NAC转录因子综述

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1、NAC转录因子概述摘要：基因表达的转录调控在植物适应环境和抵御逆境胁迫中起重要作用。转 录因子是一类调节基因表达水平上的重要调控基因, 通过与靶标基因启动子中特定 的DNA序列结合，激活或抑制靶标基因的转录表达。NAC转录因子是近些年来发现 的陆生植物特有的转录调控因子,其数目众多，构成了一个庞大的转录因子家族。 NAC家族的命名源于矮牵牛的NAM,拟南芥的ATAF1、ATAF2及CUC2M】。通过多 种植物的全基因组辅助调查，目前已经确认了拟南芥中有117种NAC基因、水稻151 种、葡萄79种、杨树163种、大豆和烟草中各152种。其N端含有高度保守的约150个 氨基酸的NAC结构域，在植

2、物的生长发育、器官建成、逆境胁迫以及作物的品质改良 中具有重要作用。本文主要就其基本结构特征、功能(尤其是在非生物胁迫中的功 能)、表达调控及最近的研究进展进行了综述。关键词：NAC转录因子、结构、非生物胁迫、功能、表达调控1. NAC转录因子的结构特点及分类NAC转录因子最显著的结构特点是其编码蛋白的N末端具有一个高度保守的约 150个氨基酸的NAC结构域。它是NAC转录因子的DNA结合结构域，典型的NAC 域可被分为5个子域(A, B, C, D, E)。子域A、C和D高度保守，其中C和D带有 正电荷，包含有核定位信号，与DNA结合有关，可能还参与NAC转录因子与特定的 启动子元件的识别过

3、程；A可能参与了一个功能二聚体的形成；子域B和E比较多变, 可能是NAC基因功能多样性的原因之一 3ANAC019的NAC域结构已经通过X-射线 晶体学确定了，其NAC域缺乏一个典型的螺旋一转一螺旋结构，取而代之的是一种 新的转录因子折叠结构，即由几个螺旋环绕一个反向平行的0折叠。NAC结构域不 含有任何已知的结合DNA基序，但可通过一些作用如盐桥形成有功能的NAC蛋白 同源或异源二聚体，此种二聚体可能与DNA的结合有关。NAC转录因子的C末端具有高度多样性，是它的转录激活功能区。它既有激活 域又有抑制域，即既能激活转录又可以在一定条件下抑制基因的转录活性，是NAC 因子的转录调节域。该端的共

4、同特点是一些简单氨基酸重复出现的频率较高，同时 富含丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷氨酸或一些酸性氨基酸的重复序列。尽管C端具 有高度多样性，但仍然存有13个比较保守的基序。这些基序分布于不同亚族的NAC 转录因子中，同一亚族的蛋白含有相同的基序，这表明同一亚族的NAC蛋白可能 行使相近的生物学功。另外，由于存在过多的简单序列，C末端具有很大程度的固有无序化，不能形成 一个独立的稳定的三维立体结构。许多NAC蛋白在它们的转录调节区有与其它蛋 白相结合的能力6，这种灵活性使它们与不同的目的蛋白相互反应，增加了其功能 的多样性，同时也使它成为对转录功能和结构固有无序性进行系统分析的模型。2003年，Oo

5、ka等首次对水稻和拟南芥NAC家族蛋白进行了全面分析，将其分为2 个大族和 18个亚族。族 I 包含TERN、ONAC022、SENU5、NAP、AtNAC3、ATAF、 OsNAC3、NAC2、ANAC011、TIP、OsNAC8、OsNAC7、NAC1 和NAM等 14个成 员；族II包含ANAC001、ONAC003、ONAC001 和ANAC063等4个成员。其中， ANAC011、AtNAC3、ANAC063和ANAC001亚族完全由拟南芥NAC转录因子组成， 而OsNAC3和ONAC001亚族则由单子叶植物水稻和小麦的NAC转录因子组成。随 后对NAC亚家族成员的研究基本上都是以O

6、oka的分类为依据展开的。2NAC 转录因子的功能1）NAC转录因子在非生物胁迫中的功能影响作物产量的一个重要因素是非生物胁迫，如盐、干旱等。植物对此的复杂 反应机制已经通过鉴别应答蛋白编码基因如水通道蛋白、分子伴侣、蛋白酶及胚胎 晚期丰富蛋白等被揭示出来8。从功能上讲, 植物胁迫诱导表达的基因可以分为两 大类：第一大类是功能蛋白, 包括水通道蛋白、渗透调节分子（如蔗糖、脯氨酸和甜 菜碱）的合成酶、保护大分子以及膜蛋白结构和功能的保护蛋白（如LEA蛋白、抗冻 蛋白、分子伴侣、mRNA结合蛋白等）、蛋白转换酶等。这类蛋白分子直接参与到植 物对胁迫环境的应答反应和修复过程中 , 是直接保护植物细胞

7、免受胁迫环境伤害的 效应分子。第二大类是调节蛋白,包括蛋白激酶、转录因子、磷脂酶等, 这类蛋白是 通过参与到植物胁迫信号转导途径或通过调节其它效应分子的表达和活性而起作用 的。NAC转录因子便是一个庞大的调节蛋白家族。NAC 蛋白调节植物对非生物胁迫的耐性是通过参与到植物胁迫信号转导途径 或调节其下游基因的表达来实现的。为了生产对大多数非生物胁迫有耐性的植株， 很多人在拟南芥和水稻等模式生物中对NAC基因做了过表达。NAC基因过表达对 于提高水稻胁迫耐性的实验取得了很大成功，旱田中，SNAC1的转基因植株表现出 更大的耐旱性，更重要的是，在花期遭到严重的干旱时，转基因植株比非转基因植 株的产量

8、更高9。研究表明 SNAC1 基因与气孔开度和氧化作用有关，它提高水稻的 胁迫耐性是通过调节OsSROlc基因的表达而起作用的io】。干旱诱导SNAC1基因在 气孔保卫细胞特异表达，SNAC1表达产物再与OsSROlc的启动子结合，使其表达, 进而降低气孔开度，减少水分的蒸发，从而提高其耐旱能力。此外， SNACl 的过表 达能还够提咼植株的耐盐性。另外，有研究表明，ABA也能诱导SNAC1基因的表 达，说明它也参与到了细胞信号传导途径当中。由此，我们可以得出，单个 NAC 转录因子对植物胁迫耐性的调节可以通过多种途径进行。还有许多其他 NAC 基因的过表达也大大地提高了植物的非生物胁迫耐性，

9、同 时没有出现任何生长迟滞的现象，有些过表达如 SNAC1 还提高了作物的产量。其 过表达偶有的有害序列可能会导致矮化、开花晚及产量低的现象，可以通过优先选 用胁迫诱导或组织特异启动子如OsNAC6或RCc3来克服。2) NAC 转录因子在病原菌胁迫中的作用RNA干涉、敲除及过表达研究也揭示了NAC转录因子在各种植物应对病原菌胁 迫中的作用121。许多NAC蛋白可能通过激活传染位点的PR基因(病程相关蛋白基因, 引起细胞过敏反应和细胞死亡)来调节植物防御反应；另外，有些NAC基因也能通 过抑制防御相关基因的表达来负调节对病原菌的抵抗。许多NAC蛋白可以通过联合 形成不同的调节复合物对植物病原菌

10、的防御起双调节的作用口3，14】。ATAF1和它的大 麦同源体H vNAC6正调节植物对活体营养真菌Blumeria graminis f.sp. graminis (Bgh) 的渗透抗性，但能使它对其他菌如Pseudomonas syringae, Botrytis cinerea和 Alternaria brassicicola的抗性减弱1516。如何提高它的正调节作用，减弱它的负调节 作用，使其发挥最大的作用仍然需要进行更进一步的研究。过表达ATAF1在水稻中的同源体，OsNAC6,除了提高对干旱和高盐的耐性外, 还对于提高对疾病的抗性有些作用，这表明有些 NAC 基因具有多种功能。正是

11、由 于它的多功能性，使得环境因素对植物的病原菌防御作用也有影响。3) NAC 转录因子在植物生长发育方面的作用除了在植物胁迫中起作用外，NAC转录因子在植物的生长发育方面也有着重要 的作用。血匕0等(2005)采用微阵列分析方法在拟南芥中发现7个维管发育相关并含有 NAC结构域的转录因子VND1-7 (vascular related NAC domain 1-7),它们的功能与 根维管组织木质部分化相关。Mitsuda等(2005)采用嵌合显性抑制策略揭示出两个 NAC转录因子NST1和NST2,它们对花药内皮层细胞次生壁加厚是非常重要的。Ko 等(2007)的研究表明，ANAC012 (N

12、ST3)对木质部纤维发育起负调控作用，过量表 达ANAC012可导致木质部纤维次生壁变薄。另外，还有研究表明拟南芥中VNI2 参与了 ABA信号途径，能通过COR/RD基因(寒冷调节基因/脱水应答基因)调节植物叶片的衰老18。3NAC 转录因子在植物中的表达调控HACmRNAProteinNuclear impHort論厂aNAC 广Trn*criplwna：l / -、 WdlNucleus口 litir fuhiiEiilunCylophsrnTrDiniaeHiHKnaiTrjinFBiaticmil rutikiikHicontrolPdcransiii-rflpikinalrnori

13、iLrtaiki-a Qfchor庶r S2S?S2SZ,mA model representing the regulation of NAC Fs it different levels during stress恥.hrtn童理帥瓣Lr1T| ppotflin *r号岂彎竺. imNAG； 1）转录调节 转录是基因表达的第一步，在转录过程中，可以通过特殊转录因子（即 NAC 基因的上游转录因子）与 NAC 基因启动子上的调节域结合来调节基因的激活或抑 制。与胁迫应答相关的 NAC 基因的表达可能通过一些存在于启动子上的胁迫应答 顺式作用元件来调节，包括ABREs（ABA应答元件）、DRE

14、s（脱水应答元件）、LTREs （寒冷应答元件）等。对拟南芥和水稻的一些全基因组表达性能分析研究发现 NAC 基因至少被一种 非生物胁迫如高盐、干旱、寒冷或ABA诱导。近来，全世界在拟南芥中的NAC基 因表达分析表明，大多数 NAC 基因能对盐胁迫和极端温度胁迫作出反应。这些研 究表明，由于它们启动子组分的不同，NAC基因可能分为ABA （脱落酸）依赖的 调节和ABA不依赖的调节。受ABA诱导的基因大多数是在种子后熟期或对逆境胁 迫做出响应时表达的。这些基因, 在其上游存在激素调控表达所需的敏感区, 即顺 式作用元件，而且在ABA应答基因的启动子单位中至少含有两个必需的作用元件。 顺式作用元件

15、是基因表达所必需的一段碱基序列, 反式作用因子可与之结合而调节 基因的转录19。2）转录后调节NAC基因的转录后调节除了 RNA修饰、剪接等常规的调节外，还包括了一些 其它的调节方式。如miRNA介导的基因降解，许多证据都表明miRNA164参与了 调节 NAC 转录因子的转录后加工过程， miRNA164 可指导内源 NAC1 和转基因 NAC1的mRNA降解，当NAC1发生突变，破坏miRNA164与NAC1的碱基配对 后, 则可阻止 NAC1 mRNA 的降解。 miRNA164 突变植株 miRNA164a 和 miRNA164b 中, miRNA164的表达降低，以致NAC1基因的表

16、达比野生型高，从而 产生更多的侧根。不同植物的miRAN164被不同的因素诱导，包括病毒、真菌及线 虫干扰等201。此外,mRNA的长途运输是另一种转录后调节机制，南瓜CmNACP基 因即受到这种机制的调节；植株根、茎和叶等其它部位的CmNACP mRNA可以通过 韧皮组织运输到芽尖， 进而翻译成蛋白行使功能。这可能是植物协调分生组织发育 和其它部位生理过程的一种机制。3）翻译后修饰翻译完成后，需要对产物蛋白质进行修饰，才能使其发挥功能。NAC蛋白的翻 译后调节包括NAC蛋白的核定位调节、泛素介导的NAC蛋白降解途径和NAC蛋白 的基团修饰（如N-乙酰葡萄糖苷化、磷酸化等）等。此外，NAC蛋白

17、还能通过“膜 联一水解”机制快速应答细胞外信号。位于膜上的NAC蛋白处于休眠状态，当细胞 受到外界信号刺激后，连接在膜上的NAC蛋白立即被蛋白酶裂解从膜上释放出来进 入到细胞核内，经过一系列的反应激活相应的下游基因的表达，以应对外界刺激21。 另外，通过蛋白质间的相互作用，NAC蛋白之间可形成同源或异源二聚体，或与其 它蛋白质相互作用构成转录因子复合体，激活下游基因的表达，形成转录因子复合 体可以降低转录因子对结合序列特异性的要求。4NAC 基因对下游基因的调控NAC 基因对下游基因的调控是通过与它们启动子上的特异顺式作用元件结合 来进行的，这些顺式作用元件都具有能被 NAC 转录因子识别的共

18、有序列。早期的 研究证明许多NAC蛋白结合在CaMV35S启动子上的一个21bp片段上，它们能够 识别该片段上的两个核心序列：CGTA和CGTQ22。后来，有研究证明，拟南芥中 的一个干旱诱导的早期脱水应答反应基因中存在一个共有的 NAC 转录因子的识别 位点NACRS,CGT（G/A）和DNA结合核心序列（CACG），这两者也被统称NACBS （NAC 结合位点）23。玉米的干旱诱导的 ONAC 转录因子也结合在一个相似的 NAC 识别位点上，证明在植物界，至少是胁迫诱导的 NAC 转录因子中，它们的识别位 点是保守的24。除此之外，还有很多其它的 NAC 识别位点和结合位点被发现。因 此，

19、NAC家族转录因子可以识别如此多的DNA结合序列和调节这么多的下游基因 的表达就一点也不奇怪了。这些下游靶基因的确认对于阐明基因调节的分子机制是非常重要的。首先， NAC转录因子能够激活很多功能基因编码功能蛋白质，包括渗透调节物、活性氧清 除剂、解毒作用的蛋白、高分子产物及泛素等。此外，NAC转录因子的第二类靶基 因是编码调节蛋白的基因，包括在信号传导中起调节作用的蛋白质和调节下游基因 表达的蛋白质。5小结功能研究已经证实NAC基因在植物的生长发育及抵御各种生物、非生物胁迫过 程中起着不可或缺的作用，因此，它们在提高重要粮食作物及经济作物的胁迫耐性 和产量方面有重要意义。但是这些研究仍然处于初

20、级阶段，我们对于NAC转录因子 的作用路线及机制仍然不是很清楚，因此，它们在逆境胁迫应答过程中的作用机制 已成为当前的研究热点。一般认为，NAC转录因子可以通过形成同源或异源二聚体 形式，与其调控的下游基因启动子的顺式作用元件结合而直接调控靶基因的表达, 或与其它蛋白互作形成蛋白复合体来参与JA (茉莉酸)、SA (水杨酸)、ABA等 信号传导途径,激活特定的生理生化反应,从而使植物适应外界不良的环境 25。但是，NAC基因间往往存在功能性冗余，传统的T-DNA插入突变以及RNAi技 术等难以达到预期结果，miRNA技术能有效排除冗余，但目前所报道的仅有 miRNA164在m RNA水平上参与

21、对NAC转录因子的调控，对于其他m iRNA是否也参 与NAC蛋白活性的调控，还有待深入探讨26。另外，如何克服一些NAC转录因子在提高植物的胁迫耐性的同时所带来的一些 其他方面的问题也需要进一步的研究。6参考文献：1 彭辉,于兴旺，程慧颖等植物NAC转录因子家族研究概况.植物学报ChineseBulletin of Botany 2010, 45 (2): 236-2482 柳展基，邵凤霞,唐桂英植物NAC转录因子的结构功能及其表达调控研究进展西北植物学报,2007,27(9):1915-19203 Puranik,S. et al. (2012)NAC proteins: regulati

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