在植物生命活動的調控過程中轉錄因子作為核心的調控因子影響下游基因的表達從而參與植物生長發(fā)育、激素信號轉導及脅迫響應等多個過程。長期以來轉錄因子被簡單地分成“轉錄抑制因子”和“轉錄激活因子”兩類然而越來越多的研究證明轉錄因子的功能呈現出高度動態(tài)性而非固定不變。同一個轉錄因子在調控不同靶基因時可能會出現不同甚至完全相反的功能。小遠在日常解答問題時也會收到了一些老師的疑問“為什么轉錄因子活性分析證明其是轉錄激活因子但是卻抑制下游基因表達呢”“為什么轉錄因子有轉錄活性EMSA實驗也證明其和下游基因的順式作用元件是結合的但是雙熒光素酶報告基因實驗Dual-LUC不調控呢”。實際上轉錄因子本身的轉錄活性是其固有屬性結合能力不等于調控能力其對下游靶基因的調控還受到翻譯后修飾、互作蛋白、染色質狀態(tài)等多個因素的影響。小遠在之前的推文“新視角下的轉錄因子與啟動子互作”中介紹了相關的影響因素那今天呢小遠主要聚焦于轉錄因子調控能力的雙向轉變一起來看看吧。原因一翻譯后修飾翻譯后修飾post-translational modifications, PTMs作為調節(jié)蛋白功能的重要方式在轉錄因子活性轉換過程中發(fā)揮著關鍵作用。不同類型的PTMs可以通過改變轉錄因子的蛋白構象、穩(wěn)定性、亞細胞定位、DNA結合能力以及蛋白互作網絡重新定義其轉錄調控模式。R2R3-MYB轉錄因子的第四亞組成員Sg4是苯丙烷途徑與木質素合成通路中公認的抑制因子(Cavallini et al., 2015)除N端的R2和R3結構域外其還包含多個保守結構域其中C端的C2結構域含有的EAR基序是MYB4介導轉錄抑制的關鍵基序之一C1結構域包含關鍵基序GIPD。當C2結構域存在時C1結構域的激活功能受到抑制(Shen et al., 2012)。2025年1月安徽農業(yè)大學高麗萍課題組聯(lián)合夏濤課題組在Horticultural Plant Journal雜志上發(fā)表了一篇題為“Phosphorylation modification reverses the transcriptional inhibitory activity of CsMYB4a in tea plants (Camellia sinensis)”的研究論文作者分析得到了茶樹CsMYB4a蛋白的C2結構域上的Ser181位點是其發(fā)生磷酸化修飾的位點并通過熒光素酶互補實驗Split-Luc、免疫共沉淀實驗Co-IP及體內磷酸化實驗驗證了CsMPK3-2與CsMYB4a之間的相互作用且特異性地磷酸化CsMYB4a的C2結構域Ser181位點。隨后作者構建了持續(xù)模擬磷酸化突變體CsMYB4aS181D并通過茶樹瞬時表達體系開展功能驗證發(fā)現CsMPK3-2介導的磷酸化修飾大大削弱了CsMYB4a對苯丙烷合成關鍵酶基因的轉錄抑制作用該調控模式與擬南芥AtMYB4經磷酸化后抑制活性增強的機制截然相反是一種全新的調控方式。隨后作者對CsMYB4a轉基因植物和野生型植株進行了轉錄組測序篩選得到了差異表達基因YAB5并通過GFP報告基因瞬時轉化煙草葉片證明含有C1結構域的Cs4aC1能夠激活YAB5啟動子而含有C2結構域的Cs4aC2則不能。兩種磷酸化模擬突變體Cs4aS4D和Cs4aS181D均表現出激活活性而兩種磷酸化缺失突變體Cs4aS4A 和 Cs4aS181A均不具有激活活性且共表達CsMPK3-2和CsMYB4a可激活YAB5啟動子表達Cs4aS4A和MPK3-2共表達可微弱地啟動YAB5表達而Cs4aS181A則不能圖1。以上結果說明C1結構域具有轉錄激活活性而C2結構域的存在抑制了C1結構域的轉錄激活且磷酸化修飾會改變CsMYB4a的轉錄活性。圖1 CsMYB4a對NtYAB5的調控(Ma et al., 2025)。ANtYAB5啟動子中MYB結合位點分析數字表示與相應起始密碼子的距離bpBEMSA驗證CsMYB4a與NtYAB5啟動子元件的結合CCsMYB4a蛋白截短和突變位點的示意圖紅色文字表示CsMYB4a的突變磷酸化位點DCsMYB4a截短蛋白對NtYAB5啟動子的調控ECsMYB4a突變蛋白對NtYAB5啟動子的調控FCsMPK3s與CsMYB4a共表達對NtYAB5啟動子的調控。原因二不同互作蛋白在植物體內轉錄因子并非單獨發(fā)揮作用而是與其他蛋白形成蛋白復合體共同調控下游靶基因。互作蛋白可以促進/阻礙轉錄因子招募RNA聚合酶Ⅱ及轉錄起始復合物從而改變其轉錄調控能力。同一轉錄因子在不同組織、發(fā)育階段或環(huán)境條件下由于互作蛋白變化其轉錄活性甚至可能由激活轉變?yōu)橐种啤?026年2月四川農業(yè)大學李煬平課題組在Plant Biotechnology Journal雜志上發(fā)表了一篇題為“ZmMYB127 Modulates Maize Kernel Texture and Size by Integrating the Synthesis of Starch, Zein Proteins and Auxin”的研究論文作者通過全基因組關聯(lián)分析GWAS、單倍型分析和轉基因籽粒表型分析鑒定并驗證了胚乳特異性R2R3-MYB轉錄因子ZmMYB127在籽粒性狀調控中的作用。首先作者通過酵母轉錄激活實驗和Dual-LUC證明ZmMYB127是一個轉錄抑制因子。隨后作者通過DAP-seq、酵母單雜交、EMSA、Dual-LUC實驗證明ZmMYB127抑制核心淀粉合成基因Bt1和Ae1的表達同時又促進玉米醇溶蛋白基因z1D2和z1C1的表達。但由于ZmMYB127缺乏轉錄激活能力因此作者猜測它可能與其他調控因子相互作用協(xié)調基因表達。其后共表達網絡分析結合蛋白-蛋白互作實驗表明ZmMYB127與轉錄因子O2、PBF1互作圖2a-d。同時Dual-LUC實驗證明共表達ZmMYB127和PBF1對Bt1和Ae1啟動子活性抑制作用更顯著而共表達ZmMYB127和O2對z1D2和z1C1激活作用更顯著圖2e-g。以上結果說明ZmMYB127并非獨立發(fā)揮作用而是依賴與不同蛋白的互作形成功能特異性的轉錄調控復合體以實現對不同靶基因的激活或抑制。圖2 ZmMYB127與PBF1和O2相互作用協(xié)同調控核心淀粉合成基因和玉米醇溶蛋白基因(Long et al., 2026)。aZmMYB127在酵母中與PBF1和O2相互作用b、cSplit-Lucb和BiFCc分別顯示在玉米原生質體和煙草葉片中ZmMYB127與PBF1和O2相互作用dGST Pull-down實驗顯示ZmMYB127與O2和PBF1相互作用e瞬時表達載體構建示意圖fZmMYB127與PBF1共表達對Bt1、Ae1啟動子的轉錄抑制活性定量檢測gZmMYB127與O2共表達對z1D2、z1C1啟動子的轉錄激活活性定量檢測。原因三染色質狀態(tài)染色質可及性是決定轉錄因子功能的重要因素轉錄因子能否有效調控靶基因不僅取決于自身的轉錄激活/抑制結構域還受到靶位點染色質狀態(tài)的影響。當染色質高度開放時核小體占比降低、DNA調控元件暴露從而使轉錄因子更容易招募轉錄共調控因子最終實現對下游靶基因的激活或抑制而在染色質封閉區(qū)域即使轉錄因子本身具有較強的DNA結合能力但因缺乏必要的染色質重塑因子或者無法接近靶序列導致其無法調控下游靶基因。因此染色質狀態(tài)的改變會顯著影響轉錄因子的激活或抑制活性。BZR1作為激活或抑制不同油菜素內酯BR通路基因的核心轉錄因子其通過乙烯響應元件結合因子相關兩親性抑制結構域EAR招募轉錄共抑制因子TPL家族蛋白BZR1-TPL復合物進一步募集組蛋白去乙酰化酶HDA19從而促進BR響應基因的轉錄抑制但BZR1介導的轉錄激活機制仍未可知。2024年12月中山大學李陳龍課題組聯(lián)合卡內基科學研究所王志勇課題組在Developmental Cell雜志上發(fā)表了一篇題為“The BAS chromatin remodeler determines brassinosteroid-induced transcriptional activation and plant growth inArabidopsis”的研究論文該研究揭示了EAR具備二元調控能力其既可以招募轉錄抑制型復合物也能招募激活型復合物闡明了BR通過兩套獨立染色質通路分別調控生長發(fā)育和逆境響應、平衡生長與抗逆權衡的表觀分子新機制。作者以擬南芥BZR1為研究對象通過ATAC-seq實驗證明BZR1可直接介導全基因組染色質開放/關閉的雙重調控。通過IP-MS及一系列的蛋白-蛋白互作實驗篩選驗證得到了BZR1與BAS復合物特異性亞基之間存在互作且BZR1的EAR結構域是介導二者發(fā)生互作的關鍵條件。隨后作者構建了BZR1/BAS的單突變、雙突變遺傳學材料通過ATAC-seq、RNA-seq實驗發(fā)現缺失BRMBAS 復合物的ATPase亞基后bzr1-1D功能獲得型BZR1等位基因原本提升的染色質開放效應完全消失但bzr1-1D關閉染色質的能力不受影響。且81%的BZR1上調的生長基因在BRM突變后上調幅度大幅降低甚至無激活78%的BZR1抑制的脅迫基因在缺失BRM后仍能正常被抑制圖3、4。表明BAS復合物僅介導BZR1的轉錄激活功能完全不參與BZR1的轉錄抑制過程。圖3 BZR1需要BRM來增加染色質可及性(Zhu et al., 2024)。A、B元基因分布圖A和箱線圖B分別展示了展示各組樣本中BZR1誘導的染色質開放峰區(qū)域ATAC-seq 信號強度幼苗在含2 μM油菜素唑PPZ的培養(yǎng)基中暗培養(yǎng)5天C熱圖展示了指定樣本中bzr1-1D誘導的染色質可及性增加峰的ATAC-seq信號;D、E分別為元分布圖、箱線圖展示各組樣本中BZR1下調的染色質開放峰區(qū)域ATAC-seq信號與測序讀段豐度F熱圖展示了指定ATAC-seq實驗中bzr1-1D誘導的染色質可及性降低峰的ATAC-seq信號。G、H對指定樣本中BZR1增加或降低的可及性峰進行PCA分析。圖中百分比代表第一主成分PC1、第二主成分PC2所能解釋的變異占比I擬南芥哥倫比亞野生型Col、bzr1-1D、brm-1和bzr1-1D brm-1樣本中代表性位點的ATAC-seq可視化圖譜。圖4 BRM決定BR誘導的基因激活但對BR誘導的基因抑制沒有太大影響(Zhu et al., 2024)。A火山圖顯示bzr1-1D突變體中差異表達基因B熱圖左和箱線圖右顯示經k-means聚類分析后BZR1上調基因在各株系中的分布情況C熱圖左和箱線圖右顯示經k-means聚類分析后BZR1下調基因在各株系中的分布情況D熱圖反映各株系中BZR1上調或下調基因的相對表達量E對比分析各株系中依賴BRM的BZR1上調基因表達差異并將這些基因劃分至不同功能通路F受bzr1-1D誘導、且需要BRM才能實現BZR1介導轉錄激活的染色質開放相關基因。G熱圖展示各類樣本中同時受BZR1上調、且染色質開放與轉錄激活均依賴BRM的基因其染色質可及性與轉錄水平H各類樣本中同時受BZR1上調、且染色質開放與轉錄激活均依賴BRM的基因的染色質可及性、轉錄水平I對H中157個靶基因進行基因本體GO富集分析JBR-BZR1-BAS介導的基因轉錄激活信號通路模型BR信號激活BZR1后BZR1與BAS復合物互作并將其招募至含G-box類順式元件的基因區(qū)域BAS復合物提升染色質可及性激活基因表達調控各類植物生長發(fā)育進程KBR-BZR1-TPL-HDA19介導的基因轉錄抑制信號通路模型BZR1-TPL-HDA1復合物結合脅迫響應基因的G-box類基序抑制基因表達以此平衡植物生長與逆境應答的權衡關系此外BAS復合物也可被BZR1以外的其他轉錄因子招募至該類基因位點。原因四環(huán)境脅迫環(huán)境脅迫除了可以改變轉錄因子的表達量還可以重塑轉錄因子的調控模式。當植物受到逆境脅迫時脅迫信號可以通過調控轉錄因子的蛋白構象、翻譯后修飾、互作蛋白招募差異從而改變其轉錄調控能力。前人研究表明B類熱激轉錄因子HSFB可作為轉錄抑制因子參與免疫、熱恢復過程但其如何協(xié)調植物應對干旱脅迫與生長發(fā)育的通路還未知。2025年2月河南農業(yè)大學鄭旭課題組在The Plant Journal雜志上發(fā)表了一篇題為“The heat shock factor HSFB1 coordinates plant growth and drought tolerance inArabidopsis”的研究論文作者以擬南芥HSFB1為研究對象發(fā)現其正調控擬南芥耐旱性。通過ChIP-seq、RNA-seq分析篩選得到了HSFB1潛在的下游靶基因HSP101表型分析發(fā)現HSP101在hsfb1突變體中的表達量顯著高于野生型植物Dual-LUC發(fā)現當35S:HSFB1共表達時報告基因HSP101pro:LUC的活性顯著下調以上表明HSFB1與HSP101的啟動子結合并作為HSP101的直接轉錄抑制因子發(fā)揮作用圖5。進一步的分析發(fā)現HSP101同樣正調控擬南芥耐旱性。由于HSFB1在正常生長條件下抑制HSP101的表達同時正向調控擬南芥的干旱脅迫耐受性因此作者推測HSFB1能夠募集轉錄或翻譯激活因子從而改變其轉錄活性。通過酵母雙雜篩選及一系列的蛋白-蛋白互作實驗證明HSFB1和真核翻譯起始因子eIF3G1存在相互作用并通過酵母功能互補實驗表明HSFB1和eIF3G1之間的相互作用可以響應干旱脅迫且干旱脅迫增強二者之間的互作強度。緊接著作者通過Dual-LUC實驗驗證eIF3G1在干旱條件下對HSFB1調控HSP101的影響發(fā)現共表達eIF3G1后HSFB1對HSP101的調控由轉錄抑制轉變?yōu)檗D錄激活圖6。圖5 HSFB1下游調控網絡的全基因組解析(Zheng et al., 2025)。AHSFB1結合峰內富集的基序BChIP-seq結合峰對應的基因本體GO富集分析C正常培養(yǎng)條件下野生型WT與hsfb1突變株差異表達基因DEGs的GO條目富集分析D熱圖展示正常條件下野生型與hsfb1突變株中干旱相關基因及HSP101的表達差異。E通過RNA-seq鑒定的hsfb1突變體和HSFB1過表達轉基因株系中的DEGs與通過ChIP-seq鑒定的靶基因之間的重疊;FDual-LUC驗證HSFB1對HSP101基因啟動子活性的調控作用;G圖F熒光素酶活性定量統(tǒng)計結果。圖6 HSFB1調控干旱脅迫響應與生長之間的穩(wěn)態(tài)平衡(Zheng rt al., 2025)。A在經150 mM甘露醇處理后Dual-LUC實驗驗證eIF3G1對HSFB1與HSP101啟動子之間結合的影響B(tài)對A中所示樣品的熒光素酶活性進行定量分析C提出的一種工作模型闡明了HSFB1在植物生長與干旱脅迫耐受性之間維持平衡的分子機制。左圖在正常條件下HSFB1充當HSP101的抑制因子。此時HSP101主要促進植物生長而非發(fā)揮其分子伴侶樣功能。此外由于 HSFB1表達水平較低其對HSP101的抑制作用減弱從而進一步促進植物生長。右圖在干旱脅迫條件下HSFB1-eIF3G1復合物轉變?yōu)镠SP101的激活因子。此時HSP101發(fā)揮分子伴侶樣功能增強植物的干旱脅迫耐受性而不再促進植物生長。小遠叨叨本篇文章小遠給大家介紹了轉錄因子在激活、抑制兩種調控功能間轉換的四種因素希望可以幫助大家認識到轉錄因子從來不是單一屬性的“激活子”或“抑制子”。翻譯后修飾、互作蛋白、染色質開放程度、外界環(huán)境變化等任意一個條件的改變都可能重塑轉錄因子對下游靶基因的調控能力。因此在進行實驗的過程中如果出現了轉錄活性與轉錄調控方向相悖、轉錄因子對靶基因的調控能力與轉基因植株表型不匹配、EMSA實驗驗證轉錄因子和靶基因之間存在結合但是Dual-LUC實驗不調控等與預期結果不一致的情況可以從以上幾個方向出發(fā)深挖機制可能會有意想不到的驚喜。當然這里小遠只列舉了部分原因如果大家有新的發(fā)現歡迎分享給我們喔~