北工大植物生理学第七章细胞信号转导

第七章细胞信号转导植物生活在多变的环境条件下，必须对不断变化的环境作出相应的反应。以维持其生存。植物感受环境刺激，然后将感受到的环境刺激信号转化为体内信号，从而对细胞的代谢和基因表达产生效应，调节植物的生长发育进程，这一过程称为“环境刺激－细胞反应偶联信息系统”。这种信息的胞间传递和胞内转导过程，称为植物体内的信号转导。植物细胞信号转导是指细胞偶联各种刺激信号（包括各种内外源刺激信号）与其引起的特定生理效应之间的一系列分子反应机制。信号转导可以分为4个步骤，一是信号分子与细胞表面受体的结合；二是跨膜信号转换；三是在细胞内通过信号转导网络进行信号传递、放大与整合；四是导致生理生化变化。第一节信号与受体结合一、信号对植物体来讲，环境变化就是刺激，就是信号。根据信号的性质信号分为物理信号和化学信号。化学信号也称之为配体。根据所处的位置信号，可分为胞外（胞间）信号和胞内信号。胞间信号是细胞信号转导过程中初级信使，1、化学信号化学信号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，植物激素是植物体内主要的化学信号。如当植物根系受到水分亏缺胁迫时，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。当植物的一张叶片被虫咬伤后，会诱导本叶和其它叶产生蛋白酶抑制物（PIs）等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。2、物理信号物理信号是指细胞感受到刺激后产生的能够起传递信息作用的光电信号和水力学信号。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，植物受到外界刺激时可产生电波，通过维管束、共质体和外质体快速传递信息。植物细胞对水力信号（水压的变化）也很敏感。玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片的气孔开度，木质部压力的降低几乎立即引起气孔的开放。二、受体受体是细胞表面或亚细胞组分中的一种天然分子，可以识别并特异性地与有生物活性的化学信号物质（配体）结合，从而激发或启动一系列生物化学反应，最后导致该生物信号物质特定的生物效应。受体和信号物质的结合是细胞感应胞外信号，并将此信号转变为胞内信号的第一步。一般认为细胞表面受体存在于质膜上。然而植物细胞具有细胞壁，它可能使某些胞间信号分子不能直达膜外侧，而首先作用于细胞壁。一些外界刺激有可能通过细胞壁-质膜-细胞骨架蛋白变构而引起生理反应。如细胞壁对病原入侵后的防御反应以及对细胞生长发育有重要作用。2、受体的特征目前发现的受体大都为蛋白质，也可以是一个酶系。受体与配体的结合具有特异性、高度的亲和力及饱和性等特征。（1）受体与配体结合的特异性受体与配体（即刺激信号）相对特异性的识别和结合。这是受体的最基本特点，否则受体就无法识别外界的信号物质——配体，无法准确传递信息。配体与受体结合是一种分子识别过程，靠氢键、离子键与范德华力的作用。配体与受体分子空间结构的互补性是特异性结合的主要因素。研究表明，同一细胞或不同类型的细胞中，同一配体可能有两种或两种以上的不同受体，从而产生两种或两种以上的生物效能。肾上腺素有α和β两种受体，肾上腺素作用于皮肤粘膜血管上的α受体使血管平滑肌收缩，作用于支气管平滑肌使其舒张。（2）高度的亲和力受体与配体的亲和力很高，如胰岛素可在比它高10万倍的其他蛋白存在时，特异地与胰岛素受体集合。多数情况下，配体和受体结合后，会引起配体和被占据的受体之间的亲和力下降，加速解离。（3）配体与受体结合的饱和性配体与受体特异性结合很容易达到饱和，反映出受体在细胞上的数目是一定的。但是受体数目恒定也是相对的，配体也会对受体数目产生影响，如血液中胰岛素浓度过高时，靶细胞胰岛素受体数目下降；相反当血液中胰岛素数目减少时，靶细胞中受体明显上升。这也是生物体的一种代谢调节方式。三、受体在信号转导中的作用意义在很多情况下，信号分子不能跨过细胞膜，它们必须与细胞表面受体结合。正是受体，首先识别和接受外来信号，启动整个信号转导过程。受体在细胞信号转导中，必须对信号作出识别、筛选、变换。四、受体的类型受体依据其存在的部位不同通常分为细胞表面受体和膜内受体。细胞表面受体存在于细胞质膜上，通过与胞间信号结合，经过跨膜信号转换，将胞外信号传至胞内。膜内受体是指存在于细胞质中或亚细胞组分（细胞核等）上的受体。大部分水溶性信号分子（如多肽激素、生长因子等）以及个别脂溶性激素可以扩散进入细胞，与膜内受体结合。目前已知的植物细胞表面受体主要有三种类型：G蛋白连接受体、类受体蛋白激酶、离子通道连接受体。1、G蛋白连接受体G蛋白连接受体的氨基端位于细胞质膜外侧，由30~50个氨基酸组成，一条单肽链形成几个（多数情况下是7个）跨膜的α-螺旋结构，与细胞质膜内侧的羧基端相连。羧基端氨基酸残基相差很大，具有与G蛋白相互作用的区域，当信号分子与受体结合而活化受体后，可直接激活G蛋白，进行跨膜信号转换。G蛋白全称为GTP结合调节蛋白，此类蛋白由于其生理活性有赖于三磷酸鸟苷（GTP）的结合以及具有GTP水解酶的活性而得名。它在膜表面受体接受胞外信号与产生胞内信号之间起着信号转换的作用，所以又称为偶联蛋白或信号转换蛋白。G蛋白在光、激素对植物的气孔运动、细胞跨膜离子的转运、植物形态建成中等生理活动的细胞信号转导中又有重要作用。2、类受体蛋白激酶也称酶连受体此类受体除了具有受体的功能外，本身还是一种酶蛋白，当细胞外的受体区域和配体结合后，可以激活具有酶活性的胞内结构域，引起酶活性的改变，从而引起细胞内侧的反应，将信号传递到胞内。在研究植物激素乙烯的受体时发现，乙烯的受体有两个基本的部分，一个是组氨酸蛋白激酶（HPK），另一个是效应调节蛋白（RR）。当HPK接受胞外信号后，激酶的组氨酸残基发生磷酸化，并且将磷酸集团传递给下游的RR。RR的天冬氨酸残基部分（信号接收部分）接受了传递过来的磷酸集团后，通过信号输出部分，将信号传递给下游的组分。3、离子通道连接受体离子通道连接受体，除了具备转运离子的功能外，同时还能与配体特异的结合和识别，具备受体的功能。当这类受体和配体结合接收信号后，可以引起跨膜的离子流动，把胞外的信息通过膜离子通道转换为细胞内某一离子浓度的改变的信息。在动物中关于离子通道型受体有烟碱型乙酰胆碱受体、甘氨酸受体。其都是由几个亚基组成的寡聚体蛋白，除了有配体结合部位外，本身就是离子通道。目前植物中关于离子通道型受体的研究不多，但在拟南芥、烟草和豌豆等植物中发现有与动物细胞同源的离子通道型谷氨酸受体，并且可能参与了植物的光信号转导过程。第二节跨膜信号转换当细胞通过细胞表面受体感受外界信号刺激后，下一步的任务是将胞外信号转化为胞内信号，并通过细胞内信使系统级联放大信号，调节相应酶或基因的活性，这是细胞信号转导的主要过程，此过程相当复杂，主要包括胞外信号的跨膜转换、细胞内第二信使系统和信号的级联放大以及蛋白质的可逆磷酸化。一、通过G蛋白连接受体跨膜转换信号1、G蛋白G蛋白可以和三磷酸鸟苷（GTP）结合，并具有GTP水解酶的活性。G蛋白广泛分布于原核生物和真核生物中，自80年代初以来，已发现100多种受体是通过G蛋白传输信号的；至少已分离到其中约20种G蛋白并鉴定出几种不同的依赖G蛋白的效应器。在所有的G蛋白中只有两种类型G蛋白参与细胞信号传递：小G蛋白和异三聚体G蛋白。小G蛋白是只含有一个亚基的单聚体G蛋白。在细胞跨膜信号转导中起主要作用的是异三聚体G蛋白（也被称作大G蛋白）。常把异三聚体G蛋白简称为G蛋白。异三聚体G蛋白由3种不同亚基α、β、γ构成，α亚基含有GTP结合的活性位点，并具有GTP酶活性，β和γ亚基一般以稳定的复合状态存在。异三聚体G蛋白参与胞外信号跨膜转换的特点是：胞外信号被细胞表面的受体识别后，通过膜上的G蛋白转换到膜内侧的效应酶上，再通过效应酶产生多种第二信使，从而把胞外的信号转换到胞内。2、G蛋白偶联的胞外信号转导过程无外界刺激时，异三聚体G蛋白处于非活化状态，以三聚体形式存在，α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α亚基结合，并引起α亚基构象改变，释放GDP，结合GTP，形成激活型的α亚基。活化的α亚基进一步与β、γ亚基复合体解离，并与下游的靶效应器结合，将信号传递下去。G蛋白下游的靶效应器很多，包括磷酯酶C（PLC）、磷酯酶D（PLD）、磷酯酶A2（PLA2）、磷酯酰肌醇3激酶（PI3K）、腺苷酸环化酶、离子通道等。当α亚基把信号传递给下游组份后，其上的GTP酶活性使结合的GTP水解为GDP，α亚基恢复最初构象，成为非激活型，并与下游靶效应器分离，α亚基重新与βγ亚基复合体结合，完成一次信号的跨膜转换。G蛋白介导的跨膜信号转换还可同时起放大信号的作用。放大信号是指每个与信号分子结合的受体可以激活多个G蛋白，G蛋白又可激活下游组分并进一步放大信号。目前还没有发现小G蛋白参与跨膜的信号转换，而小G蛋白参与胞内的信号传递，是受上游的鸟嘌呤核苷酸交换因子的活化，并将信号传递给下游的组分。小G蛋白结合GDP而钝化，结合GTP又活化，成为在植物信号网络中起着重要作用的分子开关。二、二元组分系统跨膜信号转换途径也就是类受体蛋白激酶（酶连受体）介导的跨膜信号转换途径。第三节细胞内信号转导形成网络通常将胞外信号视为初级信号（第一信使）第二信使：细胞内传递和放大细胞外的刺激信号，最终引起细胞中生化反应的化学物质，如Ca2+、cAMP、IP3、DAG等。植物细胞在感受某一刺激或同时感受多种刺激时，复杂多样的信号系统之间存在着相互交流，并由此形成植物细胞内的信号转导网络。一、Ca2+/CaM在信号转导中的作用1、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10-7~10-6mol/L左右，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10-5－10-3mol/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。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+浓度大幅度升高，产生钙信号。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。2、钙信号的特异性众多的胞外刺激信号，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短暂的、明显升高，或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。产生钙信号的特异性可能有两种模式：一种是钙信号本身具有特异性；另一种是钙信号产生后通过下游的的不同信号转导因子决定反应的特异性。（1）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。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。（2）钙调蛋白CaM（钙调素）钙调蛋白的外形似哑铃，有两个球形的末端，中间被一个长而富有弹性的螺旋结构相连，每个末端有两个Ca结构域，每个结构域可以结合一个Ca，这样，一个钙调蛋白可以结合4个Ca，钙调蛋白与Ca结合后的构型相当稳定。在非刺激的细胞中钙调蛋白与Ca结合的亲和力很低；然而，如果由于刺激使细胞中Ca浓度升高时，Ca同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物，就会引起钙调蛋白构型的变化，增强了钙调蛋白