SERF1,即SALT-RESPONSIVE ERF1,是一种转录因子,在水稻(Oryza sativa)中发挥着重要的生物学功能。SERF1主要在植物对盐胁迫的响应中发挥作用,同时也在水稻的种子发育过程中扮演关键角色。在水稻中,SERF1通过直接调控RICE PROLAMIN-BOX BINDING FACTOR(RPBF)的表达来影响谷物填充和幼苗建立。RPBF是一种转录因子,作为谷物填充的正调控因子。SERF1的缺失导致RPBF表达增强,从而使谷物颗粒增大,淀粉含量增加;相反,SERF1的过表达会抑制RPBF,导致谷物颗粒减小。此外,SERF1还直接调控谷物填充过程中淀粉生物合成基因的表达,如GRANULE-BOUND STARCH SYNTHASEI(GBSSI)、STARCH SYNTHASEI(SSI)、SSIIIa和ADP-GLUCOSE PYROPHOSPHORYLASE LARGE SUBUNIT2(AGPL2)。SERF1通过控制RPBF的表达来负调控种子萌发,RPBF介导了赤霉素(GA)诱导的RICE AMYLASE1A(RAmy1A)的表达。SERF1缺失导致更快的幼苗建立,而SERF1过表达则产生相反的效果[1]。
SERF1在水稻对盐胁迫的早期响应中也起着重要作用。SERF1在根中特异地被盐和过氧化氢(H2O2)处理所诱导。SERF1缺失会影响编码MAPK级联成员和盐耐受性介导转录因子的基因的盐诱导表达。SERF1依赖性基因对H2O2有响应,并且在体外和体内SERF1结合到MAPK激酶激酶6(MAP3K6)、MAPK5、脱水响应元件结合蛋白G2A(DREB2A)和锌指蛋白179(ZFP179)的启动子上。SERF1还直接诱导其自身的基因表达。此外,SERF1是MAPK5的磷酸化靶点,这导致SERF1对其直接靶基因的转录活性增强。SERF1缺失的植物比野生型植物对盐胁迫更敏感,而SERF1的组成型过表达则提高了耐盐性。SERF1可能通过放大由活性氧(ROS)激活的MAPK级联信号,并在盐胁迫的初始阶段将盐诱导的信号转化为适当的表达反应,从而实现耐盐性[2]。
在人类疾病中,SERF1也被发现与某些疾病相关。例如,在严重先天性中性粒细胞减少症(SCN)中,SERF1在突变的中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)聚集物中高度上调并相互作用。SERF1的沉默增强了iPSC衍生中性粒细胞前体的存活和分化,恢复了它们对G-CSF的响应性。这些发现揭示了G-CSF耐药性ELANE突变SCN的机制,为治疗干预提供了新的靶点[3]。在脊髓性肌萎缩症(SMA)中,SERF1与SMN2、NAIP和GTF2H2基因一起,被认为是SMA区域修饰基因。这些基因的突变可能影响疾病的严重程度。研究发现,SMN2拷贝数与SMA亚型之间存在显著相关性,而NAIP和GTF2H2基因在SMA患者和健康个体之间存在显著差异。此外,携带GTF2H2缺失的儿科SMA患者表现出更高的运动功能,而携带NAIP缺失的患者表现出较低的运动功能[4]。在一个SMA不一致的家庭中,基因组分析发现了一个新的TLL2基因突变,该基因是生长分化因子8(myostatin)的激活剂。这些发现扩展了SMA的遗传修饰谱,并为SMA受影响的患者和家庭提供了准确的咨询[5]。
SERF1在植物激素表达中也起着重要作用。在柚木(Tectona grandis)的体细胞胚胎发生(SE)诱导过程中,SERF1的表达水平在胚胎发生阶段最高。研究还发现,SERF1的表达与植物激素如生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、乙烯(ETH)、脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)的表达相关。这些激素通过不同的生物过程参与SE诱导,包括生物合成、代谢和信号传导途径[6]。
在水稻细胞对盐胁迫的敏感性和耐受性中,H2O2特征和先天抗氧化性也起着重要作用。在耐受性水稻细胞中,H2O2的早期峰值出现在5分钟时,而在敏感细胞中,H2O2的峰值与细胞死亡相关。SERF1的表达在两种细胞系中也表现出不同的模式。在盐胁迫下,耐受性品种还表现出K+转运基因的快速上调,以应对K+/Na+失衡。这些结果强调了H2O2特征和先天抗氧化系统在调节盐胁迫耐受性中的重要性[7]。
综上所述,SERF1是一种重要的转录因子,在植物对盐胁迫的响应、谷物填充、种子萌发和植物激素表达中发挥着关键作用。此外,SERF1还与某些人类疾病相关,如严重先天性中性粒细胞减少症和脊髓性肌萎缩症。SERF1的研究有助于深入理解植物和人类疾病的生物学过程,为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。
参考文献:
1. Schmidt, Romy, Schippers, Jos H M, Mieulet, Delphine, Guiderdoni, Emmanuel, Mueller-Roeber, Bernd. 2013. SALT-RESPONSIVE ERF1 is a negative regulator of grain filling and gibberellin-mediated seedling establishment in rice. In Molecular plant, 7, 404-21. doi:10.1093/mp/sst131. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24046061/
2. Schmidt, Romy, Mieulet, Delphine, Hubberten, Hans-Michael, Schippers, Jos H M, Mueller-Roeber, Bernd. 2013. Salt-responsive ERF1 regulates reactive oxygen species-dependent signaling during the initial response to salt stress in rice. In The Plant cell, 25, 2115-31. doi:10.1105/tpc.113.113068. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23800963/
3. Nayak, Ramesh C, Emberesh, Sana, Trump, Lisa R, Lutzko, Carolyn M, Cancelas, Jose A. 2024. G-CSF resistance of ELANE-mutant neutropenia depends on SERF1-containing truncated-neutrophil elastase aggregates. In The Journal of clinical investigation, 135, . doi:10.1172/JCI177342. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39560992/
4. Karasu, Nilgun, Acer, Hamit, Akalin, Hilal, Canpolat, Mehmet, Dundar, Munis. 2024. Molecular analysis of SMN2, NAIP, and GTF2H2 gene deletions and relationships with clinical subtypes of spinal muscular atrophy. In Journal of neurogenetics, 38, 102-111. doi:10.1080/01677063.2024.2407332. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39321203/
5. Zhou, Wenlong, Yang, Guang, Pan, Dongkang, Li, Kunliang, Huang, Guihua. 2024. Analysis of the plant hormone expression profile during somatic embryogenesis induction in teak (Tectona grandis). In Frontiers in plant science, 15, 1429575. doi:10.3389/fpls.2024.1429575. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39439509/
6. Jiang, Jianping, Huang, Jinwei, Gu, Jianlei, Zhao, Hongyu, Lu, Hui. 2019. Genomic analysis of a spinal muscular atrophy (SMA) discordant family identifies a novel mutation in TLL2, an activator of growth differentiation factor 8 (myostatin): a case report. In BMC medical genetics, 20, 204. doi:10.1186/s12881-019-0935-3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31888525/
7. Formentin, Elide, Sudiro, Cristina, Ronci, Maria Beatrice, De Gara, Laura, Lo Schiavo, Fiorella. 2018. H2O2 Signature and Innate Antioxidative Profile Make the Difference Between Sensitivity and Tolerance to Salt in Rice Cells. In Frontiers in plant science, 9, 1549. doi:10.3389/fpls.2018.01549. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30405678/