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副突变对花青素生物合成途径的调控

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副突变对花青素生物合成途径的调控 · 750 · 《生命的化学》2009年29卷5期 CHEMISTRY OF LIFE 2009,29(5) ● Currrent Topic 文章编号: 1000-1336(2009)05-0750-05 副突变对花青素生物合成途径的调控 刘振华 闫海芳 李玉花 (东北林业大学生命科学学院,哈尔滨150040) 摘要:花青素生物合成途径的调控机制是生命科学的研究热点之一。花青素生物合成途径受到许多转录因子的调 控。“副突变”现象的发现使人们认识到,在花青素的合成中还存在着“非孟德尔遗传”的调控机制。近...
副突变对花青素生物合成途径的调控
· 750 · 《生命的化学》2009年29卷5期 CHEMISTRY OF LIFE 2009,29(5) ● Currrent Topic 文章编号: 1000-1336(2009)05-0750-05 副突变对花青素生物合成途径的调控 刘振华 闫海芳 李玉花 (东北林业大学生命科学学院,哈尔滨150040) 摘要:花青素生物合成途径的调控机制是生命科学的研究热点之一。花青素生物合成途径受到许多转录因子的调 控。“副突变”现象的发现使人们认识到,在花青素的合成中还存在着“非孟德尔遗传”的调控机制。近年来的研 究成果明,与其他许多表观遗传现象一样,在副突变中有非编码 RNA分子的参与。本文综述了副突变对花青素 合成调控的研究进展及可能的作用机制。 关键词:副突变;花青素;调控;表观遗传学 中图分类号:Q37 收稿日期:2009-04-13 国家自然科学基金项目(30730078)资助 作者简介:刘振华(1985-),男,硕士生,E - m a i l : zhenhualiu@yahoo.cn;闫海芳(1976-),女,博士,讲师,联 系作者,E-mail: icyhf@yahoo.com;李玉花(1961-),女,博 士,教授,博士生导师,E-mail: lyhshen@126.com 植物能够生成200000多种不同的化合物,其中 的许多是有颜色的。类黄酮是属于类苯基丙烷的植 物次生代谢产物,有很宽的颜色范围,从浅黄色到 蓝色。类黄酮在陆地植物中分布广泛,它可以分为 以下几类:查耳酮、黄酮、黄酮醇、花青素。花青 素是构成花瓣和果实颜色的主要色素之一[1]。植物 体内花青素的合成受到许多基因的调控,分子生物 学的发展使我们对这些调控机制的认识逐步加深。 孟德尔法则认为同源基因独立遗传,互不干扰;但 发现于玉米中的基因对花青素的调控却与经典遗传 学相悖。随着研究的深入,花青素合成的一种新的 调控方式——副突变(paramutation)调控向我们提示了 花青素调控机制的多样性。本文就副突变调控花青 素合成途径的研究以及可能的作用机制做一综述。 1. 花青素的生物合成 花青素基本结构为二个苯环,并由一个3碳的 单位连结,即C6-C3-C6。花青素在结构上以天竺葵 素(pelargonidin)、矢车菊素(cyanidin)、花翠素 (delphinidin)、芍药花素(peonidin)、矮牵牛素 (petunidin)及锦葵素(malvidin)六种色素为主[2]。花青 素因所带羟基(-OH)数、甲基化(methylation)、糖基化 (glycosylation)数目、糖基种类和连接位置等因素而 呈现不同颜色。颜色的表现因生化环境条件而改变, 如花青素浓度、共色作用、细胞液pH值的影响等。 花青素的合成主要由保守的类黄酮合成途径和 物种特异性的修饰过程两部分组成。在类黄酮合成 途径中,4-香豆酰CoA和丙二酰CoA在查尔酮合酶 (CHS)的作用下生成查尔酮,再在查尔酮异构酶(CHI) 的作用下生成4,5,7-三氢黄烷酮,随后在黄烷酮-3- 羟化酶(F3H)作用下生成二氢黄酮醇,最后经过二氢 黄酮醇还原酶(DFR)和花青素合成酶(ANS)的作用生 成无色花青素进而合成未修饰的花青素。接下来的 修饰过程在不同的种属中有不同的方式。花青素骨 架在各种糖基转移酶(GT)、乙酰基转移酶(AT)、甲基 转移酶(MT)的作用下生成各种各样的花青素[3]。 2. 花青素合成的相关基因 除以上提到的花青素合成相关的主要结构基因 CHS、CHI、F3H(F3’H、F3’5’H)、DFR、ANS外,还 有各种调控基因编码的转录因子调节着结构基因时 空特异性表达。目前分离和鉴定的转录因子可以分 为MYB蛋白、MYC家族的bHLH蛋白和WD40蛋白 三类。MYB蛋白含有保守的MYB结构域,每个MYB 结构域是一段51~52个氨基酸残基的肽段,折叠成螺 旋-螺旋-转角-螺旋(helix-helix-turn-helix, HHTH)结构。 · 751 · 《生命的化学》2009年29卷5期 CHEMISTRY OF LIFE 2009,29(5) ● 知识介绍 bHLH蛋白都有一个螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix, HLH)结构区域,bHLH转录因子可以结合到序列特 异DNA(CANNTG)上。WD40蛋白是一种b螺旋蛋白, 核心区域由40个氨基酸残基组成。花青素合成途径 的调控除少部分为转录抑制外,主要是结构基因的 转录激活。花青素结构基因的转录激活有两种调控 方式:一种是不依赖bHLH转录因子的MYB转录因 子和WD40蛋白二元复合体协同调控;另一种是占 主要地位的,MYB转录因子、bHLH转录因子和WD40 蛋白三元复合体协同调控[4]。 3. 副突变对花青素合成的调控 “副突变”是Brink等[5]于1956年对玉米r1(red1) 基因进行研究时提出来的。它指的是一个等位基因 可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化,即 一个等位基因被另外一个等位基因在转录水平上所 沉默,且这种能力可遗传。继Brink的研究后,Coe 等[6],Hollic等[7]和Sidorenko等[8]发现另外3个与副 突变相关的,在花青素合成中起作用的基因。其中 的b1(booster1)和pl1(plant color1)调控花青素的合 成;p1(pericarp color1)调控花青素的积累[9]。 副突变现象在包括植物、真菌、动物在内的多 种物种中均有报道。目前在植物中已发现具有非孟 德尔遗传现象的物种有:碗豆、报春花、草莓和甜 樱桃等,这些现象都十分类似于副突变,但缺乏明 确的证据[10]。只有番茄的sulf(sulfurea)基因对生长素 的调控被明确为副突变现象[10,11]。其余的植物副突 变的研究主要集中在玉米的r1、b1、pl1、p1基因座 位上,这四个基因全部是花青素合成的调控因子, 暗示着副突变在花青素合成中起重要的调控作用。 3.1 副突变与花青素合成 r1位于玉米的10号染色 体,b1位于2号染色体[12],它们编码功能类似的bHLH (basic helix-loop-helix)蛋白,属于MYC类调控因子, 激活花青素合成途径。这两个基因序列的相似性、 表达的蛋白质在功能上的可以互替换性,表明它们 可能是直系同源基因(orthologue)。它们两个同时存 在可能是由于进化史上的异源四倍体化(allotetraploi- dization)。这两个基因座位的等位基因组织方式及表 达方式各不相同。r1的等位基因由于结构复杂,通 常被称为单元型(haplotype)。一个单元型有多个编码 区,编码区间相隔达几千个碱基,甚至超过100 kb。 参与副突变的大多数r1单元型都在种子的糊粉层表 达,并且这种表达很容易受到副突变的影响。所有 已知的b1等位基因都很简单,只有一个编码区。参 与副突变的b1等位基因主要表达部位为植株的表皮 层[13]。 Brink等[5]发现,R-r纯合子玉米粒是紫色的,R-R 纯合子玉米粒是无色的,它们杂交的后代是紫色的。 R-r纯合子与一种玉米粒为紫色斑点的R-st纯合子杂 交的后代F1也是紫色的,F1代R-st/R-r与R-R纯合 子杂交的后代F2则是紫色斑点和无色两种,好像R-r 被沉默掉了一样,而且被沉默了的R-r能继续去沉默 其它的R-r(图1A)。随后,Coe发现B-I纯合子中b1 的表达量很高,因此叶鞘和苞叶是深紫色的。B’/B’ 纯合子中 b1表达量较低,因此是正常色。它们的杂 交后代B’/B-I是无色的,B’/B-I与B-I纯合子的杂交 后代也是无色的。因此有理由认为B’沉默掉了 B-I, 并且被沉默了的B-I能够继续去沉默其他的B-I,好像 B-I被转变成了B’一样(图1B)[6]。与经典遗传学不一 样的地方是B-I和B’的DNA序列是一样的[14](图1)。 pl1编码MYB类转录因子,与植物的c1(coloured aleurone1)功能具有一致性[15]。它与r1和b1编码的 bHLH蛋白一起激活花青素途径。已知的pl1等位基 因都很简单,大多数pl1等位基因表达很弱的光依 赖型的色素;但Pl-Rh(Rhoades)在植株和花药表达较 强的非光依赖型的色素。pl1副突变在花药中最为 典型,在花药中b1和r1不发生副突变。Hollic等[7] 发现纯合子Pl-Rh花药是紫色的,它与正常纯合子Pl 杂交的后代F1花药颜色是正常的,F1与纯合子Pl- Rh杂交的后代颜色也是正常的,说明Pl-Rh被副突 变后,还能继续沉默其他的Pl-Rh[7](图1C)。 p1编码MYB类的转录因子,它的编码区相对 简单,两侧有大量的重复序列,而且这些重复序列 的内部还有小的重复序列。p1的等位基因p1-rr激活 红色素的表达,并在种皮中积累。当以 b-葡糖苷酸 酶为报告,带有p1-rr远端增强子的质粒转化p1-rr 玉米时,p1-rr会被沉默掉,且这种沉默是可以遗传 的[8](图1D)。 3.2 副突变的调控机制 重复序列(repeat sequence)在 副突变中起重要作用。r1致副突变(paramutagenic)单 元型的串联重复的长度未知,但每个重复单元都很 长,且散布于r1的编码区。有结果表明,重复单元 的数目与致副突变性(paramutagenicity)成正相关。b1 · 752 · 《生命的化学》2009年29卷5期 CHEMISTRY OF LIFE 2009,29(5) ● Currrent Topic 串联重复位于转录起始位点上游约100 kb,共7个重 复单元,每个单元为853 bp。当重复单元为7个时, 副突变的稳定性和可遗传性才高,当重复单元为3 个时,则相对较低。只有1个重复单元的b1等位基 因不发生副突变[16]。 mop1(mediator of paramutation1)编码一种RNA 依赖的RNA聚合酶(RDRP)[17]。现有的研究表明它在 这四种副突变中都有参与。rmr1(required to maintain repression1)参与pl1的副突变。rmr1编码一种Snf2 蛋白,这种蛋白被认为在染色质重构中起作用[18]。 在拟南芥中这两个基因都与RNAi介导的转录后基 因沉默(PTGS)相关,因此,有理由认为在副突变中 存在RNAi介导可遗传的染色质重构[14]。 增强子(enhancer)序列除了对b1、p1进行顺式调 控,还可能参与了副突变。一种可能的解释是增强 子介导副突变等位基因进入一种高表达或低表达的 状态[19]。 玉米发生副突变的四个基因座位都调控了花青 素的合成,但副突变的具体机制还不是十分清楚。 其中可能涉及到了重复序列介导的转录水平上的基 因沉默(TGS),也可能存在dsRNA介导的转录后基因 沉默[10]。有两种可能的模型来解释副突变的机制: DNA配对模型与RNA依赖模型。DNA配对模型认 为通过串联重复进行配对,发生染色质重构,进而 图1 玉米花青素合成副突变[13] 发生在玉米r1(A)、b1(B)、pl1(C)、p1(D)四个基因座位的副突变。这几个基因都对玉米花青素的合成起调控作用,由于副突变 的发生,玉米粒或植株的颜色发生了相应的变化。被副突变后的基因在右上角加*号(如,R-r*、B-I*、Pl-Rh*、P1-rr*),以和 原来的基因相区分。 · 753 · 《生命的化学》2009年29卷5期 CHEMISTRY OF LIFE 2009,29(5) ● 知识介绍 沉默基因。RNA依赖模型则认为副突变中有RNAi的 参与。从重复序列转录的dsRNA在一种RNA酶Dicer 的作用下生成siRNA(small interfering RNA),然后由 RDRP对siRNA进行大量的扩增,再由siRNA介导的 染色质转变来改变基因的表达状态。这两个模型是 相互补充的,在某个副突变中,可能只涉及其中一 个,也可能两个都涉及到[19]。目前的研究显示RNA 依赖模型可能更加占主要地位。 4. 展望 花青素在开花植物中分布广泛,花青素生物合 成途径及调控机理已得到较为深入的研究。玉米中, 副突变对花青素合成调控的研究进一步补充了已知 的花青素调控模型。MYB、bHLH和WD40三类调控 因子共同调控结构基因的表达。副突变中,同源基 因的相互作用改变了调节基因的表达状态,进而决 定结构基因的表达状态,从而影响了花青素的生物 合成。研究表明转基因矮牵牛的花青素合成中存在 着类似副突变调控的现象[20],这说明副突变对花青 素合成的调控可能存在于多种物种中。经典遗传学 认为,基因的调控状态不变地遗传到下一代,只有 通过突变才能产生可遗传的改变。副突变现象向我 们说明了:即使DNA序列不发生变化,通过等位基 因间的相互作用,基因的调控状态也可以发生改变 并遗传到下一代。 副突变的分子机理还有许多问待解决,如为 什么发生在r1与b1基因座位的副突变稳定性及传 代能力不同?为什么必须有同源序列的存在?同源 序列是如何进行信息交流从而建立不同的表达形 式?在DNA序列不改变的情况下,新建立的表达形 式在随后的有丝分裂及减数分裂过程中是如何维持 的?为什么副突变现象存在但却并不常见?副突变 中可能涉及在代与代之间携带遗传信息的RNA分 子,如siRNA、miRNA及其他调控RNA[21],它们是 如何起作用的?尽管有这些问题的存在,但随着分 子生物学的进步和研究的不断深入,副突变作为表 观遗传学的重要内容,必将有助于阐明花青素生物 合成途径的调控网络,进一步深化我们对生物遗传 表达的认识。 参 考 文 献 [1]Tanaka Y et al. Biosynthesis of plant pigments: anthocyanins, betalains and carotenoids. Plant Cell, 2008, 54: 733-749 [2]Williams CA et al. Anthocyanins and other flavonoids. Nat Prod Rep, 2004, 21: 539-573 [3]Holton TA et al. Genetics and Biochemistry of Anthocyanin Biosynthesis. Plant Cell, 1995, 7: 1071-1083 [4]Gonzalez et al. Regulation of the anthocyanin biosynthetic pathway by the TTG1/bHLH/Myb transcriptional complex in Arabidopsis seedlings. Plant J, 2008, 53: 814-827 [5]Brink RA et al. A genetic change associated with the R locus in maize which is directed and potentially reversible. Genetics, 1956, 41: 872-889 [6]Coe EH et al. A regular and continuing conversion-type phenomenon at the B locus in maize. Genetics, 1959, 45: 828- 832 [7]Hollick JB et al. Allelic interactions heritably alter the activity of a metastable maize pl allele. Genetics, 1995, 141: 709-719 [8]Sidorenko L et al. Transgene-induced silencing identifies sequences involved in the establishment of paramutation of the maize p1 gene. Plant Cell, 2001, 13: 319-335 [9]Sidorenko L et al. RNA dependent RNA polymerase is required for enhancer mediated transcriptional silencing associated with paramutation at the maize p1 gene. Genetics, 2008, 180: 1983-1993 [10]Hollick JB et al. Paramutation in plants. Encyclopedia of Life Science, 2003, A1199 [11]Ehlert B et al. The paramutated SULFUREA locus of tomato is involved in auxin biosynthesis. J Exp Bot, 2008, 59(13): 3635-3647 [12]Chandler VL et al. Two regulatory genes of the maize anthocyanin pathway are homologous: isolation of B utilizing R genomic sequences. Plant Cell, 1998, 1: 1175-1183 [13]Chandler VL et al. Paramutation in maize. Plant Mol Biol, 2000, 43: 121-145 [14]Chandler VL et al. Paramutation: epigenetic instructions passed across generations. Genetics, 2008, 178: 1839-1844 [15]Cone KC et al. Maize anthocyanin regulatory gene pl is a duplicate of c1 that functions in the plant. Plant Cell, 1992, 5: 1795-1805 [16]Stam M et al. Differential chromatin structure within a tandem array 100 kb upstream of the maize b1 locus is associated with paramutation. Genes Dev, 2002, 16: 1906-1918 [17]Alleman M et al. An RNA-dependent RNA polymerase is required for paramutation in maize. Nature, 2006, 442: 295- 298 [18]Hale CJ et al. A novel Snf2 protein maintains trans-generational regulatory states established by paramutation in maize. PLoS Biol, 2007, 5: 2156-2165 [19]Chandler VL et al. Chromatin conversions: mechanisms and implications of paramutation. Genetics, 2004, 5: 532-544 [20]Meyer P et al. Differences in DNA-methylation are associated with a paramutation phenomenon in transgenic petunia. Plant J, 1993, 4(1): 89-100 [21]Costa FF. Non-coding RNAs, epigenetics and complexity. Gene, 2008, 410(1): 9-17 · 754 · 《生命的化学》2009年29卷5期 CHEMISTRY OF LIFE 2009,29(5) ● Currrent Topic The regulation of paramutation on anthocyanin biosynthesis pathway Zhen-Hua LIU Hai-Fang YAN Yu-Hua LI (College of Life Science, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China) Abstract The regulation mechanism of anthocyanin biosynthesis pathway is one of the focuses in life science research. The biosynthesis of anthocyanin is regulated by many transcription factors. We notice there exists non-mendelian regulation mechanism in anthocyanin biosynthesis since the introduction of “paramutation”. In recent years, studies have shown that non-coding RNAs participate in paramutation as many other epigenetic phenomena. We reviewed the regulation of paramutation on anthocyanin biosynthesis and the possible mechanism. Key words paramutation; anthocyanin; regulation; epigenetics
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