bHLH转录因子DYT1调控花药发育的结构基础和分子机理

The bHLH transcription factor AtDYT1 and its homologue OsUDT1 is essential for the normal development of anthers.DYT1 regulates the transcription of numerous anther-required genes including AMS, MS1, MB80, MYB99. However, the machanism on how DYT1 regulate the transcription of downstream genes especially on the time and space specificity still remains elusive. Previous studies in our group found DYT1 interacted with more than 20 transcription factors which regulated the expression of partial DYT1 down stream genes. We also found that a novel plant specific conserved domain are important for both the ability that DYT1 interacting with its parterners and the specificity that DYT1 bind to its target DNA sequence, suggesting this domain may play important role in the control of the specificity that when and where DYT1 regulates its target genes expression. Based on these data, this project will comprehensively using the structral biology, molecular biology, cell biology, and biochemistry methods, analyse the structural control of the transcriptional activity of DYT1, uncover the molecular mechanism that how DYT1 was activated and control the transcription of downstream transcriptional network, reveal the commen regulatory element and mechanism between DYT1 and its homologues. Thus, this project will provide strong academic evidences and theoretical support on manipulation of crop to increase the fertility and the production.

拟南芥bHLH转录因子DYT1及其水稻中的同源蛋白（OsUDT1）为花药正常发育所必需。DYT1调控AMS，MS1，MYB80，MYB99等一系列必需基因的表达，但其调控下游基因时空特异性表达的机制尚不清楚。本课题组研究发现DYT1可以和多个转录因子相互作用，并且发现一个植物特异且在很多bHLH家族成员间保守的DYT结构域；该结构域在DYT1与其他转录因子相互作用及特异性方面发挥重要作用，很可能与调节下游特异基因的时空表达相关。这些结果为揭示花药转录调控机制奠定的基础。本项目拟综合利用分子生物学、细胞生物学、结构生物学与生化手段，揭示DYT1在花药发育过程中接收上游信号并调控下游基因时空特异性表达的分子机制，分析DYT1转录活性的结构基础，明确植物中DYT1同源bHLH转录因子家族在植物的生殖发育过程中发挥作用的核心元件和通用机制，为有效利用这些机制进行遗传改良、提高作物产量提供理论支持。

花药对于维持植物的有性生殖过程至关重要 。目前已知拟南芥bHLH转录因子DYT1及其水稻中的同源基因（OsUDT1）是花药正常发育所必需的，并且DYT1通过调控花药中AMS、MS1、MYB80、MYB99等一系列必需基因的正常表达而发挥功能，但具体的信号转导网络及其调控下游基因特异表达的分子机制并不清楚。本项目前期发现DYT1可以和多个转录因子相互作用，并且发现DYT1及其直系同源基因均存在一个保守的C端结构域，但这个结构域在之前并未见功能报道。因此，本项目综合利用了分子生物学、细胞生物学、结构生物学、生物化学等研究方法，深入解析了DYT1调控花药发育的结构基础和分子机理。主要发现点如下：1）鉴定了多个和DYT1相互作用的功能未知转录因子在花药发育过程中的重要功能和作用机制；2）阐明了DYT1激活bHLH010、089、091转录并和其蛋白产物形成异源复合物进而分别特异调控不同下游基因表达的“前馈机制”；3）解析了bHLH010、089、091通过和DYT1的BIF结构域相互作用而促进更多DYT1在细胞核分布从而促进DYT1功能的“正反馈调节机制”； 4）揭示了平衡花粉壁组份合成的合理数量的第一条负调节途径，即CLE多肽激素在DYT1过量表达后被激活表达，并进而通过抑制DYT1下游的AMS的有害过量表达而将DYT1转录遗传通路维持在正常水平，从而确保花粉正常发育和正常雄性育性。以上结果已经以SCI科研论文的形式在Plant Cell、Plant Physiology、Plant Journal上发表论文4篇。此外，我们还获得了DYT1的BIF结构域的晶体并深入解析了其三维结构，并结合体内细胞学及生化试验阐明了BIF结构域在DYT1功能及特异激活下游基因表达过程中的重要作用和结构机理，这部分工作目前正在撰稿中。以及，我们利用转录组及蛋白互做网络等，解析了DYT1同源复合物和异源复合物分别直接调控的下游基因网络，这部分工作目前也在撰稿中。综上，本项目的研究，共已发表标注本项目的SCI研究论文4篇，IF共计31；待发表标注本项目的SCI科研论文2篇。同时，本项目研究成果将有助于利用这些机制进行遗传改良、提高植物育性和作物产量。