植物NAC转录因子研究进展

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1、植物NAC转录因子研究进展陈波指导老师：韩斌NAC(NAM，ATAF1/2，CUC2)转录因子的研究发轫于上世纪90年代后期，Souer等(1996)通过转座子标签法在矮牵牛中克隆到第一个NAC基因NAM(NoApicalMeristem)。次年在拟南芥中克隆到CUC2基因(Cup-ShapedCotyledon2)，对比发现矮牵牛NAM，拟南芥ATAF1/2和CUC2基因编码蛋白N端都含有一段保守的氨基酸序列，命名为NAC结构域(Adiaetal，1997)。NAC结构域蛋白数目众多，组成了最大的植

2、物特异性转录因子家族之一(Riechmannetal，2000；Gutierrezetal，2004)，在过去十余年中，已经在多种植物中克隆到NAC家族基因。大量研究表明，NAC转录因子参与植物的生长发育调控、器官建成、生物胁迫与非生物胁迫应答等多种生理生化过程，有着广泛而重要的作用。因其功能的多样性，NAC转录因子正逐渐成为植物分子生物学中的研究热点，本文即对当前NAC转录因子的研究进展做一综述。1.NAC转录因子的结构特征和系统发育1.1NAC蛋白的结构域与其分子功能NAC家族蛋白长度一般在400

3、个氨基酸以内，由保守的NAC结构域与高度差异的C末端区域组成。NAC结构域位于N端，大约包含160个氨基酸残基，根据多重序列联配的结果又可以细分为A，B，C，D，E5个亚结构域(Kikuchietal，2000)，其中A，C，D序列高度保守，B和E保守性较低。C末端区域在长度和序列上都具有多样性，该端不包含在整个基因家族水平上保守的序列，但是存在一些保守的motif分布于不同亚组的NAC蛋白中(Ookaetal，2003；Fangetal，2008；Shenetal，2009)(图1)。转录因子一般包

4、含DNA结合区，转录调控区，寡聚化位点和核定位信号(NLS)这四个功能区域。在NAC家族蛋白中，NAC结构域被证实具有DNA结合的能力(Xieetal，2000；Ernstetal，2004)，在AtNAM中DNA结合位点被定位于D、E亚结构域(Duvaletal，2002)；转录激活功能区(Transcriptionalactivationregions，TARs)位于C末端区域，多个独立的实验都证实C端具有转录激活能力(Xieetal，2000；Heetal，2005；Huetal，2006；Lu

5、etal，2007)；NAC蛋白可以结合成同源或者异源二聚体来行使功能，这种结合的能力被定位于NAC结构域，C末端区域会影响结合的强度(Xieetal，2000；Hegedusetal，2003)；GFP融合蛋白指示多个NAC蛋白定位在细胞核中，软件预测NLS位于NAC结构域中(Taokaetal，2004；Nogueiraetal，2005；Guoetal，2006；Huetal，2006；Huetal，2008)(图1)。部分NAC蛋白在C末端区域具有跨膜motif(图1)，预测在拟南芥中有13个

6、以上此类NAC，水稻中有6个以上，当它们以完整的膜结合形式存在时是非活性的，其功能激活需要特异蛋白酶将其从膜上释放(Kimetal，2006；Kimetal，2007)。图1.NAC转录因子结构示意图(Shenetal，2009，略有改动)1.2NAC结构域的X射线晶体结构将三个代表性的NAC蛋白CUC1，CUC2和ATAF1的NAC结构域相互替换，分别转化拟南芥愈伤，结果显示NAC结构域是最终诱导芽产生频率的决定因素，说明NAC结构域决定基因功能的特异性(Taokaetal，2004)。Ernst等

7、(2004)利用X射线晶体衍射技术解析了拟南芥ANAC019NAC结构域的晶体结构。NAC结构域中没有经典的螺旋-转角-螺旋结构，而是以一个扭曲的反向平行β折叠片为中心，一端被N末端的α螺旋，另一端被一个稍短的α螺旋围绕(图2A，B)。结构信息的阐明有助于我们理解突变体中NAC蛋白的变化，如矮牵牛nam突变体由于dTph1转座子的跳转导致N端α螺旋被插入了2个额外的氨基酸，对其结构造成影响，使NAM蛋白失活；拟南芥cuc1-4编码蛋白在59位由亮氨酸突变为苯丙氨酸，导致在紧密的疏水区插入了一个大的氨基

8、酸残基，影响NAC结构域空间构象的稳定性(Olsenetal，2005a)。ANAC019的NAC结构域在溶液中偏向于形成二聚体(Olsenetal，2004)，突变分析表明二聚化是NAC稳定结合DNA的必要条件(Olsenetal，2005b)。晶体结构显示二聚体的结合是N末端区域一些高度保守的氨基酸残基相互作用的结果，包括疏水性互作形成的一个短的反向平行β折叠和由保守的Arg-18和Glu-26形成的两个盐桥(图2B)。这两个盐桥对维持二聚体很重要，