農(nóng)林學類論文-擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng).doc

農(nóng)林學類論文-擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng)摘要雙組分系統(tǒng)是廣泛存在于原核和真核細胞中的信號轉導系統(tǒng)，主要由組氨酸激酶和響應調(diào)節(jié)因子組成。隨著擬南芥基因組測序的完成和功能基因組的深入研究，發(fā)現(xiàn)在擬南芥基因組中有54種蛋白質(zhì)參與了雙組分信號系統(tǒng)的磷酸傳遞過程。綜述近年來擬南芥植物中雙組分系統(tǒng)的研究進展。關鍵詞雙組分信號系統(tǒng)組氨酸激酶ATHK1基因磷酸轉移中間體響應調(diào)節(jié)因子一、雙組分信號系統(tǒng)在原核生物和真核生物中，蛋白磷酸化和蛋白去磷酸化是胞外信號轉導的主要機制。這種信號轉導系統(tǒng)受磷酸基團在兩種不同類型的信號轉導因子之間傳遞的調(diào)控，因此被稱為“雙組分信號系統(tǒng)”。（一）簡單的雙組分信號系統(tǒng)雙組分系統(tǒng)由兩個基本組分構成：一個是組氨酸激酶(histidinekinaseHK)，另一個是響應調(diào)節(jié)因子(responseregulatorRR)。HK是一種跨膜蛋白，能發(fā)生自體磷酸化。其N末端有一個能夠感受外界信號的輸入域，C末端有一個含的His殘基的轉移域，該His殘基在直接感知環(huán)境刺激或與上游因子相互作用后利用ATP發(fā)生自體磷酸化(HitoshiSakakibara,etal.,2000)。RR的N末端有一個含Asp殘基的接受域，該接受可利用HK中磷酸化的His殘基作為底物而發(fā)生自體磷酸化；C末端有一個信號的輸出域。該系統(tǒng)的作用模式是：HK作為感受器，其輸入域能感知外界環(huán)境的變化，并相應地調(diào)控其內(nèi)部激酶和磷酸酶的活性，使其激酶域內(nèi)的His殘基自身磷酸化，并把磷酸基團轉移到同源RR接受域內(nèi)的Asp殘基上，磷酸化的RR激活或抑制其它一系列的級聯(lián)反應。（二）復雜的雙組分信號系統(tǒng)在細菌、酵母、粘液菌和植物中，雙組分信號系統(tǒng)進化為多步驟磷酸化傳遞。此系統(tǒng)包括三個信號傳遞分子：組氨酸激酶、磷酸轉移中間體(His-containingphosphotransferintermediateHP)、響應調(diào)節(jié)因子。該系統(tǒng)中的HK除含有輸入域和激酶域外，在其C端還融合了一個含有Asp殘基的接受域，這類組氨酸激酶稱為雜合型組氨酸激酶。而該系統(tǒng)特有的HP是磷酸傳遞中間體，與HK和RR都能作用。該系統(tǒng)的作用模式是：在外界環(huán)境刺激或內(nèi)部信號的作用下，HK被激活，使激酶域內(nèi)His殘基以ATP為磷酸供體進行自體磷酸化，磷酸基團通過磷酸轉移反應轉移至接受域內(nèi)Asp殘基，再轉移至HP的His殘基，最后轉移至RR接受域內(nèi)的Asp殘基，磷酸化的RR激活或抑制其它一系列的級聯(lián)反應。二、擬南芥中的雙組分信號系統(tǒng)模式植物擬南芥基因組中，有54個基因分布在5條染色體上，編碼雙組分信號系統(tǒng)元件，其中有16個基因編碼組氨酸激酶(AHK)，5個基因編碼磷酸轉移蛋白(AHP)，23個基因編碼響應調(diào)節(jié)因子(ARR)。（一）擬南芥雙組分信號系統(tǒng)中的組氨酸激酶對擬南芥基因組序列的分析顯示：至少有16種基因編碼組氨酸激酶及相關蛋白。根據(jù)其序列、進化、功能，分為三個家族：乙烯受體家族（包括ETR1-2、ERS1-2、ENI4），AHK家族（包括細胞分裂素受體AHK2-4、CKI1-2和一個滲透感受器ATHK1），光敏色素受體家族（PHYA-E）。一個典型的組氨酸激酶，其轉移域有五個保守的特征區(qū)域：H、N、G1、F和G2，而保守的His殘基位于H區(qū)域，這五個特征區(qū)域?qū)τ诰S持組氨酸激酶的活性具有重要作用。但是，這五個區(qū)域并不是保守的同時存在的。乙烯受體家族中的ETR2和ERS2以及所有的光敏色素受體家族即五個特征區(qū)域均缺失，因而可能不作為組氨酸激酶；而乙烯受體家族中的EIN4只具有保守的組氨酸殘基而缺失了其他四個區(qū)域，因此16種基因中只有8種可能具有組氨酸激酶活性。與細菌和酵母的滲透感受途徑類似，植物中已發(fā)現(xiàn)一種與滲透感受有關的組氨酸激酶：擬南芥組氨酸激酶1（Arabidopsisthalianahidtidinekinase1ATHK1）。ATHK1是擬南芥HK家族的成員之一，編碼1207個氨基酸殘基，分子量為135KD，等電點為6.746。序列分析表明，ATHK1蛋白具含有His殘基的轉移域和含有Asp殘基的接受域，是一種雜合型的組氨酸激酶。疏水性分析表明，ATHK1在N端具有兩個疏水域，說明ATHK1是跨膜蛋白。Urao等(1999)研究發(fā)現(xiàn)，將ATHK1cDNA在酵母sln1突變體中表達，可以抑制該突變體的致死，即可以與sln1突變體互補。而將His或Asp殘基被替代的ATHK1cDNA在酵母sln1突變體中表達，則無法互補，突變體表現(xiàn)為致死，這說明ATHK1是組氨酸激酶。將ATHK1cDNA在酵母sln1sho1雙突變體（缺失兩種滲透感受器）中表達，可以抑制雙突變體的致死，并且可以激活酵母HK下游的HOG1MAPK，說明ATHK1在酵母中可以作為滲透感受器感知脅迫信號并將其傳遞到下游MAPK級聯(lián)反應。將ATHK1的轉移域、接受域的氨基酸序列與已知的組氨酸激酶相比較，發(fā)現(xiàn)ATHK1轉移域的氨基酸序列與擬南芥細胞分裂素受體CKI1具有30%的相似性，接受域的氨基酸序列與酵母SLN1蛋白具有29%的相似性。雖然ATHK1并不與某個特定的植物組氨酸激酶有明顯的相似性，但是其結構與酵母的滲透感受器有著顯著的相似性，說明ATHK1可能是植物中的滲透感受器(TakeshiUrao,etal.,1999)。（二）擬南芥雙組分信號系統(tǒng)中的磷酸轉移中間體磷酸轉移蛋白作為磷酸傳遞中間體，接受磷酸基團并將其轉移至不同的響應調(diào)節(jié)因子。擬南芥含有5種磷酸轉移蛋白(AHP1-5)。擬南芥AHPs分子量較小，能通過擴散作用自由進出細胞核，AHP-GFP融合蛋白熒光分析也表明AHPs在胞質(zhì)和核內(nèi)均有分布，這就為AHPs能夠在跨膜的感受激酶和核內(nèi)的響應調(diào)節(jié)因子之間形成一個物理聯(lián)系這一假設提供了證據(jù)。酵母和大腸桿菌雙雜交分析表明，AHPs能夠與ATHK1、ETR1、CKI1等雜合組氨酸激酶相互作用。酵母雙雜交分析還表明，AHP1-3能夠與ARR1相互作用，AHP2還能與其他B型ARR相互作用。體外實驗顯示，AHP1的保守的組氨酸位點具有獲得一個磷酸基團的能力。所有這些都說明，在多步驟磷酸信號傳遞過程中，AHPs能夠作為磷酸轉移中間體而起作用(IldooHwang,etal.,2002)。（三）擬南芥雙組分信號系統(tǒng)中的響應調(diào)節(jié)因子擬南芥基因組中有32個基因編碼響應調(diào)節(jié)因子，氨基酸序列顯示：其接受域均含有保守的Asp和Lys，這是響應調(diào)節(jié)因子的一個顯著特征。根據(jù)序列同源性、結構域組成和轉錄調(diào)節(jié)作用，響應調(diào)節(jié)因子可以分為A型、B型和假響應調(diào)節(jié)因子三類。1A型響應調(diào)節(jié)因子A型響應調(diào)節(jié)因子有11種（ARR3-9、ARR15-17、ARR22），主要由一個接受域和較短的N-端、C-端延伸組成，無任何典型的輸出域。有實驗證明，ARR3-9的表達受細胞分裂素快速而又特意性的誘導，這說明A型響應調(diào)節(jié)因子主要作為細胞分裂素響應目的物，并可能參與了細胞分裂素信號途徑(IldooHwang,etal.,2002)。2B型響應調(diào)節(jié)因子B型響應調(diào)節(jié)因子有12種（ARR1-2、ARR10-14、ARR18-21、ARR23），位于細胞核，在酵母中表達時具有轉錄活性。結構上除具有一個N-端接受域外，還有一個較長的C-端區(qū)域，該區(qū)域含有一個由80個氨基酸組成的延伸域和一個富含麩酸胺的區(qū)域（轉導域）。除ARR23外，B型響應調(diào)節(jié)因子接受域氨基酸序列之間具有30%72%的相似性。雖然ARR23含有保守的Asp殘基，但其編碼區(qū)域只有145個氨基酸殘基和部分延伸域，因此它可能是假響應調(diào)節(jié)因子(IldooHwang,etal.,2002)。3假響應調(diào)節(jié)因子擬南芥中的假響應調(diào)節(jié)因子(ArabidopsispseudoresponseregulatorAPRR)有9種，分別是APRR1-9。雖然其接受域的氨基酸序列與ARR具有高度的相似性，但由于沒有保守的D-D-K域，因此被稱為假響應調(diào)節(jié)因子。盡管APRR的氨基酸序列與ARR有顯著的差異性，但由于許多APRR在保守域含有Asp殘基，所以在植物雙組分磷酸傳遞過程中仍可作為最終的輸出結構而起作用。（四）擬南芥多步驟磷酸傳遞模型與膜結合的AHK作為感受器，由其輸入域感受外界刺激信號，誘導其激酶區(qū)域的His殘基自體磷酸化，隨后磷酸基團被傳遞至其接受區(qū)域的Asp殘基及與該接受區(qū)域相互作用的AHP。磷酸化的AHP穿梭進入核，并將磷酸轉移至相應ARR的接受域，而ARR接受域的磷酸化導致其輸出域構型的變化，從而調(diào)控下游反應。而去磷酸化的AHP穿梭回到細胞質(zhì)并重新磷酸化。三、展望雙組分信號系統(tǒng)在聯(lián)結了細胞分裂素信號、乙烯信號、光信號、脅迫信號和Glc信號的整個植物信號網(wǎng)絡中起重要作用。但是，由于大多數(shù)雙組分信號系統(tǒng)元件在植物信號轉導過程中的生理作用還是未知的，所以今后的任務是研究涉及雙組分信號元件的不同植物