热激转录因子 PtHSFA1b 调控三角褐指藻岩藻黄素生物合成的新发现

来自中国的研究人员针对岩藻黄素转录调控机制展开研究，发现 PtHSFA1b 可调控其合成，意义重大。

　　岩藻黄素是一种具有重要经济价值的色素，但其生物合成途径中的转录调控机制却鲜为人知。在这项研究中，研究人员通过酵母单杂交筛选，鉴定出热激转录因子 PtHSFA1b 是与 ZEP1 启动子结合的关键调节因子。功能分析显示，过表达 PtHSFA1b 显著增加了岩藻黄素的含量，而对 PtHSFA1b 进行基因编辑则导致其含量降低。进一步研究表明，PtHSFA1b 通过与 ZEP1 启动子结合并直接激活其表达，来介导岩藻黄素的生物合成。遗传学研究证实，PtHSFA1b 对岩藻黄素的调控依赖于 ZEP1 的功能。这些发现为岩藻黄素合成的转录调控提供了新的见解，为进一步探索其生物合成机制奠定了基础。

硅藻作为海洋中的初级生产者，吸收了地球 25% 以上的二氧化碳，在生态系统中发挥着至关重要的作用。而且，硅藻富含不饱和脂肪酸和岩藻黄素等生物活性化合物。岩藻黄素因其具有抗炎、抗肿瘤和减肥等多种药用特性而备受关注。鉴于其巨大的实际应用潜力，岩藻黄素的生物合成途径成为了研究热点。

岩藻黄素的合成始于异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的生成，它们是所有萜类化合物的基本组成部分。在三角褐指藻（P. tricornutum）中，这些前体通过甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径合成，这是一种不同于动物中甲羟戊酸途径的合成方式。IPP 和 DMAPP 随后结合形成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP），这是一种 20 碳的类异戊二烯化合物，该反应由牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶催化。接下来，通过一系列酶促反应，GGPP 转化为紫黄质，紫黄质是岩藻黄素的关键前体。这些反应涉及八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素去饱和酶和 ζ- 胡萝卜素去饱和酶的作用，它们引入双键并对类胡萝卜素分子进行结构修饰。岩藻黄素生物合成的最后步骤包括紫黄质的环化和修饰，以形成岩藻黄素。番茄红素环化酶和 β- 胡萝卜素羟化酶等酶在这一过程中起着关键作用，它们催化类胡萝卜素分子的重排并引入羟基，最终塑造出岩藻黄素独特的结构。尽管目前对岩藻黄素合成的生化途径已有了较为深入的了解，但对该途径的转录调控却知之甚少。

高等植物中的热激转录因子（HSFs）在调节各种生物过程中发挥着关键作用。HSFs 参与种子萌发、开花和果实发育等重要的生长发育过程。例如，在拟南芥（A. thaliana）中，HSFA9 通过调节与休眠和萌发相关的基因来调控种子萌发，而 HSFA2 对花的发育至关重要，它影响着花分生组织特征基因的表达。这些例子突显了 HSFs 在协调植物生长和发育中的核心作用。除了发育过程，HSFs 还是植物应对各种非生物胁迫（包括干旱、盐度和寒冷）的关键调节因子。尽管它们的主要功能是应对热胁迫，但也能被其他环境胁迫激活。例如，在干旱胁迫下，HSFs 调节编码渗透保护剂和抗氧化酶的基因表达，帮助植物适应恶劣的环境条件。HSFs 通常识别并结合一种被称为热激元件（HSE）的保守 DNA 序列，其共有序列为 nGAAnnTTCn。在拟南芥中，HSFA1a 与热激基因（如 Hsp18.2 和 Hsp22.0）启动子区域的 HSE 结合。在热胁迫下，HSFA1a 通过识别并与这些基因的 HSE 相互作用，激活它们的转录。此外，植物 HSFs 还可以与其他 DNA 基序结合，以调节基因表达。例如，HSFs 可以与 ABRE、DRE/CRT 和 G-box 基序相互作用，在热激基因的启动子中形成复合元件。这些复合元件能够整合多种信号通路，使得在不同的胁迫条件下，对热激基因表达的调控更加精细和灵敏。

在三角褐指藻的基因组中，热激因子（HSFs）是注释频率最高的转录因子基因家族。转录组分析显示，HSFs 在三角褐指藻的不同生长阶段存在差异表达，这表明它们参与了微藻生长的调控。此外，在氮缺乏胁迫下，HSF 家族基因也表现出显著的差异表达，这表明它们在胁迫响应中发挥着作用。之前的研究表明，PtHSF1 与 GPAT3 和 DXS 基因的启动子结合，这两个基因对脂质和岩藻黄素的合成至关重要。最近的研究发现，PtHSF3 可以与 PtMED8 结合，共同调节岩藻黄素合成途径中关键酶基因的表达，从而影响岩藻黄素的产生。然而，目前对三角褐指藻中 HSFs 的具体作用，尤其是在岩藻黄素合成中的作用，仍然了解有限。

在本研究中，研究人员通过酵母单杂交筛选，发现热激转录因子 PtHSFA1b（Phatr3_J49596）能够与 ZEP1 启动子结合。过表达 PtHSFA1b 导致三角褐指藻中岩藻黄素含量增加，而对 PtHSFA1b 进行基因编辑则使岩藻黄素水平降低，这证实了它在岩藻黄素合成中的正向调控作用。重要的是，改变 PtHSFA1b 的表达并没有影响微藻的生长，这表明 PtHSFA1b 并不直接影响微藻的生长。基因表达分析和 GUS 检测进一步表明，PtHSFA1b 可以直接激活 ZEP1 的表达。遗传学数据证实，PtHSFA1b 对岩藻黄素合成的调控依赖于 ZEP1 的功能。这项研究加深了人们对 HSF 转录因子在三角褐指藻中作用的理解，为岩藻黄素生物合成的调控机制提供了有价值的见解。

三角褐指藻（P. trichocarnutum）Bohlin（CCMP 2561）按照 Zhao 等人的方法，在 250mL 玻璃三角烧瓶中培养，每个烧瓶中装有 100mL f/2 培养基。液体培养物保持在 20±0.5°C，光照与黑暗的光周期为 16:8 小时，冷光荧光强度约为 50 μE m^-2 s^-1。每天手动搅拌液体培养物三次。三角褐指藻固体培养物在添加 1% 琼脂的 f/2 培养基上培养。培养具有不同遗传背景的三角褐指藻菌株。

近期研究强调了 ZEP1 基因在岩藻黄素合成中的重要性，但其转录调控机制尚不清楚。为了探索 ZEP1 的转录调控，研究人员首先分析了其启动子的功能区域。研究人员将 ZEP1（Phatr3_J45845）开放阅读框上游 2000bp 的区域以及四个截短片段（P1、P2、P3 和 P4，每个片段 500bp）克隆到修饰载体（pPhaT1-GUS-bsr）中，以驱动报告基因的表达。

本研究突出了 PtHSFA1b 在调控三角褐指藻岩藻黄素生物合成中的关键作用。虽然 PtHSFA1b 不影响藻类生长，但它通过激活岩藻黄素生物合成途径中的关键酶基因 ZEP1，显著影响岩藻黄素的产生。在 zep1 突变体中，过表达 PtHSFA1b 无法完全恢复岩藻黄素水平，这进一步强调了 PtHSFA1b 的调控功能对 ZEP1 功能的依赖性。

这些发现阐明了 PtHSFA1b 在三角褐指藻岩藻黄素生物合成中的具体作用。

Mange Yu：撰写初稿、方法学、调查、形式分析、数据整理。Hejing Zhao：形式分析、数据整理、概念构思。Mengjie Jin：形式分析、数据整理。Tianyu Hu：调查、数据整理。Shixia Liu：撰写 - 评审与编辑、监督。Jilin Xu：资金获取、概念构思。Xiaohui Li：撰写 - 评审与编辑、监督、概念构思。

本研究不涉及利益冲突、知情同意，也不涉及人类或动物权益问题。

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报道工作的财务利益或个人关系。

研究人员感谢法国高等师范学校生物学研究所的 Chris Bowler 教授，他慷慨地为研究人员提供了 CCMP 2561。这项工作得到了中国宁波市科技研究项目（2024Z276）、国家现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS - 49）和宁波大学研究与创新项目（IF2024044）的资助。