近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、园艺林学学院宁国贵教授课题组在The Plant Cell上发表了题为“Boosting transcriptional activities by employing repeated activation domains in transcription factors”的研究论文。这项研究首次提出了一种全球性的新方法，即通过串联重复天然存在的转录因子的激活域（ADs），来显著提升这些因子的转录激活能力。该策略具有广泛的应用性，适用于各种转录因子家族，并成功应用于玫瑰、草莓、番茄和矮牵牛等重要园艺作物中，培育出了富含高色素的新品种。
基因表达调控在细胞代谢稳态和生长发育过程中起着关键作用。转录因子作为基因表达调控的核心元件，一般包含DNA结合域（DBD）和转录激活域（AD）。它们通过绑定到目标基因的启动子区域，招募并激活转录复合体，从而启动并精确控制基因表达。虽然DBDs在同源蛋白中结构较为保守，但ADs位于蛋白质的无序区域，显示较大的结构和功能灵活性。已有大量研究表明，转录因子对作物的农艺性状和品质特性有重要影响。因此，提高转录因子的转录激活活性对于生物改良、代谢工程和植物科学研究至关重要。尽管如此，之前还没有研究尝试通过优化天然转录因子的ADs来创建更强转录激活活性的人工转录因子，这仍然是一个待探索的领域。
在这项研究中，研究人员选择了两个调控花青素生物合成的R2R3-MYB类转录因子——拟南芥的AtPAP1和淫羊藿的EsMYBA1进行研究。实验表明，相较于AtPAP1，过表达EsMYBA1的株系显示出更高的花青素合成和积累量，且在调控下游类黄酮合成相关基因方面表现得更为有效。RNA-seq分析进一步确认了EsMYBA1具有更高的转录激活活性，揭示了同源MYB基因之间在转录激活强度上的差异。
随后，研究团队采用了一系列策略，包括替换转录因子的DBDs和ADs、串联重复DBDs以及ADs，构建了多种工程化转录因子。实验结果显示，串联重复ADs大幅提升了烟草植物中花青素的积累，并增强了类黄酮合成相关基因的表达，证明这种方法可以有效地增强转录因子的转录激活能力。此外，来自NAC、bHLH和EIL转录因子家族的成员在经过工程化改造后，其转录激活能力也显著优于原始的天然形式。这些发现加深了我们对转录因子转录激活机制的理解，并展示了通过串联重复ADs提升转录因子活性的普遍适用性和有效性。
图3 创制园艺作物（玫瑰、草莓、矮牵牛、番茄）新种质
总结来说，本研究提供了一种能显著增强转录因子转录激活活性的方法，同时将对下游基因的潜在负面影响降到最低，并成功创制了一批新的园艺作物种质。随着对关键转录因子的深入研究，这种增强策略不仅有助于解析转录激活效能的分子机制，还将在基础研究、合成生物学、基因工程及基因治疗等多个领域发挥重要作用，推动相关科学的发展。
华中农业大学园艺林学学院宁国贵教授为该论文的通讯作者，华中农业大学何超超博士（现为浙江省农科院博士后）、梁跃博士后（现为中国农业大学副教授）和陈润洲博士为该文共同第一作者，华中农业大学博士生李润慧，已毕业硕士研究生孙婷婷、杜星、倪晓梅，已毕业博士研究生申玉晓（现就职于河南农业大学），华中农业大学尚均忠副研究员，华中农业大学何燕红副教授，华中农业大学包满珠教授，克莱姆森大学罗宏教授，云南省农科院王继华研究员，香港浸会大学廖攀教授，华中农业大学康春颖教授，康涅狄格大学袁耀武教授也参与了本研究工作。本研究得到了国家重点研发计划项目(No: 2022YFF1003100， 20119YFD1000400)、国家自然科学基金（32202528）和现代农业产业技术体系建设（CRAS-23）的支持。
英文摘要：Abstract
Enhancing the transcriptional activation activity of transcription factors (TFs) has multiple applications in organism improvement, metabolic engineering, and other aspects of plant science, but the approaches remain unclear. Here, we used gene activation assays and genetic transformation to investigate the transcriptional activities of two MYB TFs, PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1 (AtPAP1) from Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and EsMYBA1 from Epimedium (Epimedium sagittatum), and their synthetic variants in a range of plant species from several families. Using anthocyanin biosynthesis as a convenient readout, we
discovered that homologous naturally occurring TFs showed differences in the transcriptional activation ability and that similar TFs induced large changes in the genetic program when heterologously expressed in different species. In some cases, shuffling the DNA binding domains and transcriptional activation domains (ADs) between homologous TFs led to synthetic TFs that had stronger activation potency than the original TFs. More importantly, synthetic TFs derived from MYB, NAC, bHLH, and Ethylene-insensitive3-like (EIL) family members containing tandemly repeated ADs had greatly enhanced activity compared to their natural counterparts. These findings enhance our understanding of TF activity and demonstrate that employing tandemly repeated ADs from natural TFs is a simple and widely applicable strategy to enhance the activation potency of synthetic TFs.
Keywords: Transcription factors, activation capability, DNA binding domain, C-terminal activation domains, synthetic regulators, anthocyanin
