G蛋白在植物细胞信号转导中的作用

G蛋白在植物细胞信号转导中的作用一、植物G蛋白的种类G蛋白是普遍存在于真核生物细胞中的一个GTP结合蛋白家族，根据其亚基组成及分子量大小，可将参与细胞信号转导的G蛋白分为异三聚体G蛋白，小G蛋白[15]。异三聚体G蛋白在SDS电泳图上可看到α、β、γ3种亚基。α亚基单体分子量为39～52KDa，β和γ亚基分子量为35～37KDa和6～10KDa，各种G蛋白亚基中，α亚基差别较大，β、γ亚基比较相似[16]。根据植物G蛋白中α/β界面和β/γ界面的氨基酸残基与动物细胞中的相比是高度保守的，并且高度保守的氨基酸残基也存在于植物G蛋白α亚基的“开关”区和核甘酸结合基序中，所以认为，植物体中的α，β，γ3个亚基也可能组成异源异三聚体G蛋白[17-18]，小G蛋白是单体鸟苷酸结合蛋白，由一条多肽链构成，分子量较小，一般为20～30kDa。根据在细胞中功能不同，小G蛋白可分为5个亚家族，包括Ras、Rho、Rad、Arf和RanRas家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分化过程，Rho家族调控肌动蛋白重组过程和参与MAP激酶的细胞信号转导，Rad和Arf家族在膜转运过程中起着不同的重要作用，而Ran家族在核孔位置调节着蛋白和RNA分子的运输过程。到目前为止，利用分子生物学技术已从植物细胞中分离出几十种小G蛋白基因[15]。此外，植物中还有另外一类G蛋白，超大G蛋白（XLG）[19]，然而目前尚未有关于XLG能和常规G蛋白βγ发生相互作用的证据，因此，对植物XLG的功能研究有待深入。二、G蛋白在细胞信号转导中的作用细胞信号转导是偶联各种胞外刺激信号(包括各种胞内、外源刺激信号)与其所引起的生理效应之间的一系列分子反应机理，包括三个阶段：(1)胞外刺激信号传递；(2)跨膜信号转换；(3)胞内信号转导。在信号的跨膜转换过程中细胞表面的受体尤其是G蛋白偶联的受体起着重要的作用，是细胞跨膜转换信号的主要方式。异三聚体G蛋白介导的信号转导是一个存在于几乎所有的真核生物中保守的信号转导机制。这一途径主要涉及3个关键的组成部分：(1)质膜受体，一般称为G蛋白偶联受体（GPCR）；(2)质膜内侧的异三聚体G蛋白；(3)质膜上或质膜内表面的效应器。异三聚体G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当G蛋白α亚基与GDP结合时，信号转导通路处于关闭状态；当胞外配体与受体结合形成复合物时，导致受体胞内结构域与G蛋白α亚基耦联，并促使α亚基结合的GDP被GTP交换而被活化，即信号转导通路处于开启状态。所以，当细胞受到某些胞外信号刺激时，质膜表面的GPCR与之相结合，活化的受体激活质膜内侧的G蛋白，后者再去调控其下游的效应器，产生胞内第二信使[20]。1987年，Hasunuma和Funadera等发现浮萍蛋白提取物GTP结合活性能被红光或远红光处理所抑制，暗示G蛋白可能参与了光信号转导过程。周君莉等的研究结果表明,异三聚体G蛋白可能参与了光敏色素调控的尾穗觅觅红素合成，鸟苷酸环化酶可能是G蛋白下游的效应器。Calenberg[21]等的研究证实Gα还参与了绿鞭毛藻的趋光性信号转导。Okamoto[22]等的工作又从分子水平上提供直接证据表明异三聚体G蛋白参与了拟南芥发育过程的光调节。目前，人们已经证实了ABA可以调控气孔的运动过程，并且发现在ABA信号转导过程中有许多信号组分参与。Wang等的实验结果表明，拟南芥Gα的缺失突变体gpa1植株中，ABA不能再抑制内流型K+离子通道的活性，从而不能再抑制气孔的开放，证实Gα参与了ABA对气孔开放过程的调节，但这不是唯一途径[23]。最早发现燕麦糊粉层细胞中，Mas7(一种带正电的十四肽分子，能够通过异三聚体G蛋白刺激GDP/GTP的转换)诱导糊粉层细胞原生质体的α-淀粉酶基因的表达及蛋白分泌过程，GTPγS促进GA引起的α-淀粉酶基因启动子GUS报告基因的表达，而GDPβS则抑制上述表达。这表明，在糊粉层中异三聚体G蛋白可能参与GA调控α-淀粉酶基因的表达[24]。Nato等通过生化检测等手段得到的结果表明，G蛋白在小麦的体细胞胚中表达，并且与生长素的作用有关[25]。Ullah等提供了最直接的证据表明，异三聚体G蛋白参与了植物生长素信号转导。他们利用突变体进行研究,发现不表达Gα蛋白的拟南芥突变体植(gpal21和gpal22)地上组织(如叶和茎)的细胞周期G1期延长，有丝分裂频率降低，而转基因的烟草培养系中过量表达6倍，则细胞周期缩短，相应地，细胞分裂频率增加，这与外源植物生长素处理野生型细胞系所产生的性状相同[26]。Beffa[27]等最早提供直接证据证明异三聚体G蛋白参与了植物病原信号的转导过程。他们将霍乱毒素(CTX)的结构基因转入烟草，发现转基因烟草对病原刺激的抗性增强，同时引起内源水杨酸的积累及一些病原相关蛋白（PR）基因的表达，而向细胞内注射CTX或GTPγS则抑制PR基因表达。异三聚体G蛋白对花粉萌发及花粉管伸长的调控作，马力耕等首先通过一系列药理学实验证实G蛋白参与了多种花粉的萌发及花粉管生长过程，其下游可能有钙信使系统和肌醇磷脂系统的调节[28]。另外，马力耕等的研究进一步证实，异三聚体G蛋白α亚基参与了拟南芥花粉萌发和花粉管伸长生长的调节，且可能通过进一步调节下游细胞内的钙离子浓度来实现，而β亚基不参与上述过程的调节[29]。ROS产生和清除间的平衡对植物体十分关键，并受体内一套由酶促和非酶促抗氧化系统严格监控，目前越来越多的证据表明ROS作为信号分子除了介导植物对环境胁迫的响应外，对植物的正常生长发育很多方面也都起着重要作用，且与不同类型的植物激素发生关联，ROS会引发植物体内生理生化和基因表达的各种变化以产生相应性状和获得适应性。但是，这些过程中ROS与其它信号分子如一氧化氮(NO)、钙离子和激素等互动而建立的调控网络以及各自的具体角色还有待进一步深入研究。另外，ROS过量产生对植物细胞生物大分子(脂质、蛋白质、DNA等)产生的氧化损伤在一定范围内会由植物应激而生的相应修复系统得到修复。植物的绝大多数逆境都会产生氧化胁迫，因此通过基因工程手段提高植物的抗氧化能力进而获得高抗逆性已成为农业生物技术的研究重心。随着动物细胞信号转导研究内容的深入、系统和完善，植物细胞信号转导的研究也逐步受到人们的关注，并在近30余年来取得了许多突破性的进展。目前越来越多的证据表明ROS作为信号分子除了介导植物对环境胁迫的响应外，对植物的正常生长发育很多方面也都起着重要作用，且与不同类型的植物激素发生关联，ROS会引发植物体内生理生化和基因表达的各种变化以产生相应性状和获得适应性。但是，这些过程中ROS与其它信号分子如一氧化氮(NO)、钙离子和激素等互动而建立的调控网络以及各自的具体角色还有待进一步深入研究。同时植物G蛋白研究领域要做的工作也有很多，如GPCR，G蛋白及其下游效应器的基因克隆，相关基因在植物细胞中的表达及对生长发育过程的调节，异三聚体G蛋白在光信号转导过程中的作用机理等。随着现代分子生物学技术的发展，人们除了采用原有的生化方法外，通过基因工程手段提高植物的抗氧化能力进而获得高抗逆性已成为农业生物技术的研究重心。还可采用基因芯片分析已有的各种突变体的基因表达差异，从而使植物异三聚体G蛋白的研究逐渐深化。[15]宋水山,杨文香,李亚宁,等.植物G蛋白与植物防卫反应[J].中国生物工程杂志.2006,26(3):73-77.[16]康洁.植物细胞跨膜信号转导中G蛋白的研究概述[J].商丘师范学院学报.2004,20(5):121-123[17]UllahH,ChenJG,TempleB,etal.ThesubunitoftheArabidopsisGproteinnegativelyregulatesauxin2inducedcelldivisionandaffectsmultipledevelopmentalprocesses[J].PlantCell.2003,15:393-409.[18]KatoC,MizutaniT,TamakiH,etal.CharacterizationofheterotrimericGproteincomplexinriceplasmamembrane[J].PlantJ,2004,38:320-321.[19]武维华,赵云云.植物细胞G蛋白研究进展[J].植物学报,1995,38:239-400.[20]LeeYR,AssmanSM.Arabidopsisthalianaextra2largeGTP2-bindingprotein(AtXLG1):anewclassofG-protein.PlantMolBiol,1999,40:55-64.[21]ChristopherA,Johnston,DavidP,etal.ReceptormediatedactivationofheterotrimericG-proteins:Currentstructuralinsights[J].2007,72:219-230[22]CalenbergM,BronhsonnU,ZedlacherM,etal.Light-andCa2+-modulatedheterotrimericGTPaseintheeyespotapparatusofaflagellategreenalga[J].PlantCell,1998,10:91-103.[23]OkamotoH,MatsuiM,DengXW.OverexpressionoftheheterotrimericGproa-subunitenhancesphytochromemediatedinhibitionofhypocotylselongationinArabidopsis[J]PlantCell,2001,13:1639-1651.[24]WangXQ,UllahH,JonesAM,etal.GproteinregulationofionchannelsandabsciseacidsignalinginArabidopsisguardcells[J].Science,2001,292:2070-2072[25]JoneshD,SmithSJ,DesikanR,etal.HeterotrimericGproteinsareimplicatedingibberellininductionofα-amylasegeneexpressioninwildoataleurone[J].PlantCell,1998,10:245-254.[26]UllahH,ChenJG,YougJC,etal.ModulationofcellproliferationbyheterotrimericGproteininArabidopsis[J].Science,2001,292:2066-2069.[27]BefaR,SzellM,Choleratoxinelevatespathogenresistanceandinducespathogenesis-relatedgeneexpressionintobacco[J].EMBOJ,1995,14:5753-5761.[28]马力耕,崔素娟,徐小冬,等.G蛋白在细胞外CaM启动花粉萌发和花粉管伸长中作用[J].自然科学进展,1997,(7):751-754.[29]MalG,XuXDCuiSJ,etal.ThepresenceofaheterotrimericGproteinanditsrolesinsignaltransductionofextracellularcalmodulininpollengerminationandtubegrowth[J].PlantCell,1999,11:1351-1363.