G蛋白及其在植物信号传导中的作用.pdf

第1 2卷199 3年第朽期第3期大自然探索EXPL ORA竹ONOFNAI,REVol.12,SumN心.4 5No.3,1993G蛋白及其在植物信号传导中的作用王台童哲赵玉锦 内容提要本文依据 动物中的 研 究结 果,介绍了G蛋白 的特.饭、给构及共在信号传导链中的功能,讨论了近几年桂物G蛋白的研究进展和G蛋白对研究植物信号传导机理 的重妥性。关桩词:G蛋白,信导传导,进展G蛋白是一类参与跨膜信号传导的GT P结合蛋 白质 8.“。GTP结合蛋 白质是具有重 要功能的蛋白质,除G蛋 白外,还包括:l)蛋白质翻译因子一原 核生物的起 动因子I P一2,延长 因子E F一Tu和 延长 因子E F一G,以及 真 核生物 的 起动 因 子e 1F一2,延长 因子E F一1 a和 延 长 因子EF一2;2)微管蛋 白;3)以GT P为辅基的酶类;幻动物体内的致瘤基 因Ra s的产物一Ra s蛋 白,其有G蛋 白的功能,分子量为21 kD左右等。G蛋白参与的信号传导 链可概括为:信号(光或激素等)信号受体G蛋 白 效应体生理生化反应。7 0年代末期,在动物腺昔酸环化酶的激素调节和视觉光信号传导的研究中发现G蛋 白娜。现已证明G蛋白广泛存在于动物体内,动物体内有多种不 同功能的G蛋白,这些G蛋白参与多种信号(包括激素、视觉信号、嗅觉信号和 致瘤因子等)的传导“2习。植物G蛋 白的研究起 步于8 0年代中期,其基础研究远落后于动物的G蛋白。因此,除特别注 明外,本文 中有关G蛋白的知识均来源于动物.但是,由于功能性蛋白质在进化中的保守性,植物G蛋白基本特点可能与动物G蛋 白的相同或相似。此外,我们深信,随着研究的深入,G蛋白在植物信号传导中的重 要性将会被广泛地认识,这 也正 是我们介绍G蛋白的目的。一、G蛋白的墓本特点G蛋白是杂合的三 聚体膜蛋白质,由能与鸟嗦吟核昔酸结合的a亚基(3 9一5 2kD),日亚基(353 6kD)和丫亚基(一skD)2 51或(7一10kD)5组成。a亚基(简称Ga)是G蛋 白的重 要 组分,有 如 下特点 z.“55:r)包 含 了与信号传 导 功能有关的 活性区,即GTP(或GDP)的结合位点、信号受体的结位点和效应 体的 结合位 点等;2)有内源的GTP酶 活性;3)能被F一和A”+离子以及GT P的抗水解类似物GT P丫S格GP PNHp活化;,国家高技术研究发展计划 资助课题.大自然探索1993年第3期(总第45期)4)是百日咳毒素(叮)和霍乱毒素(C r)或二者 之一 的 底物,这 些毒素 催化ADP核糖基从NAO上转移到G。上的GT P酶活性中心,抑制G T p酶活性,使G蛋白维持在活性状态。日和丫亚基形成一个紧密结合的蛋白质复合体,只有在去垢剂存在下,二者才能解离 l 5。不同功能G蛋白的阶复合体的功能是一致的。它与细胞膜结合,是G蛋白与膜结合的位点 2,除此之外,它的另一功能是将Ga一GDP暴露给活化的信号受体 2 s。G蛋白通过在非活性态 的GOP结合形式和 活性态的GT P结合形式之间循环,将信号由信号受体传导到效应体(即耙子,如腺昔酸环化酶、C OMP磷酸二酩酶、磷酸化酶和离子通道)。当信号受体被信号活化后,它与G蛋白结合,打开G蛋 白中的鸟嚓吟核昔酸结合位 点,催化GT P与G蛋 白上结合态的GDP交换。GTP与G蛋白的结合,导致G蛋白的构象变化,由此产生如下结果:l)活化的信号受体与G蛋白的亲和 力下降,并从G蛋 白上释放出来;2)a亚基与断复合体的亲和力下降,Ga一GTp从 断 复合体解离下业,激活效应体;3)Ga一GTP的内源GTP酶活化,将结合态的GT P水解为GDP,G蛋白失 活,终止信号传导(图1)2 5 1。O一O O P非活性态!位 活化的里休值 化馨叭沙朋洲鬓参、/l瞥阮图IG蛋白的非活性态和活性态之间的循环二、G蛋白的多样性在动物组织中有多种不同功能的G蛋白,如Gs0 1GoG t和Gx等比“.2 5。1.刺激性的G蛋 白(st imulatoryGprotei n)2 5。它参与腺昔酸环化酶的激素活化二155和c aZ+通道的调节 l 5。霍乱毒素(c r)催化G sa(指G S的a亚基,下同),氨基 酸序列中第2 01位的精氨酸(Ar g一201)AD P核糖基化,抑制Gs a内源的GTP酶活性。有两种GS a,即G sl a和G sZ a l s,G sl a在不 同组 织均 存 在,人脑 中的Gsl a基 因 有 1 3个外显子和 1 2个 内含子,基 因 长2 0kb。从 人脑中分离出4个 不 同的eD NA,即Gsla一1、G sZa一2、Gs3a一3和G s4a一4,它们编码的蛋白质分别由394、395、3 79和38 4个氨基酸组成,前二者的分子量均为52 kD,后二者的分子量均为45 kD 1 5。Gs Za仅存在于嗅觉细胞中,可能是气味信号传导的特异性G蛋 白。鼠类的Gs Za由38 1个 氨基酸组成,分子量为45 kD。2.G i:抑制性的G蛋白(ln hibi t or yGP rot ein)z5。最 初在研究腺昔酸环化酶活性的激素抑制时发 现G i,现在认为它也调 节磷酸化酶C和K+通道周。P T催化 G ia的AD P核糖基化。人类有三种GiGi一a、GiZa和Gi3a它们分别由3 5 4,3 5 5和35 4个氨 基酸组成。Gila的基 因表达有组织 和细 胞特 异性,而G iZ。和G i3。的 基因表 达没有特异性。3.Go:ste rnwis e等,在从牛脑中分 离Gi时,偶 然发 现 一个 结合,55GTpY S的活性比Gi高一。倍 的e蛋 白,该蛋白被称为Go.(0指其它的G蛋 白,otherGpro tein)。Go a是盯的底物 2 3,可能 调 节C a,十通道的关闭 l 5或 磷 酸化酶C的 活性 2 5。已从 鼠类 中 得到两 种GO a83G蛋白及其在植物 信号传导中的作用cDNA一Go a一l和Go a一2 皿习,其编码的蛋白质均 由35 4个氨基酸组成,除c一端外,Go a一工和Go a一2的氮基酸序列是一致的.人的Go a基因长度超过10 0k b,有n个外显子 1 5。4.Gt:参与视觉光信号的传导,是c r和P r的底物。其效应体是C GMp磷酸二酷酶 8.5.2 5。有二种Gt a的c DNA一G tl a和G tZ a,其蛋白质分别由35 0和35 4个氨基酸组成,分子量分别是39 kD和40 kD,前者存在于视杆中,后者存在于视锥内,二者有 8 0%的氨 基酸序列是一致的。在Gi a、Go a和Gt a中,C端第四位的胧氨酸Cy s是盯催化的AD P核糖基化的位点。5.Gx(或称Gz)l s:是 近几年发 现的一种新的G蛋白,主要存在于神经原细胞中,Gx a水解G T p的速率比其它Ga低20 0倍,对c r和P r不敏感,其C端的第四位残基是异亮氨酸(ne),而不是伪s。人脑的Gxa由3 55个 氨基酸组成,分子量为4 IkD。G x可能参与磷酸化酶和十通道的调节。三、结构和功能的关系G蛋 白的a亚基有多 个功能序列,包括GTP酶活性中心、GTP结合的位点、断复合体的结合位点、信号受体的结合体点 和与效应体的作用位点等.与其它功能性蛋白质一样,在进化过程中和在不 同种类的G蛋白中,这些序列具有高度的保守性(图ZA 川和图ZB Z s)。1.P区:位于近N端,在G T p结合蛋 白质和许多以核 昔 三磷酸 为辅基的酶中均存在,是GTP的结合位点,与“P水解有关,moti r序列是G一x一x一X一x一e一K一S/T,.在H一raspZ蛋白质中,当将第1 2位的甘 氨 酸(G ly一12)突变为撷氨 酸(v al)或其它 氨 基酸时,会导致e作酶活性丧失。在E F一Tu 6和Ra s8中,第16位赖 氨酸(Lys一16)的氨基与GT p的日或丫磷酸基形成氢氧键.2.G区:大约 是从第2 00位的氨基酸残基 开始的一段序列,与G T P的结合和GTP酶的活性有关。其mo f迁序列,D一x一x一G一Q,在大多数GTP结 合蛋 白中是保守的 l s。在E F一Tu中,该区是GD P或GTP与E F一Tu结合,并引起其构象变化的位点 1 4。3.G区:大约 覆 盖第29 0到第30 0位氨基酸残基,直接与G Tp的鸟嗦吟环相互作用。其mo t if序列,N一K一x一D,在所有的GT p结合蛋 白中高度保守 l 5。4.G”区:是另一个与GT P的鸟嗦岭环相互作 用 的一段序列,在整个氨基酸序列中的位置没有完全被确定哪,可能相当 于st ry er等 2 5标定的第三个GTP结合位点。5.断 复合体的结合位点:当将N端的约 1 8个氨基 酸残基是 断 复合体的结合位点,当将N端的1 8个残基水解掉时,断 复合体与a亚基的结合能 力丧失 2 s。6.信号受体的结合位点:a亚基c端的a螺旋是信号受体的结合位点。用P T催化c端第四位的Cy sAD P核糖基化之后,将阻断视紫红质或其它信号受体与a亚 基的结合;.5川。依据C端序列合成的多 肤竟争性地抑制信号受体与a亚基的结合t 9.2 0。7.与效应体的作用 位点:a亚 基与效应体的作 用 位 点位于GTP的第一 和第二 个 结合位点 2目(相当于P区和G,区)之间。其仅在不 同生物体的同种G蛋 白中有较强 的保守性,而在 不同种类的G蛋 白中没有严格的保守性 1 s。大自然探索199 3年第3期(总第月5期)8.c r催化的AD P核搪基化位点:c T催化的g s a和Gt a的AD P核糖基化 明显降低二者的内源G TP酶活性,前者的反应位点是Ar g一201,后者的是rs一1745.F rei s s mu eh等证明在GTP存 在 下,用丙 氨 酸(A la)、谷氨酸(Gl u)或L ys取代Ar g时,G蛋 白能持续地激活效应体。所有G蛋 白a亚基在相当于Ar g一20 1的位置 均有一个Ar g残基。Gs a的Ar g一20 1周围的序列不仅与G ta(是c r的底物)同源,而且也与 G ia和G。星号(,)和前头(个)分别示c r和盯的作用位点。E指效应体。R指受体。B中的间隙表示etla、GtZia和Goa的氨基 酸残其数小于Gsa。不是c r的底物同源 l s。最近的实验表明,在HL6 0细胞(一种瘤细胞)中,c r能催化被信号受体激活 的G蛋白的ADP核糖基化,而在非活化的情况下,这些G蛋白是P T的底物,不是c r的底物 l 2。因此,在被信号受体激活后,a亚 基 中保守的Ar g残基可能被 暴露出来,Ar g可能对调节GT P的水解有重要的作用。图2。亚基的功能区和氮其酸序列的保守性四、G蛋白在信号传导链中的功能正象在第一部分提及的,G蛋白通过在非活性态和 活性态之间的循环,将不同的细胞外信号转变为细胞内的信使。比较系统地被研究的G蛋白的效应体是腺昔酸环化酶和C GMp磷酸二酷酶,二者的反应产物有广泛的生理功能。除此之外,G蛋 白的效应体还有:(l)磷酸化酶C,是磷酸肌醇级连放大反应系统中的关键酶,催化4,5一二磷酸脂酞肌醇(PI P:)水解成二醋酞甘油和l,4,5一三磷酸肌 醇(lP3),前者激活 蛋白激酶C,后者 影响c a汁的流动阁;(2)离子通道,有实验表明G蛋白直接调节。2+和K十通道 a,2习。本文以视紫红质、G蛋白和cG M甲磷酸 二酷酶参与的信号传导链(图3)娜为例,说明G蛋白的功能和信号传导的机理。在植物 中,光敏色(或隐花色素)调节的光信号传导可能会有类似的机理。此传导链的主要特征是:(1)光诱导视紫红质(R)的色素团由n顺式变为全反式,R被活化,活化的视紫红质(R+)与Gt一GDP有高的亲和性,并与之结合,形成R一Gt一GO P复合体。(2)R作用是打开Gt一G Dp的 鸟嗦 吟核昔 酸结合位点,随后GTP与GDP交换。GTP与G蛋白结 合明显地降低了R与G蛋 白的 亲和性以及G蛋白的a亚基与队 复合体的亲和性,同时Gt。内源的GTp酶被活化。(3)从G蛋 白上释放 出的R可以与其它Gt一GDP作用。游离的Gt a一G TP进入细胞质,将信号传导给cGMp磷酸二醋酶(PDE),激 活PDE,信号传导 是级连放 大 的,如l个分 子的R.8 5G蛋白及其在植物信号传导中的作用能活化50 0个Gt一G DP分子。(4)内源的G作酶将G ta一G Tp水解成Gt a 一GD P,后者重新与断复合体结合,形成G t一GD P,终止信号传导的级连放大反应。五、植物中的G蛋白及其在光信号传导中的作用Ha su num a等 l 0将阿拉斯加 豌 豆的上胚轴粗提液经1%非离子型去垢剂处理 和过 S epha de xG一10 0凝胶柱 后,分离出7种有结合GT P活性的蛋白质,它们结合沙sGT P侣的活性被0.1 mM的G TP或0.lmM的AT P竞争性地抑制,是盯的底物。Ja co b等 l a在西葫芦的微体膜上检测到2个分 子量分别为33和50 kD的蛋白质,它们与G T P和GT P丫s有高度 的亲和性,并与抗动物血小板Gs a的肌体有 交叉反应.Dr obak等 s 在西葫芦上胚轴的微体膜 中也检测 到GT P结合蛋白.B lum等 3 1用抗 动物G sa、G ia、Go a和Gt a高度保守序列的抗体实验证明在蚕豆、鸭 肠草、拟南芥菜、向日葵、小麦、玉米、豌 豆和蕃图3视紫红质、G蛋白和c GMP磷酸二醋酶参与的视觉光信号传导链。PDE和PDE分别为c GMp磷酸二醋酶的非活性和活性形式茄 的质膜中有G T p结合蛋白。Ha su numa等,门证明浮萍属植物 的细 胞膜中有GT P结合蛋白。Rome r。等2 1 1用黄化燕麦实验 间接地证明其细胞核中有GTP结合蛋白。呱等田用依据哺乳动物和酵母G蛋 白a亚基 的核昔酸序列合成的探针,从 拟南芥菜中分离 出一个G蛋白a亚 基的基 因G PA I,该基 因有1 4个外显子,据推理,其产物(GP al)由3 83个 氨基 酸组成,分子量为 4 458 2D。G Pa l有3 6%的序列与哺乳动物的G ia和Gt a相同,7 3%的序列与G ia和G ta相似。在叶绿体中,LHc II(光系统I光捕获蛋白复 合体)的磷酸化与AT P诱导的叶绿素荧光淬灭密 切相关,在菠菜的类囊体膜中,抗L Hc ll激酶的抗体能阻止以c ll的磷酸化和由AT P诱导的叶绿素荧光下降,GT P以及抗 水解类似物GTP沼和GP PNHp抑制与LH cll相关的ATP诱导的叶绿素荧光悴 灭,5协MGP PNHp抑制荧光淬灭 的5 0一6 0写,同 样浓度的GTP丫s也有明显的抑制效果,而5“M的其它核昔三磷酸无抑制效果。在光下GT P与类囊体膜结合的能力大于暗处理。因此,在类囊体膜上存在着能调节蛋白激酶活性的G蛋白 l 9。在黄化燕麦的粗提取液中,3 55GT巧s与蛋白质的结合能力受红光和远红 光调节、在匀浆前,照射红光能使GT P的结合能力增加2 1%,红光 的效应被随之的远红光逆转。GT P与蛋白质的结合也受蓝光 调节。与暗处理 或红光处理比较,c T处理黄化燕麦幼苗增 强c ab基因的 表达,抑制 光敏色素(P hy)基因 表达,表明c T增效了光敏 色素刺激c ab基 因表达和抑制 P hy基 因表达的作用 z 2。Bn等 4 1报道 与暗处理和远红光处 理相比,在适当浓度的C a:十存在下,红光能诱导黄化小麦叶肉细胞 原生质 体的 膨胀,G TP丫S与红 光有 相同 的效 果,G蛋 白的抑 制 剂GD P丫S,抑 制红 光的效应。用黄化豌豆的质膜实验表明1 5秒 的蓝光辐 射能激 活GTP酶,而红光 无效,蓝光 激活GT P酶的能量闭值为10一,mQI.m一2,用抗牛G饥的抗体 在质膜中检 W l J 到一个4o kD的、能被c T和P T催化进 行ADP核糖基化 的蛋 白质,用蓝光处理 后,该蛋 白能与GTP的抗水解类似物结 合2司。86大自然探索一99 3年第3期(总第45期)六、结束语从以上的讨论可以看出,G蛋 白在植物中是 广泛存在的,但是,它(它们)是否参与不同的信号传导,仍没有确切的证据。然而,目前的实验证据表明G蛋白可能是光敏色素(和隐花色素)调节的光(光周期)信号传导链的 一个重要组分。对G蛋 白的深入研究将会对解释光敏色素(和隐花色素)的作用机理和 其它信号(如热信号)传导的机理有重大的帮助。参考文献l加rd acid,M.,n n.Re v.B kbem.,1987,5 6:72 9一8 27.2B场ekm o re,5.B.,eta i.,J.Bi ol.oem.,1 985,2 60:一447 7一14 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95.21Rome ro,L.C.eta一,FE BS仪t t.,199 1,2 82:347一350.22Rome ro,L.e.etaz.,陀璐仅t t.,l日92,252:34 1一3 组6.23jst er nwe招,p.C.andRob治h aw,J.卜.,J.Bi ol.Ch em.,19 84,2 59:13806一13 8 13.2刁s ternwei s,p.c.,J.B iol.C he.,1986,261:6 3一637.25str外r,L.a nd助ur ne,H.R.,nn.取v.Cel lBi o l.,19 86,2:39 1一4 19.26vanD op,c.e tal.,J.Bi ol.伪em.,984,2 59:2 3一26.27war声b a,K,M.F.etal.,PrO C.N au.伪d.S C J.U SA,一 991,85:59 25一5929.87G蛋白及其在植物信号传导中的作用GPR OTE IN S A NDTH E IRR OL ES INSIGNALTRAN SDUC I,10NO FHIGHE RPL AN TSWa”gTa诬TongZh口Zh aoY“弃n(Ins t i tut eof B心t any,AC ademiaSinic a,氏山9100044)A“。t di ngt ot hest Udi e so na ni ma l,t hecha raC teri s UC S,S t ruC tu rea ndlu n cUo n,o fGProt e jn sa r ei nt ro ducod.劝lerec.ntP rogre s si nt here sea rch so nGPr otelnso fP】an.a ndt he加p ortallc eofG讲ot e in st ostud yinst heme Chani smofs论na ltrans du诵o n切Pla nt si sa】sod七切明川入砂夕,。宁ds:G打。加ns,s百g俘al*m几对ue止i O介,p阳理r,吕作者简介王台,!98 8年 毕业于武汉大学获硕士学位,同年来中国科学院植物研究所工作,主要从事光信号传导及光敏核不育水稻雄性不育机理的研究.童哲,5 2岁,研 究员.196月年北京大学生物系,一直在中国科学院植物研究所工作。现从事光形态建成和光敏核不育水稻研究。赵玉锦,犯岁,助理研究员.197 5毕业于北京大学生物系,现在中国科学院植物研究所工作。(收稿日期:19 93一0刁一30)责任编辑陈敦和