关键词LEC1;结构;生物学功能
AbstractLEC1 which encodes HAP3 subunit of the CCAAT binding factor is an important transcriptional regulator required for plant embryo development. Recent progress on the discovery，structure and biological function of LEC1 was reviewed so as to provide reference for better research.
Key wordsLEC1;structure;biological function
作为植物学的重要分支，植物的胚胎发育一直是研究的热点课题。20世纪80年代以来，基因工程技术的迅速发展和应用，使科学家不再局限于形态学和细胞学的研究，开始从基因组水平上了解植物细胞胚胎的发生机制，现已有大量的基因被陆续揭示。研究表明，它们相互作用构成了一个复杂的调控网络。其中LEC1基因LEAFY COTYLEDON1 (LEC1)是胚胎发生发育过程中关键调控因子，控制胚胎发育过程中的多个方面。
1LEC1的发现
Meinke等[1]研究发现拟南芥leafy cotyledon(lec)突变体lec1、lec2 和Fusca3(fus3)存在显著的胚胎成熟缺陷，其子叶部分转化成真叶，产生了胎生胚。进一步研究发现，突变体幼胚在鱼雷期过后提早成熟进入萌发途径，并获得了只有植物营养组织具有的特点，暗示这些基因在胚胎发生过程中起着重要的作用。
在被lec1发现之前，科学家已通过遗传学方法获得了许多影响拟南芥胚胎发生的调节因子。如EMB30、KNOLLE在胚胎形成中扮演重要角色，ABSCISIC ACID INSENSIT-IVE3(ABI3)调节种子成熟特异基因的表达。但这些胚胎发生所必须的基因都无法同时调控形态发生和成熟后发育2个阶段。而大量的研究表明，lec1是多效的，可以控制胚胎发生的多个方面[2-3]。如胚胎形状与野生型存在差异，突变体的胚轴短、子叶圆、不弯曲、顶端分生组织突起;早熟萌发时lec1突变体胚的茎尖分生组织被激活，形成叶原基;存在种子成熟缺陷，突变体的胚抗脱水能力丧失，一些种子成熟特异基因的表达受到抑制;lec1突变体的子叶产生了真叶才具有的皮毛特征，存在介于野生型子叶和真叶之间的中间体。
Lotan等[4]首次分离了拟南芥LEC1基因，之后胡萝卜[5]、玉米[6]、向日葵[7]等植物的LEC1基因相继被克隆出，与拟南芥LEC1基因具有很高的同源性。
2LEC1的结构及分类
LEC1编码CCAAT-box 结合因子HAP3(Heme-activated protein 3)亚基的同源物。CBFs是进化的保守的寡聚的转录因子，包含3个不等亚基HAP2(CBF-B)、HAP3(CBF-A)、HAP5(CBF-C)。这3种亚基相互作用形成1个与DNA的CCAAT基序结合的复合体。尽管到目前为止，在植物中还没有分离得到CBF复合体，但已经有一系列的证据表明它的存在，LEC1可能是以一个转录因子亚基的身份通过调控胚胎发育相关基因的活性来调节胚胎发生的。
HAP3包括3个结构域:N端和C端分别有一个不保守的A区(A domain)和C区(C domain)，中部有一个保守的B区(B domain)。B区的氨基酸残基是HAP3与其他亚基相互作用，也是CBF复合体与DNA结合所必须的。拟南芥的HAP3家族共有10个成员，依据B区氨基酸序列的相似性可分为2大类，即LECl 类型和非LECl 类型，LEC1和LEC1-LIKE(L1L)属于LEC1类型，其余8个属于非LEC1类型[8]。LEC1型的B区有16个氨基酸与非LEC1型的保守残基是不同的。另外，L1L的异位表达可以阻止lec1的突变，这表明两者在功能上是等效的。研究表明B区是决定LEC1功能的关键区域。而LEC1型B结构域特有的氨基酸残基——Asp55是其调控胚胎发生的必要条件，同时能够使非LEC1型B结构域具备部分LEC1型基因的活性[9]。
3LEC1的生物学功能
3.1调控胚的形成与发育
LEC1是控制胚形成和发育的重要调节因子。拟南芥LEC1基因在种子发育中的胚细胞和胚乳组织中表达。Loton等[4]研究发现在lec1突变体或野生型拟南芥中过量表达LEC1基因，导致转基因后代幼苗畸型，保持了胚胎的特征，如子叶不能张开、根不能伸长、在顶端长出类似子叶的器官等。部分存活下来的幼苗可以无性生长，但在叶片发现胚状体。这表明LEC1基因在营养细胞中的异位表达可诱导胚特异性基因表达。Stone等[10]认为LEC1可能建立了一个细胞环境，这种环境可以促使胚胎形态发生和成熟的相关基因协同表达，从而促进了胚胎的发育。
Yazawa等[5]分离了胡萝卜LEC1基因(C-LEC1)，发现其在胚性细胞、体细胞胚中表达，但不在胚乳中表达。以拟南芥LEC1启动子驱动的C-LEC1的表达能够与拟南芥lec1-1突变体的缺陷互补，这表明C-LEC1是拟南芥LEC1的功能性同源物，是合子胚和体细胞胚发育的重要调控因子。Zhang等[6]在研究玉米LEC1基因(ZmLEC1)时发现，ZmLEC1在玉米体细胞胚中的表达模式与在拟南芥合子胚中的表达模式一样，这表明在获得胚形成能力后，体细胞胚与合子胚有着相似的发育途径。
3.2调控种子的成熟
LEC1不仅是控制拟南芥胚形成的重要调控因子，也是控制种子成熟的重要调控因子。
Loton等[4]在过量表达LEC1的幼苗体内发现了油体蛋白，贮藏蛋白等种子特异RNA的积累。Kagaya等[11]研究发现，过量表达LEC1能在异位胚胎发生开始前诱导种子贮藏蛋白SSP(seed storage protein)基因的表达，从而排除了胚胎发生诱导的可能。同时LEC1对SSP的调控作用依赖于FUS3和ABI3，这表明LEC1以多级方式控制SSP的表达。Mu等[12]的研究表明，拟南芥LEC1基因的过表达导致脂肪酸合成基因表达量整体水平的增加，而这些基因参与缩合、碳链延伸、去饱和化等脂肪酸合成中的关键反应。在LEC1过表达的转基因植株中，超过58%已知的参与质体脂肪酸合成途径的酶基因表现出正调控，包括编码乙酰辅酶A羧化酶(控制脂肪酸合成的关键酶)3种亚基的基因。参与糖酵解和脂质积累的基因也出现上调。同时，转基因植株中，主要脂肪酸的种类和脂质的水平大幅度增加。另外，在拟南芥中过表达的2个油菜LEC1-like基因，也出现相似的结果。这说明LEC1是脂肪酸合成过程中的关键调控因子。
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3.3与其他转录因子相互作用
除LEC1外，还有关键的调节因子调控胚胎发生和种子的成熟，如LEC2、ABI3和FUS3等。这些遗传位点的突变造成了种子发育过程相似却特异的变化。LEC2、ABI3和FUS3都属于植物特有的B3转录因子家族。在胚胎发育过程中，LEC转录因子及ABI3之间表现出复杂的调节关系。
LEC1是ABI3、FUS3上游的正向调控因子，控制种子的成熟过程。Parcy等[3]研究发现，AB13、FUS3和LECl基因协同作用，以控制种子发育过程中的多个基本过程。如花青素和叶绿体的积累，对ABA的敏感性、12S贮藏蛋白基因的表达等。此外，FUS3和LEC1都能调节种子中ABI3蛋白的丰度。Kagaya等[11]利用地塞米松诱导系统在转基因植物中异位表达LEC1。结果发现，LEC1的异位表达也会诱导FUS3和ABI3的表达，而在发育的lec1突变体角果中FUS3和ABI3的表达受到了负调控。此外，在LEC1、FUS3、ABI3的多突变体背景下，种子贮藏蛋白SSP的表达水平提高。这表明LEC1调控SSP基因的表达需要FUS3和ABI3的参与。Mu等[12]的研究表明LEC1通过影响脂肪酸合成基因的表达，参与了脂肪酸生物合成的调控，并且这一过程部分地依赖于FUS3和ABI3。
LEC1和LEC2之间的相互作用并不是直接的线性关系[13]。一方面，异位表达LEC2会诱导LEC1、FUS3和ABI3 RNA的积累，但这种积累是在种子特异蛋白的表达被激活之后才出现的。这表明，LEC2可能和LEC1、FUS3、ABI3共同作用控制种子的成熟阶段。另一方面，研究表明，WRI1(WRINKLED1)可以调控脂肪酸合成途径的相关基因，LEC2直接调控WRI1，而LEC1的异位过表达激活了WRI1，但对LEC2无效。这表明WRI1的表达可能也受到一个不依赖于LEC1的的途径的调节。LEC1和LEC2可能以2种平行或部分多余的方式调控WRI1的表达。
这些转录因子组成复杂的调控网络，通过相互间有序的作用，建立起适合胚发育的细胞环境，来调控胚的发育。
4展望
LEC1是植物胚胎调控网络中的一个关键枢纽，但是到目前为止对其表达调控的了解还相当有限。比如，LEC1直接调控的基因还没有发现，与LEC1相互作用的顺式元件的也没有得到分离，LEC1与其他CBF转录因子亚基的作用方式尚有待于研究等，相信随着人们对体细胞胚胎发育调控网络研究的不断深入，这些问题会一一得到解决。同时，对LEC1以及其下游基因的研究也具有重要的生产应用价值，一方面，有助于进一步认识体细胞胚的发生机理，通过对这些基因的表达调控的研究，利用基因工程的方法提高一些难以再生作物的再生频率;另一方面，为植物种子品质改良研究找到新的切入点，通过基因工程的手段有效提高种子蛋白质含量或种子含油量。
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参考文献
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