绿色革命基因DELLA蛋白的功能解析与调控机制：植物生长调控的分子枢纽

这篇综述系统阐述了DELLA蛋白作为植物生长核心调控因子的分子机制与进化历程。文章详细解析了DELLA蛋白通过GA-GID1-SCFSLY1/GID2通路被泛素化降解的调控机制，及其作为转录调控枢纽（transcriptional hub）整合多种信号通路的分子基础。特别强调了DELLA蛋白通过GRAS结构域与数百个转录因子互作，并招募MED复合物或PRC2/HDAC复合物分别激活或抑制靶基因表达的创新发现。

　　

DELLA蛋白的功能分析与调控机制

DELLA蛋白与绿色革命

DELLA蛋白因其在绿色革命半矮秆作物育种中的关键作用而闻名。这些核定位的转录调控因子不仅作为赤霉素（GA）信号通路的抑制因子，更是植物协调多种信号通路的中心枢纽。通过遗传学、基因组学、生物化学和结构生物学研究，科学家们已经揭示了DELLA蛋白功能域及其分子作用机制的重要进展。

GA-GID1-DELLA调控模块

2.1 DELLA蛋白作为赤霉素信号抑制因子的历史发现

正向遗传学筛选发现了GA信号组分，其中DELLA功能获得性突变体表现出典型的深绿色矮化表型。拟南芥基因组包含五个DELLA基因：RGA、GAI、RGL1、RGL2和RGL3，它们在不同发育过程中发挥特异性功能。

2.2 依赖SCF^SLY1/GID2 E3连接酶的GA-GID1依赖性DELLA降解

GA通过结合其核受体GID1，触发DELLA蛋白通过26S蛋白酶体的快速降解。结构研究表明，GA作为GID1的变构诱导剂，结合后引起N-Ex结构域的构象变化，为DELLA结构域结合创造疏水表面。DELLA结构域中的三个保守基序（DELLA、LExLE和VHYNP）直接与GID1接触，稳定GA-GID1-DELLA复合物。

2.3 DELLA蛋白作为转录调控因子的早期证据

DELLA蛋白虽然缺乏典型DNA结合域，但能快速调节基因转录。染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）显示DELLA与数百个基因座结合，表明其广泛的转录调控作用。研究发现DELLA通过结合bHLH转录因子PIF3和PIF4的DNA结合域，阻止其与靶染色质结合。

2.4 通过遗传、生化和结构分析鉴定DELLA功能基序

DELLA结构域不仅对GID1结合和GA-GID1依赖性降解至关重要，还具有转录激活活性。GRAS结构域包含五个保守亚结构域（LHR1、VHIID、LHR2、PFYRE和SAW），是蛋白质-蛋白质相互作用的枢纽。特别是PFYRE亚结构域通过结合组蛋白H2A，稳定TF-DELLA-H2A复合物在靶染色质上的结合。

2.5 DELLA蛋白在陆地植物中的保守性和早于GA的存在

系统发育分析表明DELLA蛋白存在于所有陆地植物中，但在非维管植物中缺乏完整的GA信号组分。有趣的是，尽管苔藓植物缺乏GID1基因，但其DELLA蛋白的N端结构域仍能激活转录。

DELLA蛋白的功能和作用机制

3.1 DELLA介导的转录调控机制

DELLA既可作为转录共激活因子，通过其DELLA结构域中的9-氨基酸转录激活域招募MED复合物；也可作为转录共抑制因子，通过招募PRC2和HDA702复合物抑制基因表达。DELLA还能通过隔离转录辅激活因子如EDS1来防止靶基因的过度激活。

3.2 DELLA的非基因组作用

DELLA可通过干扰皮层微管组装抑制细胞伸长，还能在种子萌发前通过隔离叶绿体输入受体TOC159阻止叶绿体发育。

3.3 生物背景下的DELLA：种子萌发和开花时间的调控

在种子萌发调控中，RGL2通过多种机制发挥作用：作为转录共激活因子促进ABA信号激活因子ABI5的表达；作为转录抑制因子抑制GA生物合成基因表达。在开花时间调控中，DELLA通过抑制开花整合基因FT和SOC1的表达来延迟开花。

3.4 DELLA作用的进化视角

研究表明DELLA作为转录枢纽的功能在进化上是保守的。在苔藓植物中，DELLA通过协调生长速率和抗逆性来应对环境胁迫，这可能是其祖先功能。

GA-GID1非依赖的DELLA活性和水平的翻译后调控机制

4.1 DELLA的GA非依赖性泛素化

除GA-GID1通路外，植物还利用其他途径调控DELLA水平。COP1-SPA复合物在遮荫或温暖温度下直接靶向降解DELLA；FKF1通过促进DELLA泛素化修饰调节其昼夜节律水平；低氮条件下，独脚金内酯通过D14受体和F-box蛋白D3触发SLR1降解。

4.2 SUMO化稳定DELLA

SUMO化修饰通过OTS1/2 SUMO蛋白酶可逆地调节DELLA稳定性。盐胁迫下，OTS1/2快速降解导致SUMO化DELLA积累，隔离GID1受体，从而抑制GA响应。

4.3 SEC和SPY介导的O-GlcNAc化和O-岩藻糖基化

研究发现SPY是蛋白质O-岩藻糖基转移酶，而SEC是O-GlcNAc转移酶。这两种不同的O-糖基化修饰通过改变DELLA构象，分别增强或减弱其与转录因子的结合能力。

4.4 磷酸化和去磷酸化

磷酸化在调节DELLA功能中的作用尚存争议。有研究表明磷酸化可能通过影响DELLA与组蛋白H2A的结合来调节其活性。

总结与展望

尽管过去15年对DELLA蛋白功能分子机制的研究取得了显著进展，但仍有许多重要问题有待解答。未来研究需要结合结构/功能分析和单细胞组学等方法，深入探索DELLA在不同组织/细胞类型中的特异性功能，以及其与众多不同蛋白质相互作用的分子基础。这些研究将为我们理解植物如何整合环境信号与发育程序提供新的见解。