生長素響應因子選擇性結合AuxRE元件，調控生長素信號

2020-10-01 BioArt植物

PNAS | 生長素響應因子選擇性結合AuxRE元件，調控生長素信號


責編 | 逸雲

生長素是一類重要的植物內源激素，其參與調控植物多種生命進程。生長素信號通路的轉錄調控依賴於生長素響應因子（AUXIN RESPONSE FACTOR ，ARF），ARF能夠與生長素響應基因的順式作用元件(AuxRE)結合進而調控相關基因表達【1-2】。大部分ARFs含有三個保守的功能結構域，即一個位於N端負責DNA結合的功能域（DBD）、一個位於C末端負責蛋白之間相互作用的PBI功能域和一個位於中間部位負責轉錄調控活性的功能域。先前研究已經鑑定出了兩個AuxRE重複序列，分別是5′-TGTCGG-3′和 5′-TGTCTC-3′【3-4】。然而到目前為止，ARF如何識別AuxRE重複序列以及如何選擇性的結合不同的AuxRE重複序列去調控生長素應答基因的表達卻仍不清楚。


近日，荷蘭瓦赫寧根大學（Wageningen University）Dolf Weijers研究團隊在PNAS上發表了一篇題為Architecture of DNA elements mediating ARF transcription factor binding and auxin-responsive gene expression in Arabidopsis 研究論文， 揭示了擬南芥中ARF如何高親和力結合AuxRE進而調控生長素信號通路。



本研究中，為了探究5′-TGTCNN-3′重複序列中最後兩個核苷酸如何影響ARF-DNA的結合，研究人員分析擬南芥AtARF1-DBD的結構發現ARF二聚體能夠隨著AuxRE重複序列的不同而發生改變，並根據靠近TGTC核心附近的鹼基序列而發生局部構象改變。先前研究發現擬南芥TMO5（TARGET OF MONOPTEROS 5）是ARF5的一個目標基因【5】。研究分析TMO5啟動子區域ARF5基因所結合的2個AuxRE-like 功能域表明，ARF二聚體與AuxREs元件高親和力結合去調控基因表達活性。


進一步全基因組分析生長素響應的反向重複序列（IR）和正向重複序列（DR），研究人員發現了兩個關鍵的AuxRE重複序列，分別為DR5和IR8，其中DR5與基因激活顯著相關，而IR8與基因激活和抑制顯著相關。並且，這兩個重複序列與生長素響應基因表達情況更相關，甚至超過生長素響應基因與5′-TGTCGG-3′重複序列之間的相關程度。此外，研究人員還發現DR5和IR8兩個元件在生長素應答基因中廣泛存在，並且，ARF5和ARF1與IR8結合的親和力都強於與DR5結合的親和力。


圖 單分子螢光共振分析不同的ARF-DNA親和力


綜上所述，研究人員深入分析了擬南芥ARF高親和力結合不同的AuxRE重複序列，表明ARF所識別位點處的重複序列是其發揮調控功能的關鍵元件，並揭示了此不同重複序列表現出不同分子活性的分子機理。


參考文獻：

1. A. W. Woodward, B. Bartel, Auxin: Regulation, action, and interaction. Ann. Bot. 95, 707–735 (2005)；

2. H. Kato, R. Nishihama, D. Weijers, T. Kohchi, Evolution of nuclear auxin signaling Lessons from genetic studies with basal land plants. J. Exp. Bot. 69, 291–301 (2018)；

3. D. R. Boer et al., Structural basis for DNA binding specificity by the auxin-dependent ARF transcription factors. Cell 156, 577–589 (2014).

4. R. C. O』Malley et al., Cistrome and epicistrome features shape the regulatory DNA landscape. Cell 165, 1280–1292 (2016)；

5. A. Schlereth et al., MONOPTEROS controls embryonic root initiation by regulating a mobile transcription factor. Nature 464, 913–916 (2010).


文章連結：

https://www.pnas.org/content/pnas/early/2020/09/10/2009554117.full.pdf

相關焦點

  • Nature | 生長素響應的轉錄抑制調控網絡
    擬南芥中共有23種ARF，其中ARF5、ARF6、ARF7、ARF8和ARF19屬於A型ARFs，這些保守的A型ARFs是生長素響應基因的轉錄激活因子，因而在植物的生長素信號調控中發揮關鍵作用此外，A型ARFs具有組織特異性表達模式，這可能是導致多樣化生長素響應的關鍵【3】，但是目前尚不清楚A型ARFs表達的調控機制。
  • 研究揭示水稻生長素響應因子(OsARFs)差異性調控水稻抗矮縮病毒...
    揭示了水稻生長素響應因子（OsARFs）差異性調控水稻抗矮縮病毒（RDV）的分子機制。水稻矮縮病毒（Rice dwarf virus，RDV）是由葉蟬傳播的能夠引起大面積水稻感病並嚴重減產的一種病毒。感染RDV的水稻植株顯著矮縮，分孽增多，不抽穗或半抽穗。
  • 生命科學學院李毅課題組揭示水稻生長素響應因子(OsARFs)差異性...
    揭示了水稻生長素響應因子（OsARFs）差異性調控水稻抗矮縮病毒（RDV）的分子機制。水稻矮縮病毒（Rice dwarf virus，RDV）是由葉蟬傳播的能夠引起大面積水稻感病並嚴重減產的一種病毒。感染RDV的水稻植株顯著矮縮，分孽增多，不抽穗或半抽穗。
  • Nature: 中國科學家發現一條新的生長素信號轉導途徑
    Nature:中國科學家發現新的不依賴於TIR1的生長素信號轉導途徑研究背景：經典的生長素信號通路是指生長素與其受體TIR1/AFBs結合後, 能穩定其受體與生長素信號抑制因子Aux/IAA蛋白的互作, 且能夠泛素化降解Aux/IAA蛋白, 釋放出被Aux/IAA蛋白抑制的生長素響應因子
  • 【Nat Communi】植物表皮細胞通過生長素途徑響應熱反應
    該研究表明植物在高溫下表皮細胞中的PIF4水平和活性增加，然後以細胞自主方式激活表皮生長素應答，從而促進擬南芥中的熱形態發生。熱形態發生（Thermomorphogenesis）是指植物響應環境溫度的升高而發生的形態變化。其特點包括下胚軸和葉柄伸長，葉子偏下性的生長，降低了葉片厚度。
  • 生長素作用機制研究取得進展
    該研究發現蛋白酶體活性調節蛋白 PTRE1 介導了生長素對蛋白酶體活性的調控及生長素信號途徑重要因子 Aux / IAA 蛋白的降解，進而精細調控生長素信號和作用。生長素在植物生長發育過程中發揮重要調節作用。
  • 每日摘要:非典型AUX/IAA蛋白IAA33負調控生長素信號轉導(The EMBO Journal)
    植物激素生長素通過TIR1依賴性的典型AUX/IAA蛋白降解來控制植物的生長和發育，而這些典型AUX/IAA蛋白通常情況下會抑制植物生長素反應轉錄因子ARF蛋白的活性。IAA33是一種缺乏TIR1結合域的非典型AUX/IAA蛋白，其在植物生長素信號轉導和發育中的作用尚不清楚。
  • 南農/華農合作團隊揭示生長素穩態調控水稻氮肥利用效率的機理
    12月29日，南京農業大學李姍教授研究組和華南農業大學王少奎教授研究組合作在The Plant Cell發表了題為Natural Allelic Variation in a Modulator of Auxin Homeostasis Improves Grain Yield and Nitrogen Use Efficiency in Rice的研究論文，揭示了生長素穩態調控水稻氮肥利用效率的機理
  • 科學家發現糖信號通過影響生長素合成參與種子灌漿過程的分子機制
    6-磷酸海藻糖（T6P）作為海藻糖生物合成的中間產物，也被證明是連接植物發育與碳代謝以及啟動種子灌漿過程的關鍵因子【2】。最近的研究還發現，糖代謝反應和種子發育進程還受到生長素生物合成的影響【3】，但是目前尚不清楚種子中的碳水化合物代謝和生長素之間是否可以協同調控該過程。
  • 中國科學院大學等揭示生長素在植物側生分生組織形成中的調控作用
    焦雨鈴課題組題在Journal of Genetics and Genomics發表了為Multifaceted functions of auxin in vegetative axillary meristem initiation 的研究論文，揭示了生長素在植物側生分生組織形成中起到的多方面複雜調控作用
  • JXB︱德國圖賓根大學研究者揭示GA和生長素的相互作用調控木質部擴張的分子機制
    Experimental Botany 雜誌發表了題為Auxin and Gibberellin signaling cross-talk promotes hypocotyl xylem expansion and cambium homeostasis 的研究論文，在擬南芥下胚軸中，木材的形成有兩個不同的階段，該研究揭示了木質部擴張階段受生長素和赤黴素信號組分相互作用的調控
  • Cell Reports | 福建農林大學林德書課題組發現生長素調控錐形細胞形態的機制
    錐形細胞最早在金魚草中被報導，轉錄因子MIXTA的功能缺失突變體會導致細胞失去了錐形凸起，而變為扁平形態。mixta突變體顯著降低了對蜜蜂的吸引，並導致結實率顯著降低【2】。然而，這種形態特殊的錐形細胞是如何形態建成的還不清楚。
  • Science生長素渠化過程中生長素細胞間定向運輸的調控機制
    生長素轉運是由生長素轉運蛋白PIN介導的。生長素「渠化假說」認為極性定位的PIN轉運蛋白通過轉運生長素形成的生長素轉運通道，確定了維管系統形成的位置。不同植物物種中均發現表達PIN蛋白的生長素通道出現在維管形成之前，連接新形成的器官或側枝，或者發生在葉脈形成、胚胎發生、創傷後維管再生過程。這些結果說明生長素是維管形成的必要信號。
  • EMBO J | 生長素極性運輸調控新機制
    ）和ABCB家族蛋白ABCB19等外排載體的嚴格調控。通過進一步分析各種生長素轉運抑制劑和調節劑對PIN1二聚體穩定性的影響，該研究發現內源黃酮醇可以與NPA以相同的方式影響PIN1的穩定性，而這種穩定性對生長素外排是必需的。有趣的是，生長素可以拮抗NPA對PIN1二聚體穩定性的調節，從而影響極性生長素運輸。
  • 每日摘要:擬南芥根組織中創傷誘導的細胞膨壓變化和局部生長素信號協調根的恢復性分裂(PNAS)
    植物組織的創傷自愈，形成由硬質細胞壁包裹著的細胞，代表了植物科學研究領域的一個重要挑戰，其潛在的分子調控機制與動物中的自愈機制不同，且在很大程度上都處於未知狀態。由於其無法遷移的特性，植物細胞必須依賴於靶向細胞分裂和擴張來再生創傷組織。傷口誘導響應之間的嚴密協調保證了高效地、組織部位特異性地創傷自愈。
  • ROP-ROS信號通路調控植物滲透脅迫響應的新機制
    Current Biology | ROP-ROS信號通路調控植物滲透脅迫響應的新機制植物通過複雜的信號網絡感知外界環境的滲透變化並作出響應。此外，ROP還可以調節ROS的積累以響應幾丁質的誘導，並且ROP的功能依賴於質膜脂質的存在【3】。因此，ROP基因家族是滲透信號的潛在調節因子，但是目前尚不清楚ROP如何介導滲透脅迫下的ROS信號積累及其調節機制。
  • 項目文章 | New Phytol：轉錄因子 PdNF-YB21 參與毛果楊乾旱響應
    NF-Y 是一類轉錄因子，由 NF-YA、NF-YB 和 NF-YC 3 個亞基構成。研究表明，單個 NF-Y 亞基廣泛參與植物生長、發育和應激響應調節以及 ABA 信號傳導中。根系生長控制在植物對乾旱脅迫的適應中起著重要的作用，擬南芥和玉米中的研究表明，NF-Y 家族成員可以通過調節植物根系生長和 ABA 信號傳導提高植物抗旱性和產量，但這種調控的潛在分子機制仍不清楚。
  • 小肽整合生長素途徑參與不同溫度下擬南芥花發育過程
    花原基的形成和生長依賴於生長素，並且在不同環境下都可以維持健康狀態。這其中由保守的小肽CLV3信號途徑通過一系列受體抑制花分生組織（inflorescence meristems, IM）中心轉錄因子WUS的表達從而抑制莖和IM中的幹細胞增殖。
  • 研究發現:生長素也可誘導和維持種子休眠
    人民網北京8月30日電（記者 馬麗）據中科院網站消息，該院上海生命科學研究院植物生理生態研究所何祖華研究組經過多年的研究發現，生長素是第二個可以誘導和維持種子休眠的激素。相關研究成果於8月28日在線發表在《美國科學院院報》（PNAS）上。 種子從休眠向萌發轉變是植物生命周期中的一個關鍵轉折點。
  • 浙大系統地揭示水稻生長素受體TIR1/AFB家族基因的功能
    另外，單子葉植物與雙子葉植物對生長素類除草劑的抗性存在很大差異【2】。與雙子葉植物相比，單子葉植物對外源合成生長素的感知或反應不同。生長素共受體TIR1/AFB介導的信號傳導通路參與了植物生長發育的各個過程【3-6】。生長素受體研究對於揭示生長素信號轉導途徑以及深入了解生長素參與植物諸多生理過程的作用機制具有重要的科學意義。