[第七章细胞信号转导]

1、植物在整个生长过程中，受到各种内外因素的植物在整个生长过程中，受到各种内外因素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。例如植物的向光性能促使植物向光线充足的方例如植物的向光性能促使植物向光线充足的方向生长，在这个过程中，首先植物体要能感受向生长，在这个过程中，首先植物体要能感受到光线，然后把相关的信息传递到有关的靶细到光线，然后把相关的信息传递到有关的靶细胞，并诱发胞内信号转导，调节基因的表达或胞，并诱发胞内信号转导，调节基因的表达或改变酶的活性，从而使细胞作出反应。这种改

2、变酶的活性，从而使细胞作出反应。这种信信息的胞间传递和胞内转导过程称为植物体内的息的胞间传递和胞内转导过程称为植物体内的信号传导信号传导（cell signal transduction)第七章 植物体细胞信号转导对于细胞信号传导的分子途径，对于细胞信号传导的分子途径，可分为四可分为四个阶段：个阶段： 1、信号分子与细胞表面受体结合、信号分子与细胞表面受体结合 2、 膜上信号转换膜上信号转换 3、胞内信号转导网络进行的信号传递、胞内信号转导网络进行的信号传递、放大及整合。放大及整合。 4、引起生理生化变化、引起生理生化变化 在植物细胞的信号反应中，已发现有在植物细胞的信号反应中，已发现有几十种

3、信号分子。按其作用范围可分为胞几十种信号分子。按其作用范围可分为胞间信号分子和胞内信号分子。间信号分子和胞内信号分子。外界环外界环 细胞膜细胞膜境刺激境刺激 cAMPcAMP PKA PKA 酪蛋酪蛋 细细 G CaG Ca2+2+ PKCa PKCa2+ 2+ 白磷白磷 胞胞胞间信号胞间信号 受体受体 蛋蛋 效应器效应器 CaMCaM 酸化酸化 反反( (第一信使第一信使) ) 白白 PKC PKC 修饰修饰 应应 IPIP3 3 CaM CaM Tyr Tyr蛋白蛋白 DG DG 结合蛋白结合蛋白 激酶激酶 膜上信号膜上信号 胞内信号胞内信号 转换系统转换系统 ( (第二信使第二信使) )

4、第一节信号与受体第一节信号与受体环境刺激：(光、温度、水分、重力、伤害、病原菌毒物、矿物质及气体） 最重要的环境刺激是光，光是光合作用的能源，光强、光质可作为信号激发受体，引起光形态建成。一、胞间信号 当环境刺激的作用位点与效应位点处在不同部位时，就必然发生信号的产生和传递。这些胞间信号（化学信号和物理信号）及某些环境刺激信号就是细胞信号转导过程中的初级信号，即第一信使（first messenger）。(一) 化学信号化学信号(chemical signals)是指细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。一般认为，植物激素是植物体主要的胞间化学信号。如当植物根系受到水分亏缺

5、胁迫时，根系细胞迅速合成脱落酸(ABA)，ABA再通过木质部蒸腾流输送到地上部分，引起叶片生长受抑和气孔导度的下降。而且ABA的合成和输出量也随水分胁迫程度的加剧而显著增加。 当植物的一张叶片被虫咬伤后，会当植物的一张叶片被虫咬伤后，会诱导本叶和其它叶产生诱导本叶和其它叶产生蛋白酶抑制物蛋白酶抑制物(PIs)(PIs)等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。如等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。如伤害后立即除去受害叶，则其它叶片不会伤害后立即除去受害叶，则其它叶片不会产生产生PIsPIs。但如果将受害叶的细胞壁水解。但如果将受害叶的细胞壁水解片段片段( (主要是寡聚糖主要是寡聚糖) )加到叶片中，又可

6、模加到叶片中，又可模拟伤害反应诱导拟伤害反应诱导PIsPIs的产生，从而认为寡的产生，从而认为寡聚糖是由受伤叶片释放并经维管束转移，聚糖是由受伤叶片释放并经维管束转移，继而诱导继而诱导PIsPIs基因活化的信号物质。基因活化的信号物质。 已知已知1,3-D葡聚糖、寡聚半乳糖醛葡聚糖、寡聚半乳糖醛酸、富含甘露糖的糖蛋白、聚氨基葡萄酸、富含甘露糖的糖蛋白、聚氨基葡萄糖糖等都是构成细胞壁的主要成分，它们等都是构成细胞壁的主要成分，它们除了具有支持细胞框架的功能外，还起除了具有支持细胞框架的功能外，还起诱导抗性和控制发育的信号作用，成为诱导抗性和控制发育的信号作用，成为引人注目的胞间信号分子。此外，一

7、些引人注目的胞间信号分子。此外，一些其他生长调节物质如壳梭孢菌素、水杨其他生长调节物质如壳梭孢菌素、水杨酸、花生四烯酸、茉莉酸、茉莉酸甲酯、酸、花生四烯酸、茉莉酸、茉莉酸甲酯、多胺类物质以及乙酰胆碱等都具有化学多胺类物质以及乙酰胆碱等都具有化学信号的功能。信号的功能。 胞间化学信号长距离传递的主要途径是韧皮部，并且可以同时向顶部和向基部传递，传递速度为0.1-1 mms-1；其次是木质部集流传递。 (二)物理信号（physical signals）：指细胞感受环境刺激后产生的具有传递信息功能的物理因子，如：电波、水力学信号等。电信号传递是植物体内长距离传递信息的一种重要方式,是植物体对外部刺激

8、的最初反应。 胞间物理信号电波长距离传递途径是维管束，短距离传递则通过共质体及质外体。敏感植物动作电波的传播速度可达200 mms-1 。 我国著名植物生理学家娄成后教授在60年代就指出：电波的信息传递在高等植物中是普遍存在的。他认为植物为了对环境变化作出反应，既需要专一的化学信号传递，也需要快速的电波传递。植物的电波研究较多的为动作电波(action potential,AP)，也叫动作电位，它是指细胞和组织中发生的相对于空间和时间的快速变化的一类生物电位。 植物中动作电波的传递仅用短暂的冲击(如机械震击、电脉冲或局部温度的升降)就可以激发出来，而且受刺激的植物没有伤害，不久便恢复原状。有人

9、测到捕虫植物的动作电位幅度为110115mV,传递速度可达630cms-1。一些敏感植物或组织(如含羞草的茎叶、攀缘植物的卷须等)，当受到外界刺激，发生运动反应(如小叶闭合下垂、卷须弯曲等)时伴有电波的传递。 怀尔登怀尔登(Wildon(Wildon) )等用番茄做实验，指等用番茄做实验，指出由子叶伤害而引起第一真叶产生出由子叶伤害而引起第一真叶产生蛋白蛋白酶抑制物酶抑制物（PIsPIs）的过程中，动作电位是）的过程中，动作电位是传播的主要方式。他们采取让电信号传播的主要方式。他们采取让电信号通过后马上就除去子叶以及使子叶叶通过后马上就除去子叶以及使子叶叶柄致冷以阻碍筛管运输、排除化学物柄致冷

10、以阻碍筛管运输、排除化学物质传递的试验，其结果都证明单有电质传递的试验，其结果都证明单有电信号就可以引起信号就可以引起PIsPIs反应，而且他们也反应，而且他们也首次证明了电信号可引起包括基因转首次证明了电信号可引起包括基因转录在内的生理生化变化。录在内的生理生化变化。植物细胞对水力学信号植物细胞对水力学信号( (压力势的变化压力势的变化) )很敏感。玉米叶片木质部压力的微小变很敏感。玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔的开度，即压化就能迅速影响叶片气孔的开度，即压力势降低时气孔开放，反之亦然。力势降低时气孔开放，反之亦然。生理现象感受的刺激相应的生理反应光诱导的种子萌发光种子萌发

11、气孔运动光、黑暗、ABA等气孔开闭运动植物向光性反应光植物向光性生长含羞草感振运动机械刺激含羞草小叶运动根的向地性生长运动重力根向地性生长光照控制植物开花光植物开花植物的春化反应低温植物开花植物叶片脱落光周期叶脱落乙烯诱导果实成熟乙烯果实成熟一些常见的植物信号转导反应一些常见的植物信号转导反应 （三）受体（三）受体（receptorreceptor）： 受体：受体：指位于细胞质膜上能特异地指位于细胞质膜上能特异地识别并结合信号物质，并能在细胞内放识别并结合信号物质，并能在细胞内放大和传递信号的物质。大和传递信号的物质。 受体的特征受体的特征:特异性特异性,高亲和力和可逆性高亲和力和可逆性 按分

12、布位置受体可分为细胞表面受按分布位置受体可分为细胞表面受体和细胞内受体。体和细胞内受体。 质膜表面有二种类型受体： 1、G蛋白连接受体 (G-protein-linked receptor) 2、 类受体蛋白激酶 (receptor -linked protein kinase)G蛋白连接受体 (G-protein-linked receptor)G蛋白偶联受体是最大的一类细胞表面蛋白偶联受体是最大的一类细胞表面受体受体.这类受体的种类很多，并在结构上这类受体的种类很多，并在结构上都很相似。都很相似。都是一条单肽链，受体的氨基端位于细都是一条单肽链，受体的氨基端位于细胞质膜外侧胞质膜外侧,一条

13、单肽链形成跨膜的一条单肽链形成跨膜的-螺螺旋旋,并且有并且有7次次螺旋跨膜区。与质膜内侧螺旋跨膜区。与质膜内侧的羧基端相连。的羧基端相连。受体分子中第受体分子中第7个跨膜螺旋是能够识别、个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位。即能结合某种特定外来化学信号的部位。G蛋白偶联受体与G蛋白类受体蛋白激酶植物细胞中的类受体蛋白激酶由三部分组成, 即胞外结构域、跨膜区域和胞内的蛋白激酶区域。当胞外区域与信号分子结合时，激活胞内的激酶，将下游组分（靶蛋白）磷酸化而传递信号。第二节 跨膜信号转换(Transmenbrane transduction) 信号与细胞表面受体结合之后，通过受体将

14、信号转导进入细胞，这个过程称为跨膜信号转导。 （一）G蛋白连接受体发生的跨膜信号转换 G蛋白：GTP结合调节蛋白（GTP binding regulatory protein ），此类蛋白生理活性有赖于三磷酸鸟苷(GTP)的结合以及具有GTP水解酶的活性。 二十世纪70年代初在动物细胞中发现了G蛋白的存在，进而证明了G蛋白是细胞膜受体与其所调节的相应生理过程之间的主要信号转导者。G蛋白的信号偶联功能是靠GTP的结合或水解产生的变构作用完成。当G蛋白与受体结合而被激活时，继而触发效应器，把胞间信号转换成胞内信号。而当GTP水解为GDP后，G蛋白就回到原初构象，失去转换信号的功能。 G蛋白的发现是

15、生物学一大成就。吉尔曼(Gilman)与罗德贝尔(Rodbell)因此获得1994年诺贝尔医学生理奖。 植物G蛋白的研究始于80年代，并已证明G蛋白在高等植物中的普遍存在，也证明它在光、植物激素对植物的生理效应、在跨膜离子运输、气孔运动、植物形态建成（细胞分裂、花粉管生长）等生理活动的细胞信号转导过程中都有重要调节作用。细胞内的G蛋白一般分为两大类：一类是由三种亚基(、)构成的异源三聚体GTP结合蛋白，另一类是只含有一个亚基的单体小G蛋白。 异源三聚体G蛋白 在活细胞内由三种不同亚基（、）构成的异源三聚体G蛋白位于内膜内侧，依赖自身的活化和非活化状态循环实现跨膜信号转换。 小G蛋白与异源三体G

16、蛋白亚基有许多相似之处。它们都能结合GTP或GDP，结合了GTP之后都呈活化态，可以启动不同的信号转导。 G蛋白偶联的胞外信号转导过程：当无外界刺激时，异三聚体G蛋白处于非活化状态，以三聚体形式存在，亚基上结合着GDP，此时其上游的受体和下游的效应酶均无活性。当细胞接受外界信息后，信号分子与膜上的受体（非激活型）结合后引起受体构象改变，形成激活型受体。激活型的受体可与G蛋白的亚基结合，并引起亚基构象改变，释放GDP，结合GTP，形成激活型的亚基。活化的亚基进一步与亚基复合体解离，并与下游的靶效应器结合，包括PLC、腺苷酸环化酶、离子通道等，将信号传递下去。当亚基把信号传递给下游组份后，其上的G

17、TP酶活性使结合的GTP水解为GDP，亚基恢复最初构象，成为非激活型，并与下游靶效应器分离。亚基重新与亚基复合体结合，完成一次信号的跨膜转换。 刺激信号与膜受体结合 受体激活 信号传递给G蛋白 -亚基与GTP结合而活化 活化的-亚基呈游离状态 触发效应器，把胞外信号转换成内胞信号。G蛋白介导的蛋白介导的跨膜信号转换跨膜信号转换还可同时起放还可同时起放大信号的作用。大信号的作用。即每个与信号即每个与信号分子结合的受分子结合的受体可可以激活体可可以激活多个多个G蛋白，蛋白，G蛋白又可激活蛋白又可激活下游组分并进下游组分并进一步放大信号。一步放大信号。G蛋白自身的活化和非活化作为一种分子开关，将膜外

18、的信号转换为膜内的信号并进一步放大信号！（二）二元组分系统的跨膜信号转换途径two-component system首先是在细菌中发现的，受体有两个基本的部分，一个是组氨酸蛋白激酶（His protein kinase，HK），另一个是应答调控蛋白（response-regulator protein，RR）。 HK位于质膜，分为感受细胞外刺激部分和激酶部分。当HK接受信号后，激酶的组氨酸残基发生磷酸化，并且将磷酸基团传递给下游的RR。RR也有两个部分，一是接受磷酸基团的部分，具有天冬氨酸残基，另一部分为信号输出部分，将信号传递给下游的组分，通常是转录因子，调控基因的表达。现已明确，植物激素乙

19、烯（见第八章）的受体就是一个HK （三）受体激酶类受体蛋白激酶（RLK） 属于丝氨酸/苏氨酸激酶类型,由胞外结构区（extracellular domain）、跨膜螺旋区（membrane spanning helix domain）及胞内蛋白激酶催化区（ intracellular protein kinase catalytic domain）三部分组成。 第三节 细胞内信号转导形成网络在植物的生长发育的某一阶段，常常是多种刺激同时作用。这样，复杂而多样的信号系统之间存在着相互作用，形成信号转导的网络（network）,也有人将这种相互作用称作“交谈（cross talk）”。通常将胞外信

20、号视为初级 信 号 （ p r i m a r y signal），经过跨膜转换之后，进入细胞，还要通过细胞内的信号分子 或 第 二 信 使 （secondary messenger）并通过相应的胞内信使系统将信号级联放大，引起细胞最终的生理反应一、第二信使（second messenger） 又称次级信使，是指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞内信号分子，从而将细胞外信息转换为细胞内信息。一般公认的细胞内第二信使有钙离子（Ca2+）、肌醇三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate，IP3）、二酰甘油（1,2-Diacylglycerol，DG）、环腺苷酸（cAMP

21、）、环鸟苷酸（cGMP）等。随着细胞信号转导研究的深入，人们发现NO、H2O2、花生四烯酸、环ADP核糖（cADPR）、IP4、IP5、IP6等胞内成分在细胞特定的信号转导过程中也可充当第二信使。 钙信使系统是植物细胞中重要的也是研究最多的胞内信使系统。20世纪60年代末期美籍华人张槐耀关于钙信使系统中的重要环节因子Ca2+的多功能受体蛋白钙调素（CaM）的发现，对于细胞内的钙信使系统的建立具有实质性的贡献。（一）（一）Ca2+/CaM在信号转导在信号转导中的作用中的作用胞内钙梯度的存在是Ca2+信号产生的基础。正常情况下植物细胞质中游离的静息态Ca2+水平为10-7 10-6 mol/L左右

22、，而液泡的游离钙离子水平在10-3mol/L左右，内质网中钙离子浓度在10-6mol/L，细胞壁中的钙离子浓度也高达10-510-3mol/L。因而细胞壁等质外体作为胞外钙库，内质网、线粒体和液泡作为胞内钙库。静止状态下这些梯度的分布是相对稳定的，当受到刺激时，钙离子跨膜运转调节细胞内的钙稳态（calcium homeostasis），从而产生钙信号。Ca2信号的产生和终止表现在胞质中游离Ca2浓度（Ca2c）的升高和降低。由于在胞内、外Ca2库与胞质中Ca2存在很大的浓度差，当细胞受到外界刺激时，钙离子可以通过胞内、外Ca2+库膜上的Ca2+通道由钙库进入细胞，引起胞质中游离Ca2+浓度大幅

23、度升高，产生钙信号。钙信号产生后作用于下游的调控元件（钙调节蛋白等）将信号进一步向下传递，引起相应的生理生化反应。当Ca2作为第二信使完成信号传递后，胞质中的Ca2+又可通过钙库膜上的钙泵或Ca2+H+转运体将Ca2+运回到Ca2+库（质膜外或细胞内Ca2库），胞质中游离Ca2+浓度恢复到原来的静息态水平，同时Ca2+也与受体蛋白分离，信号终止，完成一次完整的信号转导过程。 Ca2在众多的植物刺激反应中作为第二信使，几乎所有不同的胞外刺激信号，如光、触摸、重力、植物激素、病原菌等，都能引起胞内游离钙离子浓度(Ca2+)短暂的、明显升高，或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。 钙浓度变化信号可能有

24、如下两种模式不同的胞外刺激起反应，而最终导致对特定刺激的特定生理效应。一种是钙信号本身具有特异性，特异性的钙离子变化决定生理反应的特异性。另一种是钙信号产生后通过下游的不同信号转导因子决定反应的特异性。钙信号的特异性构成钙指纹的信息有钙峰、钙波、钙振荡和钙信号的空间定位等不同的刺激可以反映在钙峰峰值的高低及出现钙峰的早晚、钙振荡的振幅和频率以及钙振荡的形状（正弦型、钉型或不对称型等）、钙波的形状和形式、钙信号产生的细胞内局部空间定位等。 第一种模式：细胞能对某一种刺激产生独特的Ca2+时空特异性变化方式，称为钙指纹（Ca2+ signature）。第二种模式：钙信号产生后可以通过下游相应的钙受

25、体蛋白产生不同的生理效应。钙调素（calmodulin, CaM）是最重要的钙受体蛋白。它是一种由148个氨基酸组成的耐热、耐酸性的小分子可溶性球蛋白，等电点4.0，相对分子量约为16.7kDa。CaM与Ca2+有很高的亲和力，每个CaM分子有4个Ca2结合位点，可以与1-4个Ca2+结合。CaM的作用方式：（1）直接与靶酶结合，诱导靶酶的活性构象而调节它们的活性，如NAD 激酶、 Ca2+ -ATP激酶等； （2）与Ca2+结合，形成活化态的Ca2+CaM复合体，然后再与靶酶结合将靶酶激活，这种方式在钙信号传递中起主要作用。 CaM的三维结构 除了CaM外，植物细胞中Ca2+信号也可以直接作

26、用于其它的钙结合蛋白，研究最多的钙依赖型蛋白激酶（calcium dependent protein kinase ，CDPK）， （二）肌醇磷脂信号系统 肌醇磷脂（inositol phospholopid）是细胞膜的基本组成成分。主要分布于质膜内侧，其总量约在膜磷脂总量的10。质膜中有三种肌醇磷脂：磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰肌醇 4 磷酸（PIP）、磷脂酰肌醇 4，5 二磷酸（PIP2）。 肌醇磷脂信使系统是植物细胞信号转导中的另一种重要的胞内信使系统，其发现细胞信号转导研究史上是继cAMP、钙调素发现以来的第三个里程碑。在磷脂酶C（PLC）的作用下PIP2可以水解产生三磷酸肌醇（IP3）

27、和二酯酰甘油（diacylglycerol，DAG）两种胞内第二信使。产生的IP3和DAG可以分别通过IP3Ca2+和DAGPKC两个信号途径进一步传递信号，因此人们常把肌醇磷脂信使途径称之为“双信使途径”。IP3和DAG完成信号传递后经过肌醇磷脂循环可以重新合成PIP2，实现PIP2的更新合成。IP3/ Ca2+信号传递途径IP3是水溶性的，它可从质膜扩散到胞质溶胶，以后与内质网膜或液泡膜上的IP3-门（gated）Ca2+通道结合，就使通道打开。液泡Ca2+浓度高，Ca2+就顺着浓度梯度由液泡迅速地释放出来，增加胞质Ca2+浓度，于是引起生理反应。这种IP3促使胞库释放Ca2+， 增加胞质

28、Ca2+的信号转导， 称为IP3/ Ca2+信号传递途径。DAG/PKC信号传递途径DAG是脂类，它仍留在质膜上，与蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）结合并使之激活。PKC进一步使其它激酶（如G蛋白、磷脂酶C等）磷酸化，调节细胞的繁殖和分化。这种DAG激活PCK，再使其它蛋白激酶磷酸化的过程，称为DAG/PKC信号传递途径。这一途径是否存在于植物细胞还不清楚。 磷脂酰肌醇途径（双信使途径）IP3和DG的作用 PIP2更新合成cAMP信号系统传递模型 cAMPcAMP系统系统是存在于是存在于动物细胞动物细胞信号转导信号转导系统，在系统，在植物细胞植物细胞中尚未发中尚未发现。现。二、 蛋白质可逆磷酸化在信号转导过程中，蛋白质的可逆磷酸化是生物体内的一种普遍的翻译后修饰方式。蛋白质磷酸化与脱磷酸化分别由蛋白激酶（protein kinase ，PK）和蛋白磷酸酶（protein ph