小分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是植物對外界環(huán)境和內(nèi)部信號的響應(yīng)的重要機(jī)制。植物將大量輸入信號整合成一個連貫的整體信號通路，廣泛調(diào)控植物生長發(fā)育。

大多數(shù)植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)依賴于特定轉(zhuǎn)錄因子家族的活性。這些轉(zhuǎn)錄因子的功能又由激素感受途徑調(diào)節(jié)。例如在生長素信號傳遞路徑中，當(dāng)生長素濃度較低時，Aux/IAA能夠抑制轉(zhuǎn)錄因子ARF（auxin response factors）活性，添加生長素可以促進(jìn)Aux/IAA蛋白降解，激活A(yù)RF調(diào)控基因表達(dá)。然而這種相對簡單的抑制釋放模型由于ARF和Aux/IAA蛋白龐大的基因家族以及家族成員之間相互作用強(qiáng)度，亞功能化和特異性而變得十分復(fù)雜。

近日，Current Opinion in Plant Biology在線發(fā)表了美國華盛頓大學(xué)生物系Jennifer Nemhauser教授實(shí)驗(yàn)室題為”Its Morphintime：how multiple signals converge on ARF transcription factors to direct development”的綜述文章，文章重點(diǎn)討論了如何通過對ARF活動的多層次調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)植物生長的靈活性和穩(wěn)健性。

ARFs轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

ARFs可以分成3個家族：A-ARFs、B-ARFs和C-ARFs。通常認(rèn)為A-ARFs是轉(zhuǎn)錄激活子，B-ARFs和C-ARFs是轉(zhuǎn)錄抑制子。雖然大多數(shù)A類ARF在根的分生組織中表達(dá)，但研究發(fā)現(xiàn)ARF8的表達(dá)僅限于外層細(xì)胞，而ARF19的表達(dá)僅限于根冠、表皮和中柱細(xì)胞中。因此，在任何類型的細(xì)胞中存在哪些ARF取決于細(xì)胞的發(fā)育階段和定位。ARF表達(dá)的時空調(diào)控導(dǎo)致不同的ARF在不同組織中存在，對于生長素的響應(yīng)也取決于這些組織中存在什么樣其他因素。

選擇性剪接是調(diào)控ARF表達(dá)和相互作用另一種方法。近來研究表明ARF8剪接變體在表達(dá)譜上存在明顯的差異，例如剪接變體8.4在發(fā)育中的擬南芥花序中特異表達(dá)。與兩個全局性表達(dá)剪接變體ARF8.1和ARF8.2相比，8.4存在28個氨基酸插入。與ARF8.1和ARF8.2不同，在ARF8-7突變體中超表達(dá)ARF8.4能夠完全恢復(fù)生長素響應(yīng)基因IAA19的轉(zhuǎn)錄。研究發(fā)現(xiàn)，ARF8.4與IAA19啟動子區(qū)域的結(jié)合強(qiáng)度高于其他變體，而這些區(qū)域中包含了能夠供其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合的G-box和HUD等元件。因此推測ARF8.4可能在這個啟動子上表現(xiàn)出其他變體沒有的協(xié)同活性。同樣地，在番茄中也觀察到了ARF的剪接變體，這些變體在生殖組織中也表現(xiàn)出組織特異性的表達(dá)。

ARFs在蛋白結(jié)構(gòu)和定位上的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞核中發(fā)揮作用，因此蛋白定位是植物調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子活性的另一個關(guān)鍵機(jī)制。最近研究表明，ARF7和ARF19定位在初生根分生區(qū)的細(xì)胞核內(nèi)，但在根的分化區(qū)域卻發(fā)生了重定位。除此之外，ARF的翻譯后修飾也是發(fā)揮調(diào)控作用的重要方式，但這些修飾如何相互作用或促進(jìn)協(xié)同性尚不清楚。對一些家族成員來說，ARF的磷酸化是ARF功能的關(guān)鍵。例如油菜素甾體調(diào)節(jié)激酶BIN2對B類ARF2的磷酸化降低了其與DNA的結(jié)合能力，并且因?yàn)锳RF2是一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，這就可能增強(qiáng)生長素的響應(yīng)能力。BIN2也可以磷酸化A類ARF7和ARF19，干擾ARF與其IAA抑制劑的相互作用來促進(jìn)ARF與DNA的結(jié)合和生長素響應(yīng)。

ARFs和其他轉(zhuǎn)錄因子的互作影響植物發(fā)育

轉(zhuǎn)錄的組合調(diào)控是信號通路之間協(xié)同作用的一個重要標(biāo)志，即來自多個途徑的轉(zhuǎn)錄因子與啟動子間相互作用。盡管關(guān)于生長素響應(yīng)如何受其他信號途徑影響的研究很多，但有關(guān)ARFs與啟動子上其他轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用的報道相對較少。對擬南芥生長素響應(yīng)蛋白的自然變異分析發(fā)現(xiàn)，ARF的自然變異集中在幾個家族成員的可變中間域和C端，而這些區(qū)域是蛋白質(zhì)相互作用的區(qū)域，表明ARF蛋白的相互作用發(fā)生的范圍很廣，也可能是多樣性進(jìn)化的目標(biāo)。

最近一項(xiàng)關(guān)于ARF3（ETTIN）的研究是蛋白相互作用如何產(chǎn)生協(xié)同反應(yīng)的一個很好的例子。在擬南芥中，ARF3直接與不同種類的多種轉(zhuǎn)錄因子相互作用，特別是INDEHISCENT（IND），BREVIPEDICELLUS（BP），和REPLUMLESS（RPL）。所有這些因子都與XTH7的啟動子結(jié)合并調(diào)節(jié)其表達(dá)。ARF3上調(diào)XTH7的表達(dá)，而IND、BP和RPL下調(diào)其表達(dá)。除此之外，在生殖發(fā)育的早期，ARF3及ARF4直接與另一轉(zhuǎn)錄因子FLH相互作用以促進(jìn)花的形成，進(jìn)一步說明了ARF蛋白的動態(tài)相互作用。

利用新的酵母雙雜交方法CrY2H-seq對擬南芥ARF相互作用進(jìn)行的高通量研究發(fā)現(xiàn)了大量的互作關(guān)系，其中絕大多數(shù)是首次觀察到，并且具有很強(qiáng)的特異性。例如ARF18與脫落酸響應(yīng)因子的相互作用，而研究中的其他ARF則不能與之互作。有趣的是，ARF19與其他相互作用的蛋白質(zhì)數(shù)量是其他AFR的10倍，這表明ARF19可能是信號的整合中樞。

轉(zhuǎn)錄的組合調(diào)控標(biāo)記

啟動子結(jié)構(gòu)分析是尋找轉(zhuǎn)錄組合調(diào)控的另一個方向，最近對生長素響應(yīng)啟動子的研究表明，擬南芥生長素響應(yīng)啟動子上廣泛存在轉(zhuǎn)錄因子共占有的情況。研究發(fā)現(xiàn)，對生長素反應(yīng)迅速上調(diào)的基因的啟動子可能是直接的ARF靶點(diǎn)，這些啟動子富集著TCP、bZIP和bHLH轉(zhuǎn)錄因子類的結(jié)合位點(diǎn)。

協(xié)同轉(zhuǎn)錄因子相互作用通常被認(rèn)為是促進(jìn)轉(zhuǎn)錄活性，但抑制作用同樣存在并同等重要。例如在擬南芥莖頂端分生組織中，非生長素轉(zhuǎn)錄因子也能產(chǎn)生類似的轉(zhuǎn)錄抑制。高生長素反應(yīng)促進(jìn)莖尖分生組織的細(xì)胞分化，但為了在中心區(qū)保留干細(xì)胞生態(tài)位，便需要較低的生長素響應(yīng)能力。這種低響應(yīng)可通過轉(zhuǎn)錄因子WUSCHEL的活性維持，WUSCHEL直接抑制ARF靶點(diǎn)，導(dǎo)致生長素響應(yīng)低，達(dá)不到誘導(dǎo)分化的閾值，使得干細(xì)胞持續(xù)存在。

獨(dú)立于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的發(fā)育彈性

轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的合作性產(chǎn)生了發(fā)育的復(fù)雜性，這種復(fù)雜性帶來了系統(tǒng)內(nèi)噪音的增加和阻礙連貫性反應(yīng)的風(fēng)險。由于植物必須在不斷變化的環(huán)境中生長，對微小環(huán)境擾動的過度反應(yīng)會對植物的適應(yīng)性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，作為一種獨(dú)立于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的方法，植物可以利用生物力學(xué)約束來限制這種噪音。例如，最近研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥液泡大小也可以獨(dú)立于生長素調(diào)節(jié)，肌動結(jié)合蛋白NET4也可以促進(jìn)其收縮。NET4對液泡大小的影響并不依賴于生長素的處理，這表明這種細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)器提供了一種調(diào)節(jié)器官生長和組織擴(kuò)張的正交機(jī)制，可以起到防止有害轉(zhuǎn)錄波動的作用。