農(nóng)林學(xué)類論文-擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng).doc

農(nóng)林學(xué)類論文-擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng)摘要雙組分系統(tǒng)是廣泛存在于原核和真核細(xì)胞中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，主要由組氨酸激酶和響應(yīng)調(diào)節(jié)因子組成。隨著擬南芥基因組測序的完成和功能基因組的深入研究，發(fā)現(xiàn)在擬南芥基因組中有54種蛋白質(zhì)參與了雙組分信號系統(tǒng)的磷酸傳遞過程。綜述近年來擬南芥植物中雙組分系統(tǒng)的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞雙組分信號系統(tǒng)組氨酸激酶ATHK1基因磷酸轉(zhuǎn)移中間體響應(yīng)調(diào)節(jié)因子一、雙組分信號系統(tǒng)在原核生物和真核生物中，蛋白磷酸化和蛋白去磷酸化是胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要機(jī)制。這種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)受磷酸基團(tuán)在兩種不同類型的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子之間傳遞的調(diào)控，因此被稱為“雙組分信號系統(tǒng)”。（一）簡單的雙組分信號系統(tǒng)雙組分系統(tǒng)由兩個基本組分構(gòu)成：一個是組氨酸激酶(histidinekinaseHK)，另一個是響應(yīng)調(diào)節(jié)因子(responseregulatorRR)。HK是一種跨膜蛋白，能發(fā)生自體磷酸化。其N末端有一個能夠感受外界信號的輸入域，C末端有一個含的His殘基的轉(zhuǎn)移域，該His殘基在直接感知環(huán)境刺激或與上游因子相互作用后利用ATP發(fā)生自體磷酸化(HitoshiSakakibara,etal.,2000)。RR的N末端有一個含Asp殘基的接受域，該接受可利用HK中磷酸化的His殘基作為底物而發(fā)生自體磷酸化；C末端有一個信號的輸出域。該系統(tǒng)的作用模式是：HK作為感受器，其輸入域能感知外界環(huán)境的變化，并相應(yīng)地調(diào)控其內(nèi)部激酶和磷酸酶的活性，使其激酶域內(nèi)的His殘基自身磷酸化，并把磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到同源RR接受域內(nèi)的Asp殘基上，磷酸化的RR激活或抑制其它一系列的級聯(lián)反應(yīng)。（二）復(fù)雜的雙組分信號系統(tǒng)在細(xì)菌、酵母、粘液菌和植物中，雙組分信號系統(tǒng)進(jìn)化為多步驟磷酸化傳遞。此系統(tǒng)包括三個信號傳遞分子：組氨酸激酶、磷酸轉(zhuǎn)移中間體(His-containingphosphotransferintermediateHP)、響應(yīng)調(diào)節(jié)因子。該系統(tǒng)中的HK除含有輸入域和激酶域外，在其C端還融合了一個含有Asp殘基的接受域，這類組氨酸激酶稱為雜合型組氨酸激酶。而該系統(tǒng)特有的HP是磷酸傳遞中間體，與HK和RR都能作用。該系統(tǒng)的作用模式是：在外界環(huán)境刺激或內(nèi)部信號的作用下，HK被激活，使激酶域內(nèi)His殘基以ATP為磷酸供體進(jìn)行自體磷酸化，磷酸基團(tuán)通過磷酸轉(zhuǎn)移反應(yīng)轉(zhuǎn)移至接受域內(nèi)Asp殘基，再轉(zhuǎn)移至HP的His殘基，最后轉(zhuǎn)移至RR接受域內(nèi)的Asp殘基，磷酸化的RR激活或抑制其它一系列的級聯(lián)反應(yīng)。二、擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng)模式植物擬南芥基因組中，有54個基因分布在5條染色體上，編碼雙組分信號系統(tǒng)元件，其中有16個基因編碼組氨酸激酶(AHK)，5個基因編碼磷酸轉(zhuǎn)移蛋白(AHP)，23個基因編碼響應(yīng)調(diào)節(jié)因子(ARR)。（一）擬南芥雙組分信號系統(tǒng)中的組氨酸激酶對擬南芥基因組序列的分析顯示：至少有16種基因編碼組氨酸激酶及相關(guān)蛋白。根據(jù)其序列、進(jìn)化、功能，分為三個家族：乙烯受體家族（包括ETR1-2、ERS1-2、ENI4），AHK家族（包括細(xì)胞分裂素受體AHK2-4、CKI1-2和一個滲透感受器ATHK1），光敏色素受體家族（PHYA-E）。一個典型的組氨酸激酶，其轉(zhuǎn)移域有五個保守的特征區(qū)域：H、N、G1、F和G2，而保守的His殘基位于H區(qū)域，這五個特征區(qū)域?qū)τ诰S持組氨酸激酶的活性具有重要作用。但是，這五個區(qū)域并不是保守的同時存在的。乙烯受體家族中的ETR2和ERS2以及所有的光敏色素受體家族即五個特征區(qū)域均缺失，因而可能不作為組氨酸激酶；而乙烯受體家族中的EIN4只具有保守的組氨酸殘基而缺失了其他四個區(qū)域，因此16種基因中只有8種可能具有組氨酸激酶活性。與細(xì)菌和酵母的滲透感受途徑類似，植物中已發(fā)現(xiàn)一種與滲透感受有關(guān)的組氨酸激酶：擬南芥組氨酸激酶1（Arabidopsisthalianahidtidinekinase1ATHK1）。ATHK1是擬南芥HK家族的成員之一，編碼1207個氨基酸殘基，分子量為135KD，等電點(diǎn)為6.746。序列分析表明，ATHK1蛋白具含有His殘基的轉(zhuǎn)移域和含有Asp殘基的接受域，是一種雜合型的組氨酸激酶。疏水性分析表明，ATHK1在N端具有兩個疏水域，說明ATHK1是跨膜蛋白。Urao等(1999)研究發(fā)現(xiàn)，將ATHK1cDNA在酵母sln1突變體中表達(dá)，可以抑制該突變體的致死，即可以與sln1突變體互補(bǔ)。而將His或Asp殘基被替代的ATHK1cDNA在酵母sln1突變體中表達(dá)，則無法互補(bǔ)，突變體表現(xiàn)為致死，這說明ATHK1是組氨酸激酶。將ATHK1cDNA在酵母sln1sho1雙突變體（缺失兩種滲透感受器）中表達(dá)，可以抑制雙突變體的致死，并且可以激活酵母HK下游的HOG1MAPK，說明ATHK1在酵母中可以作為滲透感受器感知脅迫信號并將其傳遞到下游MAPK級聯(lián)反應(yīng)。將ATHK1的轉(zhuǎn)移域、接受域的氨基酸序列與已知的組氨酸激酶相比較，發(fā)現(xiàn)ATHK1轉(zhuǎn)移域的氨基酸序列與擬南芥細(xì)胞分裂素受體CKI1具有30%的相似性，接受域的氨基酸序列與酵母SLN1蛋白具有29%的相似性。雖然ATHK1并不與某個特定的植物組氨酸激酶有明顯的相似性，但是其結(jié)構(gòu)與酵母的滲透感受器有著顯著的相似性，說明ATHK1可能是植物中的滲透感受器(TakeshiUrao,etal.,1999)。（二）擬南芥雙組分信號系統(tǒng)中的磷酸轉(zhuǎn)移中間體磷酸轉(zhuǎn)移蛋白作為磷酸傳遞中間體，接受磷酸基團(tuán)并將其轉(zhuǎn)移至不同的響應(yīng)調(diào)節(jié)因子。擬南芥含有5種磷酸轉(zhuǎn)移蛋白(AHP1-5)。擬南芥AHPs分子量較小，能通過擴(kuò)散作用自由進(jìn)出細(xì)胞核，AHP-GFP融合蛋白熒光分析也表明AHPs在胞質(zhì)和核內(nèi)均有分布，這就為AHPs能夠在跨膜的感受激酶和核內(nèi)的響應(yīng)調(diào)節(jié)因子之間形成一個物理聯(lián)系這一假設(shè)提供了證據(jù)。酵母和大腸桿菌雙雜交分析表明，AHPs能夠與ATHK1、ETR1、CKI1等雜合組氨酸激酶相互作用。酵母雙雜交分析還表明，AHP1-3能夠與ARR1相互作用，AHP2還能與其他B型ARR相互作用。體外實(shí)驗(yàn)顯示，AHP1的保守的組氨酸位點(diǎn)具有獲得一個磷酸基團(tuán)的能力。所有這些都說明，在多步驟磷酸信號傳遞過程中，AHPs能夠作為磷酸轉(zhuǎn)移中間體而起作用(IldooHwang,etal.,2002)。（三）擬南芥雙組分信號系統(tǒng)中的響應(yīng)調(diào)節(jié)因子擬南芥基因組中有32個基因編碼響應(yīng)調(diào)節(jié)因子，氨基酸序列顯示：其接受域均含有保守的Asp和Lys，這是響應(yīng)調(diào)節(jié)因子的一個顯著特征。根據(jù)序列同源性、結(jié)構(gòu)域組成和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用，響應(yīng)調(diào)節(jié)因子可以分為A型、B型和假響應(yīng)調(diào)節(jié)因子三類。1A型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子A型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子有11種（ARR3-9、ARR15-17、ARR22），主要由一個接受域和較短的N-端、C-端延伸組成，無任何典型的輸出域。有實(shí)驗(yàn)證明，ARR3-9的表達(dá)受細(xì)胞分裂素快速而又特意性的誘導(dǎo)，這說明A型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子主要作為細(xì)胞分裂素響應(yīng)目的物，并可能參與了細(xì)胞分裂素信號途徑(IldooHwang,etal.,2002)。2B型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子B型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子有12種（ARR1-2、ARR10-14、ARR18-21、ARR23），位于細(xì)胞核，在酵母中表達(dá)時具有轉(zhuǎn)錄活性。結(jié)構(gòu)上除具有一個N-端接受域外，還有一個較長的C-端區(qū)域，該區(qū)域含有一個由80個氨基酸組成的延伸域和一個富含麩酸胺的區(qū)域（轉(zhuǎn)導(dǎo)域）。除ARR23外，B型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子接受域氨基酸序列之間具有30%72%的相似性。雖然ARR23含有保守的Asp殘基，但其編碼區(qū)域只有145個氨基酸殘基和部分延伸域，因此它可能是假響應(yīng)調(diào)節(jié)因子(IldooHwang,etal.,2002)。3假響應(yīng)調(diào)節(jié)因子擬南芥中的假響應(yīng)調(diào)節(jié)因子(ArabidopsispseudoresponseregulatorAPRR)有9種，分別是APRR1-9。雖然其接受域的氨基酸序列與ARR具有高度的相似性，但由于沒有保守的D-D-K域，因此被稱為假響應(yīng)調(diào)節(jié)因子。盡管APRR的氨基酸序列與ARR有顯著的差異性，但由于許多APRR在保守域含有Asp殘基，所以在植物雙組分磷酸傳遞過程中仍可作為最終的輸出結(jié)構(gòu)而起作用。（四）擬南芥多步驟磷酸傳遞模型與膜結(jié)合的AHK作為感受器，由其輸入域感受外界刺激信號，誘導(dǎo)其激酶區(qū)域的His殘基自體磷酸化，隨后磷酸基團(tuán)被傳遞至其接受區(qū)域的Asp殘基及與該接受區(qū)域相互作用的AHP。磷酸化的AHP穿梭進(jìn)入核，并將磷酸轉(zhuǎn)移至相應(yīng)ARR的接受域，而ARR接受域的磷酸化導(dǎo)致其輸出域構(gòu)型的變化，從而調(diào)控下游反應(yīng)。而去磷酸化的AHP穿梭回到細(xì)胞質(zhì)并重新磷酸化。三、展望雙組分信號系統(tǒng)在聯(lián)結(jié)了細(xì)胞分裂素信號、乙烯信號、光信號、脅迫信號和Glc信號的整個植物信號網(wǎng)絡(luò)中起重要作用。但是，由于大多數(shù)雙組分信號系統(tǒng)元件在植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的生理作用還是未知的，所以今后的任務(wù)是研究涉及雙組分信號元件的不同植物