植物Tetraspanins蛋白的研究進(jìn)展

趙倩倩, 王雨欣

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004)

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植物Tetraspanins蛋白的研究進(jìn)展

趙倩倩, 王雨欣

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004)

摘要Tetraspanins(TETs)是一大類進(jìn)化性保守的、具有4次跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白超家族，廣泛分布于所有多細(xì)胞生物體中。對(duì)植物TETs蛋白的結(jié)構(gòu)特征、系統(tǒng)進(jìn)化，以及模式植物擬南芥的TETs蛋白超家族(AtTET1～17)和番茄Tetraspanin3蛋白的生物功能進(jìn)行綜述，旨在為今后更好地研究植物TETs蛋白超家族提供參考。

關(guān)鍵詞Tetraspanins；4次跨膜結(jié)構(gòu)域；AtTET1～17；Tetraspanin 3

自1990年Oren等[1]發(fā)現(xiàn)TAPA-1(the target of an antiproliferative antibody)以來(lái)，到1997年為止，期間發(fā)現(xiàn)近20個(gè)基因，均編碼細(xì)胞表面蛋白。其基本結(jié)構(gòu)單元均包含4個(gè)疏水的跨模區(qū)(transmenbrane domains，TM1～TM4)，形成一小、一大2個(gè)細(xì)胞外環(huán)(extracelluar loop，EC1和EC2)，一個(gè)小的細(xì)胞內(nèi)環(huán)( intracellular loop，ICL)，以及短的N-末端和C-末端尾部。由此，一個(gè)新的基因家族誕生，曾被命名為“四次跨膜超家族”(transmembrane 4，TM4或TM4SF或4TM)，或“Tetraspanins超家族”。后被Maecker等[2]提議統(tǒng)一命名“Tetraspanins超家族”。

對(duì)TETs超家族的研究，最早起源于動(dòng)物醫(yī)學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，TETs蛋白位于細(xì)胞表面或細(xì)胞內(nèi)的膜上，在物種間高度保守，在真核生物中是多樣化的；它們?cè)趧?dòng)物中的功能和作用機(jī)制也被研究地相當(dāng)深入：已經(jīng)證實(shí)其在精卵融合[3]、光感受器運(yùn)行[4]、血管發(fā)育[5]、動(dòng)物免疫應(yīng)答[6]等方面起重要作用[3]；一些研究理論也在醫(yī)學(xué)上被用于嘗試某些病毒引起的疾病防治，如人乳頭癌病毒[7]等。在植物中對(duì)TETs蛋白的研究很少，目前已報(bào)道的植物TETs基因也不多。筆者對(duì)植物TETs蛋白的結(jié)構(gòu)特征、系統(tǒng)進(jìn)化，以及幾個(gè)已報(bào)道的TETs基因的研究情況進(jìn)行綜述，旨在為今后更好地研究植物TETs蛋白超家族的生物功能及其應(yīng)用提供借鑒。

1Tetraspanins的結(jié)構(gòu)

TETs是一類從膜上突出3～5 nm的整合蛋白[8]，類似于多細(xì)胞動(dòng)物TETs的核心構(gòu)造。Boavida等[9]發(fā)現(xiàn)植物的TETs蛋白(圖1)也包含4個(gè)跨膜區(qū)(TM1～TM4)：一個(gè)小的細(xì)胞外環(huán)(EC1)，一個(gè)大的細(xì)胞外環(huán)(EC2)，一個(gè)極小的細(xì)胞內(nèi)環(huán)(ICL)，一個(gè)N-末端和一個(gè)C-末端。

圖1　動(dòng)物(a)和植物(b)中Tetraspanins的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意[9]Fig.1　Schematic diagram of Tetraspanins topological structures in animal(a)and plant(b)

1.1跨膜區(qū)(TM1～TM4)跨膜區(qū)占TETs本身的50%，是整個(gè)分子中最保守的部分。在所有的TETs蛋白中，位于TM1、3和4部分的氨基酸殘基(Asn、Gln和Glu)是高度極性化的，且這些氨基酸殘基70%～90%是保守的[10]，它們能夠在彼此間或與其他氨基酸殘基間形成強(qiáng)烈的氫鍵，從而穩(wěn)定跨膜區(qū)的三級(jí)結(jié)構(gòu)[11]。

1.2胞外區(qū)(EC1和EC2)與跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)相比，胞外區(qū)更多地表現(xiàn)出序列趨異。如在人類和斑馬魚(yú)的TETs中，EC1和EC2僅顯示43%～58%的一致性，而跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)顯示出高達(dá)72%～83%的一致性[10]。

1.2.1小細(xì)胞外環(huán)(EC1)。目前，對(duì)于EC1的了解較少。植物TETs蛋白在EC1包含一個(gè)保守性的Cys殘基，而動(dòng)物TETs的EC1卻沒(méi)有；暗示此Cys殘基能夠交聯(lián)到EC2上的Cys殘基上。此外，Masciopinto等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物TETs蛋白成員CD81中，EC1是EC2的表面最佳表達(dá)所必需的，EC1也許可以協(xié)助折疊形成EC2[13]。

1.2.2大細(xì)胞外環(huán)(EC2)。EC2一直受到更多的關(guān)注，被研究的也比較清楚。研究推測(cè)，植物TETs蛋白的EC2也由2個(gè)亞域構(gòu)成：保守性亞域和可變性亞域(圖1黃色和藍(lán)色底紋部分)。保守性亞域在近膜側(cè)，包含3個(gè)螺旋(螺旋A、B和E)；可變性亞域連續(xù)地插入保守性亞域，位于保守性亞域的頂端，在大小、二級(jí)結(jié)構(gòu)和折疊方式上極其多變。這2個(gè)亞域的相對(duì)拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)，取決于核心二硫橋的出現(xiàn)和TETs蛋白的獨(dú)特亞型數(shù)量[14]。但植物TETs的EC2包含9個(gè)Cys殘基，可能形成更加復(fù)雜的二硫橋，而不是動(dòng)物TETs典型的4～6個(gè)Cys殘基；植物EC2的可變性亞域包含一個(gè)保守性的植物專一性“GCCK/RP”模域，在位置和序列上不同于動(dòng)物TETs蛋白的“CCG”模域。

1.3胞內(nèi)區(qū)(ICL，N-末端和C-末端)除EC2的可變性區(qū)域外，N-末端和C-末端是TETs蛋白中的2個(gè)可變區(qū)；但近膜側(cè)的某些Cys殘基是相對(duì)保守的、潛在的棕櫚?；稽c(diǎn)(圖1紅色波浪線部分)，這有助于TETs和其互作物間的作用。已經(jīng)證實(shí)，在動(dòng)物的TETs蛋白中，C-末端在細(xì)胞粘著[15]、膜融合[16]和溶酶體靶定位[17]過(guò)程中起重要作用[12]。截至目前，對(duì)ICL的研究較少。在ICL上，也存在棕櫚?；稽c(diǎn)，可能有助于TETs和其伴侶蛋白(tetraspanin-partner)間的互作[18]。

2系統(tǒng)進(jìn)化分析

研究表明，從原生動(dòng)物到多細(xì)胞動(dòng)物，從真菌(酵母除外)到植物和哺乳動(dòng)物，TETs蛋白均存在；它們廣泛存在于幾乎所有的生物體內(nèi)，表明TETs經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程。

目前，TETs蛋白超家族在哺乳動(dòng)物中有33個(gè)成員，在果蠅中有37個(gè)成員，在秀麗隱桿線蟲(chóng)中有20個(gè)成員，在真菌中有3個(gè)成員和一個(gè)類似于TETs家族的成員[19]。因?yàn)榻湍阁w內(nèi)不存在TETs，在其基因組內(nèi)，即使是遠(yuǎn)親的同源物也未被找到一個(gè)[20]，因此，TETs最初被認(rèn)為僅存在于多細(xì)胞生物體內(nèi)。

隨后在原生動(dòng)物變形蟲(chóng)Entamoebahistolytica體內(nèi)鑒定出TETs蛋白，且發(fā)現(xiàn)在單細(xì)胞生物體變形蟲(chóng)D.discoideum中，TspanE蛋白包含多細(xì)胞動(dòng)物典型的“CCG”模域；而其他4個(gè)Tspans卻表現(xiàn)出一個(gè)修飾的“CCK/Y/C”模域，這類似于一些陸生植物突變體中的模域結(jié)構(gòu)[21]。這表明TETs可能在單細(xì)胞到多細(xì)胞的過(guò)渡中行使功能。

另外，苔蘚P.patens和石松門(mén)S.moellendorffii的TETs蛋白，也存在植物專一性的“GCCK/RP”模域，暗示“GCCK/RP”模域早在陸生植物世系之前即出現(xiàn)。原因可能是一個(gè)新的世系分支出現(xiàn)[21]，或者陸生植物世系趨異分支出來(lái)前的一個(gè)遺傳模域的修飾或者重組。

3植物Tetraspanins蛋白的功能

目前，對(duì)植物中TETs的研究遠(yuǎn)落后于動(dòng)物。為了調(diào)查植物基因組是否編碼TETs蛋白，Wang等[22]利用PLAZA對(duì)比基因組學(xué)平臺(tái)的方法探究了11個(gè)植物物種，共發(fā)現(xiàn)155個(gè)TETs基因，并以此構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。依據(jù)擬南芥(Arabidopsisthaliana)的TETs基因，該進(jìn)化樹(shù)分為七大組。類似于二穗短柄草、水稻、高粱以及玉米的大多數(shù)TETs基因序列處于同一組，大豆和苜蓿也處于同一組，反映了它們的親密關(guān)系。

研究還發(fā)現(xiàn)，擬南芥編碼17個(gè)TETRASPANIN(AtTET1～17)基因，其中大多數(shù)的功能未知，唯一進(jìn)行功能性描述的TETs成員是AtTET1基因；番茄tetraspanin3基因的功能也被報(bào)道。

3.1擬南芥AtTET1基因2000年，Cnops等[23]在研究TORNADO1(TRN1)基因時(shí)，利用EMS誘變擬南芥Col種子，獲得了tornado2(trn2)突變體，描述了其總體形態(tài)表型，發(fā)現(xiàn)TRN1蛋白和TRN2蛋白均在初生根表皮模式建立中起重要作用，可能在同一形態(tài)建成調(diào)控途徑中起作用。2003年，Olmos等[24]篩選擬南芥T-DNA插入突變體獲得了ekeko突變體，鑒定、描述了EKEKO基因(At5g46700人)的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)現(xiàn)該基因是植物正常發(fā)育所必需的。2004年，Peters等[25]克隆到TRN2基因，和Olmos等[24]鑒定的At5g46700一致。2006年，Cnops等[26]研究發(fā)現(xiàn)，TRN2蛋白包含269個(gè)氨基酸，可能是一個(gè)分泌蛋白，并由4個(gè)跨膜區(qū)域(TM1～TM4)，2個(gè)胞外環(huán)(EC1和EC2)，和胞質(zhì)N-末端及C-末端。由此推測(cè)，TRN2蛋白是擬南芥TETs家族的成員，即擬南芥的TETRASPANIN1(TET1)蛋白，TRN2/EKEKO/TET1和TRN1基因(編碼一個(gè)富亮氨酸重復(fù)蛋白)均在葉片和根的早期發(fā)育中起重要作用。2007年，Chiu等[27]對(duì)擬南芥的TRN2/TET1基因缺失突變體的研究發(fā)現(xiàn)，TRN2/TET1基因能夠影響擬南芥頂端分生組織周邊區(qū)的細(xì)胞分裂。2011年，Lieber等[28]在研究高等植物大孢子形成的遺傳途徑中，發(fā)現(xiàn)TET1/EKEKO/TTRN2和WINDHOSE1(WIH1)及WIH2基因(編碼一類植物和真菌中存在，動(dòng)物中卻沒(méi)有的小多肽)共同作用可以促進(jìn)大孢子產(chǎn)生。

3.2擬南芥tetraspanins超家族的其他AtTETs基因除TRN2/EKEKO/TET1外，擬南芥基因組中還有16個(gè)TETs成員(TET2～TET17)，但其功能尚不明確。Boavida等[9]研究擬南芥的TETs家族發(fā)現(xiàn)，大部分的TETs基因有一個(gè)內(nèi)含子(約1 kb)和一個(gè)保守的內(nèi)含子/外顯子連接；TET2、TET5和TET6在編碼序列的5′或3′側(cè)多一個(gè)小的內(nèi)含子，而TET10卻含有10個(gè)內(nèi)含子。亞細(xì)胞定位試驗(yàn)表明，除TET15(由于幾個(gè)氨基酸殘基組成的一個(gè)延伸導(dǎo)致其產(chǎn)生一個(gè)較長(zhǎng)的胞質(zhì)N-末端)外，擬南芥的其他TETs成員優(yōu)先定位于質(zhì)膜上。其中，TET14、TET15和TET17潛在定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上；而TET3已經(jīng)明確定位在質(zhì)膜上，是一個(gè)胞間連絲相關(guān)蛋白[29]。表達(dá)分析試驗(yàn)表明，擬南芥的TETs成員在生殖細(xì)胞或生殖組織區(qū)域呈現(xiàn)出獨(dú)特卻重疊的表達(dá)模式，這表明擬南芥的TETs成員可能存在基因冗余。

當(dāng)擬南芥的TETs成員在酵母中表達(dá)時(shí)，它們之間能夠形成同二聚體和異二聚體。這也表明擬南芥TETs家族存在功能冗余，且可能源自于TET-TET互作的多樣性。

3.3番茄tetraspanin3基因Tetraspanin 3 蛋白是番茄TETs蛋白超家族的一員，裴延飛等[30]研究發(fā)現(xiàn)，番茄的tetraspanin3 基因與葡萄的同源基因在一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)化分支上；其在番茄的各器官中均有表達(dá)；當(dāng)正常番茄植株感染黃化曲葉病毒(TYLCV)后，tetraspanin3基因表達(dá)量上調(diào)；當(dāng)敲除番茄植株的tetraspanin3基因后，葉片出現(xiàn)扭曲，且在接種TYLCV 后，被感染的TYLCV 病毒量降低50%以上。這表明Tetraspanin 3 蛋白與番茄葉片的生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)，并對(duì)TYLCV 侵染番茄植株起正調(diào)控作用。

4展望

由于特異的病毒感染需要特別的TETs以被識(shí)別并進(jìn)入細(xì)胞，一些哺乳動(dòng)物的Tetraspanins蛋白成為藥物作用的靶點(diǎn)，為預(yù)防或治療相應(yīng)疾病提供了新途徑。而TETs 蛋白的高度保守性研究表明，TETs基因家族具有相似或相近的功能[31]，因此，從理論上講，植物的TETs 蛋白超家族在植物發(fā)育過(guò)程中有許多重要的作用。然而，目前對(duì)植物中TETs基因家族的研究相對(duì)較少，其作用機(jī)制和生化途徑更是鮮有報(bào)道。該研究對(duì)植物TETs 蛋白超家族的研究情況進(jìn)行了綜述，以期為植物TETs 蛋白的深入研究和將來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

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作者簡(jiǎn)介趙倩倩(1989- )，女，河南郟縣人，碩士研究生，研究方向：水稻抗病基因的克隆和功能。

收稿日期2016-04-10

中圖分類號(hào)Q 946

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-146-03

Research Progress of Tetraspanins Protein in Plant

ZHAO Qian-qian,WANG Yu-xin

(College of Chemistry and Life Science, Zhejiang Normal University, Jinhua, Zhejiang 321004)

AbstractTetraspanins (TETs) is a large class of evolutionary conserved proteins with four transmembrane domains, which are widely distributed in all multicellular organisms. In this research, we reviewed the structural characteristics, system evolution of the plant TETs protein, as well as the biological function of model plant Arabidopsis thaliana TETs protein super family and tomato Tetraspanin3 protein, so as to provide references for better research of plant TETs protein super family.

Key wordsTetraspanins; Four transmembrane domain; AtTET1-17; Tetraspanin3