细胞信号转导
南 京 农 业 大学
课程名称 现代微生物多相分类
考试时间
学号姓名 所在学院
任课教师
南京农业大学研究生院培养处印制
植物G 蛋白在细胞信号转导中作用机制介绍
摘要:近年来,植物G 蛋白(包括异三聚体G 蛋白和小G 蛋白) 的存在及其信号调控途径已经成为人们研究细胞信号转导过程的热点问题。从多种植物细胞中相继分离克隆出多个与动物G 蛋白同源的编码植物G 蛋白的基因,并且植物G 蛋白的种类和数量有其独特性。植物G 蛋白在植物细胞跨膜信号转导中发挥重要的作用,参与多种生命活动的调控。本文主要综述了植物G 蛋白在细胞信号转导中的作用机制的研究。
关键词:植物G 蛋白,细胞信号转导,作用机制
The study of the function mechanism of the plant G proteins
in the research of cellular signal transduction
Abstract: In recent years, the existence and the paths of signal regulation of G proteins of plants (include heterotrimerie G proteins and small G proteins) has been the hot issues in the process of study the signal transduction. The genes which encode the G proteins had been delaminated and cloned from many cells of plants, these genes are homology with those of the animals. The species and quantity of the G proteins possess individuality. The G proteins of plants play an important role in the signal transduction, and participate in many regulations of vital movement. This article mainly overview the study of the function mechanism of the plant G proteins in the study of cellular signal transduction.
Key words: G proteins, signal transduction in cells, mechanism of action
植物体的生长、发育主要受遗传信息及环境的调节控制。很多研究认为,信号转导是维系外部刺激与细胞反应的桥梁,但是千变万化的环境因子使得信息传递的途径与机制非常复杂。数条跨膜信号转导途径已经阐明[1] :受体偶联的G 蛋白途径、蛋白激酶受体途径、离子通道途径、心纳素(ANF)受体途径、细胞因子受体途径等,其中以受体偶联的G 蛋白途径较为引人注目。G 蛋白、G 蛋白受体和效应系统构成了生物体内一个重要的信号系统,骨骼肌、平滑肌、神经元、卵母细胞及内分泌细胞等需要快速应答极低浓度的细胞外刺激物,其信号转导一般都经由受体-G 蛋白-效应系统途径。这一领域中以动物为材料的研究大大领先于植物,然而因为植物对一系列外界信号如光、引力、植物激素和微生物侵染、机械创伤等作出反应的接收与转导信号机理有其特殊性,所以近几年植物G 蛋白的研究亦备受注意[2]。G 蛋白的发现是生物学上的一个重大的成就,A .G .Gilman 和M .Rodell 因此获得1994年的诺贝尔医学和生理学奖[3]。另外,xu K、Hepler 等、Linder 等、Sun JZh、J Wess等都研究证明,G 蛋白在信号转导过程中起到重要的作用[4-8]。
2 G蛋白的种类与结构
2.1 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
(heterotrimerie G protein)和小G 蛋白(small GTPase)。
2.2 G蛋白的结构
2.2.1 异三聚体G 蛋白(heterotrimerie G protein)的结构
异三聚体G 蛋白由α,β和γ三种亚基构成;α亚基相对分子质量一般为3.5×104 -4.5×104 ,少数相对分子质量较大,可达6.6×104 -7.4×104;β亚基相对分子质量为3.5×104 -3.6×104 ;γ亚基相对分子质量为8.0×103-1.0×104 。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Ran. Ras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。
迄今的研究表明,人类基因组中存在l7个G α基因,编码23个G α亚基蛋白,存在至少5个G β基因和l2个Gγ 基因。同时人类基因组中存在着至少800个编码G 蛋白偶联受体(G protein—coupled receptors,GPCRs) 的基因[9]。与从动物细胞中克隆到上百个Gα基因相比,植物中发现编码G 蛋白基因的数目非常有限。自从1990年首先从拟南芥中分离到一个Gα基因(GPA1)以来,已从l0多种植物中克隆到Gα基因[10],然而,每一个物种只鉴定到一个Gα单基因,只有大豆和豌豆和烟草中存在着2个Gα基因[11-12]。此外,从玉米和拟南芥细胞中克隆到的两个基因(ZGBI,AGBI) 与动物Gβ基因具有较高同源性,并且具有WD-40结构,被认定是植物细胞中的Gβ基因,最近两个Gγ基因也从拟南芥细胞中分离得到[13]。虽然植物G 蛋白和动物G 蛋白的同源性较低,但是植物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,据此认为植物体中的,α,β和γ三种亚基也可能组成异源异三聚体G 蛋白[14-15] 。
植物细胞中同样发现与动物细胞中同源的小G 蛋白家族的存在,包括Rad ,Arf ,Ran ,Rho ,但迄今尚未找到与动物Ras 有较高同源性的小G 蛋白[16]。自从1993年第一次从豌豆中发现Rho 相关的GTPase 以来,人们先后在17种植物中发现352种与Rho 相关的GTPase ,虽然它们也是由Rho 家族保守的亚家族Rho ,Rac 和Cdc42 GTPase 演化而来,但是植物Rho GTPase不同于真菌和动物的Rho GTPase,它属于一种特殊的ROP(Rho.related GTPase from plants,Rop GTPase)。研究发现拟南芥中含有11种,玉米中含有9种,水稻中含有7种Rop GTPase。然而在美丽线虫(Caenorhabditis elegans)中只发现4种,人类只有3种Rac 基因,说明ROP GTPase在植物中分布较为广泛,并且种类繁多。考虑到异三聚体G 蛋白,Rop GTPase和Ras 蛋白在动植物中分布的悬殊差别,人们推测植物体的信号转导途径可能与动物的信号转导途径有较大的不同,并且Rop GTPase有可能在其中扮演着独特的角
[17]色。
植物Gα含有以下功能位点:5个GTP 结合位点,1个GTPase 活性位点;2个ADP-核糖基化位点;1个质膜受体识别与结合位点;1个胞内效应器结合位点。在天然状态下,β和γ亚基紧密结合在一起形成二聚体。在细胞处于静息态时,Gα上结合GDP ,并与G βγ共同构成一个复合体。当位于膜表面GPCR 与配基结合后,受体被活化并催化Gα上的GDP 解离,Gα因而活化并调节胞内效应器如腺苷酸环
化酶,离子通道等活性,并由后者导致一系列下游事件。同时,由于Gα本身具有内在的GTPase 活性,水解GTP 为GDP ,使Gα变为非活化态,与Gβγ, 再次结合而失活。可以发现G 蛋白内在GTPase 活性将GTP 水解为GDP 是终止信号的关键步骤,最近,Chen 等[18]发现一个G 蛋白信号转导调节子(regulator of G protein signaling ,RGS) 参与G 蛋白信号终止的调节。
2.2.2 小G 蛋白(small GTPase)
植物小G 蛋白超家族各成员之间有一些相同的结构特征,如它们都含有4个鸟苷酸结合区和1个效应区。小G 蛋白对上下游的调节机制和异三聚体G 蛋白不同。质膜上的鸟苷酸交换因子(guanine nucleotide exchange factor,GEF) 通过GDP /GTP 的交换反应,将结合GDP 的非活性状态的小G 蛋白转化为结合GTP 的活化状态,结合了GTP 的小G 蛋白通过其上游的效应器结合位点与下游的1个或多个特异的效应器蛋白相互作用。这种活化的GTP 表现出固有的微弱的GTPase 活性,需要在GTPase 激活蛋白(GTPase activated protein,GAP) 的作用下才能有效地将GTP 水解掉,从而恢复小G 蛋白的静息状态。此外,大多数小G 蛋白都有2种存在方式,一种是与质膜偶联,另一种是在胞质中游离,只有和质膜偶联的GTPase 才能被GEF 激活,在胞质中存在一种鸟苷酸解离抑制因子(guanine nucleotide dissociation inhibitor,GDI) ,在它的负调控下,小G 蛋白才能与膜解离[19]。这些小G 蛋白复合体的调节方式和生理作用在所有有机体包括植物中保守存在。
植物中还有另外一类G 蛋白,称为“超大G 蛋白”(extra large G protein,
XLGs) [ 20-21]。在拟南芥中鉴定到3个、在水稻中鉴定出4个XLG 基因。这些XLG 基因编码的蛋白是通常多细胞生物G 蛋白的两倍大,其C 端与植物G 蛋白GPAI 的同源性约50% ,其N 端富含色氨酸,且含有核定位位点。生化分析表明,拟南芥XLGI 是一种GTP 结合蛋白。然而目前尚未有关于XLG 能和常规G βγ发生相互作用的证据,因此,对植物XLGs 的功能研究有待深入[22]。
3 植物细胞的信号分子
在目前已经研究过的一些典型的逆境条件(如脱水、机械损伤、温度变化、病虫害感染等) 下植物细胞的信号反应中,已发现植物细胞的信号分子有几十种,其中绝大多数都是植物所特有的[23]。如果按其作用范围可分为胞外信号分子和胞内信号分子下面是植物常见的几类胞外信号分子。
3.1 寡聚糖类
寡聚糖作为细胞壁的主要成分,除了具有保护支持细胞框架的功能外,还起激活抗性和发育过程信号的作用。大多数植物受到感染时,在识别分子信号过程中,首先决定宿主与病原微生物的相互作用是亲和的还是不亲和的。只有亲和的才致病,而不亲和(不相容) 的则引起抗性反应的快速表达,这就是超敏反应(hypersensitive reaction,HR) 。大多数HR 诱导物是非物种特异性的,如l ,3-D-葡聚糖、半乳糖、富含甘露糖的糖蛋白、聚氨基葡萄糖等。其中七聚葡萄糖苷为目前所知此类信号分子中最小的活性成分[24]。已发现真菌细胞壁中β-葡聚糖成分诱导物以激素作用方式与植物细胞膜上受体高度亲和从而影响抗性基因表达,大豆细胞壁上纯化的葡聚糖诱导物可以附着于膜上, 这都表明真菌与植物细胞壁中寡聚糖成分起重要的相互作用。寡聚糖除了影响抗性基因表达外还可激活蛋白酶抑制剂(proteinase inhibitor,PI) ,此外还参与和膜有关的过程,如蛋白质磷酸化、
离子流、动作电位等。寡聚糖类细胞信号由于有其作为细胞壁成分的特殊一面,已成为植物细胞胞外信号中最引人注目的信号分子。
3.2 多肽类
在番茄及马铃薯的叶子中合成的一种PI 诱导物,实际上在植物除根以外的各器官中都发现它的存在,它是一类可移动的l8个氨基酸组成的多肽,称之为系境素(systemin)。其前体经蛋白酶加工,这一过程类似于动物中的激素前体加工。这种内源性多肽可在低浓度下诱导两种抑制其它生物的蛋白酶功能的丝氨酸类蛋白酶抑制剂(PII、PI Ⅱ)-它们也是植物受伤抗性所必须积累的因子,能使叶蛋白的消化性、营养性降低,因此系统素也称作蛋白酶抑制剂的诱导因子(PI IF) 更为重要的是,它还可通过植物韧皮部从受伤部位运输到远处非受伤部位,这是第一种在植物中发现的、可以起始信号转导并调节植物组织功能的多肽类激素。该基因已分离到,有l0个内含子,l1个外显子,其前体蛋白有200个氨基酸。
3.3 小分子类
花生四烯酸、脱落酸(ABA)、茉莉酮酸(JA)、甲基化茉莉酮酸(Me-JA)、细胞激动素(CK)、水杨酸(SA)等属于小分子信号分子。花生四烯酸是细胞壁成分之一并能诱导抗性[25]。ABA 和CK 都是植物在脱水、土壤干燥情况下起调节作用的信号分子,它们主要对气孔行为进行动态控制并调节发育。ABA 是脱水情况下的正信号,CK 是一种负信号,它们对干旱环境中的植物共同起支配作用[26]。另外还发现ABA 诱导并积累蛋白酶抑制剂Ⅱ的mRNA 。Me-JA 诱发SA 前体的作用酶(苯丙氨酸氨基水解酶PAL) 、生物碱、蛋白酶抑制剂I ,在信号传递中起中介作用.并诱导从受伤反应的ABA 积累到基因的转录激活这一途径。SA 处于信号途径较下游区,目前发现它广泛分布于单、双子叶植物中,且是唯一在生理相关浓度下显示出对微生物病原体抗性的信号分子。可能有另外物质诱导它,再作为植物免疫系统-系统获得性抗性(SAR)中的信号分子起作用;它还能刺激开花,抑制乙烯合成;再由乙烯受体介导,通过受体一效应器复合物产生信号级联反应[27]。
自从1985年,Boss 与Massel 首次证实植物细胞中存在磷酸肌醇二磷酸,并发现植物胚轴微体中ca 2+的释放受到IP3 的诱导,第一次显示出IP3对质膜成分的调节有影响[28]。以后,叉继而在燕麦根的质膜中找到了具有依赖ca 2+的磷酸肌醇特异性磷酸二酯酶的存在。ca 2+作为植物胞内信号参与信号转导也经证实,如ca 2+和钙调素调节可溶性膜蛋白磷酸化的机制在玉米中存在。并且在小麦中提取到650个核苷酸的钙调蛋白mRNA 。另外在植物中测定到有低浓度cAMP 的存在,并从大豆中分离到一个蛋白质激酶家族的6个成员。从这些进展可以认为, 植物亦存在类似动物细胞的几种胞内信号系统。
4.G 蛋白在植物细胞信号转导中的作用及其机制
信号转导(signal transduction)是指由细胞外信号转为细胞内信使的过程,可以通过细胞表面受体与配体分子的高度亲和力,进行特异结合,从而诱导受体蛋白构象变化,使细胞外信号顺利通过细胞质膜进入细胞内。朱玉贤等认为,一般情况下,受体分子活化细胞功能的途径有两条[1]:一是受体本身或蛋白质具有内源酪氨酸激酶的活性,细胞内信号通过酪氨酸激酶传递;二是配体与细胞表面的受体结合,改变受体的构象,使受体与位于细胞质膜内侧的G 蛋白三聚体结合,通过G 蛋白介导的效应系统激活细胞内有关酶的系统[29-30],从而传递信号。可见
酶受体复合物是通过G 蛋白间接作用于效应器的。
不同种类的G 蛋白它们的α-亚基都有鸟苷酸结合区,既可与GTP 结合,又可与GDP 结合。与GTP ,GDP 的可逆结合使G 蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用,其跨膜传递信息一般分为以下几步[1-8]:
(1)当外部没有信号时或没有受外部刺激时,受体不与配体结合,G 蛋白处于关闭状态,以异源三聚体形式存在,即α-亚基与GDP 紧密结合,β,γ-亚基与α-亚基、GDP 的结合较为疏松。
(2)当外部有信号时,G 蛋白受体与其相应的配体结合,随之诱导G 蛋白的α-亚基构象变化,并使α,β,γ三个亚基形成紧密结合的复合物,从而使GDP 与GTP 交换,但是与GTP 的结合导致α-亚基与β,γ-亚基分开,α-亚基被激活,即处于所谓的开启状态,随后作用于效应器,产生细胞内信号,从而引起细胞的各种反应。
(3)G蛋白回到关闭状态,很多实验证明,G 蛋白的α-亚基具有GTPase 活性,在Mg 2+存在的条件下可以水解GTP ,α-亚基与GDP 复合物重新与β,γ-亚基结合,使G 蛋白失活,处于关闭状态。以上三个过程依次循环完成信号的传递,G 蛋白的α-亚基具有GTPase 活性,其活性的强弱就决定了活化态G 蛋白的有效期,从而进一步验证了G 蛋白在信号转导过程中起到分子开关的作用[31]。
4.1 植物异三聚体G 蛋白的调节功能及其机制
在高等真核生物中,异三聚体G 蛋白参与的跨膜信号转导途径是一种常见且保守的作用机制:胞外信号通过与质膜相结合的受体和质膜内表面的异三聚G 蛋白,将信号传递给效应器并产生胞内第二信使,再由后者调节下游效应器及酶活性。目前,大量的药理学及分子细胞生物学证据表明,植物体异三聚体G 蛋白参与了诸多发育过程,如气孔开关、细胞周期调节、根的发育等,在植物感知环境信号反应中起着重要的作用[32-33]。
4.1.1病原信号转导
Beffa 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
(pathogenesis.related protein,PR) 基因的表达,而向细胞内注射CTX 或GTPS γs则抑制PR 基因表达[34]。
Xing 等的相关研究结果也表明病原激发子信号的早期阶段需要活化的G 蛋白参与。他们在研究过程中发现激发子作用于宿主(番茄) 细胞时,可引起质膜上H+-ATPase的去磷酸化,这与无激发子作用时G 蛋白活化剂处理番茄细胞所产生的效应相同;并且在番茄质膜上检测到与G α(G-protein α-subunit) 抗血清起交叉反应的蛋白,后者可被CTX 诱导发生ADP 核糖基化反应。近年来,人们又陆续通过药理学实验,证明多种病原激发子的信号转导需要异三聚体G 蛋白的参与[35]。
4.1.2 光信号转导和光控发育
光信号转导是植物细胞信号转导最活跃的研究领域。早在1987年,Hasun 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。近些年来,药理学结合显微注射技术的研究表明,G
蛋白活化剂、抑制剂(CTX,GTP γs 和PTX ,GDP γS) 可专一性地调节受光敏色素调控的基因(cab和phy) 的表达。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 等的研究证实G α还参与了绿鞭毛藻的趋光性信号转导[36]。Okamoto 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。他们构建了转基因拟南芥植株,超表达异三聚体G 蛋白α亚基的转基因幼苗下胚轴伸长调节表现出对光(远红光、红光、蓝光) 的超敏感特征。进一步在光敏色素相应突变体的背景下超表达Gα发现,对远红光和红光的超敏反应分别需要光敏色素A(phyA)和B(phyB)的参与,且FR-phyA 的信号转导途径中,G 蛋白参与的是FHYI(Far-red Elongated Hypocotyl 1)介导的通路[37]。
4.1.3 激素信号转导
4.1.3.1 ABA信号转导
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,如磷酸脂酶、蛋白磷酸酶、蛋白激酶、细胞内Ca 2+ 、pH 、磷酸肌醇等。然而,关于细胞外的ABA 信号如何与这些下游效应器之间发生联系的难题人们一直都没能够突破。因此,胞外ABA 信号与下游效应器的作用机制成为ABA 信号转导研究的重要方面。
Wang 等的实验结果表明,拟南芥Gα的缺失突变体gpal 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;然而ABA 仍然能促进gpal 植株气孔的关闭过程,进一步研究证实,ABA 可诱导胞浆H+水平下降,后者激活阴离子通道的活性,从而引起气孔的关闭,看来ABA 引起胞内pH 变化是不依赖于Gα,从上述结果分析,
+Gα将ABA 与下游的K 离子通道活性调节耦联起来,但是这并不是唯一的途径[38]。
4.1.3.2 GA信号转导
Jones 等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) 以和GA1类似的作用方式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,GTP γS 促进Gα引起的α-淀粉酶基因启动子GUS 报告基因的表达,而GDP βS 则抑制上述表达[39]。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。
Fujisawa 等将水稻异三聚体G 蛋白 亚基的反义cDNA 转入水稻后,发现转基因水稻表现出明显的植株矮化和种子缩小的表型,从而证实异三聚体G 蛋白参与了水稻节间和种子发育的调节;限制性片段长度多态性分析(RFLP)表明,水稻G 基因位于第5条染色体上,并与水稻中发现的矮化突变体d-1的突变体位点紧密连锁,他们将GA 不敏感的水稻突变体dwarf-1的基因进行克隆并作分析时发现,dwarf-1基因编码的蛋白质就是G 蛋白仅亚基,从而证实异三聚体G 蛋白确实参与GA 信号转导过程。ulla}l等的研究也表明,异三聚体G 蛋白参与拟南芥种子发育过程中的GA 信号转导。他们发现,拟南芥Gα缺失突变体gpal 的种胚在萌发过程中对GA 的反应下降100倍;而超表达GPA1的种子在萌发过程中仍需要GA 参与,且对GA 的敏感性至少增强上百万倍。因此,他们认为异三聚体Gα参与种子萌发过程中的GA 信号转导途径的正调控。此外,他们在实验中还观察到,gpa1种子萌发对ABA 和乙烯的反应与野生型种子相似,从而提示GPA1不直接参与种胚萌
发过程中这两种激素的信号转导过程。
4.1.3.3 生长素信号转导
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 。而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GPA1的无效等位基因的缺失突变体进行研究,发现不再表达Gα蛋白的拟南芥突变体植株(gpal-1和gpal-2) 地上组织(如叶和茎) 的细胞周期G 。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[40]。这一研究结果表明,至少生长素作用的某一种信号转导途径需要Gα仅参与,在此信号转导通路中,Gα可能是直接参与,也可能是通过去除了与G βγ的相互作用,以GDP-Gα的形式参与调节
[41]。
4.2 小G 蛋白的调节功能及其机制
在嗜中性粒细胞中,人们发现NADPH 氧化酶复合物的组装及其活性的表达,都要求Rac 蛋白定位到质膜上,Racl 和Rat2蛋白通过调节NADPH 氧化酶的表达水平来控制活性氧的产生,已证实在烟草细胞中,植物小G 蛋白可与NADPH 氧化酶复合物的一个成分发生免疫反应。用转水稻小G 蛋白OsRacl 基因的水稻为材料研究表明,转OsRacl 组成型活性基因的水稻可产生大量的活性氧,产生HR 样反应,植保素的合成和抗性相关基因的表达量增加,对稻瘟病、枯萎病的抗病能力有所增强[42]。同时,组成型活性OsRacl 诱导的活性氧生成可被NADPH 氧化酶抑制剂DPI(dipbenylene iodoniam)所抑制,相似的结果在过表达棉花GhRac13或人Racl 的拟南芥或蚕豆悬浮培养体系也存在。转水稻OsRacl 显性负突变体的产生抑制了转基因水稻悬浮培养细胞受病原激发子诱导的活性氧产生,也抑制植物受无毒生理小种诱导的HR 反应[42]。另外,将苜蓿MsRacl 基因的反义载体转人烟草后,烟草在激发子的诱导下并不产生相应的抗病反应[43]。Moeder 等在含抗性基因N 的烟草中超表达水稻OsRacl 的显性负突变形式,发现接种烟草花叶病毒后转基因植株形成的致死斑较野生型对照较小,同时积累较少的脂类过氧化物,并且不能激发抗氧化基因的表达。这些负性效应可被瞬时超表达野生型OsRacl 逆转。这些结果说明,植物小G 蛋白可能是植物抗病途径中的一员,结合在膜上的小G 蛋白首先活化磷酸脂酶,其后在胞内蛋白激酶被活化以及胞外Ca 2+进入胞内的条件下,增加NADPH 氧化酶活性,使质膜释放出H 202等活性氧。活性氧一方面能直接攻击病原物,高浓度的H 202可使细胞死亡,引发植物过敏反应;另一方面H 202作为植物抗逆反应的二级信使将引起植物产生一系列抗逆反应。
还有研究表明,植物小G 蛋白可能通过调控胞内肌动蛋白纤丝的极性化聚积和重组参与植物的抗病反应。通过比较对白粉病菌Blumeria graminls
f .sp .hordei(Bah)敏感和抗性的大麦Mlo 基因型和mlo5突变基因型接种Bgh 后胞内肌动蛋白动态变化发现,抗性品种中胞内肌动蛋白纤丝向病菌侵染位点极性化聚积,而敏感品种中病菌侵染位点周围只有微弱的肌动蛋白重组。抗性越强,肌动蛋白的极性化聚积程度越高。如果在单个细胞中超表达组成型活性的RAC /ROP-G 蛋白,CA RACB,可以部分抑制受Bgh 诱导的肌动蛋白重组,若敲除RACB 可以明显促进肌动蛋白的极性化聚积[44]。结果表明小G 蛋白参与大麦与Bgh 互作中肌动蛋白重组和细胞极性的调控,并且可能负调控大麦对白粉病的抗性。
5 展望
细胞信号转导的研究与生命科学中的许多重要问题密切相关,它已经成为了解错综复杂的生命现象不可缺少的内容,并且成为生命科学多领域、多层次的纽带。而G 蛋白的发现与较深入的研究使受体转换器的概念与结构功能更具体化,而且G 蛋白的效应系统涉及的方面很多,如腺苷酸环化酶、磷酸酯酶、环GMP 磷酸二酯酶、及K +,Ca 2+,Na +离子通道等,这些为更好的研究信号转导提供了很多突破点。但是,在G 蛋白的研究上还存在着一些问题,如G 蛋白仅提供了不同的受体信号相互整合以及将不同的信号分送到不同的效应系统的最初机会,不同的效应系统通过完全不同的方式传递信号,诱发生理功能,而有关效应系统之间的联系很少;关于活化G 蛋白和效应应答之间的联系,目前了解得很少;另外,通过一些实验,如GTP 结合试验、免疫反应、分离纯化以及分子生物学和生理实验发现在植物中存在G 蛋白的类似物,但其结构是否与动物G 蛋白相同还不清楚,等等。这些问题仍有待于进一一步研究,相信随着技术的进步及科研水平的提高人们一定能攻克这些难题,从而更清楚地了解细胞的信号转导[31]
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