1.基因信息

Locus：AT1G66340

Name：ETR1（ETHYLENE RESPONSE 1）

Other Name：ATETR1, EIN1（ETHYLENE INSENSITIVE 1）,RDO3 （REDUCED DORMANCY 3）

2.基因功能

乙烯作为一种重要的气体植物激素参与了众多发育过程和应激响应，但是植物如何识别和响应乙烯仍不清楚。当时的科学家运用拟南芥黄化苗的三重反应(The triple response)作为一个典型的乙烯反应^[1]，进行相关突变体的筛选，结合遗传分析和生物化学手段建立了系统的乙烯响应信号通路，其中处于信号通路最上游的乙烯信号受体，很巧合也是第一个被发现和命名的乙烯不敏感突变体，正是今天的主角ETHYLENE RESPONSE1（后简称ETR1），也被命名为ETHYLENE INSENSITIVE 1（EIN1）。于1988年，Science杂志发表了来自ANTHONY B. BLEECKER等的一篇文章，这篇文章通过使用模式植物拟南芥进行遗传筛选获得了一个乙烯处理不响应突变体etr1-1 ,该结果也荣登当期Science杂志的封面^[2]。在本文中，BLEECKER等鉴定到了一个乙烯响应缺失突变体etr1-1，其表型表现出，在杂合的etr1-1/ETR1后代中表现出典型的乙烯不敏感表型，在暗中乙烯处理下具有长下胚轴表型。而且etr1-1/ETR1的成苗表现出晚花和晚衰的表型，种子也表现出萌发障碍（以此也被命名为REDUCED DORMANCY 3）。因此etr1-1是一个典型的乙烯不敏感突变体，而且其在杂合子中便可以表现出表型，因此是一个显性功能缺失突变体（dominant negative mutation）。乙烯合成量在etr1-1中并没有明显的下调，说明etr1-1并不是一个影响乙烯合成的突变体。随后的乙烯结合测定实验也表明，etr1-1结合乙烯的能力只有野生型的1/5左右，因此ETR1被认为是结合乙烯的重要元件。

为了进一步定位etr1-1所编码的基因，BLEECKER来到了植物学界泰斗 Elliot Meyerowitz的实验室。此时Elliot Meyerowitz实验室的博士研究生Caren Chang建立了一套成熟的基因mapping的策略（染色体步移chromosome walking）,最终成功定位到了ETR1基因^[3]。ETR1基因编码的蛋白质在N端含有一个组氨酸激酶类似的跨膜结构域，和一个预测的反应调节结构域在C末端。所谓结构决定功能，这一个氨基酸序列高度类似于原核生物中参与信号转导功能的蛋白，这也为ETR1结合乙烯参与乙烯信号转导提供了生化基础。

图1（左）Science cover picture VOL.241 August 261988  图2（右）etr1-1转基因株系的乙烯反应表型

3.突变体信息

 ETR1基因的突变体主要为显性功能缺失突变体，包括etr1-1 ，etr1-2，etr1-4等。而etr1-5，etr1-6，etr1-7，etr1-8是作为etr1-1，etr1-2等的抑制子被筛选出来的，是ETR1基因内的功能缺失突变体^[4]。

图3.ETR1基因内突变抑制了etr1-1的显性乙烯不敏感表型

在国内拟南芥突变体共享中心AraShare中有etr1-1，NASCode为AS001，可通过www.arashare.cn征订，一周左右可送达。

4.基因表达谱

图4.拟南芥中ETR1基因表达谱（来自eFP browser）

5.研究概况

ETR1基因是乙烯信号通路重要的组成部分，遗传和生物化学实验都表明ETR1处于信号通路的上游。自从ETR1通过遗传筛选被鉴定到，关于ETR1相关的受体家族的鉴定和ETR1蛋白自身功能的研究便成为研究热点。

在1995年，BLEECKER实验室发现ETR1蛋白的在体内可能形成二聚体形式，主要依赖于第四位和第六位的半胱氨酸^[9]。

在1995年与1998年，Elliot M. Meyerowitz接连在Science，PNAS与Plant Cell上发表了通过正向遗传学和同源序列文库筛选又鉴定到了乙烯受体家族的其它几个成员。因此乙烯受体家族一共有五个成员，包括ETR1，ETR，ERS1，ERS2，EIN4[4-8]。

1999年，BLEECKER实验室发现铜离子参与到了ETR1蛋白感受乙烯的过程中。过渡元素铜离子作为辅因子与ETR1蛋白N末端结合，使得ETR1蛋白与乙烯气体分子亲和性发生变化。因此在etr1-1中，点突变形式的ETR1蛋白不能结合铜离子，直接导致受体家族与乙烯分子亲和力下降，无法识别和转导乙烯信号。乙烯受体家族成员众多，功能重要，研究者一直没能获得功能缺失突变体，因此受体家族的功能一直很难获得确认。这一研究解释了为什么etr1-1会是一个显性的功能缺失突变体，从生化机制上揭示了受体家族的功能，十分重要^[10]。

2002年，G. Eric Schaller实验室（BLEECKER的学生）采用蔗糖梯度离心和免疫电镜等技术终于确认了ETR1蛋白定位于内质网上。而且这一定位主要依赖于N端的跨膜域，同时乙烯结合并不会影响其定位^[11]。

6.基因网络

如图所示，STRING预测的与ETR1有互作的蛋白网络。其中CTR1，EIN2,EBF1/2,EIN3 均处于乙烯信号通路中，遗传上表明位于ETR1的下游。而RTE1在2006年通过遗传筛选被认为是etr2-1的基因外抑制子，具体机制暂不清楚。而AHP1是细胞分裂素信号通路中的正调因子，也定位于内质网上（这一方面的研究详见参考文献^[12]）。

7.其他物种研究情况简介

ETR1作为植物学领域中被广泛研究的基因，是由于其重要的功能和保守的作用。在2005年，Bleecker实验室证明五类乙烯受体，在不同物种之间均具有高亲和的乙烯结合能力，暗示了极大的应用潜力^[13]。

8.展望

ETR1基因早在1988年就被筛选获得，随后的基因鉴定，功能研究，生化基础都逐渐解释了他是如何作为乙烯受体发挥作用的，但是仍然存在许多谜团。比如仍然需要更进一步地研究ETR1蛋白是如何感受乙烯气体分子的呢？此外，乙烯受体家族的五个蛋白都具有亲和乙烯的能力，那么它们之间的关系和功能是怎么样分配的呢？ETR1蛋白的功能又是如何被调控的呢？重要的科学问题总是一环套一环的，感谢一代又一代的科学家们智慧的结晶给我们带来这个世界的真相。

参考文献：

【1】Guzmán P, Ecker JR. Exploiting the triple response of Arabidopsis to identify ethylene-related mutants. Guzmán P, Ecker JR. Exploiting the triple response of Arabidopsis to identify ethylene-related mutants. Plant Cell. 1990;2(6):513-523.

【2】Bleecker AB, Estelle MA, Somerville C, Kende H. Insensitivity to ethylene conferred by a dominant mutation in Arabidopsis thaliana.Science.1988;241(4869):1086-1089.

【3】Chang, C., Kwok, S. F., Bleecker, A. B.,& Meyerowitz, E. M. (1993). Arabidopsis ethylene-response gene ETR1: similarity of product to two-component regulators. Science, 262(5133), 539-544.

【4】Hua J, Meyerowitz EM. Ethylene responses are negatively regulated by a receptor gene family in Arabidopsis thaliana. Cell. 1998;94(2):261-271.

【5】Hua J, Chang C, Sun Q, Meyerowitz EM. Ethylene insensitivity conferred by Arabidopsis ERS gene. Science. 1995;269(5231):1712-1714.

【6】 Hua J, Sakai H, Nourizadeh S, et al. EIN4 and ERS2 are members of the putative ethylene receptor gene family in Arabidopsis. Plant Cell. 1998;10(8):1321-1332. doi:10.1105/tpc.10.8.1321

【7】Two-component signaling elements in the Arabidopsis growth recovery response to ethylene

【8】Sakai H, Hua J, Chen QG, et al. ETR2 is an ETR1-like gene involved in ethylene signaling in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998;95(10):5812-5817.

【9】Schaller GE, Ladd AN, Lanahan MB, Spanbauer JM, Bleecker AB. The ethylene response mediator ETR1 from Arabidopsis forms a disulfide-linked dimer. J Biol Chem. 1995;270(21):12526-12530.

【10】Rodríguez FI, Esch JJ, Hall AE, Binder BM, Schaller GE, Bleecker AB. A copper cofactor for the ethylene receptor ETR1 from Arabidopsis. Science. 1999;283(5404):996-998.

【11】Chen YF, Randlett MD, Findell JL, Schaller GE. Localization of the ethylene receptor ETR1 to the endoplasmic reticulum of Arabidopsis. J Biol Chem. 2002;277(22):19861-19866.

【12】Binder BM, Kim HJ, Mathews DE, Hutchison CE, Kieber JJ, Schaller GE. A role for two-component signaling elements in the Arabidopsisgrowth recovery response to ethylene. Plant Direct. 2018;2(5):e00058.

【13】O'Malley RC, Rodriguez FI, Esch JJ, et al. Ethylene-binding activity, gene expression levels, and receptor system output for ethylene receptor family members from Arabidopsis and tomato. Plant J. 2005;41(5):651-659.

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