PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs (PIFs) are bHLH transcription factors that bind to G-box elements in the target genes to regulate their expressions downstream of phytochromes in Arabidopsis. PIF1 is a key negative regulator of light-dependent seed germination. A previous genome-wide PIF1 targeting analysis indicated that PIF1 binds 748 sites in imbibed seeds, only 59% of which possess G-box elements. This suggests the G-box is not the sole determinant of in vivo PIF1 targeting. It is possible that the targeting of PIF1 to specific sites is stabilized by PIF1-interacting Transcription Factors (PTFs) that bind other nearby sequence elements.
This study reports that PIF1 targeting sites are enriched with not only G-boxes but also with other hexameric sequence elements named G-box Coupling Elements (GCEs). One of these GCEs, GCE2 possesses an ACGT core and serves as a binding site for group A bZIP transcription factors which are known to inhibit seed germination under ABA signaling. PIF1 interacts with ABI5 and other group A bZIP transcription factors, and together they target a subset of PIF1 binding sites in vivo. Decoupling of elements by T-DNA insertion in co-targeted locus leads reduction of PIF1 binding to the target and subsequent reduction of the target gene expression. In vitro single molecule fluorescence imaging confirms that ABI5 facilitates PIF1 binding to DNA fragments possessing either multiple G-boxes or the GCE2 alone. Thus, this study demonstrates that in vivo PIF1 targeting to specific binding sites is determined by its interaction with PTFs and their binding to GCEs. Further, this study suggests that in seedlings, the DNA binding specificity of PIFs also might be determined by these mechanisms. Taken together, this study strongly suggests that the interaction between PIFs that bind to G-boxes and PTFs that bind to GCEs determines in vivo binding sites of PIFs.
파이토크롬 결합 단백질(PIFs)은 타깃 유전자 프로모터의 G-box 모티프에 결합하여 전사를 조절한다. 그 중 PIF1은 빛에 의한 종자발아를 조절하는 중요한 단백질이며 수분을 흡수한 종자에서 총 748개의 타깃에 결합하는 데 이 중 59%만이 G-box 모티프를 갖고 있다. 이 것은 결합 모티프인 G-box 만으로는 PIF1의 DNA 결합 특이성을 이해할 수 없다는 것을 의미한다. 본 연구는 PIF1이 애기장대 전체 유전자에 있는 만 개 이상의 G-box 중 어떻게 특정한 타깃에만 결합하는지, 또한 G-box가 없는 41%의 타깃에는 어떠한 방법으로 결합하는지를 알아내기 위하여 통계학적인 분석을 통해 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 일련의 실험들을 진행하였다. 요약하면, 파이토크롬 신호전달에서 중요한 역할을 수행하는 전사인자인 PIF들의 DNA 결합 특이성은 G-box에 결합하는 PIF와 G-box 커플링 요소(G-box Coupling Elements; GCEs)에 결합하는 다른 전사인자들 (PIF1-interacting Transcription Factors; PTFs) 사이의 상호작용에 의해 결정된다는 것이 본 연구의 핵심 모델이다.
