油菜素类固醇对基因的抑制作用依赖于BIL1/BZR1在特定的DNA结构上与启动子特异且紧密结合

油菜素类固醇（BR）在植物王国中广泛分布，并且在植物的生长、发育、免疫反应等过程中发挥着关键的作用。在拟南芥中，BR信号依赖BIL1、BZR1以及BES1三个转录因子介导转录调控。BIL1、BZR1以及BES1直接调控上千个BR响应基因，对基因表达调控呈现上调与下调的双重性。BR响应元件（BRREs，5’-CGTGC/TG-3’）广泛分布于BIL1/BRZ1的下游基因启动子中，5’-CGTG-3’是BRRE的核心元件，与BIL1/BRZ1的紧密结合相关。然而相同BIL1/BRZ1蛋白如何对不同的基因发挥不同的调控作用仍然是缺乏的。2022年12月15日，来自日本东京大学生物研究院的Takuya Miyakawa团队在Nature Plants杂志上发表了题为“Brassinosteroid-induced gene repression requires specific and tight promoter binding of BIL1/BZR1 via DNA shape readout”的研究论文。在本文中，研究人员通过DAP-seq、EMSA等技术，揭示了BIL1/BRZ1核心结合序列侧翼的2bp碱基对BIL1/BRZ1蛋白与启动子的紧密结合发挥着关键作用。

采用BR合成抑制剂（Brz）对野生型拟南芥幼苗与bil1-1D/bzr1-1D功能丧失型突变体幼苗进行预处理，然后采用活性BR brassinolide（BL）处理bil1-1D/bzr1-1D突变体幼苗3小时，将野生型拟南芥作为空白对照。对于两材料的比较转录组分析鉴定到与野生型相比，4015个上调表达的基因，以及4121个下调表达的基因。仅有621个基因的启动子区域存在BIL1/BZR1 DAP-seq peaks（218个下调基因，51个上调基因）。当启动子的区间缩小至-500bp至-1bp时，下调基因的比例进一步扩大。总之，作者认为BIL1/BZR1与DNA的直接结合倾向于下调基因表达。

对621个基因进行motif富集分析，得到的motif具有报道过的核心元件5’-CGTG-3’，并且发现BIL1/BZR1与DNA的结合能力与核心元件侧翼2bp的序列相关（图1b）。当侧翼序列为CA|TG, CG|CG, TG|CA, TA|TA这样的嘧啶嘌呤|嘧啶嘌呤（YR|YR，YR×2）序列时，被结合的基因数目多，且结合信号强（图1a）。只有一端为YR序列时，被结合的基因数目相对较少，结合强度相对较低。没有任何一端为YR时，被结合的基因数目最少。此外，两端皆为YR序列时，中央的6bp序列发生变异也会导致BIL1/BZR1结合能力的降低。对BIL1/BZR1下游启动子pSAUR36以及pIAA19的系列EMSA实验同样证明了这一点（图1e,f）。

图1：BIL1/BZR1 motif 的 2bp侧翼序列对BIL1/BZR1结合能力的影响

为了探究不同侧翼序列对于 BIL1/BZR1-DNA复合体结构以及互作的影响，作者绘制了不同侧翼基序状态下BIL1/BZR1-DNA复合体结构示意图（图2a-c）。这些结构示意图表明，侧翼的碱基特异性可能不是由额外的氨基酸-核碱基相互作用或结构障碍驱动的。对三个精氨酸残基Arg36、Arg40和Arg41中的每一个的单一突变导致pSAUR36和pIAA19片段失去与BIL1/BZR1的结合（图2d-f）。其中Arg52可以识别由于BIL1/BZR1结合或解离导致的DNA畸变而改变的P1位置，这种识别可能有助于产生核心元件侧翼碱基的各种特异性（图2e,f）。

图2：结构和突变分析提供了BIL1/BZR1核心结合基序侧翼碱基的特异性。

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36522451/

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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