植物熱激蛋白70（HSP70）研究進展

杜曉華,黃伶俐,劉會超

（河南科技學院,河南 新鄉(xiāng) 453003）

植物熱激蛋白70（HSP70）研究進展

杜曉華,黃伶俐,劉會超

（河南科技學院,河南 新鄉(xiāng) 453003）

熱激蛋白是生物體遭受脅迫時的一類保護性蛋白,HSP70家族作為抗脅迫的主要分子伴侶之一,目前研究的最為深入.綜述了植物HSP70的類型與分布、結構、功能及其編碼基因的特征與表達調控等方面的研究進展,為提高植物的耐受性、植物病蟲害的防治和植物轉基因等方面提供一定的基礎知識.

HSP70；分布；結構；功能

在自然或農業(yè)生產條件下,植物不斷遭受著環(huán)境脅迫.某些環(huán)境因子,如大氣溫度,僅需幾分鐘對植物的生存可能就成為一種脅迫.近年來,極端高溫天氣和持續(xù)高溫狀況的不斷出現(xiàn),給植物的生長發(fā)育和作物的生產帶來了巨大挑戰(zhàn).熱激蛋白（heat shock protein,HSP）的發(fā)現(xiàn)無疑給植物抗熱性研究帶來了一縷曙光.HSP最初是Tissieres于1974年利用SDS-PAGE法分離得到[1].后來研究證實,一切生物細胞（包括原核細胞和真核細胞）在受到高溫誘導時,都可以合成一類具有生物學活性和相似功能的蛋白質[2].如果溫度突然升高5～10℃,植物會產生HSP防御熱脅迫.進一步研究發(fā)現(xiàn),HSP種類眾多,相對分子質量從15～104 kDa不等.依據相對分子質量大小,可分為HSP60、HSP70、HSP90、HSP100和smHSP（小熱激蛋白,相對分子質量15～30 kDa）5個家族,分別定位于細胞核、線粒體、葉綠體、內質網和胞質中[3].其中,作為分子伴侶的HSP70在大多數(shù)生物中含量最多,在細胞應激反應后表達最顯著,是目前研究最多也最為深入的熱激蛋白.本文現(xiàn)就植物HSP70方面的國內外研究進行綜述,以期為其他熱激蛋白以及植物抗熱性研究提供借鑒.

1 HSP70的類型及其分布

HSP70家族作為分子伴侶,是迄今為止已知的最保守的蛋白家族之一[4],它有4種存在形式：第一種為結構型蛋白HSP73,主要參與細胞功能；第二種為誘導型蛋白HSP72,抵抗外界環(huán)境脅迫；第三種為葡萄糖調節(jié)蛋白GRP78和GRP75,分別定位于內質網腔和線粒體內[5]；第四種是參與光合系統(tǒng)Ⅱ的HSP70B[6].在高等植物葉綠體中,多種HSP70同源蛋白分布在葉綠體膜和葉綠體基質中[7-8].煙草是目前所知唯一具有核HSP70的植物[9].

2 HSP70的結構

HSP70蛋白是高度保守的具備ATPase活性的分子伴侶,其結構包括2個主要功能區(qū)[10-11]：N端ATPase區(qū)和C端多肽結合區(qū)（如圖1）.N端45 kDa左右的核苷酸結合區(qū)（nucleotide binding domain, NBD）,氨基酸序列高度保守,具有結合并水解ATP的活性；C端多肽結合區(qū)25 kDa左右,連同C末端亞區(qū)合為底物結合區(qū)（peptide binding domain,PBD）,通過一絞合鏈部分與N端ATPase區(qū)連接[12-13].

NBD區(qū)包括2個相似的球形結構（LobeⅠ和LobeⅡ）,ATP結合位點位于兩球形結構所形成的深溝基部.LobeⅠ和LobeⅡ被進一步劃分為Lobe IA、Lobe IB、Lobe IIA、Lobe IIB 4個部分.PBD區(qū)包括由2個β折疊組合、4個Loop環(huán)組成的“口袋”及由3個α-螺旋組成的“蓋子”結構.當ATP結合到HSP70時引起ATPase區(qū)構象發(fā)生改變并引起PBD區(qū)變化,“蓋子”打開,多肽結合進去；當ATP水解為ADP時, PBD區(qū)影響因素改變,“蓋子”重新關閉,從而“捕捉”住結合的多肽,使HSP70與多肽長時間結合[12].NBD和PBD通過一個保守的Linker結構連接,并在NBD-PBD的信息傳遞中起到重要作用：當NBD結合ATP時,NBD和PBD相互靠近,Linker淹埋在NBD和PBD的接觸面中；在NBD結合ADP時,Linker呈柔性的舒展狀態(tài),暴露在NBD和PBD的外面[14-19].

圖1 HSP70結構示意圖Fig.1 The structural diagram of HSP70

3 HSP70的功能

HSP70作為分子伴侶復合物的組成成分,分布于不同的細胞結構中并發(fā)揮著多種功能,如蛋白折疊、裝配、轉運、跨膜運輸、蛋白作用調控、蛋白降解調控和蛋白不可逆聚合調控等[20-21].HSP70除了正常生理功能外,最重要的功能是細胞保護和對脅迫環(huán)境的一定適應性[22-23].

3.1 分子伴侶功能

HSP70以ATP依賴的方式起作用,許多蛋白的折疊需要由HSP70和HSP60這樣的分子伴侶來協(xié)助將其正確折疊和成功組裝轉變?yōu)槌墒鞈B(tài)或自然態(tài).HSP70以ATP依賴的方式在肽鏈折疊所需的所有片段集齊之前維持新合成的多肽的穩(wěn)定性,再通過有控制地釋放幫助其折疊.此外,自然狀態(tài)的蛋白會因為布朗運動而導致錯誤折疊,這種現(xiàn)象在植物遭到外界脅迫條件下更加普遍.HSP70能阻止變性蛋白聚集并幫助變性蛋白恢復成自然狀態(tài)[24].

3.2 進蛋白的跨膜轉運功能

對擬南芥HSP70的突變體cpHSC70-1和cpHSP70-2的研究發(fā)現(xiàn),在蛋白質轉運進葉綠體的過程中,HSP70參與了蛋白跨膜轉運的早期階段[25].在苔蘚葉綠體蛋白編碼中,有4種HSP70基因起作用,破壞其中任意一個HSP70基因,都可能使葉綠體受損.向突變體HSP70-2的葉綠體中轉入蛋白,蛋白不能正常折疊,葉綠體表現(xiàn)出明顯的損傷[26].

3.3 SP70在非生物脅迫中的作用

植物的光合作用對高溫特別敏感,常先于呼吸作用受到抑制.植物中核酮糖-1,5二磷酸羧化酶、NADP-甘油醛-3-磷酸脫氫酶和磷酸烯醇丙酮酸化酶在高溫下穩(wěn)定性較差[3].長時間光抑制會對光系統(tǒng)造成損傷,被損傷的主要對象是光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）反應中心的D1蛋白.而葉綠體中HSP70蛋白對光抑制有防御作用,對PSⅡ有保護和修復作用.HSP70B蛋白大量表達能降低光對光合系統(tǒng)Ⅱ的抑制作用并且有修復作用；相反,HSP70B低表達光抑制效果就會增強[27].熱脅迫造成了植物組織的氧化傷害,這種傷害可能因為活性氧產生所致,而HSPs的高效表達可減輕傷害,提高植物的抗熱性.

一些HSP70并不只在高溫脅迫下誘導產生,它們還能被很多不同的環(huán)境脅迫和條件所誘導,其中包括水分虧缺、低溫、鹽和傷害等.蘆薈在缺水條件下,可溶性糖、脯氨酸和果聚糖合成增加,以此來調節(jié)細胞滲透壓,在這一抗脅迫過程中HSP70調節(jié)其參與合成可溶性糖等反應系統(tǒng)的酶的活性,泛素對蛋白進行選擇性降解.地衣在鎘濃度允許范圍,HSP70蛋白的表達量達到最大,且隨后隨著濃度的升高蛋白表達量不變.由于鎘對巰基的親和力強,高濃度的鎘會毒害蛋白,擾亂細胞新陳代謝,從而使整個植物體中毒[28].在研究蒽和殺草敏對浮萍的影響過程中發(fā)現(xiàn)：在自然界廣泛存在的蒽是一種光敏性強的物質,很容易在植物中發(fā)生反應形成不感光物質（多為醌類物質）,阻斷光合作用中的感光過程；殺草敏是一種有機氯化合物,易與光合系統(tǒng)II中的蛋白結合,抑制光合作用[29].最初的脅迫信號觸發(fā)抗脅迫機制中下游信號轉導和基因調控,普通蛋白合成終止,HSPs合成增加,尤其是起主要作用的HSP70合成快速增加,幫助恢復體內平衡,保護和修復受損傷的膜和蛋白[30].脅迫超過一定程度,HSP70蛋白便因相關酶系統(tǒng)抑制而不再增加表達量,減弱甚至失去保護作用[28].

3.4 SP70在生物脅迫中的作用

生物脅迫因素主要為病蟲害脅迫.小鼠皮下注射提純的植物HSP70后進行效價測定,發(fā)現(xiàn)在小鼠體內有很高的HSP70效價,說明HSP70在免疫過程中可以高效引發(fā)信號蛋白.植物HSP70與動物HSP70在結構和功能上的一系列機制有著很高的相似性[31].從南瓜滲透液和胞間連絲中分離到幾種HSP70同源蛋白,參與協(xié)助濾過性病毒枯葉病毒的胞間轉運[32].在病害中HSP70水平提高有助于阻止中毒蛋白聚集.

4 HSP70基因及其表達調控

HSP70家族基因結構高度保守,大鼠與人的HSP70氨基酸序列同源性為95%[33].HSP70基因一般5'端有100 bp左右的非翻譯區(qū),3'端有200 bp的非翻譯區(qū),中間的開放閱讀框（open-reading frame,ORF）包含大約2 000 bp堿基用于編碼HSP70蛋白[33-35].植物的ORF框分為2類,一類含有內含子,如玉米、牽牛花等的ORF框；而另一類則無內含子,如大豆、胡蘿卜等的ORF框[36].在HSP70基因的ORF上游通常存在基因調控區(qū),包含多個熱激元件（heat hock elements,HSE）,還有一些類似HSE的元件,如TATA盒和CCAAT盒等,其功能是與熱激因子（heat shock factor,HSF）結合調控熱激蛋白基因的表達[37].HSP70基因家族中,不同基因上的HSE在數(shù)量和種類上存在差異,HSE的多樣性使編碼的HSP70產物產生差異[38].

HSP70基因的表達有一系列反饋機制.未受到熱脅迫時,HSF通常存在于細胞質中,以單體形式與HSP70結合,此時HSF不能結合到DNA上指導翻譯.脅迫誘使HSF單體結合成三聚體,使其與HSE的親和力提高了1 000倍,HSF三聚體一旦結合到HSE上,三聚體HSF被磷酸化,并啟動HSP基因表達[39].隨后,HSP70與HSF結合,導致HSF/HSE復合物的分離,并且HSF被回收成單體形式.當HSP70積累至與HSF足夠結合時,HSP mRNA的轉錄終止.細胞內未折疊蛋白和HSF之間對HSP70的競爭調控了整個基因表達過程.

5 展望

熱激蛋白HSP70作為最主要的分子伴侶之一,在新蛋白合成后的折疊與組裝、跨膜轉運、提高植物抵御逆境脅迫、增強植物適應性方面有著重要作用.目前,有關植物HSP70蛋白的類型、分布、結構和功能方面的研究已經不少,一些問題已經開始變得明朗,不同植物中HSP70基因的克隆正在如火如荼地進行,有關HSP70基因的表達調控也已起步.當前及今后一段時間,由于基因克隆技術操作的日益完善和便捷,關于HSP70及其他HSP的研究可能會更多集中到不同植物HSP70基因的分離與克隆上,借助生物信息學,預測蛋白結構,研究基因的功能.同時,HSP基因的表達調控將成為新的研究熱點.不過,植物界應對高溫脅迫進化了一套復雜的適應機制,遠不止HSP就能完全解答.因此,只有更全面地研究和了解植物的抗熱機制,才能更有效地實現(xiàn)通過遺傳改良提高植物的抗熱性.

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（責任編輯：鄧天福）

Advance of heat shock protein 70（HSP70）in plant

Du Xiaohua,Huang Lingli,Liu Huichao
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Heat shock protein is a kind of protein to protect the organisms under stress,it was studied widely and deeply on the HSP70 family,which were one of the main chaperones.The classification,distribution,structure,function of HSP70 in plant,the genetic characteristics and the control of gene expression were reviewed in this paper.It could provid some basis knowledge for improving the tolerance of plants,preventing and controlling the plants disease and plant transgenetic technology.

heat shock protein 70；distribution；structure；function

Q51

A

1008-7516（2014）03-0016-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.03.004

2014-04-11

河南省科技攻關項目（132102110119）；河南省教育廳科學技術研究項目（13B210009）

杜曉華（1972-）,男,陜西岐山人,博士,副教授.主要從事觀賞植物種質資源研究.

劉會超（1964-）,男,河南南陽人,博士,教授,碩士生導師.主要從事觀賞植物生物技術育種研究.