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乙烯信号简史 | “总司令”EIN3 精选

已有 1495 次阅读 2018-12-6 00:19 |个人分类:乙烯信号转导简史|系统分类:科研笔记| 乙烯信号简史

在前面的《乙烯信号简史》系列中,我们已经对乙烯信号转导王国中的大部分重要组分进行了详细的介绍。但是,仍有一位元老级别的成员还迟迟不曾露面,那就是乙烯信号王国中的总司令转录因子EIN3总司令迟迟不肯露面,并不是因为他耍大牌。相反,虽然EIN3在乙烯信号王国中资历老地位高,可谓是乙烯信号转导的中流砥柱,但它却事事亲力亲为,深入最艰苦的基层最危险的前线,确保指令准确地传递和执行,保证了乙烯信号传递的有条不紊和生物体的健康生长

下面,就让我们一起来学习一下EIN3这位任劳任怨的总司令的感人事迹吧。

EIN3是乙烯信号转导通路中的元老一点儿也没有夸大其词,因为关于EIN3的研究要追溯到乙烯信号研究最初始的时期。1995年,Joseph R.Ecker实验室在Genetics上发表了题为Genetic analysis of ethylene signal transduction in Arabidopsis thaliana: five novel mutant loci integrated into a stress response pathway的文章。研究人员对拟南芥进行了大规模的诱变和筛选,鉴定到了一系列乙烯反应异常的突变体,其中就包括EIN3突变体ein3-1ein3-1突变体的根和下胚轴都表现出对乙烯处理钝感的表型,进一步通过遗传分析发现,EIN3作用于EIN2的下游

ein3突变体的表型【2

1997年,Joseph R.Ecker实验室在Cell上发表文章Activation of the ethylene gas response pathway in Arabidopsis by the nuclear protein ETHYLENE-INSENSITIVE3 and related proteins,对EIN3的基因和蛋白功能进行了详细的解析。通过图位克隆技术,他们将EIN3基因定位到3号染色体的顶端,进一步结合使用T-DNA插入突变体,克隆到了EIN3基因。EIN3编码628个氨基酸,蛋白分子大小约为69 kDa。在拟南芥基因组中找到了三个和EIN3序列相似性较高的基因,分别命名为EIL1EIN3-LIKE1)、EIL2EIL3,它们和EIN3的蛋白相似度介于59%-85%之间。EIN3EIL1EIL2都可以互补ein3-1的表型,说明它们都参与了乙烯的信号转导。将EIN3EIL1分别在野生型和ein2突变体中过表达,都可引起组成型乙烯反应,说明它们在乙烯信号通路中起正调控作用,并作用于EIN2的下游。亚细胞定位结果显示,EIN3蛋白定位于细胞核

EIN3EIL1EIL2都参与乙烯信号转导【2

虽然EIN3/EIL1家族的基本信息已经清楚了,但是它们到底是如何参与和调控乙烯的信号转导呢? 随后,Joseph R. Ecker实验室对EIN3/EIL1调控乙烯信号转导的分子机制进行了深入研究,相关研究成果于1998年以Nuclear events in ethylene signaling: a transcriptional cascade mediated by ETHYLENE-INSENSITIVE3 and ETHYLENE-RESPONSE-FACTOR1为题发表在Genes & Development上。通过同源克隆并结合杂交筛选的方式,鉴定到了EIN3的靶基因ERF1ETHYLENE-RESPONSE-FACTOR1)。ERF1可被乙烯处理诱导表达,过表达EIN3也可促进ERF1 mRNA的积累。EMSA实验表明,EIN3/EIL1可以直接结合到ERF1的启动子上。并且,和EIN3过表达转基因株系类似,过表达ERF1也可引起组成型乙烯反应。遗传分析证明,ERF1作用于EIN3及其他乙烯通路组分的下游。ERF1是一个GCC box DNA结合蛋白,可以通过识别下游基因启动子上的GCC box,特异调节乙烯响应基因的表达。

ERF1正调控乙烯反应【3

2003年,Joseph R. Ecker实验室在Cell上发表文章Plant responses to ethylene gas are mediated by SCFEBF1/EBF2-dependent proteolysis of EIN3 transcription factor,揭示了泛素化/蛋白酶体介导的蛋白降解途径参与乙烯信号转导的新机制。通过芯片筛选并结合酵母双杂实验,他们鉴定到了两个F-box蛋白EBF1/2EIN3蛋白互作,介导了空气条件下泛素化/蛋白酶体途径对EIN3的降解。在ebf1/2双突中,EIN3蛋白累积,突变体表现组成型乙烯反应,而过表达EBF1/2会导致EIN3的降解,进而使植株对乙烯钝感。这些结果都说明,EBF1/2介导的泛素化/蛋白酶体通路负调控乙烯的信号转导,并且EIN3是乙烯通路中非常重要的正调控因子。值得一提的是,这篇文章的一作正是后来我国乙烯研究领域的大牛郭红卫老师。

EBF1/2通过介导EIN3的降解负调控乙烯信号转导【4

通过前面的介绍,我们知道EIN3的同源基因EIL1EIL2也参与了乙烯的信号转导,那么它们是否也受EBF1/2的调控呢?郭红卫老师回国后,继续对EIL参与乙烯信号的分子机制开展了研究,相关成果于2010年以Ethylene-induced stabilization of ETHYLENE INSENSITIVE3 and EIN3-LIKE1 is mediated by proteasomal degradation of EIN3 binding F-box 1 and 2 that requires EIN2 in Arabidopsis为题,发表在The Plant Cell上。他们发现,和EIN3类似,EIL1也可在EBF1/2的介导下被降解,并被乙烯稳定。另外,乙烯处理可促进EBF1/2蛋白的降解,并且这一过程依赖于EIN2,但并不需要EIN3/EIL1。进一步通过遗传分析证明,虽然EIN3/EIL1都参与乙烯的信号转导通路,但是它们的功能也存在分化:EIL1主要影响成年植株的叶片伸展以及茎的伸长,而EIN3主要调控幼苗时期的乙烯反应。因此,EIN3/EIL1是乙烯信号通路中两个主要的转录因子,它们相互协作,共同调节大多数的乙烯反应。

EBF1/2调控EIN3/EIL1的模型图【5

学习了总司令”EIN3的光荣事迹,我们不难发现,EIN3/EIL1以二人之力,保证了错综复杂的乙烯信号转导通路有序进行,它们任劳任怨、鞠躬尽瘁死而后已的奉献精神,我们不能不为之感动和钦佩。

在这小小的植物细胞里,关于EIN3还会有什么有趣的事情发生呢?敬请期待下期《EIN3风花雪月》!


1Roman, G., Lubarsky, B., Kieber, J. J., Rothenberg, M., & Ecker, J. R. (1995). Genetic analysis of ethylene signal transduction in Arabidopsis thaliana: five novel mutant loci integrated into a stress response pathway. Genetics, 139(3), 1393-1409.

2Chao, Q., Rothenberg, M., Solano, R., Roman, G., Terzaghi, W., & Ecker, J. R. (1997). Activation of the ethylene gas response pathway in Arabidopsis by the nuclear protein ETHYLENE-INSENSITIVE3 and related proteins. Cell, 89(7), 1133-1144.

3Solano, R., Stepanova, A., Chao, Q., & Ecker, J. R. (1998). Nuclear events in ethylene signaling: a transcriptional cascade mediated by ETHYLENE-INSENSITIVE3 and ETHYLENE-RESPONSE-FACTOR1. Genes & development, 12(23), 3703-3714.

4Guo, H., & Ecker, J. R. (2003). Plant responses to ethylene gas are mediated by SCFEBF1/EBF2-dependent proteolysis of EIN3 transcription factor. Cell, 115(6), 667-677.

5An, F., Zhao, Q., Ji, Y., Li, W., Jiang, Z., Yu, X., ... & Zhang, S. (2010). Ethylene-induced stabilization of ETHYLENE INSENSITIVE3 and EIN3-LIKE1 is mediated by proteasomal degradation of EIN3 binding F-box 1 and 2 that requires EIN2 in Arabidopsis. The Plant Cell, tpc-110.


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