植物細胞中蛋白脂?；揎椀纳飳W功能

于明香 宋水山，2，3

（1. 河北工業(yè)大學化工學院，天津 300131；2. 河北省科學院生物研究所，石家莊 050051；3. 河北省主要農(nóng)作物病害微生物控制工程技術研究中心，石家莊 050051）

在生物體內(nèi)，DNA通過轉錄翻譯形成多肽，然后經(jīng)過一定的共翻譯或翻譯后修飾過程形成成熟的蛋白質。蛋白質翻譯后修飾方式有多種形式，如甲基化、磷酸化、糖基化等。脂質修飾，即一種蛋白質與脂質分子共價結合作為一種重要的翻譯后修飾途徑，其對細胞信號分子的膜錨定、蛋白轉運、蛋白定位及蛋白互作具有重要意義。目前已知的主要脂質修飾類型包括膽固醇化、異戊烯化、糖基化和脂肪酰化；其中脂肪?；饕芍舅崤c蛋白質共價結合，增加蛋白質分子與膜的親和性，從而刺激某些信號途徑，影響蛋白質在細胞內(nèi)的轉運及膜定位。與蛋白脂肪?；揎椩谡婢蛣游锛毎泄δ艿难芯肯啾龋参锏鞍踪|脂?；揎椉捌渖飳W功能的研究相對落后，同時研究發(fā)現(xiàn)植物中蛋白脂?；^程及其調控的生理過程并不與動物和酵母細胞中完全相同。N-豆蔻?；蚐-酰化是脂肪?；膬煞N重要形式，在細胞膜定位、信號轉導中起著重要的作用。本文將主要對植物蛋白脂肪?；奶卣骷捌湓谏飳W功能方面進行綜述，旨在為后續(xù)采用遺傳干預技術提高農(nóng)作物生產(chǎn)、優(yōu)質及抗逆提供理論指導。

1 植物蛋白豆蔻酰化及其生物學功能

1.1 蛋白N-豆蔻?；揎椷^程

蛋白質的豆蔻?；侵觉；囊环N重要形式。蛋白質N-豆蔻?；畛醢l(fā)現(xiàn)于環(huán)AMP依賴性蛋白激酶［1］和鈣調神經(jīng)磷酸酶 B［2］。N-豆蔻酰化可發(fā)生于真核細胞蛋白翻譯和翻譯后修飾過程中，這種修飾增加了目標蛋白的親脂性，促進其與細胞膜相互作用，從而調控其亞細胞定位，在細胞生理學中起到了重要作用［3］。

在共翻譯過程中，N-豆蔻?；怯杉琢虬彼岚彪拿杆怆逆淣-末端的甲硫氨酸，使得2號位的甘氨酸裸露出來，N-豆蔻酰轉移酶（N-Myristoyltransferase，NMT）［4］將含有 14 個飽和碳的豆蔻酸與裸露的甘氨酸的α-氨基共價結合形成酰胺鍵。此過程為不可逆過程。

另外，Zha等［5］發(fā)現(xiàn)在細胞凋亡過程中促凋亡蛋白——BH3 結構域凋亡誘導蛋白（BH3-interacting domain death agonist，BID）被半胱天冬酶作用后暴露出內(nèi)部的甘氨酸殘基，進而該甘氨酸殘基與含有14個飽和碳的豆蔻酸發(fā)生豆蔻?；Ｒ虼?，豆蔻?；部梢园l(fā)生在蛋白質翻譯后修飾過程中［6-7］。

近年來對于蛋白豆蔻?；虻难芯吭絹碓蕉?，公認的NMT識別序列為MGXXX，即N端第2位氨基酸為Gly，其余位置為任意氨基酸。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)其他位置的氨基酸豆蔻?；鞍椎墓δ芤灿幸欢ǖ挠绊?。Johnson等［8］報道除N端2號位Gly殘基是蛋白豆蔻酰化必需的之外，6號位還要求為Ser或Thr，即M1G2X3X4X5S/T6X7X8，以確保NMT與其底物結合。Sebastian等［9］提出蛋白豆蔻?；?個基序區(qū)域，包括區(qū)域1：2號位到6號位氨基酸殘基用于底物識別；區(qū)域2：7號位到10號位氨基酸殘基與NMT表面相互作用；區(qū)域3：11號位到17號位氨基酸殘基具有親水性作用。然而有證據(jù)表明植物中決定蛋白豆蔻?；谋Ｊ鼗蚺c動物和酵母細胞中的稍有不同［10］。Yamauchi等［11］報道除 2號位甘氨酸是豆蔻?；谋匦铓埢?，植物蛋白N-豆蔻?；幕蛑?、6和7號位的氨基酸種類及其組合在豆蔻酰化中發(fā)揮作用，6號位的Ser和7號位的Lys殘基會影響3號位的氨基酸的選擇性，3、6、7號位氨基酸的組合形式影響豆蔻?；鞍椎哪そY合特性。

在植物擬南芥中已經(jīng)分離出兩種編碼NMT蛋白 的 cDNAs，AtNMT1（At5g57020） 和AtNMT2（At2g44170），在遺傳學上已經(jīng)證實 NMT1 的功能［12］。NMT1和NMT2都是GNAT（GCN5-乙酰轉移酶）超家族的成員［13］。有證據(jù)表明在擬南芥中NMT1是主要的N-末端肉豆蔻酰基轉移酶。相比NMT2而言，其mRNA表達水平相對較高。Pierre等［14］研究發(fā)現(xiàn)NMT1突變體植株表現(xiàn)出致死性狀，AtNMT1敲除突變植株表現(xiàn)出矮化現(xiàn)象，AtNMT2缺失突變體延遲開花時間。盡管NMT2與NMT1有80%的同源性，但它們具有不同底物特異性。Renna等［15］鑒定得到一株NMT1的隱性突變體stingy，研究表明突變體中ADP-核糖基化因子Arf蛋白亞細胞定位發(fā)生異常。其表型并無異常，表明該酶的部分缺失不會影響整個酶活；而nmt1突變體的表型則異常，主要與蛋白激酶SnRK1豆蔻酰化復合物在膜上丟失有關。以上研究表明NMT1具有植物正常發(fā)育所需的NMT活性。

Podell和Gribskov等［16］預測出植物擬南芥蛋白質組有319種蛋白質能夠被豆蔻酰化修飾，其中包括蛋白激酶（大多數(shù)為已知的鈣依賴性蛋白激酶CDPK/CPK）、磷酸酶、硫氧還原蛋白［17］、GTP結合蛋白［18］、轉錄因子及其他未知的蛋白質。

1.2 蛋白N-豆蔻?；纳飳W功能

蛋白豆蔻酰化是一種重要的脂質修飾，在細胞內(nèi)具有重要的生物學功能。豆蔻?；姆鞘荏w蛋白酪氨酸激酶、G蛋白、鈣結合蛋白［19］等可介導蛋白的亞細胞定位，參與蛋白質與蛋白質間和蛋白質與膜間的相互作用［20-21］。一些參與信號轉導途徑的豆蔻?；鞍淄ㄟ^定位于膜上，感知傳遞信號，從而激活隨后的一系列的細胞反應［22］。如Ding等［23］發(fā)現(xiàn)EGR2（Clade-E growth-regulating 2）豆蔻?；竽ざㄎ贿M而感應冷激活OST1蛋白激酶，有助于植物冷適應。Vaandrager等［24］證明了環(huán)GMP依賴的蛋白激酶Ⅱ（cGKⅡ）可被豆蔻?；⒃赾GMP介導的信號轉導途徑中發(fā)揮重要作用。豆蔻酰基化會由于配基的結合、pH的改變、磷酸化、蛋白質水解、膜定位的逆轉而發(fā)生改變。

豆蔻酰化修飾可以將蛋白錨定在膜上，生物體通過怎樣的方式調控豆蔻?；鞍邹D位呢？近年來，文獻中報道了一種“豆蔻?；_關”模型，即蛋白質結合“配體”后構象發(fā)生變化，導致先前在疏水區(qū)螯合的豆蔻?；糠直┞队诎|中，使蛋白錨定在膜上［25］。GTP與ADP核糖基化因子（ADP-ribosylation factor，ARF）蛋白結合，豆蔻?；糠直┞冻鰜聿⑵浒邢蚰?。還存在一種“豆蔻?；o電開關”調控模型，即豆蔻酰化調節(jié)蛋白表面正電荷的強度進而調節(jié)豆蔻?；鞍着c膜的親和力［26］。Seykora等［27］指出MARCKS蛋白磷酸化，可減少膜結合蛋白表面的正電荷，引起相應的靜電引力減小，不足以支撐豆蔻?；疢ARCKS蛋白的膜結合，導致蛋白質從膜上脫落。這種調節(jié)方式還存在于c-Abl［28］、c-Src激酶［29］、SH2 和 SH3 結構域［30］等中。

N-豆蔻?；鞍走€參與植物生長、抗病、鹽脅迫和細胞內(nèi)吞作用的調控。Grebe和Ueda等［31］發(fā)現(xiàn)一個參與紅細胞漿質甾醇運輸?shù)腞ab GTPase；邵軍麗等［32］發(fā)現(xiàn)水稻細胞中豆蔻酰化的Rab5b定位于前液泡區(qū)，即晚期內(nèi)吞體，并在內(nèi)吞及分泌過程中發(fā)揮功能；Ishitani等［33］預測并證明擬南芥耐鹽基因SOS3需要N-豆蔻?；外}離子結合，再與SOS2特異性結合，共同調控SOS1的表達，從而耐受高濃度的鹽脅迫；Belda-Palazon等［34］揭示了ABA和鹽脅迫作用下抑制RGLG1豆蔻?；?，介導PP2CA泛素化降解，激活ABA信號通路；Asai等［35］研究發(fā)現(xiàn)StCDPK5的N-豆蔻?；蛊涠ㄎ挥诩毎囟ㄎ恢茫偈筍tRBOHB和StCDPK5互作，激活ROS產(chǎn)生，調控植物生長發(fā)育。Ren等［36］研究發(fā)現(xiàn)在BSK3-2豆蔻?；稽c缺失的突變體G2R中，BSK3膜定位功能缺失，且油菜內(nèi)酯（Brassinosteroid，BR）反應降低，表明了BSK3豆蔻酰化參與BR信號的轉導。Mei等［37］研究發(fā)現(xiàn)在細胞核中，番茄葉卷曲云南病毒（TLCYnV）C4與NbSKh磷酸化，促進與病毒蛋白的豆蔻?；?，有利于與輸出蛋白-α（XPO I）互作，促進C4 / NbSKh復合物的核輸出及膜定位，引起植物葉片及根部致病。Yang等［38］和Gou等［39］研究表明擬南芥中Ca2+依賴性磷脂結合蛋白AtBON1、AtBON2、AtBON3參與植物免疫和氣孔閉合的調節(jié)過程，其調節(jié)作用與N-豆蔻?；揎椨嘘P。

N-豆蔻?；且环N弱膜錨，有時需要像S-?；@樣的強膜錨才能實現(xiàn)蛋白穩(wěn)定的附著于膜上，因此多數(shù)N-豆蔻酰化蛋白也具有S-?；揎?。有證據(jù)表明，有些N-豆蔻?；荢-?；南葲Q條件。如Traverso等［17］發(fā)現(xiàn)大多數(shù)豆蔻酰化蛋白在內(nèi)質網(wǎng)上被S-?；S后被運輸?shù)郊毎麅?nèi)其它場所發(fā)揮重要作用。Batisti?等［40］發(fā)現(xiàn)CBL1需要通過N-豆蔻酰化與內(nèi)質網(wǎng)結合，然后進行S-酰化促進其向細胞質膜的運輸。

2 蛋白質S-?；捌渖飳W功能

2.1 S-?；揎椷^程

蛋白質S-?；侵觉；牧硪环N重要形式，又稱棕櫚?；?，是通過S-?；D移酶（Protein S-acyltransferase，PATs）將含有16個或18個碳原子的長鏈飽和脂肪酸特異性共價結合到肽鏈半胱氨酸殘基上的過程［41-42］。不同于N-豆蔻?；^程，S-?；男揎椷^程是可逆的［43］。S-?；梢酝ㄟ^?；鞍踪|硫酯酶（Acyl-protein thioesterase，APT）和棕櫚酰基蛋白質硫酯酶（Palmitoyl-protein thioesterase，PPT）的作用逆轉［44-45］。

真核生物中，根據(jù)蛋白質結構的差異可將S-?；D移酶分為3類：DHHC-CRD類棕櫚?；D移酶、MBOAT類棕櫚酰基轉移酶及Longindomai 類棕櫚?；D移酶。其中，DHHC-CRD類棕櫚酰基轉移酶是真核生物中成員最多，最為重要，也是研究最多的家族。

植物體內(nèi)有一個負責S-?；磻牡鞍踪|家族，即蛋白S-?；D移酶（PATs），其特征為在富含半胱氨酸的結構域內(nèi)，具有4-6個跨膜結構域和一個DHHC氨基酸基序［46］。擬南芥中存在多種PATs，大多數(shù)定位于細胞質膜上，并發(fā)揮著重要的作用，其中的一些已被證明具有酰基化轉移酶活性［27］，如DHHC PAT Pfa3，PAT10等。目前已經(jīng)報道了兩種PAT突變植株，在表型上具有很大的差異。Schiefelbein等［47］和 Ryan等［48］發(fā)現(xiàn)了 PAT的突變體tip1（At5g20350）根毛較寬、較短，影響植物正常萌發(fā)和生長。Qi等［49］和Zhou等［50］報道另一個PAT的突變體pat10（At3g51390）較野生型植株生長緩慢，蓮座葉小、花序莖和雄蕊短，花粉層缺陷，影響種子發(fā)育。pat10對鹽敏感。同時，pat10突變體中與鈣信號相關的蛋白CBL2、3、6不能定位于液泡膜上，這與用棕櫚酰化抑制劑2-BP處理的結果一致，說明CBL2、3、6是PAT10的作用底物。PAT13和PAT14同源性很高，定位于高爾基體，文獻報道指出這兩個蛋白可能通過參與調控水楊酸的代謝，進而調控植物葉片的衰老［51-52］。

APT和PPT在蛋白S-酰化的可逆性轉換中起著關鍵性作用。APT位于細胞質，而PPT定位于溶酶體，兩者都可以逆轉S-?；?，但其修飾的底物完全不同［53］。盡管在植物基因組中存在許多與真菌和厚生動物APT和PPT酶有一定同源關系的蛋白，但對于它們的研究尚不成熟，有待進一步加強。

2.2 S-?；纳飳W功能

蛋白S-?；揎棽粌H參與細胞信號轉導過程，也參與植物免疫應答過程。Maielhoffer等［54］研究發(fā)現(xiàn)通過N-豆蔻?；蚐-?；p重修飾鈣調磷酸酶B蛋白 CBL1、CBL9（Calcineurin b-like protein，CBL1、CBL9）錨定在質膜上，進而與CBL相互作用蛋白激酶23（CBL-interacting protein kinase，CIPK23）相互作用，從而參與調控內(nèi)向整流鉀通道AKT1和陰離子通道 SLAC1的活性。Ishitani等［33］和Held等［55］揭示了CBL4的N-肉豆蔻?；蚐-?；瘜τ谡{控Na+/H+逆向轉運蛋白SOS1和鉀通道AKT2是必不可少的。然而，Batisti?等［40］研究發(fā)現(xiàn)CBL2并未通過N-豆蔻?；?，而是通過三重S-?；?，定位于液泡膜上，進而參與調控對ABA的響應。

Liu等［56］發(fā)現(xiàn)異源三聚體G蛋白AGG1、AGG2參與由 FLS2（Flagellin-sensitive 2）、EFR（Elongation factor-tu receptor） 和 CERK1（Chitin elicitor receptor kinase 1）介導的病原體相關分子模式觸發(fā)的免疫應答PTI（Pattern-triggered immunity）信號轉導過程。目前已經(jīng)有證據(jù)證實FLS2的830和831位的Cys上發(fā)生S-酰化修飾，并參與調控植物免疫應答過程［57］。Zeng等［58］提出Gγ不依賴功能性Gα靶向質膜，而是依賴于S-?；蛊溆行У陌邢蛸|膜，表明脂質修飾在蛋白膜定位中起著至關重要的作用。

RIN4蛋白是擬南芥反應的負調控因子，是植物免疫系統(tǒng)的一部分，用于檢測各種細菌III型分泌效應蛋白的存在。RIN4的膜結合需要在3個半胱氨酸殘基位點上進行S-?；揎?。非S-?；腞IN4易降解。RIN4的S-酰化可以抑制其自身降解。RIN4通過S-酰化和膜結合S-?；{控PTI，說明了蛋白S-?；瘜ζ涔δ馨l(fā)揮的重要性［59］。

3 展望

植物異源三聚體G蛋白參與響應多種植物激素的信號轉導途徑，并在植物生長發(fā)育過程中起著重要的作用［60］。擬南芥基因組中僅有一個編碼G蛋白α亞基的基因GPA1一個編碼G蛋白β亞基的基因AGB1和3個編碼G蛋白γ亞基的基因AGG1、AGG2和AGG3，另外還有一個編碼G蛋白信號轉導調控蛋白的基因AαRGS1［61-62］。α-亞基 AtGPA1 也具有雙重脂肪?；饔茫珹djobo-Herman等［63］提出AtGPA1和AtAGG2編碼的亞基的脂肪?；窃谫|膜上定位和形成異源三聚體所必需的。在擬南芥可能的GPCRs中，GCR1和GCR2研究較為深入。Pandey等［64］采用多種方法證實GCR1與GPA1相互作用，并參與ABA調控植物根生長和氣孔開合過程。有研究表明GCR-GPA1調控擬南芥中藍光和ABA的信號轉導，并且GCR1可能是藍光和ABA的共同受體［65］。Liu等［66］報道GCR2是植物激素ABA的膜受體。但隨后有報道指出，GCR2不是ABA的受體［67］，也不是跨膜蛋白，生物信息學方法推測它可能不具有典型的7個跨膜結構，但其參與多鐘植物激素和環(huán)境刺激因子的信號轉導途徑［68］。

Johston等［69］報道指出植物GCR2與哺乳動物細胞中的羊毛硫氨酸合成酶（Lanthionine synthetase，LanC）具有高度序列同源性。原核生物中的LanC負責合成抗菌肽，而真核生物中LanC功能尚不十分清楚。最初動物細胞中的LANCL1和LANCL2被認為是G蛋白偶聯(lián)受體GPCR，但隨后報道指出LanC蛋白是膜結合蛋白。Sturla等［70］報道LANCL2是動物細胞中ABA信號轉導通路中的關鍵組分。隨后又發(fā)現(xiàn)ABA可以直接結合到重組的人類LANCL2上，進而證明LANCL2是ABA的受體。Fresia等［71］發(fā)現(xiàn)LANCL2依賴于N-肉豆蔻?；ㄎ挥诩毎|膜和細胞器膜，并與G蛋白互作引起核轉位從而介導信號分子ABA的傳遞。

N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（N-acyl-homoserine lactone，AHL）是革蘭氏陰性細菌依賴其群體密度調控群體行為的細胞間通訊的信號分子。近年來研究表明，AHL不僅可以通過細菌群體感應（Quorum sensing，QS）機制調節(jié)細菌多種生物學功能［72-73］，而且可以被寄主植物感知，參與植物-細菌的跨界通訊。本實驗室前期研究表明，GCR1、GCR2和CPA1參與細菌AHL對擬南芥主根生長的調控及跨膜信號轉導過程［74-75］。通過構建的表達GCR2-GFP融合基因的轉基因擬南芥進行初步研究發(fā)現(xiàn)，AHLs處理后，隨著處理時間的延長GCR2在細胞膜和細胞質的定位分布發(fā)生顯著變化。那么在真核生物中GCR2這類蛋白家族是否也具有這種脂肪?；揎椬饔?，參與感知和傳遞細菌AHL信號，并調控擬南芥主根生長，是我們目前研究的重點。通過解析G蛋白偶聯(lián)受體、異源三聚體G蛋白的脂肪酰化在植物-微生物相互作用及跨界通訊中的分子機制，將進一步豐富植物蛋白脂肪酰化的生物學功能。研究結果將為采用遺傳干預技術提高農(nóng)作物生產(chǎn)、優(yōu)質及抗逆提供理論指導。