ACC合酶基因

ACC合酶基因是一種合成ACC合酶的基因，該基因作為乙烯合成途徑中的一個重要基因，其轉錄後翻譯產物ACC合酶，用於催化有甲硫氨酸轉化而成的S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine, SAM)轉化為5'-甲硫腺苷(5'-methylthioadenosine, MTA)和氨基環丙烷羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC)，ACC用於進一步合成乙稀，因而對乙烯生物合成具有重要的調控作用。

基本介紹

• 中文名：ACC合酶基因
• 外文名：ACC synthase gene 

作用

植物體往往通過調控乙烯的合成以實現對乙稀信號通路的調節,進而達到在多變的環境中更好的生存繁衍的目的。參與乙烯合成過程的酶,受到來自於內部發育過程和外部環境應答等多種信號複雜而精密的調控,其中,ACC合酶作為乙稀生物合成途徑中的關鍵酶和限速酶,對該酶調控過程的研究對於了解乙稀合成途徑來說尤為重要。研究發現,ACC合酶在轉錄水平或轉錄後水平受到多種生物脅迫及非生物脅迫的調控,進一步影響乙稀的合成。

基因的克隆

人們最早是在番茄的果皮組織中發現的ACC合酶基因的， 但最先從夏南瓜中分離得到編碼ACC合酶的基因，而Straeten從番茄果實cDNA 文庫中分離到第一個ACC合酶基因序列。隨著科學研究的不斷發展，目前已經從許多植物中都克隆到了ACC 合酶基因，如水稻、辣椒、獼猴桃、小麥、小西葫蘆、桃、鳳梨、鱷梨、柿、薄皮甜瓜、李、蘋果、牽牛花等。在克隆的過程中發現幾乎每種植物中的ACC 合酶基因都不止一個，迄今為止在研究中發現番茄中至少有9 個，綠豆中有6 個，水稻和土豆中有5個，李中有4 個， 而西葫蘆、筍瓜和小麥中有2個， 這表明ACC 合成酶基因是多基因家族編碼。

基因及蛋白結構

隨著ACC合酶基因的克隆，其基因組的克隆也得到發展，許多該基因的基因組相繼被克隆出來。ACC合酶基因一般含有2、3 或4 個內含子，ACC合酶基因的內含子數目不同，但是各個內含子在基因組中的相對位置是高度保守的，一般位於基因的5'端。ACC合酶基因開放閱讀框內的DNA序列有約60%的相似性，mRNA的分子量為1.8~2.1 kb，ACC合酶蛋白序列相似性為50%~95%。其中，最高的同源性分布在ACC合成酶蛋白序列的中部，差異最大的是在C 端。香蕉ACC合酶基因編碼蛋白的序列、結構和進化特徵已報導。

基因的表達調控

ACC合酶基因的表達

對上述ACC合酶基因進行表達分析，發現它們有的是組成型表達或特異表達，而有的則是誘導表達，ACC合酶基因在環境脅迫或激素處理等誘導條件下其表達模式也不同。番茄LE-ACS2 能在根、成熟的花粉囊、雄蕊、衰老的花瓣和成熟的果實中表達；同樣的，一些外部因子（如環境脅迫或激素處理）可以誘導ACS 基因的表達。ACC合酶基因在經過大豆異皮線蟲病感染的根中表達上調。在植物生長素、赤黴素和細胞分裂素的作用下，李子中的ACC 合酶基因的轉錄水平都得以增強。牽牛花ACC 合酶基因(PnACS)在幼苗的子葉、葉柄、下胚軸、根和莖尖頂點表達，並且在根中優勢表達；當用吲哚乙酸處理牽牛花幼苗的子葉後，PnACS 基因在所有器官的表達上調，並且在下胚軸中該基因對吲哚乙酸的回響最強烈。細胞分裂素和油菜素內酯則調節ACC合酶蛋白的穩定性。

轉ACC合酶基因的表達調控

通過轉基因技術可以有效的調控植物ACC合酶基因的表達，並且可以得到改良的新品種。例如，通過共抑制轉基因方法使鳳梨ACC合酶基因表達下調，通過Northern 雜交技術進一步分析發現：在許多轉基因植株中ACC合酶基因的表達沉默，並且使鳳梨的花期推遲；將反義ACS 基因轉入子葉進行培養得到轉基因番茄後，番茄果實的成熟衰老受到抑制，主要表型為：果實不變紅，硬度較大，耐失水，在室溫下可貯藏2~3 個月，這主要是由於ACC合酶基因的反義表達中斷了乙烯的生物合成途徑。

ACC合酶基因的其他表達調控

ACC合酶基因還受到其他因子的調控。ACC合酶基因的啟動子可以調控ACC合酶基因的表達。香蕉果實中的ACC合酶基因的啟動子能夠指導ACC合酶基因在果實中特異性表達；在激素和脅迫條件的誘導下，AtACS4、AtACS5 和AtACS7 3個基因的啟動子使AtACS4、AtACS5 和AtACS7 的表達活性增強。啟動子擬南芥broad complex/tramtrack/bric-a-brac(BTB) E3 與ETHYLENE OVERPRODUCER 1(ETO1)、ETO1-like (EOL1)和EOL2 協作通過降解ACS蛋白一起負調控乙烯的合成。在擬南芥中通過化學篩選鑑定了一個新的ACC合酶抑制劑，通過施用這些有效的抑制劑可以調控ACC合酶。磷酸化作用則能控制植物體內ACC合酶的穩定性。將ACC合酶基因進行突變也是調控植物體內乙烯含量的有效手段，如將蘋果ACC合酶基因MdACS3 無效突變後延長了果實的貨架期。

基因表達的特異性

同種植物中的不同ACS 基因在表達時大多存在器官表達特異性差異、時空表達特異性差異、轉錄水平上的差異等。研究發現在番茄的ACS 基因家族中，LEACS2 主要在果實、衰老的花、病原感染的葉片和水淹的根中表達， 而LEACS4 只在果實中表達。在研究麝香石竹ACS 基因時發現，在花柱中優先表達的是ACS2 和ACS3， 而在花瓣中表達較多的是ACS1。植物ACS 基因器官表達特異性差異表明這個基因主要在植物的生殖器官和營養器官上表達， 生殖器官中花和果實均有表達，花中子房表達最強烈，而果實的中柱組織表達最強烈， 營養器官中葉片和根部的表達效果最好。臭氧處理過的馬鈴薯葉片在1 h 可誘導ACS5 基因的表達，2 h 才檢測到有ACS4 基因的表達；而用Cu2+處理葉片時，結果0.5 h 便可檢測到ACS5 基因的大量表達，2 h 後才檢測到ACS4基因的表達。研究表明，多數ACS 基因的轉錄受到調節。番茄ACS 基因家族的各成員轉錄水平存在很大差異， 不同的因素或條件可誘導家族中的不同成員表達， 並且表達的各成員的轉錄水平高低也存在很大差別。衰老的香石竹花的雌蕊部分的ACC 合成酶的活性較高，但ACS 基因轉錄合成的mRNA 卻保持很低的水平，這說明ACS 基因的轉錄水平和ACS 酶活水平的變化並不一定一致，也就是說ACS 基因的轉錄水平並不能反映該酶的活性水平，表明傷害導致ACS 酶活性增強是由於該酶的基因在轉錄水平上受到調節。