植物bHLH转录因子研究进展_刘文文

生物技术进展

2013年第3卷第1期7 11

Current Biotechnology ISSN 2095-櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯

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进展评述

Reviews

收稿日期：2012-12-12；接受日期：2012-12-31基金项目：国家自然科学基因项目（30970221）资助。

作者简介：刘文文，硕士研究生，研究方向为玉米氮利用效率生理学及拟南芥抗逆作用机制。*通讯作者：李文学，研究员，博士，主要

从事小RNA 功能及植物抗逆机制研究。E-

mail ：liwenxue@caas．cn 植物bHLH 转录因子研究进展

刘文文，李文学

*

中国农业科学院作物科学研究所，北京100081摘

要：bHLH （basic helix-loop-helix protein ）是真核生物中存在最广泛的一大类转录因子，其通过特定的氨基酸残基与

靶基因相互作用，进而调节相关基因的表达。系统发育分析表明植物的bHLH 转录因子为单源进化。bHLH 转录因子不仅对于植物的正常生长和发育必不可缺，同时参与植物适应多种逆境胁迫的反应过程。然而，由于植物bHLH 家族成员众多、

参与的生物过程复杂，对于其了解还不是十分清楚。本文针对植物bHLH 的进化、结构特点、生物功能，尤其是在适应逆境胁迫中作用等的最新研究结果进行综述，以期为进一步深入了解植物bHLH 转录因子的功能提供理论参考。关键词：bHLH ；结构特点；生物学功能DOI ：10．3969/j．issn．2095-2341．2013．01．02

Progress of Plant bHLH Transcription Factor

LIU Wen-wen ，LI Wen-xue *

Institute of Crop Science ，Chinese Academy of Agricultural Sciences ，Beijing 100081，China

Abstract ：Basic helix-loop-helix proteins （bHLHs ）are found throughout the eukaryotic kingdom ，and constitute one of the largest

families of plant transcription factors．They can regulate gene expression through interaction with specific motif in target genes．Phylogenetic analysis indicates that plant bHLHs are monophyletic．bHLHs are necessary for plant normal growth and development ，and play important roles in abiotic-stress responses．However ，we know little about their origins ，structures ，and

functions due to the large quantities and complexity of plant bHLH family．This paper reviews on the evolution ，structure

characteristics ，biological function of plant bHLHs ，especially their functions in adapting to abiotic-stress tolerance ，so as to provide a theoretical reference for further research on the function of plant bHLH transcription factors．Key words ：bHLHs ；structural features ；biological function

bHLH 转录因子广泛存在于真核生物。自

bHLH 发现以来，越来越多的研究表明该转录因子对于真核生物的正常生长及发育必不可缺。在酵母等单细胞真核生物中，bHLH 参与染色体的分离、新陈代谢调节等过程［1］

；在动物中，bHLH

主要与感知外界环境、调节细胞周期、组织分化等

相关

［2 4］

。植物中bHLH 家族成员数量众多，仅

次于MYB 类转录因子，譬如在拟南芥中有超过140个bHLH 转录因子，水稻中则超过160个。家族的庞大不可避免的造成功能冗余，使研究单个bHLH 转录因子的功能相对困难。本文拟对有限的植物bHLH 家族研究结果，尤其是参与植物

适应逆境胁迫过程中的作用进行综述，以期为进

一步深入了解植物bHLH 转录因子的功能的提供理论参考。

1

植物bHLH 的结构特点、家族分类及

进化

1．1

bHLH 的基本结构

bHLH 转录因子因含有bHLH 结构域而得名。bHLH 结构域由50 60个氨基酸组成，可分为长度为10 15个氨基酸的碱性氨基酸区和40个氨基酸左右的α-螺旋-环-α-螺旋区（HLH 区）。

碱性氨基酸区位于bHLH结构域的N-端，具有DNA识别和结合位点。植物中50%以上的碱性氨基酸区含有高度保守的H5-E9-R13序列（His5-Glu9-Arg13），其对bHLH和靶标DNA的结合必不可缺［2，5］。基因启动子区上游通常存在E-box 结构，是一种有6个碱基（CANNTG）排列的特殊回文序列，能够被转录因子等蛋白质识别并结合，进而激发基因进行转录。大多数bHLH转录因子都能够识别E-box，而在线虫体内，bHLH转录因子还可以与非典型E-box短核苷酸（例如CACGCG和CATGCG）序列结合［6］。HLH区中有两个相连的螺旋结构，多由疏水氨基酸组成，其中23位与64位的亮氨酸（Leu23/64）、54位的亮氨酸或异亮氨基酸（Leu/Iso54）、61位的缬氨酸（Val61）在植物bHLH中高度保守，HLH区中Leu23、Leu52残基对于二聚体的形成是必须的［7，8］。

通常，除了bHLH结构域之外，bHLH还具有保守性相对较低的结构域，存在于进化关系上相近或功能类似的家族中。譬如，动物bHLH转录因子中存在由6个亮氨酸组成的亮氨酸拉链基序（ZIP），该序列与HLH区中的第二个螺旋相邻，可通过与第二个螺旋的相互作用影响bHLH转录因子的空间结构，进而阻止bHLH转录因子形成二聚体［9］。

1．2bHLH家族分类、进化关系及结构特点依据进化关系、与DNA的结合模式，动物中bHLH转录因子被分为A F六个家族［10］。根据动物的分类标准，考虑到在特定位置氨基酸的保守性及其有无除bHLH功能域之外的其他保守功能域等条件，Heim等［11］将在拟南芥中发现的133个基因划分为12个家族；随后又有14个新的bHLH转录因子被发现，并被进一步被分为21个家族［2］；但是这种分类方法仅局限于高等陆生植物。随着该家族成员在苔藓、海藻等物种中被更多的发现与鉴定，bHLH转录因子被细分为32个家族［7］。

动物A家族成员大都可以与CAGCTG或CACCTG类型的E-box结合，并且此类蛋白质的第8位多为精氨酸；B类的第5位则多为赖氨酸或组氨酸，第23位多为精氨酸，能够与CACGTG 或CATGTTG类型的E-box结合。植物中53% bHLH转录因子的结构特点与动物的B类相符，符合H5-E9-R13结构特点；8%与动物A类结构特点相符，含有R8-E9结构［12］，表明大部分植物bHLH同样能与E-box结合。在167个水稻bHLH转录因子中，有141个成员具有与DNA结合的能力，其中95个是与G-box（E-box的一种）结合的，19个与其他种类E-box结合，27个与非E-box DNA结合；拟南芥的147个bHLH转录因子中有89个与G-box结合，20个与其他种类E-box结合［13］。动物E类bHLH除了具有H5-E9-R13的结构特点外，第6位为保守的脯氨酸，主要与N-box（CACGCG或CACGAG）结合；C类、F类bHLH中具有的PAS和COE保守域，这几类bHLH在植物中尚未发现；同时植物中有11%的bHLH转录因子含有Q5-A9-R13，为植物所特有。

Nuno等［12］证实大多数植物bHLH转录因子家族在4亿4300万年前的陆生植物中已经存在。尽管有一定数量的基因在不同植物家系中发生了复制或丢失，但是这些家族成员在植物进化过程中仍高度保守。大约80%植物bHLH转录因子在bHLH功能域上具有内含子，尽管这些内含子的数量不同，但是位置十分保守［13，14］。通过内含子模式分析，推测植物bHLH转录因子多为单源进化，与其他真核生物bHLH之间不存在明确的进化关系。

1．3植物bHLH二聚体

植物bHLH转录因子主要通过同源或者异源二聚体的形式发挥作用，但其中的机制尚不清楚。现在普遍认为HLH功能域的疏水氨基酸残基界面特性、带电荷氨基酸残基间的相互作用及其分子伴侣蛋白的有效性决定了bHLH转录因子同源或者异源二聚体的特性［15］。有证据表明PIF3和HFR1相互作用形成异源二聚体，不仅能够阻止PIF3与E-box的结合，而且能与光敏色素形成具有功能的三元复合体［8］。植物中研究最为清楚的当属bHLH转录因子与MYB转录因子之间的相互作用。植物中bHLH转录因子具有［DE］Lx

2［RK］x

3

Lx

6

Lx

3

R结构，这个结构决定了bHLH转录因子之间、bHLH与MYB转录因子相互作用的特异性和稳定性［16］。此结构在被子植物和裸子植物中相对保守，表明MYB-bHLH的相互作用在进化上形成时间较早［17］。植物中bHLH能与其他蛋白形成二聚体的特性拓展了bHLH作为转录因子进行调节的范围。

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