SIZ1介导的ICE1小泛素相关修饰蛋白化控制拟南芥CBF3DREB1A的表达

SIZ1介导的ICE1小泛素相关修饰蛋白化控制拟南芥

CBF3/DREB1A的表达和低温耐受

SIZ1是一个SUMO E3连接酶，有利于SUMO和蛋白底物的结合，siz1-2和 siz1-3 T-DNA插入能够导致植物低温敏感，这种现象在遗传上来说能够被SIZ1的表达所逆转。表明SIZ1是植物低温适应过程中的控制器。siz1会抑制CBF/DREB1低温诱导表达以及CBF/DREB1调节基因的表达，尤其是会抑制CBF3/DREB1A的表达。siz1不影响ICE1的表达，ICE1编码MYC转录因子，它是CBF3/DREB1A的控制器。ICE1中K393R的替代[ICE1(K393R)]阻止了体外和原生质体中SIZ1介导的SUMO化，即阻止了作为SUMO主要结合位点的K393残基的识别。在原生质体中SIZ1依赖的ICE1的SUMO化适当的被低温所诱导。重组体ICE1的SUMO化减少体外这个蛋白的聚泛素。在野生型植物中ICE1(K393R)的表达抑制低温诱导CBF3/DREB1A表达且增加低温的敏感性。此外，ICE1(K393R)的表达诱导MYB15的转录积累。MYB15编码MYB转录因子是一个CBF/DREB1的负调节物。SIZ1依赖的ICE1的SUMO化可能激活或稳定这个蛋白质，有利于CBF3/DREB1A的表达，抑制MYB15的表达，从而导致植物的低温耐受。 前言

霜冻造成严重的农业减产，尤其是当冷冻发生在生长发育期的时候。低温同时也限制了农作物的地理分布，温和的植物已经有能力进化成通过一种适应的过程在冷冻暴露中存活下来。大部分都是通过暴露在低温下的过程来实现，这种现象又称作低温训化。过去几十年的研究已经探索到温和植物群体低温驯化过程中的遗传变异。而且提供了冷冻胁迫伤害的综合特性和低温耐受过程中一些生理和生化的分析。最近，对拟南芥进行分子遗传追溯对有分歧的低温驯化和耐受过程有了更深刻的见解。细胞过程有助于保护和稳定细胞膜结构，抗氧化机制的增强，以及低温防护溶质和特异低温防护蛋白的合成。

低温起始于控制基因表达的信号途径，这些基因是编码冷冻耐受，低温驯化，和低温耐

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受所必须的决定因子。低温信号通过中间过程所转导。比如说1,4，5三磷酸肌醇介导的Ca信号，活性氧物质，ABA，和MAPK信号级联反应。以及RNA的代谢。许多促进低温信号以及控制调节子基因的表达的的转录因子已经被鉴定。

调节低温信号的特征转录因子包括CRT/DRE结合蛋白CBF/DREB。三个CBF/DREB蛋白，CBF1/DREB1B, CBF2/DREB1C, 和CBF3/DREB1A反向激活低温依赖和ABA非依赖的COR/RD/LTI基因的表达，其具体过程是转录因子AP2/ERF DNA结合结构域和目标基因启动子中存在的核心CRT/DRE(A/GCCGAC)顺式作用元件。低温在几分钟内诱导所有的CBF/DREB1转录因子瞬时表达。每一个CBF/DREB1的过表达组成性的诱导CBF/DREB1调节子以及曾强植物的低温耐受，表明这些转录因子足以使植物低温驯化。但是，cbf2突变所造成的功能丧失促成了低温耐受和CBF1/DREB1B, CBF3/DREB1A, 和 CBF/DREB1调节子基因表达的超诱导。表明CBF2/DREB1C负调节CBF1/DREB1B 和 CBF3/DREB1A。CBF3/DREB1A有可能负调节CBF2/DREB1C

CBF/DREB1表达的直接调节器是HOS1, ICE1,和 MYB15。HOS1 RING型泛素E3连接酶负调节低温诱导CBF/DREB1基因的表达。ICE1是一个MYC类碱基螺旋环螺旋转录因子，它在响应低温的过程中诱导CBF/DREB1基因的表达。ICE1结合到标准的CBF3/DREB1A启动子中MYC顺式元件上从而诱导表达，然后诱导CBF/DREB1调节子基因的表达，ICE1蛋白很显然是CBF3/DREB1A, CBF/DREB1调节子基因表达，以及低温响应的中心调节器。最近确定在低温适应的过程中HOS1负调节ICE1的功能。HOS1迁移到核中响应低温处理和ICE1的多聚泛素

化，标定这个转录因子让蛋白酶体使它降解。MYB15结合到CBF/DREB1启动子区域抑制CBF/DREB1基因的表达和CBF/DREB1调节子基因的表达且负调节基因的表达。ICE1和MYB15也相互作用减弱MYB15的表达。总的来说，这些结果表明泛素 E3 连接酶HOS1，MYC转录因子ICE1，MYB转录因子MYB15调节级联中起着重要的作用，从而来调节CBF3/DREB1A基因的表达或者是其它CBF/DREB1s基因的表达，来控制植物响应低温的过程。

SUMO与蛋白底物的接合是一个可逆的转录后修饰，在动物和酵母中被环境刺激所调节。底物的Sumoylation/desumoylation影响重要的不同的过程。比如先天性免疫，染色体分离和细胞的分裂。DNA修复，核质运输，亚核定位，转录调节，以及泛素介导的通过蛋白酶体的降解。PIAS/Siz蛋白是SUMO E3连接酶介导SUMO接合的最后一步。转录因子是由PIAS/Siz所介导的SUMO接合的直接目标位点。SUMO接合通过激活，抑制，或蛋白稳定来影响转录因子的功能。酵母SUMO E3连接酶Siz1和 2在低温下有利于细胞分裂。在植物中SUMO conjugation/deconjugation已经和响应热激，氧化性应急，缺氧，磷酸盐限制，ABA，开花，和病原体防御相牵涉。最近，拟南芥SUMOE3连接酶SIZ1被发现参与到磷酸饥饿，植物防御中水杨酸介导的信号和基本的耐热中去。

这个研究表明SIZ1是一个通过控制ICE1活性，CBF/DREB1基因尤其是CBF3/DREB1A基因的表达和靶基因功能的低温适应的调节子。K393R突变阻止了ICE1的sumoylation，抑制CBF3/DREB1A以及其调节子基因的表达，从而减少低温耐受。我们呈现了这样的证据：ICE1的sumoylation抑制了蛋白的多聚泛素化从而增强了ICE1在低温下的稳定性。ICE1的sumoylation也抑制负调节因子MYB15的表达。总之，这些结果表明SIZ1介导的ICE1的SUMOconjugation/deconjugation是一个关键的过程起始基因表达的许多变化，这对低温耐受所必需的。

在体外SIZ1依赖的SUMO和ICE的结合减少了多聚泛素化

低温处理诱导HOS1在核内的积累，在这里E3连接酶有利于ICE1多聚泛素化，从而使得目标蛋白的降解。ICE1的去稳定化导致CBF3/DREB1A的表达减少且使得植物低温敏感。T7-ICE1重组和其他的体外sumoylation分析混合组分一起孵育，包括作为SUMOE3连接酶的SIZ1，然后用anti-T7纯化。Unsumoylated或者是 SUMO-conjugated ICE1然后加入到含有作为泛素E3连接酶的HOS1体外ubiquitination分析混合物中。Sumoylated ICE1比unsumoy- lated ICE1具有更少的多聚泛素化。但是，K393不是ICE1最初的泛素化位点。这些结果表明K393的sumoylation减少了ICE1的多聚泛素化，这有利于增加ICE的稳定性，从而，增加CBF3/DREB1A的表达和低温耐受。

ICE1的Sumoylation介导低温耐受 ICE1 (ProCsV:ICE1)的过表达并不是ICE(K393R) [ProCsV: ICE1(K393R)]的过表达增加了转化野生型植物的低温耐受。转基因转录积累的增加量通过RT-PCR在不同过表达植物中被检测到。在这个研究中得到的ICE1-过表达植株的低温耐受和起先报道的ICE1-过表达植株的低温耐受是相似的。ICE1(K393R)过表达植物比野生型或者是载体控制植物对低温胁迫更加敏感，但是比siz1-2植物不敏感。低温诱导CBF3/DREB1A，调节子基因COR15A和COR47的转录积累，在ICE1过表达植株中更多，而在ICE1(K393R)植株中更少。CBF1/DREB1B 和CBF2/DREB1C的表达被上调在ICE1过表达的植株中，如报导，但是在ICE1(K393R)转基因植株中被适当的下调。MYB15被ICE1(K393R)过表达所上调。这些结果表明ICE1的sumoylation有利于CBF3/DREB1A表达和低温耐受。K393被R的替代抑制了CBF3/DREB1A增加了MYB15的表达。 结论

SIZ1调节冷冻耐受

siz1-2和 siz1-3 T-DNA插入等位基因，这个等位基因会损伤SIZ1SUMO E3连接酶的功能，造成了基于存活和电渗漏的低温敏感性。来自非驯化的siz1植物的点渗漏几乎是0 度到3度下野生型的两倍，尽管在23度时是类似的。siz1植物与野生型植物相比低温适应能力被损伤，尤其是在温度低于3度的时候。siz1植物对冷冻也是敏感的。与在4度下延长暴露的后野生型植物做对比提供了证据。在3周德冻害之后siz1植物的叶片缺绿和坏死是可见的。但是野生型的叶绿素没有下降即使是在冻害6周以后。野生型等位基因ProCaMV35S:SIZ1:GFP的表达抑制siz1-2植物的低温敏感性。进一步证明了SIZ1在低温耐受的过程中是必须的。

SIZ1控制CBF/DREB1和CBF/DREB1调节子基因的表达

在野生型植物中，10度的低温在15min内诱导CBF/DREB1表达，且在更低的温度下转录积累增加。在siz1-2苗中低温诱导CBF/DREB1转录积累在24h左右的时间里比野生型植物低。与对CBF1/DREB1B 或 CBF2/DREB1的表达的影响相比，siz1突变子更多的是影响CBF3/DREB1A的表达。

CBF/DREB1调节子基因COR15A, COR47,和KIN1的转录积累在暴露于低温6到12小时后开始，在siz1-2中低温诱导COR15A, COR47, 和KIN1转录积累比在野生型苗中更少。但是，RD29A的表达，另一个CBF/DREB1调节子基因，在两个基因型的植物中都是类似的。这个基因有可能是被其他的过程所调控，如hos9的突变增加RD29A的表达不依赖于CBF/DREB1。蔗糖合酶，通过CBF/DREB1非依赖的途径被低温所调节。 讨论

遗传和生化学证据表明SUMO E3连接酶SIZ1通过对CBF/DREB1的诱导（大量的是对CBF3/DREB1A的诱导）控制低温依赖的CBF/DREB1调节子基因的表达，从而有利于冷冻和低温响应，包括低温驯化。MYC样转录因子ICE1，对于低温下诱导CBF/DREB1是必要的，是一个SIZ1-介导的SUMO1结合的直接目标。SIZ-介导SUMO1连接到K393影响ICE1的活性来控制CBF3/DREB1A的表达。MYB15是一个CBF/DREB1表达的负调节子推测是通过和启动子区的原件相互作用，虽然转录抑制功能的直接证据。MYB15的表达在siz1植物中或是通过ICE1(K393R)的表达被上调，表明ICE1的unsumoylated诱导MYB15的表达。因此，SIZ1-介导的 SUMO1 对ICE1的结合有利于CBF3/DREB1A的表达，抑制MYB15的表达，从而植物能够耐受低温。

SIZ1转导低温信号和介导低温耐受

低温处理诱导SIZ1-介导的 SUMO1 对ICE1的结合且诱导CBF3/DREB1A的表达。这些结果表明SIZ1-介导的ICE1的sumoylation是植物低温响应中的早期事件而且诱导信号级联反应调节低温耐受所必须的基因的表达。但是，仍旧没有建立低温怎样调节SIZ1 E3连接酶的功能。SIZ1的表达是组成型的而且而且不受低温的影响，表明在低温耐受的过程中转录调节不是直接控制SIZ1的功能。转录学分析显示编码SUMO, SUMO E1, SUMO E2, 和SUMO 蛋白酶体的基因不直接被低温胁迫所诱导。推测低温诱导ICE1的sumoylation不是取决于 SUMO conjugation/deconjuga-tion 循环的转录调节。在任何生物体中控制sumoylation的调节子的相同仍然没有没发现。因此，仍旧不清楚这个转录后过程是怎样控制转导特异调节系统的过程。

低温直接的或者是间接的诱导改变蛋白调节功能的SIZ1的转录后修饰是合理的。人PIASy 在K35处被sumo化，这对PIASy E3连接酶激活Tcf-4转录因子的活性是所必须的。因为拟南芥SIZ1包含预测的sumoylation基序，SUMO结合调节蛋白的功能是有可能的。TGF-b激活p38MAP激酶级联反应从而稳定PIASxb蛋白增强PIASxb基因的表达。PIASxb有利于Smad4的sumoylation，这对转录激活是必须的。

SIZ1功能的转录后控制可能是亚核定位的结果。23度时SIZ1定位在核小点，它类似于PIAS蛋白，PIAS定位在哺乳动物前髓细胞性白血病核体上。PML核体的确切功能还不清楚。但这和基因的活化和抑制都有关系，因为转录因子和转录共调节子，包括染色质修饰蛋白，PML体的局部化。细胞化学分析和遗传学证据表明PML体和特异基因相互作用且和转录激活染色质相关。最近，亚核的区室化过程和基因的活性有关，很有可能低温影响SIZ1或者是ICE1的定位亚核，这两个基因转变CBF/DREB1的表达。

SIZ1-介导ICE1的Sumoylation可能有利于且稳定转录因子的活性

在植物暴露于低温几分钟内ICE1优先的诱导CBF3/DREB1A的表达。实例是低温刺激ICE1转录因子的活性，通过一些还不知道的过程，这有利于CBF3/DREB1A的表达。SUMO结合能够增强或是抑制转录因子的活性。例如，NFAT-1的sumoylation，p53肿瘤抑制基因，Smad4，和Tcf-4 对转录因子的激活是必须的。同样，转录因子的sumoylation通过转录共调节复合物抑制活性。

我们的结果表明在GAL4分析中ICE1(K393R)的替代不能改变MYC因子的转录活性。即使在ICE1(K393R)过表达植株中CBF3/DREB1A的表达被下调。有趣的是ice1突变(R236H)不影响ICE1的转录活性但是抑制CBF3/DREB1A的表达。哺乳动物PIAS3和辅激活蛋白p300/CBP以及转录因子Smad3相互作用。在响应TGF-b的过程中辅激活蛋白p300/CBP募集到染色质上刺激PIAS3介导Smad3转录激活。因此，SIZ1可能和募集辅激活子复合物亚单位到CBF3/DREB1A染色质上有利于诱导ICE1的表达。

低温处理以后，ICE1活性减低，至少在部分上来说，可归因于有利于HOS1蛋白降解，一个RING ?nger ubiquitin E3 连接酶，它是CBF/ DREB1表达的负调节子。推测ICE1的降解有助于更低的CBF3/DREB1A的表达，这发生在低温起始诱导之后。SUMO和泛素化能够竞争性的或者是合作性的相互作用与相同的底物来调节蛋白的功能和生物学的过程。IkBa的Sumoylation，Smad4，或者是NEMO减少泛素介导的蛋白的降解。ICE1在K393处的Sumoylation在体外减弱转录因子的多聚泛素化。可能SUMO与ICE1的结合阻止了泛素化复合物，这个复合物可能诱导HOS1，定位到蛋白的目标残基上，从而降低蛋白酶体降解。因此，SUMO或者是泛素与ICE1的结合导致转录因子的激活或是不稳定造成对CBF3/DREB1A表达的反向作用。

ICE1的SUMO修饰抑制MYB15的表达

ICE1的SUMO修饰负调节MYB15的转录积累，推测这有利于CBF3/DREB1A的表达。MYB15抑制CBF/DREB1，尤其是CBF3/DREB1A的表达。仍旧需要确定ICE1的SUMO结合时直接的还是间接地抑制MYB15。同一转录因子的Sumoylation能够导致不同目标基因的诱导或者是抑制。p53的SUMO修饰增强了p21的转录，一个细胞周期蛋白依赖激酶的抑制子。有趣的是，p53的sumoylation抑制了人核糖体基因簇的表达，人核糖体基因簇抑制DNA的复制。但是，p53的SUMO总的作用是介导p53依赖的G1细胞周期的停止。PIAS介导的Smad4的sumoylation也造成特异基因的激活或者是抑制。低温诱导MYB15的表达在siz1苗中比野生型苗中发生的更快。ICE1可能负调节MYB15，但是ICE1(K393R)表达增强了MYB15转录积累。

CBF/DREB1基因功能在转录水平和转录后水平都被紧紧地调节，猜测是因为非控制的CBF/DREB1的活化可能在环境中是不利的。事实上，CBF/DREB1组成性的过表达导致植物的矮化。且由hos1突变造成的CBF/DREB1的超表达导致低温敏感。这里的结果证明ICE1是一个CBF/DREB1表达和低温耐受的关键调节子且sumoylation在决定ICE1的活性时是一个关键过程。SIZ1介导的sumoylation可能有利于CBF/DREB1的表达。

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