鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子YY1的功能研究進(jìn)展

樊星宋興舜邢倩

(1.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江西省中國科學(xué)院廬山植物園，江西 九江 332900)

轉(zhuǎn)錄因子能夠通過與某一基因特定序列的專一性結(jié)合，激活或抑制該基因的轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控該基因的表達(dá)，影響生物體的表型變化。轉(zhuǎn)錄因子是生物體內(nèi)一種特殊的蛋白質(zhì)分子，其與DNA的結(jié)合并不遵從于單一的結(jié)構(gòu)類型，鋅指蛋白就是一種轉(zhuǎn)錄因子。鋅指蛋白廣泛分布于真核生物基因組中，能夠與靶基因的啟動子序列特異結(jié)合并調(diào)控該基因表達(dá)，從而影響多個基因發(fā)揮功能。鋅指蛋白結(jié)構(gòu)域呈“手指狀”，主要由半胱氨酸和組氨酸構(gòu)成，通過與鋅離子的結(jié)合形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定的鋅指結(jié)構(gòu)是鋅指蛋白正常行使功能的關(guān)鍵。根據(jù)鋅指蛋白結(jié)構(gòu)域的這2種主要組成氨基酸的數(shù)目及位置，可以將鋅指蛋白分為不同類型，其中C2H2型鋅指蛋白是目前研究最廣泛、最深入的一類鋅指蛋白，陰陽轉(zhuǎn)錄因子YY1(YIN AND YANG1)就是一種C2H2型鋅指蛋白[1]。作為一種同時具有激活轉(zhuǎn)錄和抑制轉(zhuǎn)錄雙重功能的轉(zhuǎn)錄因子，YY1自發(fā)現(xiàn)以來就廣受研究者們的關(guān)注，其既可以通過與某些特定基因結(jié)合激活該基因的轉(zhuǎn)錄，也可以抑制一些基因的轉(zhuǎn)錄，除此之外，其還可以與眾多蛋白質(zhì)分子互作來調(diào)控靶基因的表達(dá)。本文就YY1基因在不同物種中的結(jié)構(gòu)及功能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 C2H2型鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子YY1

YY1廣泛存在于動植物基因組中，屬于C2H2型鋅指蛋白中的GLI-Kruppel類鋅指蛋白，參與抑制和激活多種啟動子。多數(shù)C2H2型鋅指蛋白由25～30個氨基酸殘基組成，保守殘基為2個半胱氨酸(Cys)和2個組氨酸(His)，以及1個苯丙氨酸(Phe)和1個亮氨酸(Leu)；一般情況下，C2H2型鋅指蛋白的結(jié)構(gòu)域由鋅指結(jié)構(gòu)域和其他特殊結(jié)構(gòu)域組成。C2H2型鋅指蛋白除了可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因的表達(dá)之外，也會參與轉(zhuǎn)錄后修飾環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)錄后修飾可以增強鋅指蛋白的激活或抑制功能[2]。同時，人類基因組中YY1轉(zhuǎn)錄因子可以通過招募組蛋白去乙酰化酶1抑制人免疫缺陷病毒1型長末端重復(fù)序列，表明YY1可能參與組蛋白修飾作用[2]。迄今為止，研究者們在數(shù)十種動植物中發(fā)現(xiàn)了YY1的同源基因。

2 不同物種YY1基因的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 哺乳動物中YY1的研究進(jìn)展

在不同物種YY1基因的研究中，哺乳動物YY1的研究最深入。這與哺乳動物YY1在基因組中的定位及功能有關(guān)。在人類基因組中，YY1基因位于人類第14號染色體的端粒部位，含有多個內(nèi)含子，可以通過不同的選擇性剪接形成8種剪接體。其編碼的人類轉(zhuǎn)錄因子YY1含有414個氨基酸，在YY1蛋白的N端有一個典型的高度酸性化的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域；蛋白中間區(qū)域可與多種基因、蛋白質(zhì)結(jié)合互作；在轉(zhuǎn)錄因子YY1蛋白的C端，有4個鋅指結(jié)構(gòu)域，可以和DNA特異性結(jié)合，具有一定的轉(zhuǎn)錄抑制作用[3]。因此，YY1的蛋白結(jié)構(gòu)決定了其同時具有轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄抑制2種截然相反的功能。目前報道的YY1保守DNA結(jié)合序列包括以下8種：GCCATnTT、GnCGACATnTT、CnCCATnTT、CCGCCATnTT、taCGCCATtTTg、CGCCATCTT、CGCCATTTT以及GCCATnTT[4]。一般情況下，YY1與5′-CCAT-3′和5′-ACAT-3′結(jié)合，但研究發(fā)現(xiàn)，YY1與5′-CCAT-3′結(jié)合位點有較高的親和力[3]。

YY1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制可以通過YY1和激活因子之間的直接競爭性結(jié)合、干擾激活因子功能或招募參與染色質(zhì)重塑的輔抑制因子來發(fā)生，如Ring1和YY1結(jié)合蛋白(RYBP)[3]；YY1作為一種PhoRC(Pleiohomeotic Repressive Complex)蛋白，也可以通過募集Polycomb Group Protein(PcG蛋白)到靶基因位點來調(diào)控一些下游基因的表達(dá)[4]。

YY1也通過直接結(jié)合啟動子，與參與RNA聚合酶II復(fù)合體形成的一般轉(zhuǎn)錄因子相互作用[4]，通過掩蔽轉(zhuǎn)錄抑制域，揭示轉(zhuǎn)錄激活域，招募共激活因子，或由其本身作為共激活因子參與轉(zhuǎn)錄激活[3]。

研究表明，YY1可調(diào)節(jié)與多種細(xì)胞過程相關(guān)的許多基因的轉(zhuǎn)錄激活和抑制，包括細(xì)胞分化、DNA修復(fù)、自噬、細(xì)胞存活與細(xì)胞凋亡和細(xì)胞分裂。如，YY1的突變會造成前體B細(xì)胞的分化進(jìn)程發(fā)生改變，對B細(xì)胞的分化造成影響，進(jìn)而影響淋巴瘤的發(fā)生[5]。研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過程中，YY1的表達(dá)不受正常調(diào)控手段影響，因此YY1已被認(rèn)為是許多癌癥的主要驅(qū)動因素[5]。如，過表達(dá)YY1后還可以增加肝癌細(xì)胞的增殖、遷移以及侵襲能力[6]。除了促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移與侵襲，加速癌癥的發(fā)展，YY1也能通過下調(diào)長鏈非編碼RNA SOX2OT的表達(dá)來抑制胰腺癌細(xì)胞的遷移和侵襲[7]。近期研究發(fā)現(xiàn)，YY1還可以通過與多種轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用，共同調(diào)控一些與肝臟脂質(zhì)代謝有關(guān)的基因的表達(dá)[8]。近年來，諸多研究者把目光聚焦在YY1與癌癥的關(guān)系上，無論是促進(jìn)還是抑制腫瘤的發(fā)生，YY1作為信號通路的關(guān)鍵位置，有望成為靶向治療癌癥的新的突破點。

2.2 模式植物擬南芥中YY1的研究進(jìn)展

在不同物種中，轉(zhuǎn)錄因子YY1的序列具有一定的保守性。在模式植物擬南芥基因組中，At YY1是一個編碼了387個氨基酸的蛋白質(zhì)，分子量約為44.7KDa。其N端含有4個串聯(lián)排列的C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)和1個單獨存在的C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)，單就這4個串聯(lián)的鋅指結(jié)構(gòu)域而言，YY1基因具有高度同源性，在哺乳動物和各種植物中，YY1都具有相似的串聯(lián)鋅指結(jié)構(gòu)域。但是，與典型的植物C2H2型鋅指蛋白不同的是，At YY1并沒有由長間隔與鋅指結(jié)構(gòu)域隔開的植物特異性QALGGH基序。在C端區(qū)域，At YY1存在一個酸性區(qū)域行使轉(zhuǎn)錄激活功能。此外，研究發(fā)現(xiàn)，At YY1的C端基本區(qū)域中，還含有一段特殊序列，起到核定位信號的作用[1]。

相較于進(jìn)展迅速的動物類研究，在植物中關(guān)于YY1基因功能的研究屈指可數(shù)。At YY1最早被提及，是2009年Hubert Rehrauer等發(fā)表于《Plant Physiology》上的一篇文章。在這篇以擬南芥轉(zhuǎn)錄組分析為主要內(nèi)容的文章中，首次提及了At YY1是一個在花器官中特異表達(dá)的基因[9]。在這之后，At YY1正式進(jìn)入了擬南芥研究者們的視線。2012年，清華大學(xué)劉進(jìn)元教授實驗室對At YY1進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。其開發(fā)了一種非放射性DNA結(jié)合基序發(fā)現(xiàn)方法，通過SAAB(selection and amplification-binding assay)實驗選擇出了一段富含G的11bp長的DNA結(jié)合基序——GGGGGNNNNGN，并驗證了該基序與AtYY1的結(jié)合能力[10]。結(jié)合突變分析，確定了該段序列的保守性，發(fā)現(xiàn)對G的突變會大大影響該序列的蛋白結(jié)合能力。在此基礎(chǔ)上，劉進(jìn)元教授實驗室還提供了一些可能與At YY1調(diào)控相關(guān)的基因，結(jié)合At YY1的表達(dá)譜分析，推測At YY1在光調(diào)控和鹽脅迫等方面具有一定的功能[10]。

2a后，在一篇針對MED18基因功能研究的文章中，提出MED18與YY1互作，可以調(diào)控植物免疫[11]。MED18是真核生物中一種具有進(jìn)化保守性的轉(zhuǎn)錄輔助因子復(fù)合物Mediator家族中的一員[11]。這種轉(zhuǎn)錄輔助因子復(fù)合物可以接收來自其他元件的調(diào)控信息，輔助轉(zhuǎn)錄因子影響基因組水平的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。通過雙分子熒光互補鑒定(BiFC)的方式，發(fā)現(xiàn)MED18與AtYY1互作。MED18與AtYY1的互作并不影響At YY1的DNA結(jié)合活性，研究者們推測MED18可能通過直接的物理作用而不是通過影響AtYY1的DNA結(jié)合活性來調(diào)控AtYY1的轉(zhuǎn)錄抑制功能[11]。研究表明，At YY1可以調(diào)節(jié)植物病害易感基因的表達(dá)。對yy1突變體在灰霉菌侵染2d后的葉片材料定量分析發(fā)現(xiàn)，TRX-h5、GRXS13和GRX480基因的表達(dá)顯著升高[11]。TRX-h5、GRXS13和GRX480均為植物病害易感基因，染色質(zhì)免疫共沉淀(ChIP)數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明YY1可以直接轉(zhuǎn)錄調(diào)控GRX和TRX基因的表達(dá)[11]。

2016年，研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥發(fā)育過程中，AtYY1的表達(dá)量變化顯著。通過GUS染色，Northern印記，RT-PCR等手段分析表明，At YY1在種子發(fā)育過程中，乃至幼苗期間，表達(dá)量較高；除此之外，YY1在花和20d左右的蓮座葉中也有較高的表達(dá)量；而在30d左右的蓮座葉中，YY1的表達(dá)量明顯降低[1]。AtYY1在擬南芥發(fā)育過程中表達(dá)量的變化，表明AtYY1在植物發(fā)育過程中有著重要作用。

同時，研究表明AtYY1可能參與ABA信號通路的調(diào)控[1]。脫落酸ABA(abscisic acid)是植物中最重要的激素之一，其在植物的生長發(fā)育，從種子的萌發(fā)到葉片衰老，以及對干旱、鹽、低溫和病原菌感染等各種環(huán)境脅迫的響應(yīng)等方面起著重要的作用[12]。植物ABA信號通路的相關(guān)研究已經(jīng)非常深入，明確了很多控制ABA信號的調(diào)節(jié)因子。ABA的核心信號元件包括信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器和轉(zhuǎn)錄因子，如細(xì)胞質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的PYR/PYL/RCAR(PYLs)蛋白可作為ABA受體，與ABI1、ABI2或其他2C型蛋白磷酸酶(PP2Cs)組成復(fù)合物，抑制其活性，降低PP2C對SnRK2激酶的抑制，激活SnRK2對堿性亮氨酸拉鏈(basic region/leucine zipper motif,bZIP)轉(zhuǎn)錄因子的直接磷酸化，從而上調(diào)脫落酸誘導(dǎo)基因的表達(dá)傳遞ABA信號[12]；SnRK(SNF1-related kinase)也是ABA信號途徑中的關(guān)鍵成員，其與ABA信號和糖代謝信號的交互作用直接相關(guān)，這種信號交互過程還涉及到了ABI3、ABI4和ABI5[13]；其中與AtYY1相關(guān)的是ABI4。研究發(fā)現(xiàn)，ABA可以誘導(dǎo)At YY1的表達(dá)量發(fā)生變化，ABI4則是該過程的上游調(diào)控因子[1]。已知ABI4可以直接結(jié)合ABI5的啟動子區(qū)域及其自身啟動子區(qū)域，激活基因表達(dá)；而ABI5又能在ABA誘導(dǎo)的基因表達(dá)激活過程中和ABI3相互作用[11]。除了在ABA信號通路中參與種子萌發(fā)等過程外，ABI4還參與側(cè)根發(fā)生等生理過程[14]。在Tian Li等的實驗中，通過對突變體及過表達(dá)突變體進(jìn)行ABA處理和NaCl處理，發(fā)現(xiàn)At YY1可能對擬南芥ABA及滲透反應(yīng)存在抑制作用[1]，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)AtYY1可能參與調(diào)節(jié)擬南芥對脫水、干旱等脅迫的響應(yīng)[1]。通過基因表達(dá)譜分析和染色質(zhì)免疫共沉淀(ChIP)分析，ABA REPRESSOR1(ABR1)作為ABA信號通路的一種阻遏物，被認(rèn)為是At YY1調(diào)控ABA信號通路的主要靶點[1]。

又有研究發(fā)現(xiàn)，At YY1可以被酪蛋白激酶II(CKII)磷酸化，來提高At YY1的轉(zhuǎn)錄活性和蛋白穩(wěn)定性[15]。在各種信號通路中，蛋白質(zhì)的活性和穩(wěn)定性對其功能的發(fā)揮有著重要作用。而蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化又在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性和穩(wěn)定性中起著重要作用，由于大量的蛋白激酶和磷酸酶均與ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，說明可逆磷酸化修飾在調(diào)節(jié)ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中至關(guān)重要[15]。At YY1作為CKII的潛在靶標(biāo)，與CKII、CKB3和CKB4 的2個調(diào)節(jié)亞基物理相互作用。在體外實驗中，AtYY1可以被CKII磷酸化，而S284位點正是CKII的主要磷酸化位點。當(dāng)S284位點被磷酸化后，At YY1的轉(zhuǎn)錄活性和蛋白穩(wěn)定性均有增加，從而增強了AtYY1在ABA信號通路中的作用[15]。

在最近的一篇與At YY1相關(guān)的文章中，提出了At YY1與INOSITOL REQUIRING 80(INO80)相互作用，結(jié)合COMPASS Ⅲ組分ATX4和ATX5，行使一些功能，如調(diào)控開花時間[16]。INO80是一種染色質(zhì)重塑復(fù)合物，在染色質(zhì)重塑過程中負(fù)責(zé)H2A與H2A變體H2A.Z之間的轉(zhuǎn)換過程，還參與滑動核小體[16]。而ATX4和ATXR5都屬于SDG蛋白家族，其蛋白中均含有SET結(jié)構(gòu)域。其中ATX4被推測為H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶，可以與ATX1和ATX3一起參與抽薹/開花時間的相關(guān)調(diào)控[16]。此外，ATX4和ATX5被報道在植物生長和ABA響應(yīng)中發(fā)揮部分冗余作用，且能夠負(fù)向調(diào)控干旱脅迫反應(yīng)[17]。因此，推測AtYY1或許參與擬南芥開花時間的調(diào)控，或者在ABA信號通路中與ATX4或ATX5有聯(lián)系。

目前，AtYY1已被明確指出在ABA信號通路中起著重要作用。在接收到ABA信號后，At YY1可以通過直接激活A(yù)BR1基因的表達(dá)，間接抑制ABA應(yīng)答基因的表達(dá)，從而對擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長、抵抗干旱以及葉片衰老等方面產(chǎn)生作用。除此之外，通過全基因組靶基因分析，AtYY1或許還參與多種生物過程中，包括擬南芥光合作用相關(guān)通路、激素反應(yīng)以及一些應(yīng)激反應(yīng)[10]。

2.3 其他植物中YY1的研究進(jìn)展

抗干旱是研究植物抗逆的主要領(lǐng)域，在擬南芥中，AtYY1作為ABA信號通路的關(guān)鍵調(diào)控因子，可以調(diào)節(jié)植物抗旱程度。2021年，Mahmoud Gad等發(fā)表了甘藍(lán)型油菜種子萌發(fā)過程中響應(yīng)干旱脅迫的QTL定位的相關(guān)研究，其中，提到了AtYY1在甘藍(lán)型油菜中的同源基因——BnaC09g27320D與甘藍(lán)型油菜的耐旱性有關(guān)[18]。TRM1，被認(rèn)為是玉米中YY1的同源基因，是二磷酸核酮糖羧化酶的抑制基因[19]。通過免疫印跡分析等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)黑暗條件下培養(yǎng)的玉米幼苗葉片葉肉細(xì)胞和束鞘細(xì)胞中TRM1 mRNA的表達(dá)量幾乎檢測不到，但經(jīng)過光照后，表達(dá)量迅速增加。然而，無論是內(nèi)源性的TRM1抗體活性物質(zhì)，還是外源添加的TRM1，在綠葉提取物中的降解速度都比黃化葉更快[19]。因此，推測TRM1與光調(diào)控葉片發(fā)育有關(guān)。

3 展望

在動物中，YY1作為一種重要的PhoRC蛋白，可以與諸多PRC1/PRC2蛋白互作，募集蛋白到靶基因位點，調(diào)控下游基因表達(dá)。由于其特有的陰陽特性，既能激活下游基因的表達(dá)，也能抑制基因的表達(dá)。YY1參與細(xì)胞分裂、腫瘤等組織的發(fā)生以及脂質(zhì)代謝等重要生物學(xué)過程。目前，針對YY1在腫瘤發(fā)生過程中的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。因此，在腫瘤發(fā)生領(lǐng)域，以YY1為靶向治療癌癥具有廣闊的研究、應(yīng)用前景。

在植物領(lǐng)域，YY1基因4段串聯(lián)鋅指序列的高度保守性，推測YY1在不同物種中可能具有相似或相近的功能。目前，小麥、玉米、木本植物YY1基因的相關(guān)研究相對欠缺。根據(jù)目前模式植物擬南芥中YY1對提高植物抗旱能力的研究，對YY1基因功能的深入研究能夠為提高植物抗旱性提供重要參考，也能為作物抗旱育種提供理論基礎(chǔ)。