植物中异三体G蛋白结构与功能

1、植物中异三体G蛋白结构与功能DOI：10.14088/jki.issn0439-8114.2017.20.002： The study on the structure and function of Heterotrimeric G proteins in plants was reviewed. The protein types and subunit structure were summed up ， and the biochemical functions ， involving signaling pathways ， and participant plant hormone

2、 signal regulation of the protein were summarized.异三体G蛋白是一类信号介导蛋白，可将跨膜受体的信号传 递到下游的靶蛋白， 该种信号分子已根据动物信号分子模型被模 拟出来，但在植物中有着不同的进化途径，且具有高度保守性， 所包含的a、B和丫亚基中的cDNAs和基因都已经从多种植物 中分离鉴定出来。 目前尚鲜见在植物中发现该种蛋白的合适配体 的报道，且植物中编码该蛋白基因数目有限。植物异三体G蛋白的研究成为植物学研究领域的一项重要课题1。G蛋白作为一个分子开关，转导来自G蛋白偶联受体所接受的信号，激活相应的效应器，产生第二信使，引起胞内相应生物反

3、应(图1 )2 。水稻( Oryza sativa )缺少由反义法和水稻突变体所组成的 a 亚基，在 a 亚基基因中发现了 Daikoku d1 的突变体，使这两种 植物都表现出了不正常的形态，如植株矮小、颜色深绿、大量的 外侧根和小圆形的种子。植物异三体G蛋白能调节植物种子萌 发、幼苗生长发育、植物生殖相关过程之外，还能参与植物多种 信号的调控，研究者迫切需要了解异三体 G蛋白在植物中的功能 信息。本研究主要从结构与功能方面进行了综述， 旨在为异三体 G蛋白研究提供参考。1植物中异三体G蛋白的亚基与在高等植物中呈现的种类1.1植物中异三体G蛋白的亚基植物异三体G蛋白的a亚基的cDNAs和基因

4、已经被分离出 来，是根据哺乳类物种亚基的同源序列从拟南芥( Arabidopsis thaliana )、燕麦( Avena sativa L. )、番茄( Solanum lycopersicum )、大豆(Glycine maX、梨(Ananas comosus)、 皱叶烟草 ( Nicotiana plumbaginifolia Viv. )、菠菜( Spinacia oleracea Linn. )和百脉根( Lotus corniculatus L. )中分 ?x 得到3， 4 。拟南芥基因组、水稻基因组中只发现了 1 种标准的 G况基因，分别命名为 AtGPAI和RGA1且在拟南芥

5、中还有 3种 非经典的特大号 a亚基(XLG1 XLG2和XLG3 5，并预测了 cDNAs和基因所包含序列编码的所有蛋白质的氨基酸序列，且 cDNAs和基因相似于这样的功能区域，女口1个十四烷基化位点、4个GTP/GDP吉合位点、1个霍乱毒素结合位点、3个效应器结 合位点和 1 个受体结合位点区域，这些位点在哺乳类物种的 a 亚基中都能识别。 某些效应器的结合位点的序列在植物、 动物和 酵母菌中具有高度保守性， 表明在生物体中某些效应器可能与另 一种效应器相似。与此相反，在受体结合区域的序列中，生物体显示出了较低水平的识别能力， 说明生物体中的受体分子与另一 种受体分子是完全不同的。在哺乳类

6、物种中，三体G蛋白的GTP与GDP之间互换调控亚基-a亚基，源于植物 CDNAS的a亚基 的重组蛋白显示出了与 GTPase和 GTPy S相结合的活动区，说明 cDNAs所编码的a亚基与哺乳类物种编码的亚基相似 6。B、Y亚基尽管是2个不同的基因产物，但在自然状态下，B和Y亚基非共价紧密结合形成1个紧密结合的蛋白质复合体， 只有在变性的条件下才能解离7。而由cDNAs和基因所编码的B 亚基已经从较多的植物种类中分离出来，这些植物种类包括 拟南芥、水稻、玉米（Zea mays）、燕麦、烟草，在拟南芥中只 得到1种B亚基（AGB1 ,所编码的蛋白质有两种特殊的结构， 即1个N-末端序列和7个重复

7、的 WD-40重复序列，这些序列在 哺乳类物种的B亚基中可被观察到。N-末端部分被认为是以一 种卷曲螺旋结构与 a亚基相互作用，WD-40重复体则形成了 1 种特殊功能蛋白并与效应器分子相互作用。研究指出由cDNA编码的两种典型的丫亚基从拟南芥中分离 得到AGG1和AGG2与人类的12种丫亚基仅有20%的相似性（表 1）,这两种Y亚基的氨基酸序列表现出了哺乳类物种Y亚基的典型特征，即有2个特定的功能性区域，1个是N-末端的a 螺旋区域能够形成1个与Y亚基相互作用的卷曲螺旋结构，另 一个是C-末端的CAAX2域，能够指导异丙基的修正。在拟南芥 中还有一种非典型的 y亚基（AGG3，其C端不像动物

8、Gy那样有助于结合在细胞膜上的异戊二烯的基序上 8 ，一般认为， 植物的是Gy亚基由3个区域组成，1个可变的N末端，与典型 的Gy具有咼度相似性，C端结构域富有半胱氨酸。一种类型是 原型的Gy,蛋白较小，C端有CaaX的异戊二烯的基序，或者 C 端富含半胱氨酸；另一种类型也是原型的Gy,蛋白较小，但C端没有CaaX的异戊二烯的基序，或着 C末端富含半胱氨酸9。 1.2在高等植物中G蛋白呈现的种类根据亚基的组成及分子量大小， 可将参与信号转到的 G蛋白 分为异三体 G蛋白、小G蛋白和超大 G蛋白（XLG 10。植物小G蛋白有一条多肽链构成，分子质量较小，一般为2030 ku。根据功能不同可分为

9、5个亚家族，包括 Ras、Rho Rad、Arf和Ran,其各种亚家族蛋白的细胞中都起着不同的功能 作用。研究者利用各种技术分离出几十种小G蛋白，其中豌豆有13种、拟南芥有12种。这些小G蛋白的调节方式和生理作用在 植物中保守存在 11 。在拟南芥中鉴定到了 3个超大G蛋白基因，在水稻中鉴定到 了 4个。这些XLG基因编码的蛋白通常是普通 G蛋白的2倍大， 其C端与植物G蛋白GPA啲同源性约为50%其N端富含色氨 酸，且具有核定位位点，但尚未发现XLG与 G蛋白亚基发生作用 的证据，其功能有待深入研究 12 。2植物异三体G蛋白的位置、生物化学功能2.1异三体G蛋白在植物细胞中的位置在拟南芥、

10、水稻和烟草研究中，证明a和B亚基可分布于 细胞膜上。其合理性是因为在细胞膜中， 异三体G蛋白必须与受 体分子相互作用。 除了分布在细胞膜上之外， 也发现在拟南芥的 内质网中存在a亚基，在烟草植物的纯细胞核中存在B亚基。在哺乳类物种中，一些异三体G蛋白参与调控膜泡运输，另一些 则与核膜和细胞骨架联系紧密。在番茄中发现具有功能特征的 B 型Gy亚基（SIGGB1 , SIGGB1是番茄中含量最丰富的亚基且 与GB亚基相互作用。研究还发现，绿色荧光蛋白-SIGGB1融合蛋白与羧基末端的黄色荧光蛋白一样， 氨基末端的黄色荧光蛋白 -GB异戊二聚体分布于质膜、细胞核和细胞质中13。2.2植物中异三体G蛋

11、白亚基的生物化学功能异三体G蛋白在植物中主要起调控离子通道和细胞增殖的 作用，体内试验研究表明，在番茄中，异三体G蛋白的a亚基激活了细胞膜上的钙离子通道， 此类钙离子活动的调控被认为与 诱导因子信号有关联。固有的 GTPase激活Ga亚基水解GTP使 得G况和GB y二聚体将信号传递到特殊的受体分子，Ga亚基和GB y二聚体回到异三体的非活性状态，这种能回到基本状态的方式是通过G蛋白信号的多重调节器来实现的14。在拟南芥 中， GB 无效突变体 agb1 使其下胚轴、叶片、叶柄、花、果实 和种子在长度上明显缩短，在相似的水平上使宽度有所增加 15 。无效突变体 agb1 可使拟南芥生长出更多的

12、花朵，GB 的异位表达使水稻的叶片变长 16 ，缺乏 Ga 和 GB 突变体会使水稻发牙组织中的细胞变小，因此，Ga和GB突变体减弱了细胞增殖使得水稻的器官变短17。在植物种子中有三种类型的 Gy 亚基，是通过亚基的结构领域和脂类修改位点来进行分类的， A 类型的Gy亚基在C末端有一个异戊酰化位点，而 B类型的Gy 亚基缺乏这样位点，C类型的Gy亚基有一个跨膜转运区和一个 胞外富含半胱氨酸区域18，在拟南芥中GB与非典型的C类Gy 协同作用于牙的发育过程。 在水稻发育过程中， 缺乏等位基因的 RGG1 RGG2或 OsGGC对G蛋白有所影响。3植物中异三体G蛋白所涉及的信号通路尽管植物中G蛋白

13、受体信号看似简单，但在植物性状中表现 得尤为复杂。在离子通道中 G蛋白a亚基触发Ca2+信号通道， 介导细胞对寒冷的耐受性。G蛋白还能调控种子萌发、光响应、对糖的敏感性、细胞分裂和增殖、上皮组织发育、耐压能力、对 植物激素脱落酸、赤霉素等生长素的反应 19 。在植物中，作为 功能分子的G况亚基和GB y二聚体被自由激活，与动物的 G况 相比，植物Ga亚基能自我激活且能使 GDP/GTP之间进行变换， 通过Ga亚基AtRGSI蛋白和PLD况蛋白使GTP水解速度加快。 在异三体G蛋白中，RACK蛋白作为支架蛋白串联着三层 MAPK 蛋白。AtWNK8蛋白通过葡萄糖的激活使 AtRGS1蛋白磷酸化、

14、诱 导AtRGS1蛋白产生内吞作用。质膜上的COLD1蛋白与RGA1g白 相互作用增加GTP酶的活性和诱发Ca2啲释放，增强了植物对 寒冷的耐受性。在拟南芥中，CLV2激酶与玉米中的CT2激酶相互作用，RPK2受体与GB亚基相互作用。拟南芥的 Ga亚基基 因编码3种超大家族G蛋白（XLG1 XLG2和XLG3，这些XLG 蛋白与GB亚基相互作用并存在于质膜、高尔基质和细胞核的不同位置；2个GB亚基和非典型的 Gy亚基与Ga亚基相互作用 形成非活性的三聚体，自由释放的非标准的 GB y二聚体调控了 下游的受体分子，参与了下游基因的表达（图2）20 。植物激素信号赤霉素信号 在拟南芥的种子萌发过程

15、中，丧失功能 的 gcr1 突变体预示着 gcr1 在赤霉素调控种子萌发的过程中起到 了积极的作用， gcr1 的无效突变体对赤霉素产生了低敏感性， 在种子萌发过程中 gcr1 改变了次霉素的敏感性。 在单个的 gcr1 、 gpal和agb1（异三体G蛋白B亚基）突变体中，低敏感性的2 3倍赤霉素突变体在种子萌发过程中对赤霉素起着附加剂的作用 或协同作用 21 。3.1.2脱落酸信号 植物中的脱落酸在抑制气孔的开放和内 向整流钾通道 gpa1 方面起着重要作用， 不仅能抑制气孔的开放， 还能在干燥的条件下促进气孔的关闭。在 gpa1 突变体细胞中， 通过脱落酸诱导产生的阴离子电流比在野生型细

16、胞中有所减弱， 证明在gpal突变的叶片中脱落酸响应了气孔的关闭22。B类型的Gy亚基（SIGGB1在番茄?N子萌发过程中表现出低敏感 性，对转基因番茄种子的基因组进行分析揭示出包括脱落酸敏感 性、信号及反应等基因的非正常表达，可见番茄B型Gy亚基（SIGGB1介导了脱落酸信号23。3.1.3生长素信号 番茄中S1GGB1基因使外侧根高度发达 并提高了植物对生长素的敏感性，S1GGB1基因对生长素信号可能产生一种负性调控。在番茄的外侧根形成和种子发育过程中， S1GGB1基因减弱了生长素的响应23。3.1.4 细胞分裂素信号在野生型拟南芥根中，反义GCR对幼苗的细胞分裂素信 号的敏感性产生影响

17、， 表明了植物中七跨膜受体同源物可能参与 细胞分裂素信号转导。 这为研究细胞分裂素转导机制提供了新的 思路 24 。光信号梨的幼苗发育过程中的免疫学研究、 真菌毒素试验和 GTPase 转化的结果显示都修改了 G蛋白，表明G蛋白参与了蓝光调控反 应；植物中的红光反应也是由 G蛋白介导的25。在黄化番茄植 物细胞中，GTPy S和霍乱毒素刺激叶绿素 a、b结合蛋白（cab）、 查耳酮合酶（chs）、铁氧还蛋白-NADP氧化还原酶（fnr ）基因 的表达，是以一种强信号的方式来刺激的。钙离子和cGMP也分别刺激了 cab、 chs 基因的转录。同理，在绿色水藻中，一种潜 在的异三体G蛋白可能作为了

18、光信号的转导蛋白26。病原体信号G蛋白介导信号增强植物对真菌和细菌性病原体的防御。G蛋白介导抵抗寄生性真菌和细菌可能与受体样激酶 （RLKs）有关， 其防御机制可能基于程序性细胞死亡的激活 27。异三体G蛋白在抵抗2种单链核苷酸病毒（CMX和TuMV中起着积极的作用， 一系列防御反应的改变都是由 agb1 基因中的无效突变体导致 的，表明G蛋白介导抵抗病原体病毒使细胞死亡扩大化；就诱导细胞死亡而言，减弱病毒性感染反应的是 G蛋白突变体agb1-2， 而不是gpa1-4 ;异三体G蛋白介导信号在防御反应中是通过促 进细胞死亡的机制进行的，参与的亚基是 Gp，而不是标准的 G况28。4 研究展望关于植物异三体G蛋白已有较多的研究，但对于植物异三体 G蛋白结构与功能的研究还有限。拟南芥