多細胞真核生物的基本特徵是不同組織的功能特異性，其中一個突出例子是C4光合作用。在該過程中，碳最初被固定在葉肉細胞，然後釋放到維管束鞘細胞再固定，這種組織區分特徵是C4植物光合效率顯著提高的原因，因此對葉肉細胞或維管束鞘細胞特異表達的機制研究至關重要【1】。C4植物是從C3植物進化而來， C3模式植物擬南芥是揭示這種細胞功能特異性機制的優異材料。之前研究表明，擬南芥的維管束鞘細胞除了與水力傳導、代謝產物運輸以及物質存儲中發揮作用，還與硫代謝和硫代葡萄糖苷的生物合成有關【2】。此外，參與硫代葡萄糖苷生物合成的MYB76及其他MYB結構域轉錄因子的轉錄本也優先與維管束鞘核糖體相關聯【3】。但是目前尚不清楚這種特異性基因表達模式的調控機制。
近日，英國劍橋大學Julian M. Hibberd課題組在Nature Plants在線發表了一篇題為A bipartite transcription factor module controlling expression in the bundle sheath of Arabidopsis thaliana的研究論文，結合DNaseI-Seq數據與功能分析，揭示了MYB76基因在維管束鞘細胞特異性表達的調控模塊。
該研究通過對公開數據的GO分析發現，參與硫代葡萄糖苷合成的基因大多在維管束鞘中高表達。MYB和MYC轉錄因子在控制硫代葡萄糖苷合成相關基因表達中發揮作用，該研究發現，MYB28、MYB29和MYB76的基因在維管束鞘高表達。進一步的功能分析結果顯示，MYB28和MYB29的上調可能是外部順式元件介導的，而MYB76啟動子在翻譯起始位點上遊的核苷酸-1264和-796之間區域是介導維管束鞘細胞特異性表達的關鍵。此外，對資料庫中DHS（DNase I hypersensitive sites）的分析發現了葉片MYB76上遊的DHS，而將MYB76啟動子的核苷酸-909和-654之間的DHS去除會抑制MYB76的表達，但是通過DHS與啟動子結合可以驅動MYB76的表達，表明該DHS序列是優先激活維管束鞘中MYB76表達的必要充分條件。綜上，MYB76在維管束鞘表達的正調控因子應該是位於啟動子翻譯起始位點上遊的核苷酸-909（DHS的起始）和-796之間區域。
A DHS in the MYB76 promoter is necessary and sufficient for expression in the bundle sheath
該研究進一步預測和篩選了調控MYB76表達的候選轉錄因子，並選擇測試了MYC2、MYC3、MYC4、DREB2A、DREB26、DF1和MYB73的功能。結果發現，MYC2，MYC3和MYC4在控制MYB76表達中起主要作用，而DREB2A的作用較小。同時，該研究還發現MYB28和MYB29在束鞘中強烈優先表達，並且myb28 / 29突變體中MYB76表達顯著降低。在此基礎上，該研究進一步對myc2 / 3/4和myb28 / 29的公開轉錄組數據進行分析，發現在myc2 /3/4和myb28 / 29中均下調的基因大多強烈在維管束鞘優先表達，這表明MYC-MYB模塊在控制擬南芥維管束鞘基因表達中發揮關鍵作用。
MYC and MYB transcription factors control MYB76 expression from the DHS
總之，該研究表明MYC–MYB模塊是擬南芥維管束鞘中基因特異表達的關鍵驅動因子。該研究結果為C4光合作用進化相關的機制提供了新的見解。
參考文獻
【1】Hibberd, J. M., Sheehy, J. E. & Langdale, J. A. Using C4 photosynthesis to increase the yield of rice—rationale and feasibility. Curr. Opin. Plant Biol. 11, 228–231 (2008).
【2】Griffiths, H., Weller, G., Toy, L. F . M. & Dennis, R. J. Y ou’re so vein: bundle sheath physiology, phylogeny and evolution in C3 and C4 plants. Plant Cell Environ. 36, 249–261 (2013).
【3】Aubry, S., Smith-Unna, R. D., Boursnell, C. M., Kopriva, S. & Hibberd, J. M. Transcript residency on ribosomes reveals a key role for the Arabidopsis thaliana bundle sheath in sulphur and glucosinolate metabolism. Plant J. 78, 659–673 (2014).
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41477-020-00805-w