過程的機制會更加透徹。

4.2 RING型鋅指蛋白在植物抗逆方面的研究

4.2.1 RING型鋅指蛋白在植物抗旱方面的研究 植物中RING型鋅指蛋白，不僅在生長發育等方面起著重要作用，對植物的抗逆方面也非常重要。目前研究表明Zinc finger、AP2、BZIP、MYB、NAC等轉錄因子在植物抗逆的過程中起著重要的作用。干旱是很多植物無法生存的一大因素，找到抗旱機制是非常必要的，特別是對于水生作物水稻而言。人們經過發現水稻中RING型鋅指蛋白OsSINAT5基因過表達后會減弱水稻的抗旱能力，一般作物抗旱會與ABA途徑有聯系，但是經過實驗發現它不依賴與ABA途徑，通過檢測氧化途徑的抗旱因子，發現OsSINAT5可能通過抗氧化途徑負調控抗旱機制[15]。同樣擬南芥中的另一個RING型鋅指蛋白基因同樣具有抗旱作用。當擬南芥中缺乏AtAIRP4基因時，植株根的發育會發生變化，長度變長，當我們超表達該基因時，發現種子萌發時對鹽的敏感性增強，相反對干旱的耐受性增強，從而得出結論：AtAIRP4基因可能是正調控干旱途徑，負調控鹽途徑[16]。

辣椒是人們日常飲食很重要的一種蔬菜，辣椒在生長過程中也深受干旱的影響，對于目前來說，解決干旱問題，培育抗旱辣椒新品種是非常重要的。RING型鋅指蛋白CaAIRF1作為E3泛素連接酶，通過泛素化使CaADP1蛋白磷酸酶降解，從而調控ABA和干旱途徑，實驗研究發現，在辣椒中沉默CaAIRF1后，ABA敏感性降低、干旱耐受性減弱，在擬南芥中，超表達該基因后，ABA的敏感性增加、耐旱的表型，上述結果證明說明該基因與干旱機制有著密切聯系[17]。同樣對干旱脅迫途徑有重要響應的一個RING型鋅指蛋白基因就是擬南芥中的SDIR1。2007年zhang等發現，它是通過調控ABA參與調控脅迫信號轉導過程，其中主要對干旱脅迫、鹽脅迫有響應，SDIR1通過對底物SDIR1P1進行泛素化來調控轉錄因子ABI5的表達，從而還參與了擬南芥的ABA途徑的種子萌發和鹽響應的過程[18]。

4.2.2 RING型鋅指蛋白在植物抗鹽方面的研究 除了上述擬南芥中的SDIR1有抗鹽作用，擬南芥的STRF1（RING型鋅指蛋白）基因也和鹽脅迫息息相關。STRF1也是具有E3泛素連接酶活性的，參與植物鹽脅迫響應過程中，STRF1主要調控膜運輸相關基因表達量，控制膜運輸及產生活性氧來調控參與鹽脅迫途徑的[19]。水稻中的OsSIRP1（RING型鋅指蛋白）也參與鹽脅迫。OsSIRP1是從鹽脅迫中，水稻根部表達量高的眾多基因中挑選的一個，通過在擬南芥中過表達發現鹽的耐受性降低，而且影響種子萌發、根系的生長，結果表明OsSIRP1是鹽耐受性的負調控子[20]。

4.2.3 RING型鋅指蛋白在植物耐高低溫方面的研究 2001年，Lee等人發現當擬南芥中的RING型鋅指蛋白HOS1基因表達異常時，植物的凍害敏感性降低了，后通過進一步研究發現，在低溫條件下，HOS1會定位在細胞核中積累，通過細胞質和細胞核之間傳遞低溫信號，進而控制基因表達起著重要作用，當我們過表達該基因時，植株則表現出耐低溫特征，上述結果說明，HSO1是植物低溫響應基因轉錄的負調控子[21]。高溫脅迫會使植物產生活性氧（ROS），例如H2O2，H2O2參與了ABA誘導氣孔關閉的過程，RING型鋅指蛋白的基因OsHTAS主要在葉肉細胞中表達，在發芽時，OsHTAS基因能調控H2O2的積累，從而改變水稻葉片中氣孔的狀態，提高植株的耐高溫[22]。現在全球變暖，極端天氣越來越多，像高溫、凍害時常發生，如果能培育出抗高溫、凍害的新品種是最好不過的了，RING型鋅指蛋白對培育耐高溫、凍害新品種有重要的參考價值。

4.2.4 RING型鋅指蛋白在植物抗重金屬方面的研究 從擬南芥中分離出來了人類和酵母同源的RAD18（與RAD6互作可以修復受損DNA）的RING型鋅指蛋白AtATRF1基因，通過鋁脅迫，發現AtATRF1基因表達量有所增高，而反過來過表達AtATRF1基因，發現擬南芥植株的鋁耐受性增強[23]，我們可以利用這一特性，再結合其他的耐鋁基因聯合，培育抗鋁新品種，解決農業生產中的實際問題。

5 展望

目前，RING型鋅指蛋白研究主要體現在它在生長發育以及脅迫方面的研究，有一些基因發揮功能的機制已經掌握清楚，目前大量的RING型鋅指蛋白基因的功能研究還沒開展，需要加大研究。此外，目前研究開展主要集中在水稻、擬南芥中，針對番茄、大豆等其他作物的研究目前還比較少，未來我們應該多品種深入的研究，利用基因工程手段，培育出多種抗逆新品種。

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