植物RNA結(jié)合蛋白研究進(jìn)展

張?jiān)趯?，李婉杰，李九麗，張弛，胡?mèng)輝，程琳，袁紅雨

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植物RNA結(jié)合蛋白研究進(jìn)展

張?jiān)趯?,2，李婉杰1，李九麗1，張弛1，胡夢(mèng)輝1，程琳1，袁紅雨1,2

（1信陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南信陽(yáng) 464000；2信陽(yáng)師范學(xué)院河南省茶學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南信陽(yáng) 464000）

在真核生物中，RNA結(jié)合蛋白（RBPs）是一類重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，通過(guò)與RNA結(jié)合形成核糖核蛋白復(fù)合物來(lái)調(diào)節(jié)真核生物細(xì)胞的RNA代謝過(guò)程，包括RNA的轉(zhuǎn)移、修飾、翻譯及降解。RNA結(jié)合蛋白廣泛存在于動(dòng)物、植物以及微生物中，約占真核生物基因編碼蛋白的2%—8%。近年來(lái)，對(duì)RNA結(jié)合蛋白的研究已成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)。RNA結(jié)合蛋白與人類健康密切相關(guān)，許多RNA結(jié)合蛋白的突變都會(huì)導(dǎo)致人類疾病。RNA結(jié)合蛋白（尤其是三角狀五肽重復(fù)區(qū)蛋白）不僅在植物中大量存在，而且作為重要的調(diào)控因子在RNA代謝、生長(zhǎng)發(fā)育以及應(yīng)激反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，這已引起人們的廣泛關(guān)注。相對(duì)于動(dòng)物RNA結(jié)合蛋白的大量研究，植物RNA結(jié)合蛋白的功能研究還相對(duì)較少。文中詳細(xì)總結(jié)了近幾年植物RNA結(jié)合蛋白的功能研究、作用機(jī)制以及同其他RNA結(jié)合蛋白之間的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)闡述了5類RNA結(jié)合蛋白家族在植物中的功能研究進(jìn)展，包括富含絲氨酸-精氨酸的RNA結(jié)合蛋白（SR蛋白）、富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白（GR-RBPs）、三角狀五肽重復(fù)區(qū)蛋白（PPR蛋白）、DEAD-box RNA解旋酶（DEAD-box RHs）以及RNA分子伴侶。主要在擬南芥、水稻和小麥等模式植物或經(jīng)濟(jì)作物中對(duì)上述5類植物RNA結(jié)合蛋白的功能基因進(jìn)行介紹，總結(jié)每類RBPs在植物的RNA代謝、生長(zhǎng)發(fā)育以及逆境脅迫響應(yīng)過(guò)程中的重要作用，從而為基礎(chǔ)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供了重要的理論依據(jù)。在這5類RBPs中，SR蛋白主要作為重要的選擇性剪接因子參與RNA代謝，從而在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用；許多GR-RBPs家族成員具有功能多樣性，一方面可能通過(guò)介導(dǎo)植物激素信號(hào)通路來(lái)調(diào)節(jié)植物的脅迫耐受性和各種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程；另一方面作為RNA分子伴侶參與RNA折疊反應(yīng)并因此在低溫和干旱等非生物脅迫響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。PPR蛋白主要參與線粒體和葉綠體的RNA代謝，調(diào)節(jié)植物的脅迫響應(yīng)和生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程；DEAD-box RHs作為細(xì)胞核和細(xì)胞器重要的RNA剪接因子，在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮多種功能；作為非特異性RNA結(jié)合蛋白的RNA分子伴侶，通過(guò)參與RNA折疊反應(yīng)而維持RNA分子的正常功能。此外，前4類RNA結(jié)合蛋白中有許多RBPs具有RNA分子伴侶活性，這使得同一蛋白可能具有功能多樣性，從而賦予植物在逆境下具有較強(qiáng)的脅迫耐受性。

RNA結(jié)合蛋白；RNA代謝；植物生長(zhǎng)發(fā)育；應(yīng)激反應(yīng)

轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平的基因表達(dá)調(diào)控對(duì)真核生物生長(zhǎng)發(fā)育和響應(yīng)外部環(huán)境刺激至關(guān)重要。真核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控包括RNA加工、前體RNA剪接、RNA的細(xì)胞核輸出、RNA的穩(wěn)定、翻譯和凋亡，這些過(guò)程被稱為RNA代謝。在RNA代謝途徑中，大量的蛋白質(zhì)因子——RNA結(jié)合蛋白（RNA-binding proteins，RBPs）與RNA結(jié)合形成核糖核蛋白（ribonucleoprotein，RNP）復(fù)合物來(lái)調(diào)節(jié)RNA代謝過(guò)程。每一種RNA分子都有許多RNA結(jié)合蛋白與之結(jié)合來(lái)穩(wěn)定、保護(hù)、組裝或轉(zhuǎn)移它[1-2]。RNA結(jié)合蛋白具有多個(gè)保守的基序和結(jié)構(gòu)域，包括RNA識(shí)別基序（RNA recognition motif，RRM）、鋅指基序、K同源性結(jié)構(gòu)域（K-homology domain，KH）、冷休克結(jié)構(gòu)域、富含甘氨酸的區(qū)域、富含精氨酸的區(qū)域、RD重復(fù)序列和SR重復(fù)序列，這些結(jié)構(gòu)域相互結(jié)合構(gòu)成了各種特異性RBPs[3-4]。

RNA結(jié)合蛋白廣泛存在于動(dòng)物、植物以及微生物中，約占真核生物基因編碼蛋白的2%—8%[5]。根據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)，RNA結(jié)合蛋白可以分為7個(gè)蛋白家族：富含絲氨酸-精氨酸的RNA結(jié)合蛋白（SR蛋白）、富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白（GR-RBPs）、三角狀五肽重復(fù)區(qū)蛋白（PPR蛋白）、DEAD-box RNA解旋酶（DEAD-box RHs）、葉綠體RNA剪接與核糖體成熟結(jié)構(gòu)域蛋白（chloroplast RNA splicing and ribosome maturation domain protein，CRM蛋白）、S1結(jié)構(gòu)域蛋白（S1 domain containing-protein，SDPs）和細(xì)菌冷休克蛋白（bacterial cold shock protein，CSPs）。在哺乳動(dòng)物中，RNA結(jié)合蛋白與人類疾病如腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等密切相關(guān)。例如RNPC1（RRM家族的RBP）通過(guò)調(diào)節(jié)癌細(xì)胞中mRNA的穩(wěn)定性而實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)的差異表達(dá)，其異位表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯，抑制乳腺腫瘤細(xì)胞增殖，并通過(guò)調(diào)節(jié)誘導(dǎo)的逆轉(zhuǎn)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）進(jìn)一步抑制腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲[6]。TDP-43是核糖核蛋白（Heterogeneous nuclear ribonulcleoprotein，hnRNP）家族成員，其存在于海馬神經(jīng)元的樹(shù)突中并能夠結(jié)合數(shù)千個(gè)RNA分子，參與miRNA代謝，對(duì)神經(jīng)元的生長(zhǎng)不可或缺[7]。植物的RNA結(jié)合蛋白在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及應(yīng)激反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，目前對(duì)RNA結(jié)合蛋白在植物中的功能和作用機(jī)制的研究還比較少。前人對(duì)植物RBPs的研究主要集中在核編碼的靶向葉綠體或線粒體的RBPs、富含甘氨酸的RBPs（GR-RBPs）以及三角狀五肽重復(fù)區(qū)蛋白（PPR蛋白）。大量的研究表明植物RBPs作為重要的調(diào)控因子在RNA代謝、植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用，從而引起人們對(duì)植物RBPs的廣泛關(guān)注。本研究闡述了一些與植物（主要是擬南芥）生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)相關(guān)的RBPs的功能、作用機(jī)制和相互聯(lián)系，重點(diǎn)總結(jié)了5類RBP家族在植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫反應(yīng)中的重要作用（表1和表2），包括SR蛋白、GR-RBPs、PPR蛋白、DEAD-box RHs以及RNA分子伴侶。

1 富含絲氨酸―精氨酸的RNA結(jié)合蛋白（SR蛋白）家族

SR蛋白家族在動(dòng)植物中都是非常重要的一類RNA結(jié)合蛋白，并且在高等真核生物中高度保守。SR蛋白參與基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的關(guān)鍵步驟，是前體mRNA組成型和選擇性剪接的必需因子。SR蛋白的結(jié)構(gòu)特征包括：N端有1個(gè)或2個(gè)RNA識(shí)別基序（RRM），C端是富含絲氨酸和精氨酸的二肽（dipeptide rich in serine and arginine，SR）結(jié)構(gòu)域。研究較多的動(dòng)物SR蛋白大多參與mRNA的剪接過(guò)程。與人類的12個(gè)SR蛋白相比，植物中SR蛋白的種類和數(shù)量較多一些，比如擬南芥和水稻中分別有19和22個(gè)SR蛋白，大豆具有25個(gè)SR蛋白，但是關(guān)于這些植物SR蛋白的研究還很少。目前，植物中的研究表明SR蛋白在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。

表1 植物RNA結(jié)合蛋白的分類、結(jié)構(gòu)特征及主要功能

RRM：RNA識(shí)別基序；SR：富含絲氨酸和精氨酸的二肽；CSD：冷休克結(jié)構(gòu)域

RRM: RNA recognition motif; SR: dipeptide rich in serine and arginine; CSD: cold shock domain

水稻SRp32、SRp33a、SRp33b、SCL26、RSZp23、RSZ36和RSZ37a通過(guò)參與mRNA的剪接、輸出或翻譯過(guò)程，調(diào)節(jié)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)方面[8]；擬南芥RS40和RS41能夠調(diào)節(jié)自身基因前體mRNA和其他SR基因的選擇性剪接[9-10]，AtRSZ33也具有類似的剪接模式。此外，AtRSZ33的異位表達(dá)會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)育異常，比如加快細(xì)胞增殖、改變細(xì)胞伸長(zhǎng)和分裂極性等[11]，這表明植物SR蛋白可能通過(guò)mRNA代謝過(guò)程而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)。SR蛋白在RNA代謝中的可變性使其在非生物脅迫下具有較強(qiáng)的脅迫彈性，例如溫度脅迫和激素處理均能改變SR蛋白的選擇性剪接，如受激素影響的SR1、SR34b和SCL33等蛋白，這表明非生物脅迫和激素可能通過(guò)改變SR基因轉(zhuǎn)錄本的結(jié)構(gòu)而影響它們的選擇性剪接功能、剪接效率和靶向性[12]。

表2 植物RNA結(jié)合蛋白的分類、物種分布及研究現(xiàn)狀

植物SR蛋白往往通過(guò)與同源或異源蛋白的相互作用來(lái)發(fā)揮重要的剪接功能。例如水稻RSp29和SCL26相互作用以增加mRNA的剪接效率；RSZ36和SRp33b相互作用以改變自身和其他SR蛋白的選擇性剪接模式[8]；RS40和RS41蛋白與含KH結(jié)構(gòu)域的RNA結(jié)合蛋白HOS5等相互作用共同調(diào)節(jié)前體mRNA的加工[10]。目前，對(duì)植物SR蛋白的研究仍處于初級(jí)階段，很多與之相關(guān)的功能和機(jī)制尚未得到解析，高等真核生物的SR蛋白具有較高的序列保守性，這或許是研究植物SR蛋白可有效利用的一種捷徑。

2 富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白（GR- RBPs）家族

植物中富含甘氨酸的蛋白質(zhì)（GRPs）以高含量的甘氨酸為特征（20%—70%），共分為4類，其中只有第Ⅳ類GRPs（GR-RBPs）具有RNA結(jié)合功能，是RNA結(jié)合蛋白[13]。GR-RBPs在植物中廣泛存在，參與調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和響應(yīng)非生物脅迫過(guò)程。GR-RBPs的結(jié)構(gòu)特征是在C-末端存在富含甘氨酸的區(qū)域，N-末端存在RNA識(shí)別基序（RRM）或冷休克結(jié)構(gòu)域（CSD）。

擬南芥基因組編碼十多種GR-RBPs，這些GR-RBPs在生長(zhǎng)發(fā)育以及各種脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。具有RNA分子伴侶活性的和在水稻中的過(guò)表達(dá)有助于提高水稻的干旱耐受性和種子產(chǎn)量，并且其轉(zhuǎn)基因植株對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)任何副作用，因此，它們可以作為一種潛在的調(diào)節(jié)基因來(lái)改善干旱脅迫下的水稻生長(zhǎng)發(fā)育[14]。AtGRP7能增強(qiáng)擬南芥對(duì)干旱和高鹽的耐受性，它通過(guò)非ABA依賴型的方式調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度以控制水分蒸騰，從而介導(dǎo)植物的非生物脅迫反應(yīng)[15]。此外，AtGRP7能夠通過(guò)調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞中的mRNA輸出而提高植株的低溫耐受性[15]。AtGRP7是丁香假單胞菌Ⅲ型效應(yīng)物HopU1的直接靶標(biāo)，其和AtGRP8不僅能提高擬南芥的免疫功能[16-17]，而且還能作為生物鐘調(diào)節(jié)器共同調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律[18]。AtGRP7和AtGRP8在自主開(kāi)花途徑中能夠調(diào)節(jié)植物開(kāi)花，在突變體和反轉(zhuǎn)義植株中開(kāi)花阻遏蛋白（FLOWERING LOCUS C，F(xiàn)LC）被上調(diào)，并由此導(dǎo)致晚花表型。與此相反，過(guò)表達(dá)會(huì)降低轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致早花[19]。AtGRP2以非ABA依賴型的方式促進(jìn)鹽或冷脅迫下的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，提高擬南芥鹽和低溫耐受性[20]。綜上所述，擬南芥的GR-RBPs主要作為RNA分子伴侶在非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用，同時(shí)其可能通過(guò)介導(dǎo)植物激素信號(hào)通路而調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

水稻和擬南芥的GR-RBPs在功能上具有保守性，它們?cè)谥参镯憫?yīng)低溫過(guò)程中主要作為RNA分子伴侶發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。3個(gè)水稻GR-RBP蛋白（OsGRP1、OsGRP4和OsGRP6）能夠彌補(bǔ)冷休克期間低溫敏感型大腸桿菌突變體的生長(zhǎng)缺陷表型，以及恢復(fù)冷脅迫下擬南芥突變體的缺陷表型[21]。KIM等[21]研究發(fā)現(xiàn)OsGRP4和OsGRP6通過(guò)介導(dǎo)mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)輸過(guò)程來(lái)參與水稻的低溫脅迫響應(yīng)。

2.1 含有CCHC型鋅指基序的GR-RBP—RZ家族

在GRPs家族的4類蛋白中，第Ⅳ類GRPs又分為a、b、c和d 4個(gè)不同的子類，含有CCHC型鋅指基序的GRPs屬于Ⅳb亞類（RZs家族）。RZs在N-末端含有RRM結(jié)構(gòu)域，在C-末端有富含甘氨酸的區(qū)域且其間散布著CCHC型鋅指基序。不同物種中的RZs在結(jié)構(gòu)和功能上具有保守性，參與植物的生長(zhǎng)發(fā) 育和脅迫響應(yīng)過(guò)程。

擬南芥基因組編碼3個(gè)RZ基因，分別被命名為、和。在低溫脅迫下強(qiáng)烈上調(diào)，在干旱和脫落酸脅迫下則與之相反。在低溫下AtRZ-1a促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，而其突變體中的上述過(guò)程明顯受到抑制[22-23]。在鹽或干旱脅迫條件下，AtRZ-1a則抑制擬南芥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，說(shuō)明AtRZ-1a的調(diào)節(jié)方式具有環(huán)境特異性[22-23]。AtRZ-1b和AtRZ-1c通過(guò)與其他蛋白如SR蛋白相互作用，調(diào)節(jié)前體mRNA剪接，在植物發(fā)育的許多方面發(fā)揮重要作用。和雙突變植株表現(xiàn)出多種發(fā)育缺陷，如種子萌發(fā)和根生長(zhǎng)延遲、晚花、少花、植株高度降低、葉尺寸減小以及鋸齒狀葉等[24]。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)許多關(guān)鍵的發(fā)育調(diào)節(jié)基因和激素相關(guān)基因的表達(dá)水平在雙突變體中發(fā)生改變，這是導(dǎo)致雙突變體出現(xiàn)多種異常表型的原因。同時(shí)，AtRZ-1b和AtRZ-1c是內(nèi)含子剪接所必須的，AtRZ-1b和AtRZ-1c促進(jìn)第一個(gè)內(nèi)含子的高效剪接并抑制轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)節(jié)植物開(kāi)花[24]。

水稻基因組也編碼3個(gè)RZ基因（），其轉(zhuǎn)錄水平均受低溫脅迫誘導(dǎo)，受干旱或鹽脅迫的影響微弱。上述3個(gè)基因中只有能夠提高擬南芥的低溫耐受性，表明其功能存在一定差異[25]。小麥基因組編碼4個(gè)RZ基因（），它們?cè)诜巧锩{迫下植物的種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和低溫耐受性方面發(fā)揮不同功能。鹽脅迫下，過(guò)表達(dá)的3種轉(zhuǎn)基因擬南芥的種子萌發(fā)均被抑制；干旱脅迫下，過(guò)表達(dá)或的轉(zhuǎn)基因擬南芥種子萌發(fā)受到抑制；過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因擬南芥幼苗生長(zhǎng)在低溫或鹽脅迫下被顯著抑制，而過(guò)表達(dá)則提高了擬南芥的低溫耐受性[26]。由此推測(cè)不同物種的RZs在參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫反應(yīng)過(guò)程中，存在一定的功能保守性。

2.2 含有冷休克結(jié)構(gòu)域的GR-RBPs—CSDPs家族

CSDPs家族屬于GR-RBPs的Ⅳc亞類。冷休克結(jié)構(gòu)域（cold shock domain，CSD）是與RNA、ssDNA和dsDNA結(jié)合有關(guān)的高度保守的核酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域，在細(xì)菌、動(dòng)物和植物中廣泛存在。細(xì)菌冷休克蛋白由單一的CSD組成，在低溫下被誘導(dǎo)，并在低溫脅迫反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[27]。植物CSD蛋白的結(jié)構(gòu)特征是在N端含有一個(gè)CSD，C端含有一個(gè)富含甘氨酸的區(qū)域，并在富含甘氨酸的區(qū)域中散布著不同數(shù)量的CCHC型鋅指基序[28]。CSDPs同樣在植物發(fā)育和脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

擬南芥中存在4種CSD蛋白，分別為AtCSP1、AtCSP2、AtCSP3和AtCSP4。其中，AtCSP2表達(dá)量最高，AtCSP3是目前研究最深入的，AtCSP2與AtCSP4的同源性最高，且在某些方面具有功能冗余。AtCSP1在干旱或鹽脅迫下植物的種子萌發(fā)和生長(zhǎng)中發(fā)揮作用[29]。AtCSP2通過(guò)CBF依賴性途徑負(fù)調(diào)節(jié)植物的低溫耐受性，其過(guò)表達(dá)導(dǎo)致植物的低溫耐受性降低，此外在低溫耐受性和開(kāi)花時(shí)間的調(diào)控方面與AtCSP4存在功能冗余。另外，過(guò)表達(dá)導(dǎo)致植株的形態(tài)和生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)生改變，如植株矮小，開(kāi)花延遲和果莢變短[30]，AtCSP2還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)GA和ABA代謝基因的表達(dá)來(lái)負(fù)調(diào)控種子萌發(fā)[28]。AtCSP3參與植物鹽和干旱脅迫耐受性的調(diào)控，過(guò)表達(dá)能夠顯著提高鹽和干旱脅迫下的植株存活率[31]。AtCSP4通過(guò)調(diào)節(jié)與發(fā)育相關(guān)的基因表達(dá)而在長(zhǎng)角果發(fā)育的晚期階段起重要作用，過(guò)表達(dá)導(dǎo)致MADS-box和胚乳發(fā)育基因的表達(dá)在花和果實(shí)發(fā)育過(guò)程中發(fā)生異常改變，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出長(zhǎng)角果縮短和種子成熟度低等缺陷表型[32]。

小麥也編碼4種CSD蛋白（WCSP1—WCSP4），其中WCSP1是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的CSD蛋白，WCSP1能賦予低溫敏感型大腸桿菌較強(qiáng)的耐受性[33]。水稻編碼2種CSD蛋白，分別為OsCSP1和OsCSP2，它們表現(xiàn)出核酸結(jié)合活性并改善了大腸桿菌突變體的低溫敏感性[34]。此外，小麥WCSPs和水稻OsCSPs在植物發(fā)育中也發(fā)揮重要作用[33-34]，但仍未見(jiàn)相關(guān)的研究報(bào)道。目前，關(guān)于植物CSD蛋白的研究還很少，雖然在植物中已經(jīng)鑒定出許多CSD蛋白，但對(duì)它們功能的解析程度還不夠深入。

3 三角狀五肽重復(fù)區(qū)蛋白（PPR蛋白）家族

PPR蛋白是一種序列特異性RNA結(jié)合蛋白，它們以序列特異性方式結(jié)合RNA，是目前研究最深入和最重要的一類RNA結(jié)合蛋白之一。PPR蛋白家族成員是mRNA轉(zhuǎn)錄后靶向細(xì)胞器的關(guān)鍵調(diào)控者，主要參與線粒體和葉綠體的RNA代謝過(guò)程。PPR蛋白幾乎涉及植物細(xì)胞器RNA代謝的所有方面，包括RNA編輯、RNA剪接、RNA穩(wěn)定以及翻譯過(guò)程。PPR蛋白由大約35個(gè)氨基酸序列經(jīng)串聯(lián)重復(fù)組成，并且隨后折疊成一對(duì)反向平行的α螺旋。PPR蛋白主要被分為2個(gè)亞類，P類和PLS類。P類PPR蛋白具有規(guī)范的35個(gè)氨基酸基序，但有些除了PPR基序外，還會(huì)在末端存在額外的結(jié)構(gòu)域，以行使特異性功能；而PLS類的PPR蛋白具有3種不同類型的PPR基序，其長(zhǎng)度各不相同：P（35個(gè)氨基酸）、L（35—36個(gè)氨基酸）和S（約31個(gè)氨基酸）。PLS類PPR蛋白一般會(huì)包含額外的結(jié)構(gòu)域，根據(jù)這些結(jié)構(gòu)域的不同，又分為不同的亞家族，包括PLS、E1、E2、E+和DYW等家族，不同類型的PPR蛋白可能具有不同的功能[35-36]。PPR蛋白主要存在于植物中，在其他真核生物中較少，人類基因組中只有不到10個(gè)PPR蛋白。在植物中，擬南芥基因組含有超過(guò)450個(gè)PPR蛋白，水稻中大約有477個(gè)，除這兩類外，其他物種如玉米中含量相對(duì)較少。PPR蛋白在細(xì)胞器RNA加工、CMS植物的育性恢復(fù)、光合作用、呼吸作用、胚胎發(fā)生、植物發(fā)育以及脅迫響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。目前已經(jīng)有部分植物PPR蛋白被報(bào)道，但仍有大部分PPR蛋白的分子功能未得到解析。下面主要總結(jié)了近幾年關(guān)于擬南芥、水稻和玉米PPR蛋白的功能研究進(jìn)展。

在擬南芥中，靶向線粒體的PPR蛋白BLX[37]、AtGRS1[38]和SLO4[39]參與調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)含子的剪接，并對(duì)植物早期胚胎發(fā)育和植株生長(zhǎng)發(fā)揮重要作用。還有一些靶向線粒體的 PPR蛋白，它們不僅在RNA代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用，而且在改善細(xì)胞質(zhì)雄性不育和逆境脅迫等方面也具有重要功能。如RPF5蛋白除了參與特定mRNA的成熟過(guò)程外，也能夠部分恢復(fù)細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的育性[40]。SOAR1是擬南芥響應(yīng)非生物脅迫重要的正調(diào)控蛋白，過(guò)表達(dá)能顯著提高植物的干旱、鹽和低溫的脅迫耐受性，并且不會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。SOAR1還是ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子，通過(guò)整合ABA依賴型和非依賴型的信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)調(diào)節(jié)植物的應(yīng)激反應(yīng)[41-42]。AtSLG1在RNA編輯、植物生長(zhǎng)發(fā)育、ABA處理和干旱脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[43]。AtPGN在植物響應(yīng)逆境脅迫過(guò)程中發(fā)揮重要作用。突變體表現(xiàn)出對(duì)壞死性真菌病原體的易感性以及對(duì)脫落酸、葡萄糖和鹽脅迫的超敏感性?；蚬δ苎芯拷沂綪GN在脅迫反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體的活性氧動(dòng)態(tài)平衡來(lái)發(fā)揮作用[44]。靶向葉綠體的擬南芥PPR蛋白，它們除了在葉綠體內(nèi)含子剪接過(guò)程中起至關(guān)重要的作用外，在生長(zhǎng)發(fā)育以及光合作用中也發(fā)揮重要作用。如AtSEL1參與葉綠體發(fā)育所需的質(zhì)體基因的表達(dá)調(diào)控，在突變體中，光合作用的相關(guān)蛋白減少且葉綠體發(fā)育受損[45]；AtPPR2在胚胎發(fā)育的第一次有絲分裂和細(xì)胞增殖過(guò)程中發(fā)揮重要作用[46]；此外還有葉綠體發(fā)育及光合作用所必須的SVR7蛋白，其基因突變體（）顯示葉綠體ATP合酶亞基的積累受到影響。綜上所述，擬南芥PPR蛋白在細(xì)胞器mRNA代謝、植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫反應(yīng)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[47]。

在水稻中，許多PPR蛋白除了具有基本的RNA編輯功能外，還參與植物發(fā)育的各個(gè)方面，如花粉發(fā)育、幼苗生長(zhǎng)和葉綠體發(fā)育，并且在改善細(xì)胞質(zhì)雄性不育和非生物脅迫等方面也發(fā)揮重要作用。如OsPPR676蛋白是水稻生長(zhǎng)和花粉發(fā)育所必需的，OsPPR676對(duì)于質(zhì)體atpB亞基的產(chǎn)生是必不可少的，其通過(guò)影響ATP合酶的活性在脂肪酸、碳水化合物以及其他有機(jī)物的生物合成中發(fā)揮關(guān)鍵作用[48]。OsPPR6參與葉綠體中與光合作用相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄物的剪接并調(diào)節(jié)早期葉綠體的生物合成，是水稻葉綠體生物合成所必需的調(diào)節(jié)因子[49]。OsPGL1通過(guò)參與線粒體和葉綠體中特定位點(diǎn)的RNA編輯而調(diào)節(jié)相關(guān)的生物過(guò)程[50]。OsRF5通過(guò)與富含甘氨酸的蛋白質(zhì)GRP162相互作用而恢復(fù)紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的育性[51]。OsWSL[52]和OsWSL4[53]是葉綠體重要的剪接因子，影響水稻早期葉片發(fā)育，且OsWSL能提高植物對(duì)ABA、鹽和糖脅迫的耐受性。OsV4在低溫脅迫下早期的葉綠體發(fā)育中起重要作用[54]。

近期發(fā)現(xiàn)玉米PPR蛋白在基因功能上存在一定的相似性。玉米PPR蛋白的種類較少，且大多靶向線粒體。如靶向線粒體的EMP10[55]、EMP11[56]、DEK10[57]和DEK35[58]蛋白對(duì)線粒體內(nèi)mRNA的不同位點(diǎn)進(jìn)行RNA編輯和剪接，是維持線粒體功能和胚胎、胚乳發(fā)育不可或缺的一類PPR蛋白。另外，PPR78[59]和PPR2263[60]對(duì)線粒體mRNA進(jìn)行編輯和剪接，對(duì)線粒體發(fā)揮功能和種子發(fā)育具有重要作用。近幾年，盡管已經(jīng)鑒定出許多植物PPR蛋白，但由于植物中PPR蛋白本身基數(shù)較大的緣故，還有很多發(fā)揮重要功能的PPR蛋白未被研究。此外，目前關(guān)于PPR蛋白作用的詳細(xì)地分子機(jī)制還不清楚，需要進(jìn)一步深入探究。

4 DEAD-box RNA解旋酶（DEAD-box RHs）家族

RNA解旋酶（RH）是能夠改變RNA結(jié)構(gòu)的酶。RHs分為6個(gè)超家族（SF1—SF6），其中超家族Ⅱ（SF2）是最大的解旋酶家族，主要由DEAD-box RHs組成，DEAD-box RHs具有RNA結(jié)合活性，是RNA結(jié)合蛋白。DEAD-box RHs可以催化RNA分子中二級(jí)結(jié)構(gòu)的解旋，從而影響有機(jī)體中RNA代謝過(guò)程，它們?cè)谡{(diào)節(jié)各種細(xì)胞代謝途徑中發(fā)揮重要作用。DEAD-box RNA解旋酶由Q、Ⅰ、Ⅱ（DEAD）、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ結(jié)構(gòu)域組成，這些結(jié)構(gòu)域具有不同的功能，有的具有解旋功能，有的具有RNA結(jié)合活性，有的具有其他特異性功能。在真核生物中，植物編碼的DEAD-box RHs更多，擬南芥編碼約58個(gè)，水稻約50個(gè)，人類基因組中約有36個(gè)。目前植物中的DEAD-box RHs研究主要集中在擬南芥和水稻上，DEAD-box RHs除了在RNA代謝方面發(fā)揮重要作用外，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和非生物脅迫中也行使重要功能。

4.1 DEAD-box RHs在RNA代謝中起著至關(guān)重要的作用

大多數(shù)DEAD-box RHs在RNA代謝過(guò)程中發(fā)揮作用，這些DEAD-box RHs不僅是細(xì)胞核RNA代謝中必不可少的調(diào)節(jié)因子，有些也參與線粒體和葉綠體的RNA代謝過(guò)程。如AtRH9參與線粒體mRNA中Ⅱ組內(nèi)含子的剪接[61]；AtRH50參與葉綠體23S和4.5S rRNA的加工[62]；ZmRH3參與rRNA的生物合成以及葉綠體中mRNA的剪接[63]；RCF1[64]和RID1[65]是擬南芥前體mRNA必要的剪接因子；水稻TOGR1[66]在高溫下能維持rRNA的穩(wěn)定性。綜上所述，DEAD-box RHs在RNA代謝中起著重要作用。

4.2 DEAD-box RHs在植物生長(zhǎng)發(fā)育和非生物脅迫反應(yīng)中具有不同作用

許多DEAD-box RHs在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中也具有重要作用。如RID1在配子體發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用[65]；AtRH57參與植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中葡萄糖和脫落酸信號(hào)交聯(lián)的糖應(yīng)答過(guò)程[67]；擬南芥AtRH36[68]和水稻OsRH36[69]參與雌配子的有絲分裂過(guò)程，它們?cè)诠δ苌暇哂斜Ｊ匦?；OsRH2和OsRH34參與調(diào)控水稻株高、花粉和種子發(fā)育[70]，綜上所述，DEAD-box RHs在植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。

DEAD-box RHs在非生物脅迫中的潛在作用也日益被發(fā)現(xiàn)。如RCF1參與植物低溫感應(yīng)基因的調(diào)控并增加植株的低溫耐受性[64]；AtRH7參與植物發(fā)育和擬南芥的低溫耐受性[71]；過(guò)表達(dá)促進(jìn)了水稻在高溫脅迫下的生長(zhǎng)[66]；靶向線粒體的擬南芥AtRH9和AtRH25的過(guò)表達(dá)抑制了高鹽濃度條件下的種子發(fā)芽，其中的過(guò)表達(dá)也能增強(qiáng)植株的低溫耐受性[72]；RH8與PP2CA相互作用，通過(guò)ABA依賴型信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)調(diào)節(jié)干旱脅迫反應(yīng)[73]；葉綠體靶向的BrRH22在高鹽和干旱脅迫下促進(jìn)擬南芥種子發(fā)芽和植株生長(zhǎng)[74]。以上結(jié)果表明DEAD-box RHs在非生物脅迫反應(yīng)中扮演關(guān)鍵作用。盡管DEAD-box RHs在植物中已取得較大進(jìn)展，但仍有很多DEAD-box RHs未被鑒定，此外關(guān)于DEAD-box RHs參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還不清楚，因此，未來(lái)還要進(jìn)一步確定它的RNA靶標(biāo)及其與其他調(diào)節(jié)信號(hào)的交聯(lián)機(jī)制。

5 RNA分子伴侶

同蛋白質(zhì)一樣，RNA分子需要正確地折疊成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮正常功能，然而RNA分子由于其固有的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)折疊問(wèn)題而容易錯(cuò)誤折疊成非功能性結(jié)構(gòu)。RNA分子伴侶是非特異性的RNA結(jié)合蛋白，通過(guò)對(duì)錯(cuò)誤折疊的RNA進(jìn)行結(jié)構(gòu)重排來(lái)促進(jìn)RNA的正確折疊，以保證RNA代謝過(guò)程的順利進(jìn)行[75]。RNA分子伴侶在生物體如細(xì)菌、病毒、動(dòng)物和植物的生長(zhǎng)和發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，其中對(duì)RNA分子伴侶在植物中的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他3類生物。許多富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白（GR-RBPs）以及DEAD-box RNA解旋酶（DEAD-box RHs）家族成員具有RNA分子伴侶活性，它們?cè)谥参锷L(zhǎng)發(fā)育和脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，并且有些已被確定在逆境脅迫下作為RNA分子伴侶起作用。

具有RNA分子伴侶活性的RNA結(jié)合蛋白參與植物脅迫響應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞暴露于低溫時(shí)，RNA分子伴侶的作用更加突出，錯(cuò)誤折疊的RNA分子在低溫下變得過(guò)度穩(wěn)定，在缺少RNA分子伴侶的幫助下不能呈現(xiàn)天然構(gòu)象。研究證明GR-RBPs的某些家族成員在低溫反應(yīng)期間表現(xiàn)出RNA分子伴侶活性，如擬南芥的AtGRP2[20]和AtGRP7[21]；水稻的OsGRP1、OsGRP4和OsGRP6[21]等蛋白。另外，在GR-RBPs家族中，含有CCHC型鋅指基序的GR-RBPs（RZs）成員也被發(fā)現(xiàn)具有RNA分子伴侶活性，如擬南芥AtRZ-1a[76]、水稻OsRZ2[25]和小麥TaRZ2[77]等蛋白。GR-RBPs家族的CSDP1[78]在提高擬南芥低溫耐受性方面也起RNA分子伴侶作用。以上結(jié)果表明具有RNA分子伴侶活性的GR-RBPs家族成員在植物脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。在細(xì)胞響應(yīng)低溫過(guò)程中，GR-RBPs的結(jié)構(gòu)域序列和總體折疊方式對(duì)于GR-RBPs的RNA分子伴侶活性至關(guān)重要[79]。DEAD-box RHs家族的某些成員在植物脅迫反應(yīng)中也具有RNA分子伴侶活性，如低溫脅迫下的AtRH25蛋白[72]；另外由具有RNA分子伴侶活性的擬南芥AtRH3 所調(diào)節(jié)的內(nèi)含子剪接對(duì)于葉綠體功能、植物的生長(zhǎng)和脅迫反應(yīng)是至關(guān)重要的[80]。

RNA分子伴侶在植物的生長(zhǎng)和發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，尤其是一些靶向葉綠體的RNA分子伴侶。如靶向葉綠體的SRRP1影響擬南芥葉綠體轉(zhuǎn)錄物的剪接和加工[81]；靶向葉綠體的SDP影響rRNA加工、葉綠體生物合成及光合作用[82]，這些對(duì)擬南芥的正常生長(zhǎng)是至關(guān)重要的；還有CFM4通過(guò)參與葉綠體rRNA的加工在擬南芥生長(zhǎng)和應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮作用[83]。綜上所述，在植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中，許多具有RNA分子伴侶活性的RNA結(jié)合蛋白在RNA代謝的調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。目前，已有許多證據(jù)表明RNA分子伴侶在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，但關(guān)于RNA分子伴侶的研究還不夠深入，接下來(lái)不僅要繼續(xù)挖掘更多具有RNA分子伴侶活性的RBPs，還要研究RNA分子伴侶如何識(shí)別底物RNA以及它們?nèi)绾闻c其他蛋白協(xié)作共同參與轉(zhuǎn)錄后的RNA代謝過(guò)程，從而調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育并響應(yīng)環(huán)境脅迫。

6 結(jié)論與展望

植物中的RBPs作為重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，在RNA代謝、植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。在本文所論述的五類植物RBP家族中，SR蛋白主要作為重要的選擇性剪接因子在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用；GR-RBPs家族的成員普遍具有功能多樣性，其可能通過(guò)參與介導(dǎo)植物激素信號(hào)通路調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)方面，并主要作為RNA分子伴侶在多種脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用；PPR蛋白主要參與線粒體和葉綠體的RNA代謝，調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫反應(yīng)過(guò)程；DEAD-box RHs可作為細(xì)胞核和細(xì)胞器重要的RNA剪接因子，并在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及非生物脅迫反應(yīng)中發(fā)揮多種功能；RNA分子伴侶作為非特異性的RNA結(jié)合蛋白，通過(guò)參與RNA折疊反應(yīng)保證RNA代謝過(guò)程的順利進(jìn)行，此外，許多RBPs具有RNA分子伴侶活性，它們作為RNA分子伴侶調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫反應(yīng)?？偟膩?lái)說(shuō)，上述五類RNA結(jié)合蛋白在植物中的作用集中體現(xiàn)在RNA代謝和RNA折疊反應(yīng)方面，并通過(guò)這兩個(gè)方面的作用，影響相關(guān)基因的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育、幼苗生長(zhǎng)等生長(zhǎng)發(fā)育以及響應(yīng)干旱、低溫等逆境脅迫。

近年來(lái)，關(guān)于RBPs在植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫反應(yīng)中的研究正在迅速增加，目前，關(guān)于SR蛋白以及RNA分子伴侶的研究還很少，對(duì)于相對(duì)研究較多的GR-RBPs和PPR蛋白來(lái)說(shuō)，應(yīng)進(jìn)一步深入確定它們的RNA靶標(biāo)及其參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。很多RBPs在高等真核生物中具有較強(qiáng)的保守性，因此，可以利用植物中的某些蛋白與動(dòng)物RNA結(jié)合蛋白的同源性去尋找植物中具有潛在功能的RBPs。此外，隨著近年來(lái)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使我們能夠獲得植物在某一生理狀態(tài)下的轉(zhuǎn)錄組信息，從而通過(guò)對(duì)RNA結(jié)合蛋白突變體或逆境脅迫中的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行組學(xué)分析，預(yù)測(cè)RNA結(jié)合蛋白的潛在功能和可能參與的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)關(guān)于RBPs的研究應(yīng)該更加系統(tǒng)和全面化，除了繼續(xù)挖掘更多的具有重要功能的RBPs外，還應(yīng)關(guān)注RBPs作用的RNA靶標(biāo)，探究RBPs識(shí)別底物RNA的生化機(jī)制，以及RBPs與其他調(diào)控因子交聯(lián)而共同調(diào)節(jié)植物生命活動(dòng)的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

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The Research Progress of Plant RNA Binding Proteins

ZHANG ZaiBao1,2, LI WanJie1, LI JiuLi1, ZHANG Chi1, HU MengHui1, CHENG Lin1, YUAN HongYu1,2

(1College of Life Sciences, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, Henan;2Henan Key Laboratory of Tea Plant Biology, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, Henan)

In eukaryotes, RNA-binding proteins (RBPs) are an important class of post-transcriptional regulators that direct and regulate the RNA metabolism. RBPs together with RNA to form ribonucleoprotein complexes have been reported to play critical roles in many RNA processes, including translocation, modification, translation and degradation. RBPs are widely present in animals, plants and microorganisms, accounting for about 2%-8% of the proteins encoded by eukaryotic genes. In recent years, the researches on RNA-binding proteins have become a hot topic. RBPs have been reported to involved in many human diseases by mutation and genetic analysis. The large number of RBPs in plants has also been reported, and they played similar important functions in plant RNA metabolism. However, our understanding of the roles and mechanisms of action of plant RBPs is less well studied than in animals. In this review, we will discuss recent progresses of multiple RBP family members that play essential roles in RNA metabolism during plant growth, development and stress responses. Five classes of plant RBP families were discussed, including serine-arginine-rich RNA-binding proteins (SR proteins), glycine-rich RNA-binding proteins (GR-RBPs), pentatricopeptide repeat proteins (PPR proteins), DEAD-box RNA helicase (DEAD-box RHs) and RNA chaperones. The critical roles of these plant RBPs in RNA metabolism during plant growth, development, and stress responses were summarized. Functions as an alternative splicing factor during RNA metabolism, SR proteins play important roles in plant growth and stress response. GR-RBPs family members displayed functional diversity: many of them regulate plant stress tolerance and various growth and development processes by mediating plant hormone signaling pathways and others mediate abiotic stress response acting as RNA chaperones. PPR proteins are the most widely studied and they mainly involved in RNA metabolism of mitochondria and chloroplasts. As important RNA splicing factors of cell nuclei and organelles, DEAD-box RHs play variety of functions in plant growth, development and abiotic stress response. RNA chaperones are non-specific RBP that maintain the normal function of RNA molecules by facilitate RNA folding via structural rearrangement of misfolded RNAs.

RNA binding proteins; RNA metabolism; plant growth and development; stress response

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.21.001

2018-06-04；

2018-08-08

河南省教育廳項(xiàng)目（18A180031）、河南省自然科學(xué)基金（182300410063）、信陽(yáng)師范學(xué)院南湖學(xué)者計(jì)劃

張?jiān)趯?，Tel：0376-6391380；E-mail：zaibaozhang79@163.com

（責(zé)任編輯 李莉）