黃小云，陶 鵬，李必元，王五宏，岳智臣，雷娟利，鐘新民*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，浙江杭州 310021;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇南京 210095)

1962年Rittoss研究發(fā)現(xiàn)，果蠅經(jīng)熱激后其唾液腺多線染色體發(fā)生顯著變化“膨突”［1］。1974年Tissieres發(fā)現(xiàn)這種“膨突”是一組蛋白，并將其命名為熱激蛋白 (heat shock protein，Hsp)，這種現(xiàn)象稱為熱激反應(yīng) (heat shock response，HSR)［2］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象普遍存在于整個(gè)生物界，在受到各種環(huán)境脅迫時(shí)，尤其是熱脅迫 (heat stress，HS)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列的應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致熱激蛋白在植物體內(nèi)迅速積累。熱激蛋白具備分子伴侶的功能，在細(xì)胞反應(yīng)中進(jìn)行蛋白的折疊、分配、運(yùn)輸和降解，修復(fù)受損的蛋白并維持細(xì)胞的存活，在植物抗逆過程中起著重要的作用［3-4］。植物熱激轉(zhuǎn)錄因子 (heat stress transcription factors，Hsfs)是存在于細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)熱激蛋白表達(dá)的一類轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因，在植物熱脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和耐熱性的產(chǎn)生過程中具有重要作用［5］。熱激轉(zhuǎn)錄因子通過識(shí)別并特異性結(jié)合在熱激蛋白基因啟動(dòng)子區(qū)熱激元件(heat shock element，HSE)的保守基序上，從而調(diào)控?zé)峒さ鞍谆虻霓D(zhuǎn)錄和表達(dá)，進(jìn)而提高植物的抗逆性。隨著環(huán)境惡化，許多植物生產(chǎn)面臨新挑戰(zhàn)，抗逆品種的選育成為當(dāng)前研究的重要內(nèi)容。高溫對(duì)植物的生長和發(fā)育會(huì)造成嚴(yán)重影響，挖掘植物耐熱基因，了解植物耐熱機(jī)制，培育耐熱品種是應(yīng)對(duì)高溫脅迫的有效途徑。數(shù)年來熱激轉(zhuǎn)錄因子已得到廣泛研究，本文將對(duì)熱激轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)等方面的研究進(jìn)展作一概述。

1 植物熱激轉(zhuǎn)錄因子的基本結(jié)構(gòu)

盡管Hsfs在序列大小上存在一定的差異，但真核生物的Hsfs具有典型的結(jié)構(gòu)，包括保守的N端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (DNA-binding domain，DBD)、寡聚化結(jié)構(gòu)域 (oligomerization domain，OD或HRA/B)、核定位信號(hào) (nuclear localization signal，NLS)、核輸出信號(hào) (nuclear export signal，NES)和C端轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域 (C-terminal domain，CTD)(圖1)5個(gè)部分。

圖1 熱激轉(zhuǎn)錄因子的基本結(jié)構(gòu)

1.1 DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (DBD)

DBD結(jié)構(gòu)域位于Hsfs的N端，是一段高度保守的區(qū)域，由3個(gè)螺旋結(jié)構(gòu) (H1，H2，H3)和4個(gè)反相平行的 β 折疊 (β1，β2，β3和 β4)［6］。在DNA結(jié)合域疏水中心有一個(gè)序列高度保守的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 (H2-T-H3)結(jié)構(gòu)，可以精確定位并識(shí)別HSE 序列 (5'-AGAAnnTTCT-3')［7］。

1.2 寡聚化結(jié)構(gòu)域 (OD或HR-A/B)

HR-A/B區(qū)域同樣位于Hsfs的N端，通過一段長度為15～80 aa的堿性氨基酸與DBD區(qū)域相連。HR-A/B區(qū)域是由2個(gè)疏水七肽重復(fù)區(qū)域A和B組成，HR-A包含5～6組疏水的七肽重復(fù)序列，而HR-B是由2個(gè)相互交疊的七肽重復(fù)序列組成，在空間上形成螺旋型卷曲螺旋結(jié)構(gòu) (helical coiled-coil structure)。Hsfs可通過卷曲結(jié)構(gòu)形成同源三聚體，從而高效地與Hsp基因啟動(dòng)子結(jié)合并啟動(dòng)Hsp基因的轉(zhuǎn)錄［8］。根據(jù)HR-A/B區(qū)域的特點(diǎn)，可以將植物Hsfs分為A類、B類和C類。其中A類和C類Hsfs在區(qū)域A和B之間分別插入21個(gè)和7個(gè)氨基酸，而B類Hsfs結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單沒有氨基酸插入。

1.3 核定位信號(hào) (NLS)和核輸出信號(hào) (NES)結(jié)構(gòu)域

NLS位于OD區(qū)的C端，由一簇單組分或雙組分堿性氨基酸殘基組成。B類Hsfs的NLS包含高度保守的四肽阻遏基序-LFGV-。在植物某些HSF的C端區(qū)域中還存在一個(gè)富含亮氨酸的疏水NES區(qū)域。正是NLS和NES的協(xié)同作用維持了細(xì)胞平衡，植物Hsfs才能在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中自由分布［9］。

1.4 C端激活結(jié)構(gòu)域 (CTD)

CTD結(jié)構(gòu)域是最不保守的區(qū)域，以芳香族的(W，F(xiàn)，Y)、大的疏水的 (L，I，V)及酸性(E，D)的氨基酸激活基序 (activator motif，AHA)為特征，并具有轉(zhuǎn)錄激活功能。然而并不是所有的Hsfs都具有AHA基序，只有A類植物Hsfs含有，B類和C類Hsfs不含有AHA基序，而B類和C類Hsfs通常被認(rèn)為不具備轉(zhuǎn)錄激活功能［10］。然而A類Hsfs中HsfA3的CTD區(qū)域不包含AHA基序，但是所包含的色氨酸殘基使HsfA3具有激活功能［11］。

1.5 B類Hsfs的阻遏功能域

除了HsfA5外，所有的B類Hsfs在C端區(qū)域均包含一個(gè)四肽氨基酸-LFGV-，而這個(gè)四肽氨基酸通常被認(rèn)為是阻遏基序的核心，但它在轉(zhuǎn)錄過程中怎樣和其他區(qū)域相互作用而起到的輔助阻遏功能尚不清楚［12-13］。在其他植物中也有類似的研究［13］。

1.6 Hsfs的功能區(qū)域和標(biāo)志序列

無論是必不可少的DBD，OD區(qū)域，還是部分存在的 NES，NLS區(qū)域，以及區(qū)組特異性的AHA基序，Hsfs的功能區(qū)域和基序在前文中已有描述。高度保守3D結(jié)構(gòu)的DBD，識(shí)別HSE的H2-T-H3中心基序以及OD結(jié)構(gòu)是所有真核Hsfs的標(biāo)志。另外，在進(jìn)化上連接HTH基序的序列內(nèi)含子在DBD中的位置也是高度保守的。具有卷曲結(jié)構(gòu)的OD不僅存在于所有真核Hsfs，它還是區(qū)分植物Hsfs種類的重要標(biāo)志，通過OD結(jié)構(gòu)的特征，可將 Hsfs分為A，B，C等3類。然而 NLS，NES，AHA的存在與否，位置以及序列大小等為A類Hsfs的亞類區(qū)分提供了依據(jù)。功能性結(jié)構(gòu)域通常以相當(dāng)短的基序?yàn)樘卣鳎瑹o論這樣的基序是否發(fā)揮其相應(yīng)的功能，它都可能依賴其獨(dú)特的分子構(gòu)造。在植物中還存在一些非功能NLS，AHA氨基酸殘基，如HsfA5［14］。值得一提的是，一些和功能區(qū)域相連接的保守序列或單獨(dú)存在的保守序列也能為Hsfs的分類提供依據(jù)。總的來說，功能域、功能基序及一些功能不明確的保守序列均是Hsfs的標(biāo)志性序列，而且它們的位置和特征是Hsfs所共有的。這些標(biāo)志序列的作用在于使Hsfs類型具有豐富性，如 HsfA1，A2，A3，B2a，B2b，A4a，A4b等Hsfs類型。

2 植物熱激轉(zhuǎn)錄因子的多樣性

植物中的熱激轉(zhuǎn)錄基因家族在模式植物擬南芥和水稻中已有詳細(xì)的描述［15-17］。根據(jù)研究表明，擬南芥、水稻、番茄、玉米、蘋果、大豆、楊樹、苜蓿以及黃瓜中的Hsf家族成員已得到鑒定和分析［15-22］。作為模式植物，擬南芥具有21個(gè)Hsf家族成員，其中15個(gè)屬于A類Hsfs，5個(gè)屬于B類，1個(gè)屬于C類。然而其他物種中Hsf家族成員的分析表明，其大小和組成分布與植物進(jìn)化密切相關(guān)。目前，擬南芥是被子植物中最小的Hsf家族，而最大的Hsf家族是大豆，含有52個(gè)Hsf家族成員。植物在進(jìn)化的不同時(shí)期中通常會(huì)發(fā)生全基因組重復(fù)和基因重復(fù)，并伴隨著廣泛的基因缺失，這就是被子植物Hsfs具有多樣性的原因。

為了更好地了解植物熱激因子家族的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，我們列舉了8種植物的Hsf家族成員 (表1)，并將其進(jìn)行聚類分析 (圖2)。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)雙子葉和單子葉植物中的Hsfs存在很高的相似性，大多數(shù)Hsfs類型均存在于雙子葉和單子葉植物中，但HsfA9，HsfB3，HsfB5只存在于雙子葉植物中，這些類型或許是在單子葉和雙子葉植物分化后出現(xiàn)的。單子葉植物和雙子葉植物Hsfs之間最顯著的區(qū)別表現(xiàn)在，單子葉植物中C類Hsfs更具復(fù)雜性。單子葉植物中的基因重復(fù)使其Hsfs具有單子葉植物特異區(qū)組，如C1a，C1b，C2a和C2b，但是這些擴(kuò)展的Hsfs功能尚未確定。同時(shí)為了全面地了解植物中的Hsf家族成員，下文分別介紹其中幾種植物熱激轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展。

表1 植物Hsfs

2.1 番茄

模式植物中熱激轉(zhuǎn)錄因子的研究有助于其他作物相關(guān)研究的順利開展，番茄是最早進(jìn)行熱激轉(zhuǎn)錄因子研究的植物，并最早在番茄中克隆獲得3個(gè)Hsfs基因，其中一個(gè)是組成型表達(dá)，2個(gè)是熱脅迫誘導(dǎo)基因［23］?，F(xiàn)有的研究表明［5］，番茄中至少含有24個(gè)Hsf家族成員，其中15個(gè)屬于A類Hsfs，8個(gè)屬于B類，1個(gè)屬于C類，另外還有3個(gè)類似的家族成員 (S l02g072060，S l02g0790180，S l11g008410)。在番茄熱激反應(yīng)中，HsfA1的組成型表達(dá)占主導(dǎo)作用［24］。番茄HsfA2在熱激反應(yīng)和恢復(fù)中進(jìn)行不斷積累，具有潛在的激活功能［25］。亞細(xì)胞定位研究表明［26］，正常條件下番茄HsfA3位于細(xì)胞質(zhì)，熱脅迫時(shí)則在細(xì)胞核內(nèi)，和HsfA1的表達(dá)相似也是組成型表達(dá);而作為轉(zhuǎn)錄共激活子HsfB1在脅迫和非脅迫條件下都位于細(xì)胞核中;HsfA2則相對(duì)復(fù)雜，經(jīng)過短暫熱激后，HsfA2逐漸合成并位于細(xì)胞質(zhì)中，再次熱激后，大部分HsfA2分布在細(xì)胞核，在這個(gè)熱激和恢復(fù)的過程中，HsfA2不斷積累，在細(xì)胞質(zhì)中又可以重新檢測(cè)。李振軍等［27］從耐熱番茄中克隆得到Hsf24基因，并對(duì)該基因及編碼蛋白質(zhì)進(jìn)行同源性分析，結(jié)果表明該基因和普通番茄中的Hsf24基因高度同源，但是多出16個(gè)堿基。這些表明植物Hsf s本身具有復(fù)雜性和差異性，這也就決定了它的多樣性。

2.2 擬南芥

擬南芥也是植物熱激轉(zhuǎn)錄因子研究很多的模式植物，其家族成員已得到鑒定，擬南芥具有21個(gè)Hsf家族成員，A，B，C類Hsfs分別有15個(gè)、5個(gè)和1個(gè)，不均勻地分布在其5條染色體上。其中一對(duì)旁系同源基因 (At3g51910和At3g6350)位于同一條染體色上，另外有4對(duì)旁系同源基因分別位于不同的染色體上，這表明擬南芥熱激轉(zhuǎn)錄因子可能在進(jìn)化過程中發(fā)生了基因重復(fù)和基因組重復(fù)。擬南芥HsfA1a和HsfA1b調(diào)控一些熱激后表達(dá)的基因，如WRKY，MYB，AP2/EREBP等轉(zhuǎn)錄因子。擬南芥中表達(dá)最明顯的是HsfA2，并響應(yīng)多種脅迫反應(yīng)，而受熱激誘導(dǎo)最明顯的基因是HsfB1，但不能提高植物的耐熱性。HsfA3同樣有助于保持耐熱性，并受DREB2A和 DREB2C的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)錄［28］，而HsfA9則是在ABI3的控制下參與種子發(fā)育［29］。

2.3 水稻

作為單子葉植物的模式植物，水稻的熱激轉(zhuǎn)錄因子也有一定的研究。水稻全基因組測(cè)序后，Guo等［17］從水稻中鑒定得到了25個(gè)Hsf家族成員，其中13個(gè)屬于A類，8個(gè)屬于B類，4個(gè)屬于C類;染色體定位發(fā)現(xiàn)，25個(gè)成員不均勻地分布在水稻的1至10號(hào)染色體上，在11，12號(hào)染色體上沒有分布;8對(duì)旁系同源基因中，1對(duì)位于同1條染色上 (Os01g43590和Os01g53220)，另外有7對(duì)旁系同源基因分別位于不同的染色體上，這和擬南芥具有相似性。水稻HsfA2在調(diào)控逆境脅迫中具有重要作用，其中HsfA2a，HsfA2e在熱誘導(dǎo)下產(chǎn)生，而HsfA2b在熱誘導(dǎo)和H2O2中均可產(chǎn)生。在擬南芥中轉(zhuǎn)入水稻 HsfA2e，可提高其耐熱耐鹽的水平［30］。在冷誘導(dǎo)中3類Hsfs的表達(dá)有明顯差異:A類中的HsfA3，HsfA4d，HsfA9轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平提高;B類中除HsfB4a和HsfB4b外，其他的B類Hsfs均降低;C類Hsfs均能在冷誘導(dǎo)中產(chǎn)生，且HsfC1表達(dá)量最高，這表明C類Hsfs可能在冷脅迫中具有關(guān)鍵的作用;另外，水稻中的Hsfs在其所有器官中均有表達(dá)但其表達(dá)水平存在一定的差異:HsfA1a，HsfA2e，HsfA4d，HsfB1，HsfB4b分別在花、花序、葉片、根和種子、雌蕊中表達(dá)量最高［31］。

2.4 大豆

大豆是目前植物中熱激轉(zhuǎn)錄因子被鑒定家族成員最多的植物［20］，含有52個(gè)Hsf家族成員，其中28個(gè)屬于A類Hsfs，22個(gè)屬于B類，2個(gè)屬于C類，所有成員不均勻地分布在所有染色體上。最早在大豆中分離得到的6個(gè)熱激轉(zhuǎn)錄因子，其中2個(gè)是組成型表達(dá)，其余4個(gè)受熱脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，其中2個(gè)熱脅迫誘導(dǎo)基因還對(duì)鎘脅迫有響應(yīng)［32］。張利明等［33］利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將GmHsfA1轉(zhuǎn)入大豆品種科新3號(hào)，GmHsfA1的過量表達(dá)激活了轉(zhuǎn)基因大豆植株中熱激蛋白基因GmHsp22在非誘導(dǎo)條件下的轉(zhuǎn)錄，并加強(qiáng)了高溫脅迫下GmHsp23和GmHsp70的表達(dá)。吳廣錫等［34］研究表明，轉(zhuǎn)熱激轉(zhuǎn)錄因子GmHsfA1大豆品系黑農(nóng)53在高溫和干旱誘導(dǎo)條件下，大豆葉片中 GmHsfA1，GmHSP70，GmHSP22和GmHSP17.9基因的表達(dá)量明顯高于非轉(zhuǎn)基因植株，生理性狀和產(chǎn)量性狀均優(yōu)于非轉(zhuǎn)基因植株，結(jié)果表明過量表達(dá)的熱激轉(zhuǎn)錄因子GmHsFA1在大豆植株的耐熱性和抗旱性方面具有重要作用。大豆HSFs還受其他脅迫誘導(dǎo)，實(shí)時(shí)定量PCR結(jié)果表明［20］:在 熱 脅 迫 下， HsfA2c， HsfA6b，HsfB2b，HsfB1c，HsfB2d這 5個(gè)基因的表達(dá)量都很高;HsfA2，HsfB2b，HsfB1c，HsfB2d在干旱脅迫下反應(yīng)也很明顯;在冷誘導(dǎo)中只有HsfB1c表達(dá)水平顯著上調(diào);在鹽脅迫中HsfA2c表達(dá)水平明顯上升，其他的沒有變化。

2.5 玉米

早在1995年，Gagliardi等［35］就分析了熱激轉(zhuǎn)錄因子和HSP70在玉米花粉發(fā)育中的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)熱激轉(zhuǎn)錄因子在玉米中均有表達(dá)，其中2個(gè)在玉米營養(yǎng)組織中表現(xiàn)為熱脅迫誘導(dǎo)。目前，玉米中已鑒定出25個(gè)Hsf家族成員［18］，其中15個(gè)屬于A類，7個(gè)屬于B類，3個(gè)屬于C類;而且其中受熱脅迫誘導(dǎo)的基因有17個(gè)，不受其誘導(dǎo)的有3個(gè)，還有5個(gè)受熱脅迫抑制;其中有9對(duì)旁系同源基因，一對(duì)位于同一染色體上，其余的分別位于不同的染色體上。

2.6 蘋果

蘋果不僅是木本植物，更是一種經(jīng)濟(jì)植物。蘋果全基因組測(cè)序完成以后［36］，Giorno等［19］從蘋果中鑒定得到25個(gè)熱激轉(zhuǎn)錄因子，其中16個(gè)屬于A類，7個(gè)屬于B類，2個(gè)屬于C類;這些基因不均勻地分布在蘋果17條染色體中的12條上，并發(fā)生了12對(duì)基因重復(fù)，其中在不同染色體之間有11對(duì)片段重復(fù)，同一染色體上有一對(duì)串聯(lián)重復(fù)(MdHsfA3b和MdHsfA3c);在聚類中發(fā)現(xiàn)，與擬南芥相比，蘋果和楊樹的親緣關(guān)系更近，這可能是因?yàn)樗鼈兌际悄颈局参?，在長期的進(jìn)化過程中更為相似。這些基因在所有的組織中幾乎都有表達(dá)，包括一些特異性表達(dá)，如MdHsfA9a只在葉片中表達(dá)，而MdHsfA9b只在種子中表達(dá);MdHsfA2b和MdHsfA2b則在花中表達(dá)。

2.7 小麥

在小麥中，Qin等［37］通過研究小麥熱脅迫下基因表達(dá)譜，得到了7個(gè)熱激轉(zhuǎn)錄因子，其中一個(gè)在熱脅迫后表達(dá)水平顯著上調(diào)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐熱性;Shim等［38］研究表明，小麥中與水稻直系同源的HsfA4a對(duì)鎘具有一定的抗性并受金屬硫蛋白MT的表達(dá)調(diào)控。Chauhan等［39］對(duì)不同生育時(shí)期小麥材料進(jìn)行37℃和42℃進(jìn)行熱脅迫2 h，并通過PCR選擇減法技術(shù)鑒定響應(yīng)基因，獲得了3 516個(gè)高質(zhì)量的EST;表達(dá)分析表明苗期小麥在熱脅迫后1～4 d表現(xiàn)快速恢復(fù);而利用10個(gè)響應(yīng)基因?qū)?5份材料進(jìn)行熒光定量分析發(fā)現(xiàn)，小麥在主要生長階段對(duì)不同的脅迫均有一定的響應(yīng)并存在組織特異性表達(dá)。Chauhan等［40］從小麥中分離得到與水稻OsHsfA2d相似的A類熱休克蛋白基因TaHsfA2d，擬南芥轉(zhuǎn)TaHsfA2d植株過表達(dá)不僅對(duì)高溫耐受性較高，也表現(xiàn)出相當(dāng)大的耐鹽性和抗旱性。Zhang等［41］從小麥中分離得到一個(gè)B類的熱休克蛋白基因TaHSF3，在小麥穗中高度表達(dá);另外，小麥苗期在熱脅迫、冷誘導(dǎo)、NaCl和ABA處理下表達(dá)均表現(xiàn)出高度上調(diào);擬南芥轉(zhuǎn)TaHSF3植株過表達(dá)還耐極端溫度。

3 植物熱激轉(zhuǎn)錄因子的功能多樣化

3.1 HsfA1a:番茄中主要調(diào)節(jié)因子

番茄HsfA1是組成型表達(dá)，是調(diào)節(jié)耐熱的主要Hsfs，在番茄耐熱中它的功能是無可取代的。在正常條件下，HsfA1分布于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中。HsfA1通過和HsfA2，HsfB1形成異源寡聚超級(jí)激活因子復(fù)合體共同響應(yīng)熱激反應(yīng)并起到修復(fù)作用。HsfA1調(diào)節(jié)HsfA2，HsfB1的表達(dá)，與其形成寡聚體并維持在細(xì)胞核內(nèi)，保持耐熱功能。轉(zhuǎn)基因植株中HsfA1的過度表達(dá)，會(huì)加強(qiáng)HsfA2，HsfB1及其他相關(guān)基因的熱誘導(dǎo)反應(yīng)，但是HsfA1轉(zhuǎn)錄后基因沉默，也會(huì)降低這些基因的表達(dá)。這些HsfA1a沉默植株生長參數(shù)與野生植株很相似，但是在其各個(gè)生長發(fā)育階段沉默植株對(duì)高溫更加敏感。這是因?yàn)镠sfA1a的沉默表達(dá)消除了同樣作為分子伴侶HsfA2和B1的誘導(dǎo)功能。然而，HsfA2和HsfB1表達(dá)的減少或是缺失對(duì)轉(zhuǎn)基因植株響應(yīng)熱脅迫影響不大。

番茄和擬南芥的Hsf家族成員組成基本上是一致的 (表1)，但是作為主要調(diào)節(jié)因子，番茄和擬南芥HsfA1具有明顯差異。擬南芥4個(gè)HsfA1中沒有一個(gè)具有主要調(diào)節(jié)功能。無論是單基因突變的發(fā)生，還是雙突變體甚至是三突變體的發(fā)生，擬南芥HsfA1a，HsfA1b，HsfA1d，HsfA1e在誘導(dǎo)熱激反應(yīng)和耐熱水平上效果均不顯著［42］。然而雙重突變轉(zhuǎn)錄組分析表明，這些熱激轉(zhuǎn)錄因子對(duì)某類基因具有一定的功能，如 sHsp，HSP70和 HSP101，還有HsfA2，HsfA7a，HsfB1和HsfB2a，以及一些編碼代謝酶的基因。

3.2 HsfA2:熱激誘導(dǎo)的耐熱因子

HsfA2在結(jié)構(gòu)和功能上都與HsfA1很相似，但是HsfA2只在脅迫植株中表達(dá)。然而，當(dāng)番茄，擬南芥和水稻在持續(xù)熱脅迫或是恢復(fù)階段，HsfA2可以誘導(dǎo)高水平耐熱蛋白的形成并不斷積累［43］。脅迫植株中所含有的豐富HSFs以及HsfA1和HsfA2的互作，都有助于HsfA2誘導(dǎo)高水平耐熱蛋白?？傊琀sfA1和HsfA2互作誘導(dǎo)蛋白形成的水平均高于二者單獨(dú)進(jìn)行誘導(dǎo)的水平［43］。然而，番茄HsfA1/A2互作的功能很可能反映了2種不同類型的結(jié)構(gòu)域和AHA基序。由于擬南芥4個(gè)HsfA1具有各不相同的C端結(jié)構(gòu)域，其成員間的相互作用和番茄這種效應(yīng)可能具有相似之處。

另外有研究表明，HsfA2不僅對(duì)耐熱性水平有顯著作用，還對(duì)一些與脅迫相關(guān)的非伴侶編碼基因如GOLS1或APX2的表達(dá)具有一定的作用［44］。突變體植株一般對(duì)熱脅迫、強(qiáng)光、氧化和缺氧脅迫很敏感，而擬南芥HsfA2的過表達(dá)不僅提高了耐熱性，同時(shí)提高了對(duì)鹽脅迫、氧化和缺氧脅迫的抗性［45］?？傊琀sfA2對(duì)植物防止細(xì)胞器的氧化性損傷和細(xì)胞死亡具有重要作用，是植物應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑［44］。最后，值得注意的是，在番茄中HsfA2連同分子伴侶Hsp90，Hsp70和Hsp17-CII的表達(dá)對(duì)于促進(jìn)番茄花藥發(fā)育具有不可或缺的作用，同時(shí)表明伴侶表達(dá)對(duì)抵御熱損傷以保護(hù)花粉正常萌發(fā)和成熟具有重要作用［46］。

3.3 HsfA3:干旱信號(hào)

HsfA3除了在C端有一個(gè)色氨酸殘基保守區(qū)域外，在結(jié)構(gòu)功能上與HsfA1和HsfA2基本相似。擬南芥HsfA3在干旱脅迫下的表達(dá)依賴于DREB2A轉(zhuǎn)錄因子，這也同樣適用于 Hsp18.1-CI，Hsp26.5-MII和Hsp70［28］。DREB2A或DREB2C的過度表達(dá)都會(huì)加強(qiáng)HsfA3或其他相關(guān)基因的誘導(dǎo)功能，耐熱性也隨之加強(qiáng)，而DREB2A突變體表現(xiàn)耐熱性降低［47］。

3.4 HsfA5:HsfA4表達(dá)特異抑制因子

HsfA5和 HsfA4雖然在結(jié)構(gòu)上很相似，但是HsfA4能夠有效激活熱激蛋白的表達(dá)，HsfA5卻能抑制HsfA4的激活功能。研究表明，這是因?yàn)镠sfA5的DNA結(jié)合能力可以對(duì)HsfA4的寡聚態(tài)進(jìn)行特異干擾［14］。不管是HsfA5還是HsfA4，都不會(huì)與HsfA1或HsfA2相互作用，反之亦然。然而，HsfA5的OD結(jié)構(gòu)域的分子結(jié)構(gòu)特異性尚不明確。

3.5 HsfA9調(diào)控種子發(fā)育中Hsp表達(dá)

HsfA9在種子發(fā)育過程中的獨(dú)特作用充分表現(xiàn)了Hsf功能多樣化。HsfA9是擬南芥和向日葵胚胎發(fā)育和種子成熟中的特異因子［48］。在擬南芥種子發(fā)育過程中HsfA9的表達(dá)受轉(zhuǎn)錄因子ABI3的調(diào)控［29］。在非脅迫條件下，HsfA9的異位表達(dá)可促使葉片中形成sHsps和Hsp101［29］。向日葵 HsfA9的單獨(dú)過度表達(dá)或是煙草中HsfA9和HaDREB2共表達(dá)都會(huì)提高Hsp的積累水平進(jìn)而延長種子壽命［48］。另外，一方面HsfA9在種子成熟過程的調(diào)控表達(dá)依賴于ABI3或DREB2等類似的轉(zhuǎn)錄因子相互作用［29，48］;另一方面，向日葵HsfA9與響應(yīng)生長素的阻遏因子IAA27相互作用，這表明在種子成熟中HsfA9與脫落酸和生長素的功能一樣占主導(dǎo)作用［49］。在種子萌發(fā)和成熟中，煙草 HaHsfA9的負(fù)表達(dá)使具有種子特異性的sHsps表達(dá)水平降低［50］。后來的研究結(jié)果表明，在干燥條件下HsfA9在種子的發(fā)育中并不占主導(dǎo)作用。單子葉植物缺乏HsfA9，僅在種子中發(fā)現(xiàn)高含量水平的OsHsfA1a。

3.6 番茄HsfB1:共激活因子

與A類Hsfs所不同的是，B類的Hsfs并不具備轉(zhuǎn)錄激活功能。B類Hsfs的氨基酸序列比較表明，以-LFGV-為核心的保守的阻遏域廣泛存在于其他的植物轉(zhuǎn)錄因子中，如ABI3/VP1，AP2/ERF，MYB和GRAS［13］。目前保守的四肽基序的作用尚不清楚。然而，擬南芥雙突變植株hsfB1/hsfB2b表達(dá)分析表明，在B類熱激轉(zhuǎn)錄因子不僅在脅迫后恢復(fù)過程中抑制熱激蛋白的表達(dá)，而且通過控制防御基因抑制抗病基因的表達(dá)。然而，在適當(dāng)?shù)臈l件下番茄HsfB1可與A類Hsfs協(xié)同作用，如HsfA1a。2種Hsfs組合在一起形成具有加強(qiáng)功能的復(fù)合物，并有助于吸收植物CREB結(jié)合蛋白 (CBP)的直向同源物的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶HAC1，形成三元復(fù)合物，進(jìn)而有效協(xié)同激活報(bào)告基因的表達(dá)［51］。此外，HsfB1也和其他轉(zhuǎn)錄激活因子相結(jié)合控制管家基因的表達(dá)，HsfB1可能有助于維持或恢復(fù)管家基因在熱脅迫過程中的表達(dá)。

3.7 表達(dá)的多樣化

目前個(gè)別植物熱激轉(zhuǎn)錄因子功能的詳細(xì)分析僅限于以上，然而Hsfs表達(dá)的多樣化來自于不同生長階段不同脅迫下的表達(dá)模式，根據(jù)擬南芥在生物和非生物脅迫中的反應(yīng)［52-54］，植物Hsfs的表達(dá)模式顯著表現(xiàn)為:①不同器官Hsfs表達(dá)模式表明:HsfA1四個(gè)成員組成型表達(dá)在大多數(shù)器官的表達(dá)水平低;HsfA9一般種子成熟過程中表達(dá)，而HsfA1a，HsfA4c和HsfA5主要在花藥或花粉發(fā)育中表達(dá);HsfA4c，HsfA7a，HsfB1和 HsfC1在根部表達(dá)，而HsfA4c，HsfA8和Hsf B2a在葉片中的表達(dá)量更高。②相對(duì)于HsfA1d，HsfA4a，HsfA4c，HsfA7a，HsfA7b，HsfA8，HsfB1，HsfB2a，HsfB2b，HsfB4 及HsfC1，在不同組織中進(jìn)行不同的非生物脅迫誘導(dǎo)，HsfA2只在根中表達(dá)。③HsfA1e，HsfA3，HsfA4A，HsfA4C，HsfA6b，HsfA8，HsfB2a和 HsfC1，在滲透脅迫、鹽脅迫和冷脅迫中的表達(dá)尤為突出。④HsfA2，HsfA4a，HsfA8和HsfB1在多種生物脅迫中均有表達(dá)。

4 植物Hsfs的調(diào)控

Hsfs在熱脅迫下與HSE識(shí)別并結(jié)合，從而激活下游熱激基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。在哺乳動(dòng)物和酵母中關(guān)于Hsfs與HSE的結(jié)合機(jī)制的研究比較深入［55］。以脊椎動(dòng)物的Hsf1為例:正常溫度下，Hsf1與包含Hsp的蛋白復(fù)合物結(jié)合，且不具備激活Hsp表達(dá)的能力;熱脅迫時(shí)，Hsp70作為分子伴侶與大量變性蛋白相結(jié)合，Hsf1就從蛋白復(fù)合物中釋放出來，游離的Hsf1發(fā)生磷酸化從鈍化的單體形成有活性的三聚體，并與HSE相結(jié)合，激活熱激基因的表達(dá);熱激后恢復(fù)，Hsf1和高水平Hsp70相結(jié)合形成蛋白復(fù)合物，并失去轉(zhuǎn)錄激活功能。在植物中，擬南芥AtHsf1的組成型表達(dá)與以上表達(dá)調(diào)控相似，AtHsf1在正常條件下不能激活Hsp的表達(dá)，而在HSF1-GUS的過表達(dá)株系具有激活Hsp表達(dá)的功能［56］。植物Hsfs基因的表達(dá)模式有組成型表達(dá)和脅迫誘導(dǎo)型表達(dá)2種［15］。植物Hsfs在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)Hsp的調(diào)控有2方面:一方面是不同Hsfs的協(xié)同調(diào)控;另一方面是Hsfs和分子伴侶的相互作用［57］。

不同Hsfs的協(xié)同調(diào)控在番茄中的表現(xiàn)尤為突出，番茄 HsfA1的組成型表達(dá)，通過與 HsfA2，HsfB1特異互作形成異源寡聚復(fù)合體，進(jìn)而激活熱激基因的表達(dá);進(jìn)一步研究表明CTAD和OD區(qū)域?qū)sfA1和HsfA2的協(xié)同激活具有重要作用，而且只有完整的OD結(jié)構(gòu)域才能形成異源寡聚復(fù)合體。與A類Hsfs相比，B類和C類Hsfs不具備這樣的功能，只有HsfB1作為共激活因子協(xié)同表達(dá)，另外擬南芥HsfA1的表達(dá)和番茄存在差異。

研究表明，分子伴侶Hsp70和Hsp90可以和Hsfs相互作用來調(diào)控?zé)峒せ虻谋磉_(dá)［57］。在通常條件下，Hsp70和Hsp90的相互作用維持HsfA1的主要調(diào)控功能;熱激條件下，Hsp70和Hsp90誘導(dǎo)HsfA1激活，并促使HsfB1快速積累，同時(shí)HsfA2熱激后積累，三者協(xié)同促進(jìn)熱激基因的表達(dá);熱激后恢復(fù)時(shí)，Hsp70和 Hsp90恢復(fù)自由構(gòu)象，使HsfA1失活。此外，sHsp可以控制 HsfA2的活性，HsfA2和Hsp17及其他分子伴侶相互作用形成復(fù)合物，并積累大量蛋白，不具備活性。Hsp17和HSP101和Hsp70相互作用，使得HsfA2從復(fù)合物上釋放，進(jìn)而具有激活功能［58］。在擬南芥中HsfA2的功能被證明依賴于ROF1/FKBP62和ROF2/FKBP65，這歸結(jié)于Hsp90分子伴侶的功能［59］。

人類Hsf1中的Hsf結(jié)合蛋白 (HSBP1)是負(fù)調(diào)節(jié)因子，在植物中也存在類似功能的蛋白。實(shí)際上，玉米胚中致死突變EMP2來源于玉米的2個(gè)直系同源HSBPs中的一個(gè)，因此玉米胚胎發(fā)育過程中HSF的功能受EMP2(HSBP1)的直接調(diào)控。在此過程中 EMP2還與 HsfA2a，HsfA3，HsfA4d和HsfA5相互作用，但是EMP2還沒有發(fā)現(xiàn)與B類或C類熱激轉(zhuǎn)錄因子相互作用［60］。擬南芥HSBP是HSF活動(dòng)的負(fù)調(diào)控因子，與 HsfA1a，HsfA1b和HsfA2相互作用，影響種子發(fā)育。

另外，熱脅迫下細(xì)胞質(zhì)中變性蛋白質(zhì)的積累(細(xì)胞質(zhì)蛋白反應(yīng))也會(huì)影響HSF的活性。在真核生物中蛋白折疊應(yīng)答可以在蛋白加工過程中調(diào)整分子伴侶的水平。研究表明，轉(zhuǎn)錄因子bZIP與蛋白裂解和運(yùn)輸有關(guān)。然而，染色質(zhì)狀態(tài)的修飾是基因差異表達(dá)的一個(gè)原因。在所有真核生物中，組蛋白修飾模式在基因的激活和轉(zhuǎn)錄過程中迅速改變，這也是植物應(yīng)激反應(yīng)的一種［61］。此外，核小體通過結(jié)合組蛋白變體而變得多元化，如H2A.Z，這是染色質(zhì)表觀遺傳記憶的重要標(biāo)志［62］。研究表明，含有核小體的H2A.Z與擬南芥冷和熱響應(yīng)基因相關(guān)，而且脅迫誘導(dǎo)后，H2A.Z可以被釋放出來。

在植物應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫時(shí)，除了熱激轉(zhuǎn)錄因子，還有其他的轉(zhuǎn)錄因子，脅迫誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物，小的非編碼RNA以及應(yīng)激激素如乙烯(ETH)，脫落酸 (ABA)，水楊酸 (SA)和茉莉酸 (JA)［63-65］都會(huì)參與響應(yīng)過程。Ca2+信號(hào)與蛋白質(zhì)磷酸化緊密相關(guān)，鈣離子結(jié)合蛋白CAM3在提高擬南芥耐熱方面具有關(guān)鍵作用［66］。MBF1c是真核生物中高度保守的轉(zhuǎn)錄輔激活因子，在擬南芥中MBF1c響應(yīng)乙烯合成和熱激表達(dá)。MBF1c和轉(zhuǎn)錄因子WRKY39的相互作用在SA和JA信號(hào)途徑中具有顯著作用。熱激轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控?zé)峒せ虻谋磉_(dá)與這些因素緊密相關(guān)。

5 展望

隨著生物信息技術(shù)的快速發(fā)展，許多植物基因組測(cè)序已經(jīng)完成，這為熱激轉(zhuǎn)錄因子家族的分析提供了豐富的資源，并為基因的鑒定分析和克隆提供基礎(chǔ)。通過基因工程的途徑提高植物的耐熱性已成為當(dāng)今研究趨勢(shì)。目前大量植物的熱激轉(zhuǎn)錄因子家族成員已得到鑒定和分析。A類熱激轉(zhuǎn)錄因子是熱激基因表達(dá)的激活劑，在不同的植物中具有不同的應(yīng)激反應(yīng);B類熱激轉(zhuǎn)錄因子大多沒有激活功能，而是阻遏基因的表達(dá);C類熱激轉(zhuǎn)錄因子在單子葉植物中可能存在一些未知功能。由于植物基因組的復(fù)雜性，目前Hsfs的研究只限于一些模式植物上，對(duì)于一些尚未進(jìn)行基因組測(cè)序的植物研究甚少，一些重要基因的克隆比較緩慢，功能研究也只限于少數(shù)基因。另外，Hsfs作為植物對(duì)逆境反應(yīng)的一個(gè)成員，在整個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳導(dǎo)中的作用，自身的調(diào)控機(jī)制及上游調(diào)控基因有待進(jìn)一步研究。隨著植物功能基因組學(xué)和蛋白組學(xué)研究的不斷深入，將更加清楚地闡明植物熱激轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控逆境反應(yīng)中的作用，這對(duì)植物耐熱性及抗逆性具有重要意義。

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