PNAS | 植物 bHLH转录因子相关的ACT样结构域进化和多样化分析

控制基因表达是所有生物的基本原则。在真核生物中，基因调控主要由转录因子(TF)控制，转录因子是一种以序列特异性方式结合DNA的蛋白质，通常由参与蛋白质-蛋白质和蛋白质- DNA相互作用的多个结构域组成。在动物或植物特征的60多个TF家族中，基本的螺旋-环-螺旋(bHLH)是最大的家族。约30%的开花植物bHLH蛋白在距bHLH的C端可变距离处含有天冬氨酸激酶、分支酸变位酶和TyrA (ACT)样结构域。ACT样结构域是植物bHLH TFs子集的特征。它们含有70-80个氨基酸，具有ββαββα折叠，不同于在大量其他蛋白质中发现的ACT结构域的βαββαβ拓扑结构，主要与初级代谢生物合成酶相关。然而，bHLH/ACT样结构域关联的进化历史和功能影响仍然未知。

2023年5月1日，Lee等人在国际著名学术期刊PNAS发表了题为“Evolution and diversification of the ACT-like domain associated with plant basic helix–loop–helix transcription factors”的文章。该文描述了来自140多个真核生物的bHLH蛋白中ACT样结构域的存在分析，首次在莱茵衣藻中发现ACT-like结构域与bHLH TFs的关联是植物界所特有的，提出了ACT样结构域和bHLH结构域与植物特异性过程调控中功能影响的实验表征之间关联的进化轨迹，强调了功能结构域共同进化的影响。

利用基于结构的同源性搜索，研究人员首次在其共同祖先中发现bHLH和ACT-like结构域的关联，这是由于祖先bHLH基因在一个具有广泛分布的ACT DOMAIN REPEAT (ACR)基因的共同祖先中募集了一个ACT-like结构域。与陆地植物bHLHACT+蛋白相似，莱茵衣藻（C. reinhardtii）中存在ACT样结构域二聚体并负向调节相关bHLH基元的DNA结合活性，表明bHLH结构域的调节功能可能是ACT样结构域的祖先活动。此外，基于序列和结构相似性，研究人员提出了一个模型，与植物bHLH TFs相关的ACT样结构域源自与ACR蛋白共同祖先中的ACT样结构域，而ACR蛋白又可能起源于广泛分布的GlnD蛋白中的ACT结构域。

该研究结果表明，与植物bHLH TFs相关的ACT样结构域是单系起源，而不是多个结构域事件。先前的研究表明bHLH结构域的起源早于植物和具后生鞭毛(包括真菌和动物)谱系的分裂，bHLH家族在陆地植物和脊椎动物中都经历了独立的扩增。根据这些观点，研究人员在植物中发现了与bHLH结构域相关的ACT样结构域的普遍存在，而在具后生鞭毛生物中没有发现这样的证据，这表明ACT样结构域的植物特异性起源。

该研究结果揭示了C. reinhardtii bHLH TFs中ACT样结构域的可变分布。与维管植物相比，C. reinhardtii的bHLH TFs数量变化很大，其中含有ACT样结构域的比例也变化很大。值得注意的是，六种C. reinhardtii只有一个bHLH TF，它可能含有或不含有ACT样结构域。这些结果表明，C. reinhardtii中bHLHACT+基因的发散状变化与不同谱系中基因的频繁扩增/丢失有关。

该研究结果表明，C. reinhardtii的ACT样结构域具有与维管植物相当的亲和力，并且ACT样结构域显著降低了相关bHLH结构域对典型E-box DNA基元的DNA结合活性。此外，在C. reinhardtii中存在的9个bHLH TF中，4个bHLHACT+基因具有βαββα折叠的ACT样结构域，而不是更常见的ββααββα，保留了抑制邻近bHLH结构域DNA结合的能力。因此，ββαββα折叠代表了祖先的ACT样结构域，βαββα变体来源于此，但要确定这一点还需要进一步的分析和实验。ACT样结构域对bHLH的DNA结合活性具有抑制作用的机制尚不清楚，这种调节的调控结果也尚不清楚，但C. reinhardtii中少量的bHLH基因为研究这一问题提供了一个独特的机会。从进化的角度来看，ACT样结构域明显保守的同型二聚化活性可能使bHLHACT+基因在基因重复事件后更稳定地维持，因为同型二聚化比异源二聚化更少受到由重复引起的基因剂量失衡的影响。

与许多其他真核生物TF的情况一样，bHLH因子通常具有许多参与独特调节复合物形成的其他结构域。这种招募额外伴侣的能力是如何进化的至关重要，bHLH与ACT样结构域的关联为这种可能发生的方式以及相关的生物学影响提供了一个有吸引力的范例。到目前为止，含有bHLH结构域的TF只在真核生物中发现，研究表明bHLH和ACT样结构域的结合是植物所特有的。然而，有趣的是，古细菌和真细菌都含有一组属于Feast/Famine调节蛋白的TF，其中N端DNA结合螺旋-转-螺旋结构域与C端氨基酸代谢调节(RAM)结构域被一个环区分开。RAM结构域具有与ACT结构域非常相似的拓扑结构(βαββαβ)，但它们的功能和小分子结合活性使它们具有单独的名称。因此，进化可能至少经历两次独立地相似结构域的随机组合。

总之，该研究描述了来自140多个真核生物的bHLH蛋白中ACT样结构域的存在分析。发现ACT-like结构域与bHLH TFs的关联是植物界所特有的，并且首次在莱茵衣藻中发现。ACT样结构域是15个bHLH亚家族的特征，ACT样结构域可能来自共同的祖先。基于序列和结构的保守性，研究人员提出在绿质体(绿植物)的进化早期，从植物ACR蛋白的共同祖先获得了一个ACT样结构域。对单细胞莱茵衣藻bHLH和ACT样结构域的功能分析表明，bHLH和ACT样结构域与陆地植物的DNA结合和二聚体活性具有极强的保守性。综上所述，该研究结果揭示了与bHLH植物TFs相关的ACT样结构域的来源，并提供了深度的结构功能信息。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2219469120

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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