Spx-flox 基因敲除小鼠

Spx，全称为SPX基因家族，是一类在植物中广泛存在的基因家族。它们在植物中发挥着重要的生物学功能，尤其是在磷信号传导和稳态调节中。Spx基因家族成员的数量在植物中很大，其中一些已被证明在磷信号传导和稳态中发挥作用。

在模式植物拟南芥和水稻中，Spx基因家族的成员已被证明在磷信号传导和稳态中发挥重要作用。此外，Spx基因家族的成员还参与了其他重要的生物学过程，如抗病性、铁缺乏反应、低氧反应和光信号传导。这些研究表明，Spx基因家族是磷信号传导网络中的重要调节因子，可能成为提高作物对低磷胁迫耐受性的有价值靶点[1]。

为了确保从土壤中获取磷，大多数陆地植物使用通过根毛和表皮的直接磷酸盐吸收途径以及通过菌根共生的间接磷酸盐吸收途径。这两种途径之间的相互作用尚不清楚。最近的研究发现，转录因子和菌根共生相关基因之间的基因调控网络是由保守的磷感应途径控制的，该途径以磷酸盐饥饿响应（PHR）转录因子为中心。PHRs对于菌根共生是必需的，并且通过P1BS基序调节共生相关基因的表达。SPX结构域蛋白抑制OsPHR2介导的共生相关基因的诱导，并抑制菌根侵染。相反，过表达OsPHR2的植物显示出更好的菌根侵染，并且对P介导的共生抑制具有部分抗性。网络节点的功能分析揭示了激素信号传导和菌根共生的协同调节。该网络揭示了内源性和外源性信号对菌根共生的广泛调节，并突出了P感应途径对菌根共生的协同利用[2]。

在番茄基因组中，共有19个SPX结构域蛋白基因。这些基因分布在12条染色体中的7条染色体上。根据不同的保守结构域，这些基因编码的蛋白可以分为四个SPX结构域蛋白家族，包括SPX家族、SPX-ERD1/XPR1/SYG1（SPX-EXS）家族、SPX-Major Facilitator Superfamily（SPX-MFS）家族和SPX-Really Interesting New Gene（SPX-RING）家族。系统发育分析将拟南芥、马铃薯、辣椒和番茄中的SPX结构域蛋白基因分为八个分支。转录组（RNA-seq）数据分析显示，19个SPX结构域蛋白基因表现出不同的表达模式。SPX结构域蛋白可能在番茄的磷营养中发挥不同的作用，并可能在不同组织和发育阶段中发挥作用。这项研究为功能研究和番茄磷离子（Pi）营养的基因组编辑提供了候选基因的选择[3]。

Spx是一种在枯草芽孢杆菌中发现的蛋白质，它是枯草芽孢杆菌应激反应的中心调节因子。通过结合RNA聚合酶的α亚基，它调节许多应激反应基因的表达，同时干扰各种发育过程。最近发现，Spx还抑制核糖体RNA的转录，为枯草芽孢杆菌应激反应中翻译控制和翻译相关基因转录之间的直接联系提供了证据。在这里，我们讨论了翻译控制和翻译相关基因转录在细菌应激反应中的调节意义以及Spx在这个过程中所起的作用。此外，我们还比较了Spx在枯草芽孢杆菌中的应激反应与变形菌中DksA的作用[4]。

在枯草芽孢杆菌中，Spx是许多细菌中发现的一个大型转录因子家族的原型，特别是来自厚壁菌门的细菌。与转录因子不同，枯草芽孢杆菌Spx蛋白通过结合RNA聚合酶（RNAP）的αCTD结构域来调节基因表达，并且仅在随后的启动子结合过程中与DNA相互作用。枯草芽孢杆菌Spx驱动在热和二硫键应激等蛋白质毒性条件下以及细胞壁应激条件下的大量基因表达。在这里，我们回顾了控制Spx在多种应激条件下表达、稳定性和活性的详细机制。我们还总结了其他厚壁菌门中Spx同源物的当前知识，包括它们被激活的环境条件以及它们的生物学作用[5]。

为了应对低磷酸盐（Pi）可用性，植物必须调整其基因表达谱以促进Pi获取和再动员。感知Pi水平对于重新编程基因表达谱以适应不断变化的Pi环境至关重要。拟南芥中的AtPHR1和水稻中的OsPHR2是Pi信号传导的中心调节因子，它们通过结合PSI基因启动子中的P1BS元件来调节PSI基因的表达。然而，Pi水平如何影响中心调节因子以调节PSI基因的问题困扰了我们十年。最近关于SPX蛋白的研究表明，SPX蛋白在Pi依赖性下以不同的亚细胞水平调节中心调节因子AtPHR1/OsPHR2的活性[6]。

自根苹果砧木中，磷在植物对逆境的适应性中发挥着关键作用，并在苹果的产量和品质形成中发挥着积极作用。SPX结构域蛋白基因家族广泛参与调节磷信号传导网络。然而，在自根苹果砧木中控制磷缺乏的机制尚未完全清楚。在这项研究中，通过全基因组分析确定了26个苹果SPX基因家族成员，并根据其结构特征进一步分为四个亚家族（SPX、SPX-MFS、SPX-EXS和SPX-RING）。MdSPX的染色体分布和基因复制也得到了检验。MdSPX启动子区域富含多种生物/非生物应激、激素反应和典型的P1BS相关元件。26个MdSPX的表达水平分析表明，当受到低磷酸盐（Pi）胁迫时，一些成员显著上调，尤其是MdSPX2、MdSPX3和MdPHO1.5表现出对低Pi胁迫的强烈反应。MdSPX2和MdSPX3在低Pi敏感和不敏感的苹果品种中表现出显著不同的表达水平。预测了26个MdSPX蛋白的蛋白相互作用网络。酵母双杂交分析证实了MdPHR1与MdSPX2、MdSPX3、MdSPX4和MdSPX6的相互作用，表明这些蛋白可能通过与MdPHR1相互作用参与Pi信号传导途径。这项研究提高了对苹果SPX基因家族的理解，并为未来自根苹果砧木中MdSPX基因的生物学研究做出了贡献[7]。

在从藻类到豆类的SPX基因家族进化中，SPX结构域蛋白作为磷酸盐信号传导和稳态的关键参与者而闻名。在拟南芥和水稻中，一些SPX的功能已被表征，但在其他植物中，尤其是在豆类中，它们的了解仍然有限。我们对豆类中SPX基因家族的进化进行了分析，并在从藻类到被子植物的几个关键物种中进行了研究。我们发现，SPX结构域蛋白在从藻类到被子植物的进化过程中，其结构域融合发生了波动，最终，四个类别出现在陆地植物中并被保留下来。尽管这些波动，但除了Selaginella moellendorffii和Papaver somniferum中的少数蛋白外，几乎所有SPX中的赖氨酸表面簇（KSC）和磷酸结合位点（PBS）的第三个残基都完全保守，这表明它们可能具有不同的配体偏好。此外，我们发现WGD/分段或分散复制类型是最频繁的SPX扩增贡献者，并且个体物种中WGD对SPX扩增的贡献量与其EXS基因的数量呈正相关。我们还发现，除了SPX类别基因外，其他类别在拟南芥和豆类基因组之间失去了共线性关系。豆类中复制基因的亚功能化或新功能化使得难以找到功能正交基因。因此，我们使用了两种不同的方法来鉴定大豆和苜蓿中的功能正交基因。GmSPX的动态和空间表达模式的高变异性证明了在旁系同源基因中新功能化或亚功能化。这项全面的分析揭示了SPX基因家族从藻类到豆类的进化过程，并发现了在藻类中新融合到SPX域中的几个新结构域。此外，我们假设在Selaginella moellendorffii和Papaver somniferum中可能存在不同的磷酸盐感应机制。最后，我们预测了拟南芥中AtSPXs在豆类中的功能正交基因，特别是AtPHO1的正交基因，它参与长距离Pi运输。这些发现有助于理解磷酸盐信号传导的进化，并为开发具有改进的磷酸盐利用效率的新豆类品种奠定了基础[8]。

在小麦中，基于基因组普查，确定了46个TaSPX基因。它们均匀地分布在21条小麦染色体中的13条染色体上，染色体7A包含最多的成员。在已确定的TaSPX的基因组序列中发现了多达57个基因特异性SSR。miRNA靶标分析表明，TaSPX基因被9种不同的miRNA靶向，包括tae-miR1120a、tae-miR1120b-3p、tae-miR1120c-5p、tae-miR1122b-3p、tae-miR1122c-3p、tae-miR1130a、tae-miR1130b-3p、tae-miR1137a和tae-miR1137b-5p。来自转录组数据和实时定量PCR的表达分析表明，TaSPX基因在Pi饥饿时显著上调。小麦SPX蛋白的建模3D结构与模板结构具有高度同源性，为在蛋白质组水平上了解其功能提供了信息。我们还使用分子动力学模拟对10ns的建模3D结构进行了细化，以提高其构象稳定性。发现的SPX基因家族成员及其靶向miRNA可能为遗传改良和促进谷物的Pi利用效率提供资源[9]。

综上所述，Spx基因家族在植物中发挥着重要的生物学功能，尤其是在磷信号传导和稳态调节中。Spx基因家族成员的数量在植物中很大，其中一些已被证明在磷信号传导和稳态中发挥作用。Spx基因家族的成员还参与了其他重要的生物学过程，如抗病性、铁缺乏反应、低氧反应和光信号传导。这些研究表明，Spx基因家族是磷信号传导网络中的重要调节因子，可能成为提高作物对低磷胁迫耐受性的有价值靶点。