BZR-ARF-PIF模塊轉錄調控植物伸長生長的分子機制的研究進展

高夢影，王昕

（沈陽大學 生命科學與工程學院，遼寧沈陽 110044）

大多數植物一生的大部分時間都處于固著的生長狀態，無法通過移動自身來趨利避害。在此限制條件下，植物進化出了高度的發育可塑性，即根據環境條件的變化來不斷地改變自身的生長發育策略，植物體的各種趨性（趨光性、趨化性和趨水性等）就是一個很好的例子。為了實現這些趨性生長，植物就必須進行伸長生長。在植物眾多的伸長生長中，下胚軸的伸長生長是一個很好的研究模型。三類轉錄因子耐蕓苔素唑因子（BZRs）、生長素應答因子（ARFs）和光敏色素相互作用因子（PIFs）組成了BZR-ARF-PIF（BAP）模塊，這一模塊是下胚軸伸長生長的關鍵正向調控因子。在發現這三類轉錄因子相互依賴地促進下胚軸伸長之前，它們在不同的信號轉導途徑中被發現和研究[1-2]。本文首先分別介紹這三類轉錄因子如何在各自的信號轉導通路中發揮功能，再介紹三者相互依賴地促進基因轉錄進而促進下胚軸伸長的分子機制，最后介紹DELLA蛋白調控這三類轉錄因子的分子機制。

1 BZRs轉錄因子

BZR1和油菜素內酯受體抑制因子（BES1）/BZR2是油菜素類固醇（Brassinosteroids，BRs）信號轉導通路中的正向調控因子。BZR1和BES1既具有促進轉錄的功能，又具有抑制轉錄的功能：在調控應答BR的促進伸長的基因時，它們展現出促進轉錄的功能，而在調控BR生物合成基因時，它們發揮抑制轉錄的功能[1-2]。BR通過降低轉錄因子BZR1和BES1的磷酸化水平來激活BR信號轉導通路[3]。葡萄糖合成激酶3（Glycogen Synthase Kinase 3，GSK3）對BZR1和BES1的磷酸化抑制了這兩個轉錄因子與靶DNA的結合，并且促進了它們由細胞核到細胞質的轉運和在細胞質中的滯留[4]。BZR1和BES1在細胞質中的滯留依賴于它們的磷酸化形式與14-3-3蛋白質的相互作用，GSK3介導的BZR1的磷酸化通過引起BZR1的降解進一步降低了這個轉錄因子的活性[4]。

2 ARFs轉錄因子

在擬南芥的23個ARF成員中，ARF5、ARF6、ARF7、ARF8和ARF19很可能主要負責應答生長素的轉錄激活[5]。這些負責轉錄激活的ARFs組成性地結合于其下游基因啟動子區的生長素應答元件上，然而在缺乏生長素的條件下，吲哚-3-乙酸誘導（AUX/IAA）蛋白會與這些ARFs結合并抑制它們與下游基因啟動子區的結合，從而導致生長素應答基因轉錄的減弱[6]。生長素受體轉運抑制應答因子1（TIR1）/生長素信號轉導F盒蛋白（AFB）與生長素結合后會將AUX/IAA蛋白招募到Skp1-Cullin-F-box（SCF）TIR1/AFB E3泛素連接酶復合體上，導致AUX/IAA蛋白的泛素化和降解，從而解除發揮轉錄激活功能的ARFs的受抑制狀態，并開始促進生長素應答基因的轉錄[7]。在這些ARFs中，ARF6、ARF7和ARF8被證明在生長素應答的下胚軸伸長中發揮重要作用，而短下胚軸因子2（SHY2）、IAA7/生長素抑制因子2（AXR2）和IAA17/AXR3很可能是拮抗它們生長促進功能的關鍵 AUX/IAAs蛋白[2]。

3 PIFs轉錄因子

PIF家族轉錄因子是光形態建成（Photomorphogenesis）的重要抑制因子，光敏色素的遠紅光吸收構象（Pfr）與其發生直接的相互作用并發揮抑制功能[8]。PIF3是PIF家族第一個被發現的成員，后續研究發現PIF3和其他的PIFs更傾向與光敏色素的遠紅光吸收構象發生相互作用，該相互作用會依次引起大多數PIFs蛋白質的磷酸化、泛素化和降解[9]。在PIF家族中PIF7是一個例外，因為它在光照條件下是穩定的，并且光敏色素介導的PIF7磷酸化主要引起它在細胞質中的滯留，這種滯留依賴于PIF7與14-3-3蛋白質的相互作用[10]。遺傳學的研究表明，PIF家族中的PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF7和PIF8 6個成員具有促進下胚軸伸長生長的作用[9]。

4 BZR-ARF-PIF模塊

BZRs、ARFs和PIFs以相互依賴的方式共同調控下胚軸的伸長生長[1-2]。PIFs活性的下降和BR信號轉導途徑的打斷都會使下胚軸對生長素的生長促進作用變得不敏感[2]。同樣，在PIFs和ARFs活性下降的條件下，bzr1-1D對下胚軸伸長的促進作用被嚴重的削弱[1-2]。另外，PIF4過表達植物的長下胚軸表型在BR受體突變體bzr1的背景下幾乎被完全消除[1]。

BZRs、ARFs和PIFs調控下胚軸伸長的這種相互依賴的方式與它們在靶基因轉錄上的協同作用密切相關[1-2]。BAP轉錄因子相互依賴地促進一些基因的轉錄，例如生長素上調的小RNA 15（SAUR15）、IAA19和多效唑抑制因子1（PRE1），這些基因都具有促進下胚軸伸長生長的作用[1-2]。染色質免疫共沉淀耦聯高通量測序（ChIP-Seq）實驗表明，BZR1同時與PIF4和ARF6結合于類光敏色素相互作用因子1（PIL1）啟動子區的G-box基序中，ARF6對SAUR15啟動子區的結合被bzr1-1D、PIF4-OE和外源施加的BR所促進[1-2]。綜上所述，PIFs、BZRs和ARFs通過相互作用形成了一個復合體，這個復合體能夠高效地誘導促進生長的基因的轉錄，進而促進下胚軸的伸長生長。

5 DELLA蛋白調控BZR-ARF-PIF模塊的分子機制

DELLA蛋白是植物赤霉素（Gibberellins，GAs）信號轉導通路中的負向調控因子，它包括5個成員，分別是赤霉素抑制因子（RGA）、赤霉酸抑制因子（GAI）、類赤霉素抑制因子1（RGL1）、類赤霉素抑制因子2（RGL2）和類赤霉素抑制因子3（RGL3）。其中，RGA和GAI主要負責抑制下胚軸的伸長生長[11]，這種抑制作用主要是通過與PIFs、BZRs和ARFs相互作用阻止它們與DNA的結合[11]。具體來說，RGA能夠干擾ARF6和BZR1與SAUR15和IAA19啟動子區的結合，還能夠抑制ARF6與PIF4的相互作用[12]。另外，RGA和GAI都能夠促進26S蛋白酶體介導的PIF3的降解[11]。總的來說，DELLA蛋白介導的對BAP轉錄因子的抑制可能會通過多種分子機制來實現。

GA信號轉導途徑通過促進DELLA蛋白的降解來解除BAP模塊的抑制狀態，結合了GA受體的GA矮化不敏感因子1（GID1）與DELLAs發生蛋白相互作用，進而促進了DELLAs的降解[13]。很多研究都表明GA誘導的DELLAs蛋白水平的下降都是通過對BAP模塊活性的去抑制作用來促進生長的。一方面，BR水平下降或BR信號轉導強度減弱的植物幾乎都無法應答GA促進生長的作用，但黑暗中生長的PPZ（一種BR合成抑制劑）處理的幼苗下胚軸對GA的敏感性能夠被bzr1-1D所恢復；另一方面，GA介導的對下胚軸的促進作用很可能同時需要BZR1和PIFs，因為PPZ處理的bzr1-1D下胚軸在低PIFs水平的條件下對GA幾乎不敏感，不論這種低水平是光照造成的還是pifq四突變體造成的，而光照下PPZ處理幼苗的GA應答能力被bzr1-1D和PIF4-OE所恢復[12]。以上數據說明DELLAs通過抑制BAP模塊轉錄激活能力來抑制下胚軸的伸長生長，而GA能夠解除這種抑制作用。

6 結語

細胞伸長作為植物的主要生長過程涉及許多信號通路的轉錄調控，但目前尚不清楚這些通路是作用于參與伸長的獨立細胞組分，還是由某個中央控制系統將多條信號通路處理成一個統一的細胞發育決策體系。BAP模塊的發現展示了一個信號整合模型，解釋了多條信號轉導通路是如何被整合在一起的，在不斷變化的環境中，植物會感受到多種環境線索并啟動多條信號轉導通路。根據目前的研究結果，這些信號將被某些分子模塊整合為統一的細胞發育決策，從而為植物爭取更好的生存環境。