植物鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子家族研究進(jìn)展①

李 琳 丁 峰 潘介春 張樹偉 黃 幸 王金英 王 穎李浩然 徐炯志 彭宏祥 何新華(1 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院 廣西南寧530004;

2 廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 廣西南寧530007;

3 廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所 廣西南寧530007;4 亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西南寧530004)

鋅指蛋白存在于真核生物中，是最重要的轉(zhuǎn) 錄因子之一。轉(zhuǎn)錄因子可直接結(jié)合或間接作用于基因啟動(dòng)子，進(jìn)而形成具有RNA聚合酶活性的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的蛋白質(zhì)因子，通過激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄，起到調(diào)控基因表達(dá)和生物體功能等作用，完成生物在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控［1］。根據(jù)其功能方面的差異，轉(zhuǎn)錄因子可分為通用轉(zhuǎn)錄因子、序列特異性轉(zhuǎn)錄因子和輔助轉(zhuǎn)錄因子等。與RNA聚合酶I、II 和III 相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子有3 類，分別是TFI、TFII 和TFIII，鋅指蛋白為TFIII 型轉(zhuǎn)錄因子［2］，它是目前發(fā)現(xiàn)的種類最廣泛，在真核生物的生長(zhǎng)發(fā)育以及抗逆過程中具有重要調(diào)控作用的一類核酸結(jié)合蛋白。

鋅在植物生長(zhǎng)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用，對(duì)于鋅指蛋白，鋅的存在也極其重要，不僅是鋅指蛋白發(fā)揮作用的關(guān)鍵，鋅指功能的有效性也依賴于穩(wěn)定的鋅指結(jié)構(gòu)。如果使用鋅離子螯合劑脫鋅或用Fe、Al、Cu、Ag、Mn 等其它金屬離子代替鋅離子后，鋅指蛋白與DNA 或RNA 等結(jié)合特異性就會(huì)被明顯抑制，不能形成折疊結(jié)構(gòu)的同時(shí)，穩(wěn)定的蛋白也會(huì)失去支撐力，影響基因表達(dá)及脅迫響應(yīng)，使其喪失大部分功能。鋅指序列主要存在于轉(zhuǎn)錄因子中，并在轉(zhuǎn)錄水平上響應(yīng)及參與真核生物生長(zhǎng)發(fā)育，并對(duì)生物及非生物脅迫做出反應(yīng)［2］。

1 鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子概述

Bogenhagen等［3］于1982年發(fā)現(xiàn)TFIIIA參與非洲爪蟾卵母細(xì)胞5SRNA基因的調(diào)控，現(xiàn)已在各種植物、動(dòng)物及酵母中均發(fā)現(xiàn)了參與基因調(diào)控的鋅指蛋白［4-5］，該蛋白質(zhì)由一致序列的九次不完全重復(fù)組 成：（Tyr，Phe） -X-Cys-X2-4-Cys-X3-Phe -X5-Leu-X2-His-X3-4-His-X2-6（其中X 是任何氨基酸），這些陣列結(jié)合5S RNA 基因中的43 bp 序列［6］，顯著特征是具有“手指狀”結(jié)構(gòu)域且能與Zn2+結(jié)合。SPl屬于典型的TFIIIA類型的鋅指蛋白，其中兩個(gè)Cys 和兩個(gè)His 與鋅離子形成配位鍵，從而形成一個(gè)包含β發(fā)夾和α螺旋的緊密指狀結(jié)構(gòu)。植物鋅指蛋白中一般包含有1 到4 個(gè)數(shù)目不等的鋅指結(jié)構(gòu)（圖1）［4］。

研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中包含176個(gè)鋅指蛋白，構(gòu)成了該植物中最豐富的轉(zhuǎn)錄因子家族，其中有33個(gè)為在其它真核生物中保守的擬南芥鋅指蛋白，剩下大多數(shù)（約81%）為植物特異性鋅指蛋白［2］。目前研究較為廣泛的一類為真核生物基因組中含量最多的C2H2型鋅指蛋白，除含有DNA 結(jié)合區(qū)DBD（DNA-binding domain）外，通常還具有參與亞細(xì)胞定位的核定位信號(hào)區(qū)NLS （nuclear localiza‐tion signal，也稱B-box）［7］，該蛋白與DNA 接觸面有一段高度保守的氨基酸序列QALGGH，為植物鋅指蛋白所特有，其中Q 若突變則會(huì)極大降低蛋白結(jié)合DNA 的能力，除Q 外其他任何一個(gè)氨基酸的突變都會(huì)導(dǎo)致該蛋白完全喪失結(jié)合DNA 的功能［8］。C2H2型鋅指蛋白常見于植物中，不僅是染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中也發(fā)揮重要作用。

2 鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子的分類

根據(jù)鋅指蛋白在指狀二級(jí)結(jié)構(gòu)中與鋅離子結(jié)合的半胱氨酸和組氨酸殘基的數(shù)量和順序的不同，Berg 和Shi 將鋅指蛋白分為9 大類：C2H2、C8、C6、C3HC4、C2HC、C2HC5、C4、C4HC3和CCCH（C 和H 分別代表半胱氨酸和組氨酸）（表1）［9］；根據(jù)鋅指Cys和His 殘基所構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)不同，Krishna 等［10］把鋅指蛋白分成8個(gè)不同的折疊群：類C2H2型鋅指、高音譜號(hào)鋅指、帶狀鋅指、塞結(jié)狀鋅指、Zn2/Cys6 型鋅指、類TAZ2 型鋅指、鋅離子結(jié)合短環(huán)鋅指、金屬硫蛋白鋅指，其中前3類組成了大部分的鋅指［10］；根據(jù)鋅指蛋白的功能差異，可分為TFIII蛋白、WRKY 蛋 白、RING 蛋白、GATA 蛋白、PHD 蛋白、DOF蛋白等亞家族。

表1 9類鋅指蛋白的序列及其代表蛋白質(zhì)

3 鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子家族的生物學(xué)功能

在植物生長(zhǎng)過程中，各種不同的脅迫因素嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育及作物產(chǎn)量。植物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的模式形成了一系列的脅迫響應(yīng)保護(hù)機(jī)制，越來越多的基因和蛋白在應(yīng)答脅迫中發(fā)揮重要作用。其中鋅指蛋白已被證實(shí)與生物體內(nèi)的各種RNA 代謝有關(guān)［11］，廣泛參與基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯、mRNA 的運(yùn)輸、細(xì)胞支撐、蛋白折疊和染色質(zhì)修飾等過程，對(duì)植物基因表達(dá)及調(diào)控起著重要作用［12］。

3.1 對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控

鋅指蛋白廣泛參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程，例如種子萌發(fā)及成熟、根系發(fā)育、花器官及配子發(fā)育、激素反應(yīng)、葉片衰老和細(xì)胞凋亡等［6］。

3.1.1 參與植物種子萌發(fā)及成熟

種子發(fā)芽受外界環(huán)境條件和內(nèi)源激素的控制，ZFP3是C2H2型鋅指蛋白家族的一員，在擬南芥中充當(dāng)ABA，作為抑制種子發(fā)芽的負(fù)調(diào)節(jié)劑。研究表明過表達(dá)ZFP3 和與之密切相關(guān)的ZFP1、ZFP4、ZFP6及ZFP7 鋅指蛋白因子使ABA 對(duì)種子發(fā)芽不敏感，而ZFP3、ZFP4 雙突變體則顯示出更高的ABA 敏感性。通過觀察ZFP3 過表達(dá)植物的生長(zhǎng)狀況，顯示了多種表型改變，例如半矮生生長(zhǎng)習(xí)性、繁殖力缺陷以及下胚軸伸長(zhǎng)對(duì)紅光或藍(lán)色光的敏感性增強(qiáng)。用光敏色素和遺傳相互作用分析ABI 突變體，表現(xiàn)出ZFP3 通過除光敏色素A 之外的感光增強(qiáng)，這些數(shù)據(jù)基本可以得出：ZFP3 和鋅指因子相關(guān)的ZFP 亞家族在植物發(fā)芽和幼苗早期發(fā)育期間調(diào)節(jié)光和ABA響應(yīng)，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖能力，并調(diào)節(jié)幼苗光形態(tài)發(fā)生過程中的紅光信號(hào)，此外ABA還控制植物對(duì)干旱和鹽脅迫的響應(yīng)，包括氣孔關(guān)閉、與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的基因激活［13］。擬南芥中ARS1 編碼具有一個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)域、一個(gè)核輸出信號(hào)（NES）域和兩個(gè)核定位信號(hào)（NLS）域的核蛋白，ARS1 突變體表現(xiàn)出降低超氧化物歧化酶基因的表達(dá)，并在ABA處理后提高了活性氧（ROS）的積累。ARS1在擬南芥原生質(zhì)體中的瞬時(shí)表達(dá)強(qiáng)烈抑制ABA介導(dǎo)的ROS產(chǎn)生，說明ARS1能夠響應(yīng)ABA和氧化脅迫，進(jìn)而調(diào)節(jié)種子的萌發(fā)［13］。OsZF77基因是屬于CCCH型鋅指類的一個(gè)核酸結(jié)合蛋白，編碼280個(gè)氨基酸，通過將OsZF77啟動(dòng)子區(qū)和GUS 融合基因?qū)胨局杏^察發(fā)現(xiàn)：在胚乳尤其是靠近種皮外圍的胚乳中GUS 基因活力較強(qiáng)，胚中未檢測(cè)到GUS 活性。通過對(duì)OsZF77進(jìn)行“RT-PCR”分析、生物信息學(xué)分析和GUS的融合表達(dá)分析表明，該基因是一個(gè)胚乳優(yōu)勢(shì)表達(dá)基因，結(jié)合該基因在種子中的表達(dá)模式，進(jìn)一步驗(yàn)證了OsZF77基因的啟動(dòng)子在種子胚乳中的優(yōu)勢(shì)表達(dá)活性，也表明了該基因可能在種子胚乳發(fā)育過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用［14］。夏苗［15］通過酵母激活實(shí)驗(yàn)分析證明了ZmZFP1（Zea maysL.ZFP1）具有轉(zhuǎn)錄激活活性，ZmZFP1轉(zhuǎn)錄因子具有典型的鋅指蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)，與其親緣關(guān)系較近的基因都含有保守結(jié)構(gòu)域，通過Plant-CARE 程序預(yù)測(cè)ZmZFP1的啟動(dòng)子元件，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子中含有ABA誘導(dǎo)的順式作用元件，實(shí)時(shí)定量PCR分析得到該轉(zhuǎn)錄因子在胚乳中的表達(dá)結(jié)果與測(cè)序分析的表達(dá)結(jié)果一致，ZmZFP1基因上調(diào)表達(dá)可被ABA 誘導(dǎo)。通過檢測(cè)GUS 和LUC 酶的活性也驗(yàn)證了ZmZFP1能提高啟動(dòng)子Sh2、Bt1、Wx 活性，從而使ZmZFP1能參與以及促進(jìn)淀粉合成酶相關(guān)基因的表達(dá)。

3.1.2 參與植物花器官及配子發(fā)育

授粉是植物花粉和柱頭、花柱傳遞組織之間的一系列復(fù)雜的細(xì)胞識(shí)別和信號(hào)傳導(dǎo)過程［16］。HUA1 屬于CCCH 型鋅指蛋白，在擬南芥花發(fā)育過程中，HUA1 參與了RNA 結(jié)合蛋白AGAMOUS 前mRNA 的加工［17］。在矮牽牛中，PetSPL3可通過控制特定細(xì)胞類型的細(xì)胞分裂和/或擴(kuò)增，參與各種營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官的發(fā)育調(diào)控，推測(cè)矮牽牛中的幾種花藥特異性鋅指蛋白均參與花藥生殖組織和非生殖組織中配子的調(diào)控［17］。

3.1.3 鋅指蛋白參與植物葉片衰老

植株葉片衰老是由其生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境和和體內(nèi)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)的?？渍談伲?6］研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的CCCH 型蛋白OsDOS，該蛋白有2 個(gè)CCCH 鋅指結(jié)構(gòu)域［14］，OsDOS-GFP 融合蛋白定位于細(xì)胞核，RNAi（RNA interfere）抑制OsDOS 在葉片自然衰老、果實(shí)發(fā)育過程中的表達(dá)，加速葉片衰老進(jìn)程。OsDOS過表達(dá)植株表現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)育遲滯和明顯的葉片衰老延緩，以此推測(cè)OsDOS作為植物葉片衰老過程的負(fù)調(diào)控因子。在OsDOSRNAi株系中茉莉酸信號(hào)通路的基因表達(dá)顯著上調(diào)，而在OsDOS過表達(dá)株系中這些基因表達(dá)抑制或變化不明顯，表明茉莉酸信號(hào)通路可能參與了OsDOS 介導(dǎo)的對(duì)葉片衰老的調(diào)控。此外，OsDOSRNAi 過表達(dá)株系的種子和離體葉片對(duì)茉莉酸甲酯的處理分別表現(xiàn)出過度敏感和低敏感反應(yīng)，進(jìn)一步表明該蛋白很可能通過調(diào)控發(fā)育信號(hào)和茉莉酸信號(hào)通路的整合來延緩水稻葉片衰老。通過對(duì)棉花細(xì)胞壁再生SSH 庫(kù)中分離出來的CCCH型串聯(lián)鋅指基因GhTZF1 進(jìn)行鑒定，該基因主要在早期細(xì)胞壁再生過程中表達(dá)，在各種營(yíng)養(yǎng)和生殖組織中也有表達(dá)。在干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植物中的超氧化物歧化酶和過氧化物酶的活性明顯高于野生型植物，在干旱和茉莉酸甲酯（MeJA）處理下，轉(zhuǎn)基因植物中H2O2的量減少，實(shí)時(shí)定量PCR分析結(jié)果表明，GhTZF1的過表達(dá)降低了氧化相關(guān)衰老基因的表達(dá)。通過在H2O2處理期間轉(zhuǎn)基因植物中改變的一組抗氧化劑基因表明，GhTZF1的過表達(dá)也增強(qiáng)了氧化應(yīng)激耐受性，因此，GhTZF1可以通過調(diào)節(jié)活性氧的穩(wěn)態(tài)來介導(dǎo)植株干旱脅迫耐受性和葉片衰老［18］。

3.1.4 鋅指蛋白參與植物細(xì)胞凋亡

植物細(xì)胞程序化死亡（PCD）是由復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)控制的，轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)植物防御基因表達(dá)和抗性反應(yīng)上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。C2C2型鋅指蛋白在擬南芥中占轉(zhuǎn)錄因子總數(shù)的6.78%，在水稻中占4.67%，由GATA、CO-like、Dof、YABBY 和 類LSD1 （lesions stimulating disease resistance 1）共5 個(gè)基因家族組成，除GATA 外其他都是植物所特有的基因家族［19］，其中類LSD1 基因家族編碼一類特殊的C2C2型鋅指蛋白，結(jié)構(gòu)域一般由25個(gè)保守的氨基酸殘基組成。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥LSD1 和LOL1（LSD-One-Like 1）均參與植物PCD 的調(diào)控，對(duì)從擬南芥類LSD1 中克隆出的AtLSD1和AtLOL1進(jìn)行功能驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：AtLSD1基因是作為植物PCD的負(fù)調(diào)節(jié)因子，限制植物對(duì)外界刺激的反應(yīng)以及后期細(xì)胞死亡的擴(kuò)展，而AtLOL1是植物PCD 的正調(diào)節(jié)因子，在擬南芥中過量表達(dá)可降低植株對(duì)毒性病菌的敏感性。對(duì)從水稻類LSDI 中克隆出的OsLSDI進(jìn)行初步探究發(fā)現(xiàn)：該基因可作為植物愈傷組織分化的正調(diào)節(jié)因子和植物PCD的負(fù)調(diào)節(jié)因子。目前發(fā)現(xiàn)半胱天冬蛋白酶（caspase）在動(dòng)物PCD 過程中起主導(dǎo)作用，在植物中還未發(fā)現(xiàn)其直系同源蛋白，但發(fā)現(xiàn)一類metacaspase 蛋白酶，與其結(jié)構(gòu)高度相似，對(duì)metacaspase 基因的結(jié)構(gòu)和主要功能進(jìn)行初步探究，發(fā)現(xiàn)29個(gè)植物物種均含有metacas‐pase 基因［20］。根據(jù)差異表達(dá)分析結(jié)果推測(cè)擬南芥中9 個(gè)metacaspase 基因不同程度地參與了細(xì)胞對(duì)外界刺激反應(yīng)的過程，且存在于不同的功能模塊內(nèi)，在生物學(xué)功能上也存在一定差異。在擬南芥和水稻中均有2 個(gè)含有metacaspase p20 亞基的蛋白質(zhì)，p20 亞基能夠獨(dú)立引起細(xì)胞凋亡［21-22］，可基本判定這4 個(gè)蛋白質(zhì)都參與了植物PCD 的調(diào)節(jié)。通過進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)此類相關(guān)基因不僅在植物PCD 中發(fā)揮作用，同時(shí)也參與細(xì)胞物理、化學(xué)、生物因子等對(duì)外刺激的反應(yīng)過程［23］。此外桿狀病毒凋亡重復(fù)序列（BIR）包含CCHC配位基序，保守結(jié)構(gòu)域核心由中央三鏈β片段和4 個(gè)短α螺旋組成，許多BIR結(jié)構(gòu)域蛋白都可通過抑制胱天蛋白酶而參與程序性細(xì)胞死亡的調(diào)控［23］。

3.2 鋅指蛋白參與植物脅迫調(diào)控

由于外界自然環(huán)境條件復(fù)雜多變，植物在其生長(zhǎng)發(fā)育過程中經(jīng)常遭受非生物因素和生物因素等逆境脅迫，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受到抑制、損害、作物產(chǎn)量下降甚至死亡，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。目前關(guān)于鋅指蛋白的研究為其參與植物脅迫耐受性機(jī)理提供了依據(jù)，并為改善植物的脅迫耐受性提供了重要的方法。

3.2.1 參與植物的非生物脅迫調(diào)控

通過PCR輔助方法從擬南芥中克隆了鋅指蛋白基因家族的4個(gè)不同成員，一個(gè)與已經(jīng)報(bào)道的基因STZ/ZAT10相同，其余3 個(gè)為尚未鑒定的基因，將其命名AZF1（擬南芥鋅指蛋白1）、AZF2和AZF3。AZF 和STZ 編碼的蛋白質(zhì)與兩個(gè)手指的半胱氨酸的其他成員一樣，都包含兩個(gè)典型的半胱氨酸鋅指圖案，由長(zhǎng)的墊片隔開，在鋅指基序之外還識(shí)別出3 個(gè)保守區(qū)域，分別稱為B-box，L-box 和DNLbox，這4 個(gè)基因位于鋅指基序序列構(gòu)建的系統(tǒng)樹的同一分支上，進(jìn)一步表明了它們的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系。通過RNA 印跡分析表明：4 個(gè)基因主要在根中表達(dá)，并在其他器官中也有不同水平表達(dá)；4 個(gè)基因的表達(dá)均對(duì)水分脅迫有反應(yīng)，高鹽處理會(huì)導(dǎo)致這些基因的表達(dá)水平升高，低溫處理增加了AZF1、AZF3和STZ表達(dá)的水平， ABA 處理可誘導(dǎo)AZF2表達(dá)，其中誘導(dǎo)的時(shí)間及過程與高鹽誘導(dǎo)的時(shí)間過程相似（ABA 可控制植物對(duì)干旱和鹽脅迫的響應(yīng)，包括氣孔關(guān)閉、與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的基因激活［13］）。原位定位表明AZF2在鹽脅迫條件下，mRNA 積累在根的伸長(zhǎng)區(qū)中。這些結(jié)果表明AZF1、AZF2、AZF3和STZ它們都以ABA 依賴性或非依賴性途徑參與調(diào)控水分脅迫的下游基因（表2）［24］。

OsTZF1是水稻CCCH型鋅指家族的一員，干旱、高鹽脅迫以及過氧化氫誘導(dǎo)了OsTZF1基因的表達(dá)，OsTZF1基因的表達(dá)也可被脫落酸、茉莉酸甲酯和水楊酸誘導(dǎo)。在水稻胚芽鞘、幼葉、愈傷組織和穗組織中均觀察到含有OsTZF1啟動(dòng)子與β-葡萄糖醛酸酶融合組織的化學(xué)活性。有壓力存在時(shí)細(xì)胞質(zhì)中可觀察到OsTZF1綠色熒光蛋白定位。結(jié)合RNA測(cè)定表明OsTZF1可能與應(yīng)激反應(yīng)基因的RNA 代謝有關(guān)。OsTZF1的轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)種子萌發(fā)延遲、苗期生長(zhǎng)緩慢和葉片衰老延遲癥狀，與對(duì)照相比，RNAi 的植株表現(xiàn)為種子萌發(fā)早、幼苗生長(zhǎng)快、葉片衰老早。OsTZF1在植物中過度表達(dá)（OsTZF1-OX）時(shí)，植物對(duì)干旱和高鹽脅迫有很好的耐受性，反之亦然，OsTZF1可以作為一種生物技術(shù)工具，通過控制脅迫響應(yīng)基因的RNA代謝來改善各種植物的脅迫耐受性［25］。

從水稻中分離克隆得到OsCOIN轉(zhuǎn)錄因子，觀察發(fā)現(xiàn)OsCOIN在轉(zhuǎn)基因水稻品系中的過表達(dá)顯著增強(qiáng)了植株對(duì)寒冷、鹽和干旱脅迫的耐受性，細(xì)胞脯氨酸水平隨著OsP5CS表達(dá)的上調(diào)而增加［26］。氣孔控制CO2的吸收并優(yōu)化水分利用效率，H2O2是誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的重要信號(hào)分子，通過克隆并鑒定DST（抗干旱和耐鹽性）鋅指轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)現(xiàn)它通過直接調(diào)節(jié)H2O2相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)而負(fù)調(diào)控氣孔關(guān)閉。DST 功能喪失會(huì)促使氣孔關(guān)閉，降低氣孔密度，從而提高水稻的抗旱性和耐鹽性。

3.2.2 參與植物的生物脅迫調(diào)控

由水稻黃單胞菌（Xoo）引起的細(xì)菌性枯萎病是全世界范圍內(nèi)最嚴(yán)重的水稻病害之一，先前的研究表明［27］，鋅指蛋白家族成員水稻cDNA EI38D7（GenBank 登錄號(hào)BF108310）是防御反應(yīng)基因，它的表達(dá)在水稻對(duì)Xoo的抗性中被誘導(dǎo)（表3）。

從接種無(wú)毒黃單胞菌辣椒葉中分離出編碼C2H2型鋅指轉(zhuǎn)錄因子的辣椒鋅指蛋白基因CaZFP1，該CaZFP1蛋白是核靶向蛋白質(zhì)，全長(zhǎng)沒有轉(zhuǎn)錄激活活性，其功能是作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，而CaZFP1的C 端區(qū)域具有反激活活性。該CaZFP1轉(zhuǎn)錄因子在胡椒莖、根、花和紅色果實(shí)中均表達(dá)，但在葉和綠色果實(shí)中未能檢測(cè)到。CaZFP1響應(yīng)于炭疽菌，Ca‐ZFP1轉(zhuǎn)錄基本定位于辣椒葉中脈中維管束的韌皮部細(xì)胞，非生物激發(fā)子和環(huán)境脅迫可以更早地誘導(dǎo)CaZFP1基因。在轉(zhuǎn)基因擬南芥植物中過表達(dá)CaZFP1基因不僅增強(qiáng)了對(duì)丁香假單胞菌PV 感染的抵抗力還增強(qiáng)了番茄的耐旱能力［59］。

表2 鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫中的調(diào)控作用

表3 鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子在生物脅迫中的調(diào)控作用

4 鋅指蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

非洲爪蟾的5S 基因特異性轉(zhuǎn)錄因子TFIIIA 中的九個(gè)串聯(lián)鋅指重復(fù)序列與5S DNA和5S核糖體RNA特異性結(jié)合，進(jìn)一步說明了鋅指蛋白可與DNA 或RNA 進(jìn)行特異結(jié)合。TFIIIA 與DNA 結(jié)合的機(jī)制較為復(fù)雜，氨基末端的3 個(gè)鋅指識(shí)別一個(gè)13 bp 的序列并結(jié)合在主溝中，這些指狀結(jié)構(gòu)主要在DNA的一條鏈上和鳥嘌呤進(jìn)行接觸。α螺旋表面上的特定組氨酸（非鋅配位其殘基）和精氨酸殘基參與了DNA識(shí)別，緊接在α螺旋之前和在螺旋位置2、3 和6 處（在保守的組氨酸之前）的帶電荷氨基酸參與DNA鳥嘌呤的氫鍵結(jié)合。TFIIIA 的第2 指在這些DNA 接觸位置上含有組氨酸和精氨酸殘基，并發(fā)現(xiàn)TFIIIA 的第4 指至第7 指貢獻(xiàn)了TFIIIA 結(jié)合5S rRNA 的95%的自由能，而第1～3 指在結(jié)合啟動(dòng)子方面做出了類似的貢獻(xiàn)。此外，這些鋅指中的每一個(gè)都最低限度地識(shí)別序列GGG，誘變實(shí)驗(yàn)還顯示了這些氨基酸在指定DNA識(shí)別中的重要性［6］。

鋅指蛋白不僅可以識(shí)別DNA 和RNA，還能與DNA-RNA 雜交雙鏈分子及其他鋅指蛋白或自身結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上調(diào)控基因的表達(dá)。DNA 結(jié)合鋅指蛋白的3 個(gè)不同基序?yàn)椋轰\指（i）、鋅簇（ii） 和鋅扭曲（iii）［61］。酵母轉(zhuǎn)錄激活因子（GAL4）和DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域是第1 個(gè)被確定的，該蛋白內(nèi)包含兩個(gè)鋅結(jié)合位點(diǎn)，并且在蛋白質(zhì)中半胱氨酸殘基是唯一的鋅配體。在GAL4 中，兩個(gè)鋅原子結(jié)合6個(gè)半胱氨酸殘基，形成與金屬硫蛋白類似的“鋅簇”，GAL4 的兩個(gè)鋅原子之間的距離約為3.5 A，在糖皮質(zhì)激素受體中，每個(gè)鋅原子與4 個(gè)半胱氨酸殘基結(jié)合，“鋅扭曲”由位于兩個(gè)鋅原子之間的螺旋DNA識(shí)別位點(diǎn)表示。在包含多個(gè)鋅原子的DNA結(jié)合蛋白中，鋅簇和鋅扭曲參與調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝、次生代謝、減數(shù)分裂等過程。

5 展望

鋅指在結(jié)構(gòu)上是多樣化的，它存在于蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中，在細(xì)胞增殖和代謝、轉(zhuǎn)錄和翻譯、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和凋亡等過程中發(fā)揮廣泛的功能。鋅指在與多種化合物，如核酸、蛋白質(zhì)和小分子等結(jié)合過程中起著交互模塊的作用，其結(jié)構(gòu)研究為其功能的多樣性和特異性提供了新的依據(jù)。目前已經(jīng)確定的大量推定的鋅指圖案中，只有少數(shù)在結(jié)構(gòu)上得到了表征，要闡明鋅指蛋白的結(jié)構(gòu)、功能和作用機(jī)理還需要繼續(xù)研究。目前已經(jīng)明確的是，這些小的、獨(dú)立折疊的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域在調(diào)節(jié)植物的生物學(xué)功能中起著至關(guān)重要的作用，盡管大多數(shù)已知的鋅指蛋白都是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，但它們也可以參與染色質(zhì)重塑，RNA 結(jié)合或蛋白-蛋白相互作用這些生物學(xué)過程［62］。即使是經(jīng)典的C2H2鋅指基序也不能只簡(jiǎn)單地看作是核酸結(jié)合基序，還要看到其完成除DNA、RNA 識(shí)別和包裝之外的其他功能［23］。

目前該轉(zhuǎn)錄因子研究主要體現(xiàn)在克隆及定位分析、組織表達(dá)特異性及脅迫條件下的表達(dá)規(guī)律、轉(zhuǎn)基因植株的抗逆性檢測(cè)等［7，63］，對(duì)鋅指蛋白除基本逆境脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用機(jī)制等方面研究較少，如該轉(zhuǎn)錄因子通過哪些途徑、以何種方式調(diào)控下游基因表達(dá)、與其它轉(zhuǎn)錄因子相互作用的方式及原理等。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和研究水平的提升，以及對(duì)該轉(zhuǎn)錄因子的研究更加深入全面，有望在利用鋅指蛋白基因資源改良及培育新品種中發(fā)揮重要作用。