植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶BiP研究進(jìn)展

張廣旭 王康君 孫中偉 郭明明 李強(qiáng) 陳鳳 樊繼偉

摘 要：植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶BiP是一類重要的功能蛋白，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中發(fā)揮著重要功能，不僅參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的蛋白合成，而且也與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反應(yīng)UPR相關(guān)，并在此反應(yīng)中扮演重要角色。近年來，植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶分子BiP研究取得較大進(jìn)展。該文對(duì)BIP的結(jié)構(gòu)與功能、BiP的表達(dá)模式和調(diào)控機(jī)制以及BiP的表達(dá)水平與蛋白合成和UPR反應(yīng)的關(guān)系等進(jìn)行了綜述，以期對(duì)植物BiP的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：植物BiP;結(jié)構(gòu)與功能;表達(dá)模式;蛋白合成與UPR反應(yīng)

中圖分類號(hào) Q513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）19-0022-04

Research Progress Endoplasmic Reticulum Molecular Chaperone BiP of Plant

ZHANG Guangxu et al.

（Institute of Lianyungang Agricultural Science of Xuhuai Area， Lianyungang 222000，China; Lianyungang Institute of Agricultural Sciences， Lianyungang 222000， China）

Abstract：Endoplasmic reticulum molecular chaperone BiP of Plant，is an important function of protein，plays an important function in the endoplasmic reticulum，which not only involved in the synthesis of protein in the endoplasmic reticulum cavities，and also associated with the endoplasmic reticulum UPR unfolded protein response and plays an important role in this response.This paper stresses the progress of endoplasmic reticulum chaperone BiP of plant ，structure and function of the BiP，and expression pattern and regulation mechanism of relationship between expression and protein synthesis and reaction of UPR to review，in order to provide reference for the in-depth study of BiP ofplant.

Key words：BiP of Plant; Btructure and Function; Expression Pattern; Protein Synthesis and UPR

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有很多重要的功能，如參與蛋白合成的折疊、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)及分泌，糖基化，合成脂質(zhì)等，其中最為重要的功能之一就是對(duì)蛋白初體的質(zhì)量控制[1]。這些蛋白初體的質(zhì)控主要由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的伴侶蛋白如結(jié)合蛋白BiP及蛋白二硫鍵異構(gòu)酶PDI等一些主要分子伴侶所完成。其中BiP在蛋白合成過程中參與了折疊、組裝等過程，對(duì)蛋白合成發(fā)揮了重要作用。

1 BiP的結(jié)構(gòu)與功能

BiP是結(jié)合蛋白Binding Protein的簡(jiǎn)稱，它是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)主要的伴侶蛋白之一，屬于HSP70家族成員。在BiP蛋白的N端含有1個(gè)ATPase結(jié)合域，在C端有1個(gè)蛋白結(jié)合域。ATPase結(jié)合域能夠有序地循環(huán)進(jìn)行磷酸化和去磷酸化，進(jìn)一步使BiP蛋白能夠與未折疊蛋白結(jié)合或釋放[2，3]。BiP蛋白的C末端存在1個(gè)KDEL或HDEL滯留信號(hào)，使其能夠被滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)。

BiP與進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的未折疊蛋白質(zhì)相互結(jié)合，進(jìn)而防止多肽鏈不正確地折疊或聚合。BiP蛋白結(jié)合與ER中蛋白的疏水部分結(jié)合，能夠防止蛋白質(zhì)的變性或降解，使其正確地折疊。在這結(jié)合過程中BiP同其他的分子蛋白的疏水部分伴侶或折疊酶相互協(xié)調(diào)作用，共同促進(jìn)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上由多聚核糖體合成的未成熟的蛋白初體或多肽鏈進(jìn)行折疊或組裝。BiP蛋白N端的ATPase與磷酸氨基酸結(jié)合，促進(jìn)多肽鏈的折疊加工，當(dāng)多肽鏈加工完成后，ATPase水解去磷酸化后成為活化狀態(tài)，此時(shí)BiP蛋白C端的蛋白結(jié)合域與多肽鏈的疏水部分結(jié)合，有蛋白質(zhì)的BiP釋放被結(jié)合的蛋白，BiP蛋白進(jìn)行下一輪的過程。若釋放的蛋白依舊處于未折疊狀態(tài)，BiP將重新與這種蛋白結(jié)合起來，同時(shí)還可幫助2種不同蛋白共同裝配。BiP伴侶蛋白不僅參與多肽鏈的折疊過程，同時(shí)也參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)關(guān)聯(lián)降解ER-associated degradation（ERAD）的蛋白降解過程。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白積累水平較高時(shí)，BiP誘導(dǎo)ERAD反應(yīng)，以便清除這些不正常積累的蛋白或多肽鏈[2]。BiP分子伴侶蛋白可防止新合成的蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)生變性或斷裂。有研究表明，利用重組DNA技術(shù)，把酵母中編碼BiP蛋白的基因突變成溫度敏感型后，每當(dāng)提高細(xì)胞培養(yǎng)的溫度時(shí)，BiP的功能就不會(huì)發(fā)生作用，蛋白質(zhì)向ER的轉(zhuǎn)移也會(huì)停止，進(jìn)一步可推測(cè)由于BiP功能的喪失，導(dǎo)致了蛋白質(zhì)在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的轉(zhuǎn)移。

2 BiP基因的表達(dá)特點(diǎn)

目前BiP基因已經(jīng)在水稻、玉米、擬南芥、大豆等植物中全部或部分獲得，對(duì)其表達(dá)特點(diǎn)也有了初步了解。BiP的功能決定了BiP基因在植物的所有器官中都有表達(dá)，但由于不同器官的功能不同，因此BiP的表達(dá)種類、表達(dá)水平及表達(dá)時(shí)間可能也有所差異。據(jù)報(bào)道，水稻BiP家族中BiP1主要是在水稻種子成熟過程中表達(dá)[1];擬南芥有3個(gè)BiP基因，其中BiP2在所有組織中均有表達(dá)[4]。正常生長(zhǎng)條件下BiP可以持續(xù)表達(dá)，但當(dāng)植物處在高溫或是用還原劑（DTT）或蛋白糖基化抑制劑（衣霉素）處理時(shí)，細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白或錯(cuò)誤折疊的蛋白積累水平明顯上升，為緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力，一些BiP基因就會(huì)被誘導(dǎo)而特異表達(dá)[5-7]。BiP基因被誘導(dǎo)表達(dá)的這種過程稱之為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)或未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）。

Reginaldo A.等[8]通過克隆大豆BiP基因（gsBiP6 and gsBiP9），并獲得了其上游啟動(dòng)子序列，將其與GUS報(bào)告基因進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步導(dǎo)入煙草中獲得含目的基因的植株，分析其組織特異性表達(dá)情況，同時(shí)通過啟動(dòng)子缺失實(shí)驗(yàn)證明在BiP基因的上游有2個(gè)順式作用元件：CRD1（?358 to ?211，on gsBiP6）、CRD2（?211 to ?80）。CRD1激活BiP啟動(dòng)子在所有被分析組織中的最低量表達(dá)，而CRD2是組織特異性表達(dá)所必需的，它激活BiP在分生組織和韌皮部細(xì)胞的表達(dá)，同時(shí)CRD2含有生長(zhǎng)素作用元件，猜測(cè)BiP在某些組織的表達(dá)與生長(zhǎng)素相關(guān)。

3 植物BiP研究進(jìn)展

BiP對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能發(fā)揮至關(guān)重要，尤其是在蛋白合成過程對(duì)多肽鏈或蛋白初體的折疊、組裝以及在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力應(yīng)激反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用，因此目前對(duì)BiP的研究已取得了重大進(jìn)展，在水稻、擬南芥、小麥、大豆等作物中均有報(bào)道，多集中在BiP表達(dá)水平對(duì)蛋白合成尤其是對(duì)種子儲(chǔ)藏蛋白的影響，以及在UPR反應(yīng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)（如在各種脅迫條件）中的表達(dá)模式及重要作用等。

3.1 BiP的表達(dá)水平對(duì)種子儲(chǔ)藏蛋白的影響 在種子成熟過程中，儲(chǔ)藏蛋白會(huì)特異大量合成，并由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)沉積在蛋白體PB內(nèi)，這一累積過程主要受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶如BiP、PDI等介導(dǎo)。Yasuda等[9]以水稻為材料，探討伴侶蛋白的作用及其與種子儲(chǔ)藏蛋白積累水平變化之間的聯(lián)系，通過把BiP基因、PDI基因與胚乳特異啟動(dòng)子Glutelin Promoter結(jié)合，獲得轉(zhuǎn)化株，在植株胚乳中過表達(dá)BiP和PDI，以觀察分子伴侶BiP和PDI的過表達(dá)對(duì)種子儲(chǔ)藏蛋白的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PDI過表達(dá)植株的種子外形和種子蛋白含量與野生型WT相差無幾，但BiP過表達(dá)植株的種子則呈現(xiàn)不透明的表型，具體表型為粉質(zhì)和皺縮特征，且種子內(nèi)儲(chǔ)藏蛋白和淀粉含量水平都低于野生型。Wakasa等[2]在研究水稻胚乳中BiP1表達(dá)水平變化引起其他內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)量控制基因表達(dá)時(shí)構(gòu)建了一系列轉(zhuǎn)基因株系，發(fā)現(xiàn)在這些轉(zhuǎn)基因植株中BiP1是以不同濃度在胚乳中特異積累。對(duì)BiP1基因顯著過量表達(dá)或強(qiáng)烈抑制，可改變種子的表型和胚乳細(xì)胞的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，同時(shí)使胞內(nèi)儲(chǔ)藏蛋白濃度、淀粉積累和籽粒重量降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中的其他許多分子伴侶和分子共伴侶基因的表達(dá)也發(fā)生了誘導(dǎo)，且BiP1 KD株系中的表達(dá)水平要高于BiP1 OEmax水平。通過水稻原生質(zhì)體瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)研究表明，擬南芥中的轉(zhuǎn)錄因子AtbZIP60的水稻同源蛋白Os06g0622700參與激活了一些分子伴侶基因的表達(dá)，使得BiP1表達(dá)略微增加，同時(shí)伴隨著鈣連蛋白和類蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶蛋白水平的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致了種子儲(chǔ)藏蛋白的增加，但是不改變胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和種子的表型。這些研究結(jié)果表明BiP的積累水平不同，對(duì)種子儲(chǔ)藏蛋白的積累水平及各種蛋白組分都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，同時(shí)也表明BiP的表達(dá)可能受某些轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)，并與其他伴侶蛋白或元件共同應(yīng)對(duì)分泌蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)與組裝。

3.2 BiP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力或UPR反應(yīng) BiP蛋白可以作為未折疊蛋白反應(yīng)UPR的反應(yīng)器。由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力導(dǎo)致的蛋白聚集與某些蛋白構(gòu)象疾病相關(guān)，如老年癡呆癥和帕金森綜合癥等[10，11]。在動(dòng)物細(xì)胞中，ER壓力反應(yīng)至少由3種明顯的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑構(gòu)成：在不正常的蛋白重折疊和降解過程中，有2種bZIP類型的轉(zhuǎn)錄因子（ATF6和XBP1）參與其中[12];翻譯抑制，是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)激酶PKR或真核生物翻譯抑制因子2亞基eIF2a所調(diào)節(jié)[13，14];細(xì)胞凋亡，是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)激酶PKR和另外2個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（ATF4和C/EBP同源蛋白）所調(diào)節(jié)[15，16]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)或未折疊蛋白反應(yīng)UPR在植物中的研究主要集中在擬南芥?，F(xiàn)有的研究結(jié)論表明植物中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)的分子機(jī)制與人類和酵母的反應(yīng)機(jī)制可能存在差異。擬南芥和水稻中有類似于酵母中的ATF6和IRE結(jié)構(gòu)的基因，但XBP1和PEPK相關(guān)的同源基因還沒有在植物中得到證實(shí)。擬南芥中有些BiP基因表達(dá)直接由1個(gè)被稱為AtbZIP60的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)，AtbZIP60有1個(gè)跨膜結(jié)合域（TMD），在功能與結(jié)構(gòu)上等同于水稻內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)中的ATF6基因。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)沒有受到壓力應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，ATF6和 AtbZIP60通過C端的跨膜結(jié)合域與BiP互作而定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，但當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)感受到壓力應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，C端的跨膜結(jié)合域就會(huì)被粘附在高爾基體的表面，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有亮氨酸鋅指結(jié)構(gòu)的N端激活域轉(zhuǎn)移進(jìn)細(xì)胞核內(nèi)，再通過與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)元件（ERSE）結(jié)合而參與一些內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，包括BiP[17-19]。造成細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)的因素有很多，如高溫、強(qiáng)光及各種脅迫（包括生物及非生物脅迫）等，這些因素都可以引起細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力，使BiP的表達(dá)發(fā)生變化，以應(yīng)對(duì)這一反應(yīng)。William等在研究溫度對(duì)BiP的mRNA和蛋白積累水平的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把小麥置于37～40℃高溫時(shí)，BiP蛋白和mRNA的積累水平在種子不同生長(zhǎng)時(shí)期變化很大。種子發(fā)育的早期階段，BiP的mRNA積累在高溫下呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，但在后期卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì);而BiP蛋白在種子發(fā)育早期積累較少，而在后期卻有所增加[20]。據(jù)報(bào)道，光的變化也能引起某些BiP在特異組織中的表達(dá)水平發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)分泌蛋白的積累水平[21]。

在由各種脅迫引起的UPR反應(yīng)的研究中，非生物脅迫造成的影響研究相對(duì)較多，特別是干旱脅迫，鹽脅迫等。Maria等[22]構(gòu)建了BiP過表達(dá)轉(zhuǎn)基因大豆植株，在BiP過表達(dá)情況下給予植株干旱處理，然后對(duì)比轉(zhuǎn)基因植株與野生型植株的性狀差異，發(fā)現(xiàn)BiP過表達(dá)的植株對(duì)干旱的忍耐力比野生型更強(qiáng)，且對(duì)干旱反應(yīng)表現(xiàn)不敏感;與野生型相比，在同樣的干旱條件下，轉(zhuǎn)化株的葉片含水量更高，枯萎程度也更小，氣孔關(guān)閉數(shù)目也較少。此外，轉(zhuǎn)化株中與干旱相關(guān)的一些生物因素，如脯氨酸和葡萄糖的含量及其他在干旱條件下被誘導(dǎo)表達(dá)的基因等與不處理的植株相比沒有明顯變化，這表明由于BiP的過表達(dá)可能關(guān)閉了某些干旱誘導(dǎo)基因的表達(dá)，使得轉(zhuǎn)化株對(duì)干旱的忍耐力增強(qiáng)，延遲了其對(duì)干旱反應(yīng)的敏感性;相反，BiP缺失表達(dá)或表達(dá)被抑制的植株對(duì)干旱反應(yīng)的敏感性增加，對(duì)干旱的忍耐力也顯著下降。Julio cezar等[23]在研究菠菜BiP的脅迫反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)對(duì)由干旱和DTT或衣霉素引起的脅迫時(shí)，BiP蛋白的磷酸化反應(yīng)也不相同，這可能與2種脅迫導(dǎo)致BiP表達(dá)的趨勢(shì)不同所致。

4 展望

盡管目前對(duì)植物BiP的研究已取得了重大進(jìn)展，對(duì)水稻、玉米、擬南芥、大豆等植物均有涉及，且多集中在BiP的表達(dá)模式、BiP的表達(dá)水平與種子儲(chǔ)藏蛋白的關(guān)系，以及BiP與各種脅迫導(dǎo)致的UPR反應(yīng)的關(guān)系等，但對(duì)小麥BiP的研究報(bào)道相對(duì)較少。小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物，開展小麥BiP研究對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要意義。如何利用BiP在種子儲(chǔ)藏蛋白合成過程中的重要作用來改善小麥蛋白含量及品質(zhì)，如何利用BiP在脅迫反應(yīng)中的表現(xiàn)來增強(qiáng)小麥的抗脅迫反應(yīng)的能力，這些問題將是今后研究的熱點(diǎn)。

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