转录因子蛋白质结构分析

植物转录因子蛋白质结构转录因子是生物体内直接结合或间接作用于基因启动子区域、形成具有RNA聚合酶活性的转录复合体的蛋白质因子，通过其调控基因的表达来影响生物的表型及对外界刺激的保护，从而完成了生物在转录水平的调控。按功能可分为通用转录因子、序列特异性转录因子、辅助转录因子等。而与RNA聚合酶I、Ⅱ、Ⅲ相对应的有3类转录因子，分别是TFI、TFⅡ、TFⅢ。锌指蛋白就是属于其中的TFⅢ型转录因子，它是生物中发现种类最多、研究较为广泛、在真核生物中具有重要调控作用的一类转录因子。通过对蛋白质的结构进行分析表明，典型的植物转录因子一般由DNA结合区(DNA—bindingdomain)、寡聚化位点(oligomerizationsite)、转录的调控区(transcriptionregulationdomain)、细胞核定位信号区(nuclearlocalizationsignal，NLS)组成，这些功能区域决定了各个转录因子的具体功能。DNA结合区(DNA—bindingdomain)DNA序列中有许多具有重要作用的顺式作用元件，能够识别并与之结合的氨基酸序列就是转录因子的DNA结合区。相同类型的转录因子都能够识别比较保守的氨基酸序列(DNA结合区)。而且植物转录因子的分类依据就是DNA结合区和寡聚化位点的保守区的差异。其中bHLH结构域、bZIP结构域、锌指结构域、MADS结构域、MYC结构域、MYB结构域和类Myc蛋白等都是典型的植物转录因子的DNA结合区。这些典型的结合区与顺式作用元件识别及结合的特异性由DNA结合区中特定的氨基酸序列来决定。它们与顺式作用元件的亲和性和特异性由DNA结合区的二级结构来决定。bHLH(basichelix-loop-helix)家族转录因子普遍存在于真核生物中。目前,已在拟南芥中发现了147个bHLH家族转录因子基因。bHLH转录因子约由60个氨基酸残基组成,因HLH结构上游富含碱性氨基酸而得名,含有两个相连的基本亚区,即HLHMotif及其上游富含碱性氨基酸基序,其中碱性氨基酸基序与DNA结合有关,对基因的转录发挥调控作用。bHLH转录因子的HLH区长为40-50个氨基酸残基,参与二聚体形成,有HLH蛋白的共同模体,即具有两条短小的既亲水又亲脂的两性α-螺旋,螺旋区的长度为15-16个氨基酸,含有各种保守的氨基酸残基,两个α-螺旋由连接区(环)相连,连接环的长度不等,由12-28个氨基酸组成,螺旋的一侧有疏水氨基酸。bHLH转录因子两条α-链依赖疏水氨基酸的相互作用形成同型或异型二聚体,从而与启动子的不同部位相结合。缺少碱性区的HLH蛋白可以与bHLH蛋白形成二聚体,但无结合DNA的能力。bZIP转录因子是真核生物转录因子中分布最广泛、最保守的一类转录因子。几乎所有真核细胞中都发现了bZIP结构域的转录冈子。根据植物bZlP转录因子结构特点和功能可以将bZIP家族划分为10个亚族。所有的bZIP转录因子除了都具有两种保守的结构域外，同一个亚族内的bZIP转录因子还有额外的共有特征，如亮氨酸拉链的大小、类似的DNA结合碱性结构域和类似的cis元件等。植物bZIP类转录因子的共同结构特点是：(1)含有与特异DNA序列相结合的碱性结构域，大约由20个氨基酸组成，紧靠亮氨酸拉链结构域的N末端，能与专一的DNA序列进行相互作用；(2)参与寡聚化作用的亮氨酸拉链区与碱性区紧密相连，每7个氨基酸的第7位含有一个亮氨酸。亮氨酸拉链形成一个两亲的螺旋结构，该结构参与bZIP蛋白与DNA结合之前的二聚体化；(3)转录因子的N末端含有酸性激活区；(4)以二聚体形式结合DNA，肽链N末端的碱性区与DNA直接结合。至今，发现了三类锌指结构。一类是类似TFIIIA，如哺乳动物细胞的SP1。第二类锌指结构是通过NMR（核磁共振）检测到的，这类结构有点类似于HTH结构。它是由两个环-螺旋结构组成，命名为“双环-锌-螺旋”（doubleloop-Zn-helix），锌离子与在环开始部分中的两个半胱氨酸和两个а-螺旋的N端的两个氨基酸残基作用，靠近第一个а-螺旋N端的残基决定了同DNA结合的特异性。包含这种结构域的蛋白是以二聚体的形式结合特异的DNA顺序，第二个环的开始部分的氨基残基与二聚体的形成有关，具有该种结构的如糖皮质激素受体蛋白。第三类锌指结构是含两对半胱氨酸，而不含组氨酸，每一个DNA结合域中有6个半胱氨酸和2个锌离子。这一类蛋白质中的锌指对DNA的结合是必需的，但对结合的专一性并不十分重要，在锌指附近的其他氨基酸残基与DNA直接作用，形成转移的结合。MADS盒的定义来源于MCM1、AGAMOUS、DEF1C1ENS、SRF4四个蛋白的保守区。MADS盒基因在植物的花发育中起着重要作用。在研究花发育的过程中，根据花器官的轮及其控制其表型的基因提出一种ABC模型，ABC器官模型中的成员的相同功能均有各自的MADS盒基因AP1、AP3、PI和AG所决定。这些基因不仅在特异器官形成的后期发育是重要的，并且对特异的花分生组织的形成也是重要的。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WRKY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:第Ⅰ类WRKY转录因子含有2个WRKY结构域,且其锌指结构类型为C2H2(CX4-5-C-X22-23-H-X1-H)型,如PcWRKY1、ⅠbSPF1、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Ⅱ类WRKY转录因子只含有1个WRKY结构域,其锌指结构也为C2H2(CX4-5-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、AfABF2、PcWRKY4和NtWIZZ等,Ⅱ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Ⅰ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Ⅲ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。转录调控区是转录因子的关键功能区域，其包括转录激活区和转录抑制区，这2个结构区共同决定着各个转录因子的具体调控功能。转录调控区除了包含DNA结合区之外，还有一段大约由30～100个氨基酸残基组成的区域，转录因子的转录激活区的数量可能有一个，也有可能含有多个转录激活区。典型的植物转录因子的转录激活区一般富含酸性氨基酸、脯氨酸或谷氨酰胺等；转录因子抑制区通过以下几种方式来抑制相关基因的转录：(1)与启动子的功能位点结合可以阻止其他的转录因子再次与该启动子相结合，从而抑制下游基因的表达；(2)通过某种方式抑制其他的转录因子，从而阻止相关基因的转录；(3)通过某种作用方式改变DNA的高级结构，使转录不能正常进行。科研人员在矮牵牛中发现的锌指蛋白基因ZPT2—3和AZF1—3，二者编码的蛋白的C端的DLN—Box具有转录抑制活性，而删除该区域后通过酵母双杂交试验发现其反而具有了相应的转录激活能力。核定位信号区是转录因子中富含精氨酸和赖氨酸残基的区域，转录因子在合成后需转入细胞核内才能发挥其功能，而且转录因子有无功能就取决于核定位信号区。核定位信号区的氨基酸序列、组织特性和数量因植物种类和类型而各不相同，在转录因子中它们呈现不规则的分布。亲核蛋白先与位于核孔处的受体蛋白结合，然后由亲核蛋白承载着转录因子并将其转移进入核内进而进行调控及表达，然而这并不是说没有NLS就无法进入核内，其可以通过与其他具有NLS的转录因子结合后，由这个特殊的转录因子复合体将目标蛋白转移进入细胞核内。转录因子之间能够相互聚合的功能结构域称之为寡聚化位点，寡聚化位点影响着转录因子与顺式作用元件的结合、各转录因子的特异性、核定位特性。这个结构域有比较保守的氨基酸序列，且大多与DNA结合区相连，形成一个特定的空间构象，如bZIP类转录因子形成了一个拉链结构，而bHLH型转录因子含有螺旋一环一螺旋结构。随着拟南芥和水稻等模式植物基因组测序的完成,高等植物转录因子的研究进展迅速,特别是对转录因子结构与功能研究取得了快速的发展。对植物基因的转录过程进行调节是最经济有效的环节,转录因子在这一过程中扮演着重要的角色。所以,近年来,基因分子生物学研究领域的重点已经逐渐从功能基因转到启动子的顺式作用元件和转录因子及其调控机理上。对转录因子的结构与功能的分析鉴定,是阐明在各种条件下基因表达调控机理的重要内容之一。揭示转录因子之间及它们与DNA之间相互作用的机制,就可通过基因工程技术人为地改变转录因子基因的表达,从而控制受转录因子调节的一系列功能基因,达到高效改良植物性状和品质的目的。因此,对植物进行转录水平上的调控,不仅较转基因作物研究具有更大的优势,因其避免了基因表达与否、在何处表达和基因安全问题,而且通过改变转录因子的表达活性还可提高植物的抗逆性、修饰植物的形态发生并调控植物的生长发育。