植物微管结合蛋白的研究进展
植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (3): 354−362, ww w.chinbullbotany.com
. 专题介绍.
植物微管结合蛋白的研究进展
黄聪聪1 , 吴忠义2, 陈洁1, 于荣1*
1首都师范大学生命科学学院, 北京100037; 2北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心, 北京100090
摘要 微管结合蛋白是一类能够特异地与微管结合, 参与调节微管结构与功能的结合蛋白。目前已经鉴定出多种植物微管结合蛋白, 并对其结构及功能进行了深入研究。本文综述了植物微管结合蛋白——剑蛋白、MAP65、MAPEB1、MOR1、SPR 和WVD2的最新研究进展。
关键词 剑蛋白, MAP65, MAP E B1, MOR1, SPR, WVD2
黄聪聪 , 吴忠义, 陈洁, 于荣 (2008). 植物微管结合蛋白的研究进展. 植物学通报 25, 354−362.
植物细胞微管骨架的排布方式对细胞的生长发育及
形态建成具有重要意义, 微管的这种动态组织行为不仅
需要自身组成蛋白——微管蛋白, 还需要微管结合蛋白
(microtubule-associated proteins, MAPs) 的参与
(Smertenko et al., 2000; Ehrhardt and Shaw, 2006)。
MAPs 的经典定义是在超速离心提取微管蛋白(tubulin)
时, 经数次聚合-解聚循环仍聚集到微管上的蛋白
(Hamada, 2007)。进一步研究发现, MAPs是一类能
够特异地与微管结合, 并参与调节微管结构与功能的结
合蛋白。MAPs 最早是从动物脑组织中纯化出来的, 近
年来应用生化、分子生物学和遗传学的方法已成功地
鉴定出多种植物微管结合蛋白。植物微管结合蛋白在
植物组织中广泛发挥作用, 如调节微管的组装和动力学
(Lloyd and Hussey, 2001), 形成和支持微管骨架并用
这个骨架来进行物质转运等(John, 2004)。因此微管结
合蛋白已成为植物细胞骨架研究领域中的一个热点。Vale, 1999; McNally et al., 2000)。p 60亚基属于AAA ATP 酶(ATPase associated with various celluar activities) 家族, 能切割微管。p 80亚基参与剑蛋白在微管组织中心的定位和p 60亚基的微管切割活性的调节(Hamada, 2007)。Bouquin 等(2003)发现在酵母双杂交图谱上At-p 80亚基与At-p 60亚基能相互作用。拟南芥中发现了剑蛋白的同源基因(Burk et al., 2001), 重组的At-p 60的体外切割活性已被报道(Burk and Ye, 2002;Stoppin-Mellet et al., 2002)。At-p 60剑蛋白在某些生长过程中起重要作用, 包括各向异性的细胞延伸、激素信号的传递和根毛的形成等(Lloyd and Chan, 2004)。在p 60剑蛋白突变体中, 根伸长区细胞周质微管的排列方向发生了明显改变, 不再是野生型植株中的横向排列, 而是以不同的方向排列(Burk and Ye, 2002); 在细胞伸长起始时, 许多周质微管聚集到一起, 其排列方式类似于早期核膜周围的星体微管(aster-like microtubule)(Burk et
al., 2001)。
Bouquin 等(2003)发现拟南芥根表皮细胞中p 60定
位于细胞质基质, 但在细胞器和细胞核中未检测到荧
光。在靠近根尖的表皮细胞中, p 60分布于整个细胞质
中; 远离根尖的表皮细胞中, p60表现出沿周质微管的点
状(punctate)排列, 在下胚轴、根与下胚轴的中间区和1 剑蛋白剑蛋白(katanin)首先在动物中被报道, 由p 60亚基和p 80亚基组成的异源二聚体, 是一种微管切割因子(McNallyand Vale, 1993; Hartman et al., 1998; Hartman and
收稿日期: 2007-07-13; 接受日期: 2007-09-03
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30600318和No. 30400228)和北京市科委科技新星项目(No. 2003B34)
*通讯作者。E-mail: [email protected] n
气孔保卫细胞中也发现了相似的排列方式。Me ie r 等
(2002)在表达赤霉素-荧光素酶报告基因的转基因(一个剑
蛋白突变体的等位基因) lue1突变体中检测到赤霉素异常
表达, 推测p 60剑蛋白的活性可能部分与激素信号有关。
2 MAP65
2.1 烟草MAP65(NtMAP65)
从动物脑组织中纯化微管结合蛋白的传统方法是通过微
管反复聚合-解聚的多次超速离心。几轮循环之后任何
与微管共纯化的蛋白都被认为是微管结合蛋白, 但用该
方法得到的微管结合蛋白水平很低(Hus se y e t al.,
2002) 。为了提高获得率, Jiang和Sonobe(1993)从烟
草BY-2悬浮培养细胞制备了原生质体, 并移走液泡形成
小原生质体(miniprotoplasts), 之后加入微管稳定剂紫杉
酚(taxol)以协助微管聚合, 回收紫杉酚稳定的微管, 分离
到烟草MAP65。烟草MAP65有3个成员: NtMAP65-
1a 、NtMAP65-1b 和NtMAP65-1c(Smertenko et al.,
2000), 分子量均为65 kDa左右(Hussey et al., 2002)。
研究发现NtMAP65-1a 能在体外与微管结合, 使微管成
束, 促进微管的聚合, 并能被MAPK(mitogen-activated
protein kinase)及CDKs(cyclin-dependent kinases)激
酶磷酸化。它定位于周质微管、早前期带及有丝分裂
的纺锤体和成膜体, 能稳定由微管组成的结构, 还与成
膜体的延伸有关(Jiang and Sonobe, 1993; Smertenko
et al., 2000; Sasabe et al., 2006)。NtMAP65-1b 与
NtMAP65-1a 的序列相似性高达85%, 但NtMAP65-1b
不能促进微管的聚合, 只能与微管结合, 使微管成束, 也
能被MAP K 激酶磷酸化(Wic ker-Pl anquar t et a l.,
2004) 。 Wicker-Planquart 发现, NtMAP65-1b体外使
微管成束时明显结合到微管的C 端(Wicker-Planquart
et al., 2004)。NtMAP65-1c 与NtMAP65-1b 序列相似
性高达96%(Smertenko et al., 2000), 但NtMAP65-1c
的功能及定位尚未见报道。
2.2 胡萝卜MAP65
用去垢剂对胡萝卜悬浮细胞进行抽提, 纯化得到一系列黄聪聪等: 植物微管结合蛋白的研究进展355微管结合蛋白(Chan et al., 1996), 它们的分子量分别为60、62、68、78、105和120 kDa (Hussey et al., 2002)。其中60、62 和68 kDa的微管结合蛋白是烟草MAP65的免疫学等价物(Chan et al., 1996)。对MAP60的纯化和鉴定显示MAP60能增强微管蛋白的聚合, 赋予脑组织微管的冷稳定性, 但不能使微管成束(Rutten et al., 1997)。Chan 等发现胡萝卜MAP65能在体外与微管结合, 且使微管成束, 电镜下观察发现微管之间形成了25-30 nm的丝状横桥; 它结合整个细胞周期的4种不同的微管列阵, 如: 周质微管、早前期带微管、有丝分裂的纺锤体微管和成膜体微管, 并能够稳定由微管组成的结构(Chan et al., 1996, 1999)。2.3 拟南芥MAP65(AtMAP65)拟南芥MAP65家族有9个成员, 分子量为54-80 kDa,氨基酸序列相似性为28%-79%(Hussey et al., 2002)。AtMAP65-1与烟草NtMAP65-1序列相似性为86%(Smertenko et al., 2000)。AtMAP65-1编码一种包含587个氨基酸残基的蛋白, 分子量为65.8 kDa, pI 为4.72(Smertenko et al., 2004)。根据9种AtMAP65的序列比对, 将AtMAP65-1的序列从N 端到C 端划分为4个片段: 片段1, 1-150位氨基酸; 片段2, 151-339位氨基酸; 片段3, 340-494位氨基酸; 片段4, 495-587位氨基酸(Smertenko et al., 2004)。其中, 片段3包含不同植物MAP65进化上最为保守的部分, 而且它是与脊椎动物的PRC1(protein regulating cytokinesis 1)和酵母的Ase1p(anaphase spindle elongation)相似性最高的区域(Schuyler et al., 2003) 。片段3和片段4能与紫杉酚稳定的微管共沉淀, 但片段1和片段2却不能, 而且片段3和4又位于C 端, 由此证明AtMAP65-1的微管结合区位于C 端, 但单独的微管结合区不足以引起微管成束和形成25 nm 的横桥(Smertenko et al., 2004) 。AtMAP65-1片段3中第420位的丙氨酸(Ala)在9种AtMAP65中是保守的, 它相当于拟南芥中PLE 基因编码的MAP65-3的Ala421, Ala421替换成缬氨酸(V al ) 后导致胞质分裂缺陷(M e i e r e t a l. , 2002; S me rt en ko e t al., 2004) 。因此S me rt en ko 对
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AtMAP65-1的Ala420和Ala409进行定点突变, 发现突
变体体外均不能结合微管和诱导微管成束, 这表明
Ala420和Ala409在与微管结合和诱导微管成束方面起
关键作用, 并进一步发现AtMAP65-1与微管的结合依赖
于保守的三级结构(Smertenko et al., 2004)。用1-(3-
二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(1-ethyl-3-(3-
dimethylaminopropyl)-carbodiimide, EDC)化学法交联
AtMAP65-1时, 在单向SDS-PAGE 上产生了一条约
130 kDa的条带, 而单独的AtMAP65-1在SDS-PAGE
上位于120-140 kDa条带处, 由此证明AtMAP65-1自
身能形成同源二聚体; 利用亲和层析及免疫印迹法判断
其二聚化区域位于N 端(Smertenko et al., 2004) 。
AtMAP65-1能增强微管的聚合, 在低温下(10°C) 能稳定
微管, 防止微管解聚。体外实验也能使微管成束, 并形
成25 nm的横桥, 且能被MAPK 磷酸化(Damme et al.,
2004a, 2004b; Mao et al., 2005a, 2005b)。同步化实
验发现AtMAP65-1在整个细胞周期都有表达, 在除花瓣
和花粉囊之外的所有器官和组织中均表达, 但仅在细胞
周期的特定阶段与微管结合(Smertenko et al., 2004)。
如间期, AtMAP65-1与周质微管结合; M期, AtMAP65-
1定位于早前期带; 后期, AtMAP65-1定位于2个半纺
锤体的微管重叠区内。在成膜体中, AtMAP65-1集中
在中间带(midzone)上, 即定位于微管引导膜泡相互融合
形成细胞板处(Smertenko et al., 2004; Damme et al.,
2004a, 2004b; Mao et al., 2005a, 2005b)。
研究发现间期AtMAP65-3定位于周质微管, 分裂中
期前定位于早前期带, 胞质分裂时位于成膜体中间区
(midzone)(Chan et al., 2003b; Muller et al., 2004)。
PLE 基因编码AtMAP65-3蛋白, ple 是单一位点的隐性
突变体(Muller et al., 2004), 而且ple 突变体在根形态
发生中有缺陷, 由此在遗传图谱上分离到PLE 的等位基
因(Meier et al., 2002)。其突变体的根表现出短而粗壮
的表型, 由具不完整细胞壁的增大的多核细胞组成, 这表
明胞质分裂存在缺陷。进一步研究发现, 这些突变引起
PLE 蛋白C 末端截短, 并失去微管结合活性。在ple 突
变体中, 后期纺锤体是正常的, 胞质分裂的成膜体虽然能
够形成, 但是已经变形, 中间线异常变宽, 表明AtMAP65-3/P L E 对于胞质分裂中成膜体的功能具有重要作用(Muller et al., 2004)。利用AtMAP65-4-GFP 转基因标记发现, AtMAP65-4不能与周质微管结合, 也较少与早前期带结合, 但能与纺锤体微管结合, 并优先定位于纺锤体两极上, 随着有丝分裂后期染色体分向两极, 纺锤体两极上的荧光更加明显; 另外, AtMAP65-4不能与极微管结合。后期末, 随着纺锤体的解散, A t M A P 65-4与纺锤体分离。因此AtMAP65-4主要与有丝分裂(尤其是纺锤体的形成) 相关(Damme et al., 2004a) 。AtMAP65-4序列N 端存在一个与周期蛋白(c y c l i n ) 类似的保守的破坏框(destruction box), 这暗示在细胞周期进程中该蛋白的丰度(protein abundance)存在着周期性调节。进一步研究发现AtMAP65-4的转录在有丝分裂时被激活(Dammeet al., 2004a) 。AtMAP65-5定位于周质微管、早期的成膜体和细胞板上, 与胞间连丝的形成有关(Damme et al., 2004a,2004b) 。AtMAP65-5在整个细胞周期中均表达, 但它的表达量从S 期到M 期下降, 由此推测蛋白丰度也存在周期性调节。在与A t M A P 65-4相似的位置, 发现AtMAP65-5也有一个保守的破坏框(Damme et al., 2004a) 。AtMAP65-6与AtMAP 65-1的序列差异为44%(Hussey et al., 2002), 由于AtMAP65-6与AtMAP 65-1在N 端和C 端均表现出很大的序列差异, 推测这种差异可能赋予它们不同的活性(Mao et al. , 2005a, 2005b) 。AtMAP65-6与AtMAP65-1在体外均能与微管结合, 且能使微管成束(Smertenko et al., 2004; Damme et al., 2004a, 2004b; Mao et al., 2005a, 2005b) , 但它们的亚细胞定位和功能却有很大差异。AtMAP65-1结合整个细胞周期的4种不同的微管列阵, 如周质微管、早前期带微管、有丝分裂的纺锤体微管和成膜体微管; 而AtMAP65-6却显示了与线粒体特殊的共定位。在微管聚合方面, AtMAP65-1能增强微管的聚合; AtMAP65-6不能增强微管的聚合。在微管组装方面, AtMAP65-1诱导微管成束; 而AtMAP65-6诱导微管形成致密的网状, 而且现已证实在对抗高盐胁迫时,
AtMAP65-6诱导的微管网络比AtMAP65-1诱导的微管
束更稳定。例如当NaC l 溶液的浓度达到300 mmo l ·
L -1或更高时, 所有的微管束均解离为单个状态, 但是微
管网络却能抵抗NaCl 溶液的浓度高达500 m mol ·L -1
(Mao et al., 2005a, 2005b)。AtMAP65-1的作用是稳
定由微管组成的结构; 而AtMAP65-6的作用是锚定细胞
器(Smertenko et al., 2004; Wicker-Planquart et al.,
2004; Damme et al., 2004a, 2004b; Mao et al., 2005a,
2005b) 。
间期AtMAP65-8以一种点-线(dotted-line)的方式
与周质微管结合, 中期位于纺锤体两极上, 少量定位于有
丝分裂的纺锤体上; 成膜体形成之后, 定位于成膜体微管
的负端, 并能与微管负端相互作用(D a m m e e t a l. ,
2004a) 。
AtMAP65-2、AtMAP65-7和AtMAP65-9的亚细
胞定位还未见报道。
3 EB1
EB1是脊椎动物细胞中另一种能够调节微管动力学不稳
定性的蛋白, EB1优先结合到正在生长的微管的正端,
在微管解聚时脱落下来(Tirnauer et al., 2002)。EB1家
族在真核生物中是保守的, 拟南芥的3种同源物
At3g47690、At5g62500和At5g67270分别命名为
AtEB1a/AtEB1-同源物2、AtEB1b/ AtEB1和AtEB1c/
At EB1-同源物1, 它们的氨基酸序列相似性达67%
(Chan et al., 2003a; Mathur et al., 2003)。现已研究
了所有的AtEB1的定位(Chan et al., 2003a; Mathur et
al., 2003; Damme et al., 2004b)。Chan 等(2003a)和
Mathur 等(2003)分别报道了AtEB1a 和AtEB1b 的定位
和动力学特性, 但2个实验室得到的结果却明显不同。
Chan 等(2003a)在拟南芥悬浮细胞中发现GFP 标记的
AtEB1a 和AtEB1b 定位于成膜体微管、纺锤体微管和
间期的周质微管。在纺锤体微管列阵中, 它集中分布在
微管的负端, 而在周质微管列阵中, 它通常集中分布在微
管的正端或呈点状分布在微管生长的初始端或缩短的末
端方向。Chan 等认为这种点状结构可能标记着微管的黄聪聪等: 植物微管结合蛋白的研究进展357成核位置, 并且这些位置是变动的。Mathur 等(2003)在GFP-AtEB1b 转基因拟南芥植株中发现AtEB1以2种主要方式标记微管正端, 一种是标记微管正端3-5 µm 处, 这种方式仅限于活跃生长的细胞中; 另一种是标记微管正端5-20 µm 处, 这种方式在较不活跃的成熟细胞或间期细胞中可以观察到; 目前尚未发现EB1标记微管负端, 但发现EB1能结合到大的细胞器如叶绿体、线粒体和细胞核的内膜上, 并随机与内质网融合。此外, 他们还报道了EB1能与膜微管(membrane microtubule)结合, 并拉伸膜微管, 由此重组内膜系统, 这种与微管相联系的内膜系统的重组可能对微管的极性生长是必要的; 并且他们还认为, EB1的作用并不是稳定微管, 只是优先与已经稳定的微管结合。 2个实验室研究结果的不同可能是由于他们所使用的表达体系不同。在烟草BY-2细胞中表达的AtEB1c-GFP 的定位不同于其它EB1同源物, AtEB1c间期大部分定位于核上, 一小部分定位于细胞两端(cell pole)。随着核膜解体, AtEB1c被释放, 之后迅速与纺锤体微管和接下来的成膜体微管结合。在即将形成的细胞板的中央, 微管解聚, 一些AtEB1c 仍存在于核表面。当核膜重建时, AtEB1c-GFP部分又回到核内, 部分转移到细胞板和母细胞壁的连接处, 部分转移到细胞两端(cel l ti p) (Damm e et al., 2004b ) 。AtEB 1c 的功能仍不清楚。4 MOR1MOR1是从烟草悬浮细胞中分离到的1个分子量为200kDa 的蛋白, 在体外能使微管成束, 并形成20 nm的横桥(Yasuhara et al., 2002)。MOR1是XMAP215在拟南芥中的同源物(Hussey et al., 2002), 它有10个Heat 重复序列。2个mor1突变体的等位基因在N 端的Heat 重复序列发生单个氨基酸替换, mor1突变体是第174位的Leu 替换为Phe, mor2突变体是第195位的Glu 替换为Lys(Hussey and Hawkins, 2001) 。微管组装突变体mor 1是温度敏感型突变体(Whi tt ing to n e t al., 2001) 。如果植物在临界温度(29°C) 下发芽, 它的生长将会受到严重阻碍, 器官表现出短小和辐射状膨胀, 不能
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开花。如果在临界温度进入后期生长, 植物能开花但不
能产生种子。进一步研究揭示器官呈左手螺旋生长、
细胞伸长表现为各向同性以及根毛极性生长受损坏。
用微管蛋白-GFP 转基因拟南芥观察从允许温度(21°C)
到临界温度(29°C) 表皮细胞中的微管变化, 在临界温度
下, 微管变得无组织且长度缩短, 微管变短是微管解聚为
微管蛋白的结果, 而不是微管被切断, 因为游离的微管蛋
白-GFP 荧光不断增加(Hussey and Hawkins, 2001)。
W hittington 等(2001)应用生物信息学的方法寻找
M O R 1序列中可能的功能基序。二级结构预测显示
MO R1蛋白的α-螺旋比例高, 进一步研究发现存在
1-2个可能的跨膜螺旋结构(334-357a a 和917-
936aa), 1个由2部分组成的核定位信号(317-334aa),
1个卷曲螺旋结构域(1 268-1 295aa, coi led -co il
domain) 和10个Heat 重复序列(Hussey et al., 2002)。
Spencer 等(2000)发现1个MURF 蛋白(muscle RING-
finger protein)的卷曲螺旋基序能调节蛋白与蛋白之间的
相互作用, 因此他们推测以上的卷曲螺旋结构对于
M O R 1和微管的相互作用及与微管的结合是必要的。
Heat 重复序列是1个由37-47个氨基酸残基组成的踏车
重复序列(Hussey and Hawkins, 2001), 通常包含3-36
个单元, 产生杆状的螺旋结构, 作为蛋白-蛋白相互作用
的表面(Andrade and Bork, 1995; Furutani et al., 1999)。
MOR1定位于细胞周期不同时期的微管上, MOR1
的突变使周质微管变短且不规则(Whittington et al.,
2001), 这可能是由于MOR1的突变丧失了MOR1蛋白
与Kin1驱动蛋白之间的相互作用, 或者阻止了MOR1蛋
白结合到微管上, 而允许Kin1驱动蛋白有机会接近微管
并发挥解聚微管活性(catastrophic activity)(Hussey and
Hawkins, 2001)。MOR1的突变能否引起纺锤体和成
膜体的去装配还存在争议。Park 等(1998)报道MOR1
的突变能引起纺锤体和成膜体的去装配, 从而使染色体
的分离和胞质分裂延迟(Kawa mura et al., 2006) 。
Hussey 和Hawkins(2001)报道MOR1的突变对有丝分
裂和胞质分裂没有影响。这两种结果截然相反, 有待于
进一步研究。5 SPR蛋白5.1 SPR1SPR1是植物特有的, 能与微管正端相互作用的蛋白, 但SPR1可能不是传统意义上的微管结合蛋白, 因为它在体外不能与紫杉酚稳定的微管共纯化(Sedbrook et al.,2004; Nakajima et al., 2004) 。从拟南芥中鉴定出5种SPR1的同源物, 命名为SP1L1-SP1L5, 它们在不同的器官中以不同的水平表达。SP1L2和SP1L4在所有器官中均表达; SP1L3优先在地上器官中表达, 但根中的表达量也较高; SP1L5在除茎和花之外的器官中均表达; SP1L1则仅在成熟花的花粉中检测到; 在所有SP1L 基因中S P1L3的表达水平最高(Na ka ji ma et a l. , 2006) 。Furutani 等(2000)发现SPR1突变能引起根轴旋转、下胚轴变白、内胚层和皮层细胞各向异性生长降低。6种同源物中的任何一种都可恢复这些表型, 这暗示它们有相似的功能。12 kDa的SPR1蛋白每个末端都有几乎相同的重复序列, 这些序列被杆状结构域分开, 这表明SPR 1可能是一个起联结作用的结构蛋白(Sedbrook et al., 2004; Nakajima et al., 2004)。关于SPR1的定位存在不同的看法, Sedbrook等(2004)发现SPR1与周质微管正端结合, 但在间期一些特殊细胞中SPR 1沿微管分布, 这些细胞多位于受伤的伸长组织。Nakajima 等(2004)报道GFP-SPR1转基因拟南芥, 大多数细胞中SPR1都沿整条微管分布, 仅在少数细胞中观察到SPR1位于微管正端。关于SPR1的精确定位还有待于进一步研究。SPR1在体外不能直接与微管结合(Nakajima et al., 2004; Sedbrook et al., 2004), 这说明SPR1需要其它的微管结合蛋白协助才能结合到微管上, 可能SPR1的定位由与其结合的微管结合蛋白决定。周质微管能调节细胞延伸的方向, SPR1与周质微管共定位, 并且快速伸长的细胞中SPR1的表达水平上升(Nakajima et al., 2004)。spr1突变体中的周质微管排列表现异常(Furutani et al., 2000) 。这些结果表明SPR 1通过调节周质微管, 进而调节细胞延伸的方向
(Nakajima et al., 2004; Ishida et al., 2007)。
5.2 SPR2
SPR2是一种植物特有的微管结合蛋白, 包含864个氨
基酸残基, 分子量约为94 kDa, pI为5.47。用Blast 软
件分析发现拟南芥、马铃薯和水稻中均存在功能未知
的SPR2同源蛋白, 但非植物生物体中不存在其同源蛋
白。拟南芥的At1g5089和马铃薯的HIP2与SPR2的
序列相似性分别为48%和50%(Shoji et al., 2004), 马
铃薯的HIP2已通过酵母双杂交图谱被鉴定出来(Guo et
al., 2003) 。用重复查找(repeat-finding)法进行序列分
析发现S P R 2和其同源物中存在重复基序(r e p e a t
motifs)(Andrade et al., 2000)。Shoji 等(2004)预测
SPR2、At1g5089和HIP2中存在9个重复基序, 且这
些基序之间的序列是高度保守的, 其中7个重复基序聚
集在N 端。重复单元包含38-41个氨基酸残基, 由被
铰链区分开的2个α-螺旋结构组成。对SPR2重复基
序的比对表明它是Heat 重复基序。Canonical Heat重
复基序在2个α-螺旋中有7个保守的疏水残基, 其中4
个通常为亮氨酸(Leu), 1个通常为缬氨酸(Val)(Andrade
et al., 2001) 。Heat 重复基序的特征残基是第1个α-
螺旋之后的天冬氨酸(Asp)和第2个α-螺旋N 端的精氨
酸/赖氨酸(Arg/Lys), 它们在SPR2重复基序中是保守
的(Shoji et al., 2004)。SPR2的N 端区域富含丝氨酸
(Ser)和苏氨酸(Thr), 该特征也存在于At1g5089和HIP2
中, 但在其它同源物中并未发现。用PSORT 程序对基
序进行搜索预测发现其N 端区域是一个定位于质粒的信
号, 但细胞定位研究显示SPR2不能定位到质粒上, 而
是定位于周质微管(Shoji et al., 2004)。
Sho ji 等(2004) 研究发现SPR 2的表达水平在花
芽、叶(cauline leaf)、玫瑰花形叶(rosette leaf)、花
序茎、根和子叶中是相似的, 表明SPR2的表达不是限
定在特异的器官中。 SPR2在野生型植株中表达水平较
低, 但研究发现SPR2过量表达并不能诱导螺旋生长或
其它形态学方面的异常。GFP-SPR2在拟南芥的叶表
皮细胞中定位于周质微管, 在根的分裂细胞中定位于有
丝分裂纺锤体和成膜体。在转基因烟草BY-2细胞中, 黄聪聪等: 植物微管结合蛋白的研究进展359SPR2定位于周质微管、早前期带以及有丝分裂的纺锤体和成膜体。体外微管共沉淀分析显示SP R2能直接结合到紫杉酚稳定的微管上(Shoji et al., 2004)。SPR 2对植物的各向异性生长非常关键。拟南芥spr2突变体在细胞伸长的方向上表现异常, 纵向生长的器官如根、下胚轴和茎表现出右手螺旋生长。spr2突变体的根比野生型的根对微管作用药物更加敏感, 例如在紫杉酚存在时, 野生型植株主根的长度被抑制25%,sp r2突变体的主根则被抑制约50%(Sh oj i e t a l. , 2004) 。遗传研究显示SPR 1和SPR 2虽然均控制细胞伸长的方向, 但作用的途径不同(Furu tani et al., 2000) 。6 WVD2拟南芥WVD2基因也是最近被鉴定出来的, 它是拟南芥中一个由8个成员组成的基因家族, 编码一种植物特有的23 k Da 的高度亲水的蛋白(Yuen et a l., 2003) 。W VD2在细胞极性伸长中起重要作用。它的过量表达使突变体幼苗的根和下胚轴表现出右手螺旋生长, 但玫瑰花形叶为左手螺旋生长。此外细胞伸长的各向异性被破坏, 导致产生短小粗壮的器官。此外, 这些突变体根表皮细胞中的周质微管的排布也发生改变(Yuen et al.,2003) 。W VD2没有明显与微管相互作用的结构域, 但体外实验显示它直接结合到微管上, 并使微管成束。前文已提到, MAP65-1能使微管成束, 并形成25-30 nm的横桥; 由于WVD2的分子量较小, 可能它的成束方式或连接微管的方式与AtMAP 65-1不同。7 展望随着植物基因组计划的完成, 在植物中已鉴定出许多动物和酵母微管结合蛋白的同源物, 但也有许多对微管组装起重要作用的微管结合蛋白在植物中并未发现其同源物。我们相信随着研究的进一步深入, 将会有更多的植物特有的微管结合蛋白被发现, 为阐明植物微管的组装机制提供理论依据。
360植物学通报 25(3) 2008
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(责任编辑: 孙冬花)