生长素响应因子（ARF）在植物发育中的多层次调控网络（2020.7.2 Plant Biotechnology Journal）

小分子信号转导是植物对外界环境和内部信号的响应的重要机制。植物将大量输入信号整合成一个连贯的整体信号通路，广泛调控植物生长发育。

大多数植物激素信号转导依赖于特定转录因子家族的活性。这些转录因子的功能又由激素感受途径调节。例如在生长素信号传递路径中，当生长素浓度较低时，Aux/IAA能够抑制转录因子ARF（auxin response factors）活性，添加生长素可以促进Aux/IAA蛋白降解，激活ARF调控基因表达。然而这种相对简单的抑制释放模型由于ARF和Aux/IAA蛋白庞大的基因家族以及家族成员之间相互作用强度，亚功能化和特异性而变得十分复杂。

近日，Current Opinion in Plant Biology在线发表了美国华盛顿大学生物系Jennifer Nemhauser教授实验室题为”Its Morphintime：how multiple signals converge on ARF transcription factors to direct development”的综述文章，文章重点讨论了如何通过对ARF活动的多层次调节来实现植物生长的灵活性和稳健性。

ARFs转录水平调控

ARFs可以分成3个家族：A-ARFs、B-ARFs和C-ARFs。通常认为A-ARFs是转录激活子，B-ARFs和C-ARFs是转录抑制子。虽然大多数A类ARF在根的分生组织中表达，但研究发现ARF8的表达仅限于外层细胞，而ARF19的表达仅限于根冠、表皮和中柱细胞中。因此，在任何类型的细胞中存在哪些ARF取决于细胞的发育阶段和定位。ARF表达的时空调控导致不同的ARF在不同组织中存在，对于生长素的响应也取决于这些组织中存在什么样其他因素。

选择性剪接是调控ARF表达和相互作用另一种方法。近来研究表明ARF8剪接变体在表达谱上存在明显的差异，例如剪接变体8.4在发育中的拟南芥花序中特异表达。与两个全局性表达剪接变体ARF8.1和ARF8.2相比，8.4存在28个氨基酸插入。与ARF8.1和ARF8.2不同，在ARF8-7突变体中超表达ARF8.4能够完全恢复生长素响应基因IAA19的转录。研究发现，ARF8.4与IAA19启动子区域的结合强度高于其他变体，而这些区域中包含了能够供其他转录因子的結合的G-box和HUD等元件。因此推测ARF8.4可能在这个启动子上表现出其他变体没有的协同活性。同样地，在番茄中也观察到了ARF的剪接变体，这些变体在生殖组织中也表现出组织特异性的表达。

ARFs在蛋白结构和定位上的调控

转录因子在细胞核中发挥作用，因此蛋白定位是植物调节转录因子活性的另一个关键机制。最近研究表明，ARF7和ARF19定位在初生根分生区的细胞核内，但在根的分化区域却发生了重定位。除此之外，ARF的翻译后修饰也是发挥调控作用的重要方式，但这些修饰如何相互作用或促进协同性尚不清楚。对一些家族成员来说，ARF的磷酸化是ARF功能的关键。例如油菜素甾体调节激酶BIN2对B类ARF2的磷酸化降低了其与DNA的结合能力，并且因为ARF2是一种转录抑制因子，这就可能增强生长素的响应能力。BIN2也可以磷酸化A类ARF7和ARF19，干扰ARF与其IAA抑制剂的相互作用来促进ARF与DNA的结合和生长素响应。

ARFs和其他转录因子的互作影响植物发育

转录的组合调控是信号通路之间协同作用的一个重要标志，即来自多个途径的转录因子与启动子间相互作用。尽管关于生长素响应如何受其他信号途径影响的研究很多，但有关ARFs与启动子上其他转录因子之间的相互作用的报道相对较少。对拟南芥生长素响应蛋白的自然变异分析发现，ARF的自然变异集中在几个家族成员的可变中间域和C端，而这些区域是蛋白质相互作用的区域，表明ARF蛋白的相互作用发生的范围很广，也可能是多样性进化的目标。

最近一项关于ARF3（ETTIN）的研究是蛋白相互作用如何产生协同反应的一个很好的例子。在拟南芥中，ARF3直接与不同种类的多种转录因子相互作用，特别是INDEHISCENT（IND），BREVIPEDICELLUS（BP），和REPLUMLESS（RPL）。所有这些因子都与XTH7的启动子结合并调节其表达。ARF3上调XTH7的表达，而IND、BP和RPL下调其表达。除此之外，在生殖发育的早期，ARF3及ARF4直接与另一转录因子FLH相互作用以促进花的形成，进一步说明了ARF蛋白的动态相互作用。

利用新的酵母双杂交方法CrY2H-seq对拟南芥ARF相互作用进行的高通量研究发现了大量的互作关系，其中绝大多数是首次观察到，并且具有很强的特异性。例如ARF18与脱落酸响应因子的相互作用，而研究中的其他ARF则不能与之互作。有趣的是，ARF19与其他相互作用的蛋白质数量是其他AFR的10倍，这表明ARF19可能是信号的整合中枢。

转录的组合调控标记

启动子结构分析是寻找转录组合调控的另一个方向，最近对生长素响应启动子的研究表明，拟南芥生长素响应启动子上广泛存在转录因子共占有的情况。研究发现，对生长素反应迅速上调的基因的启动子可能是直接的ARF靶点，这些启动子富集着TCP、bZIP和bHLH转录因子类的结合位点。

协同转录因子相互作用通常被认为是促进转录活性，但抑制作用同样存在并同等重要。例如在拟南芥茎顶端分生组织中，非生长素转录因子也能产生类似的转录抑制。高生长素反应促进茎尖分生组织的细胞分化，但为了在中心区保留干细胞生态位，便需要较低的生长素响应能力。这种低响应可通过转录因子WUSCHEL的活性维持，WUSCHEL直接抑制ARF靶点，导致生长素响应低，达不到诱导分化的阈值，使得干细胞持续存在。

独立于转录调节的发育弹性

转录调控中的合作性产生了发育的复杂性，这种复杂性带来了系统内噪音的增加和阻碍连贯性反应的风险。由于植物必须在不断变化的环境中生长，对微小环境扰动的过度反应会对植物的适应性产生负面影响。因此，作为一种独立于转录调节的方法，植物可以利用生物力学约束来限制这种噪音。例如，最近研究发现，拟南芥液泡大小也可以独立于生长素调节，肌动结合蛋白NET4也可以促进其收缩。NET4对液泡大小的影响并不依赖于生长素的处理，这表明这种细胞骨架调节器提供了一种调节器官生长和组织扩张的正交机制，可以起到防止有害转录波动的作用。