植物細胞中氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的一些已知或未知的功能

1、植物細胞中氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的一些已知或未知的功能膜蛋白對于氨基酸在細胞和細胞器之間的進出是非常必要的。雖 然很多推定的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白已經(jīng)被識別，但僅僅只有一些蛋白對植 物細胞氮元素的轉(zhuǎn)運功能起作用。那些研究證實內(nèi)流系統(tǒng)在細胞和整 個植物水平的氨基酸分離中有著基礎(chǔ)性的作用。生理學(xué)的數(shù)據(jù)進一步 表明氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白是植物新陳代謝的主要調(diào)節(jié)者，它們的活性會影 響到植物的生長和發(fā)展。相反地，氨基酸外排系統(tǒng)和細胞之間的轉(zhuǎn)運 載體的分子機制的研究還很少。同樣地，氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的功能和參 與氨基酸信號的轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控也是知之甚少。未來的研究需要確認 缺失的部分，闡明對整個植物生理和生產(chǎn)能力具有重要作用的氨基酸

2、轉(zhuǎn)運蛋白。引言植物中的氨基酸有著高度不同，扮演著必要的角色。通過構(gòu)建酶 和蛋白的模塊，它們?yōu)橹参锏男玛惔x和結(jié)構(gòu)提供了重要的成分。此 外，它們還是對植物起重要作用復(fù)合物的前體或者氮元素的提供者， 這些復(fù)合物包括核苷酸、葉綠素、激素和次級代謝物。植物可以從土 壤中直接吸收氨基酸或者將無機氮（硝酸鹽和銨）合成氨基酸。20 種氨基酸中很多是在根部和葉子中的質(zhì)體中合成，但它們也會在細胞 內(nèi)其他細胞器中合成，包括線粒體、細胞質(zhì)和過氧化物體。依據(jù)合成， 氨基酸會被用于新陳代謝，瞬時貯存，或者轉(zhuǎn)運到韌皮部進行營養(yǎng)生 長和生殖生長。氨基酸在細胞或者細胞器，以及從源到匯器官的運輸 在細胞或亞細胞膜中都需要有外排

3、或內(nèi)流轉(zhuǎn)運功能的蛋白。不同轉(zhuǎn)運蛋白家族對于氨基酸在植物細胞中的內(nèi)流作用已 經(jīng)被識別至少在18年前，第一個植物氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白AAP1/NAT2 （氨基 酸透性酶1）在擬南芥中被識別。AAP1屬于這個家族的8大成員之一 （AAP1-8），它們分別轉(zhuǎn)運酸性、中性和堿性的氨基酸。截止到現(xiàn)在， 建立在不同的互補實驗和序列同源性的基礎(chǔ)上，有超過60種的可推 測的氨基酸轉(zhuǎn)運體已經(jīng)在擬南芥中被識別出來了。轉(zhuǎn)運體在不同系統(tǒng) 中通過功能分析表達和局部研究，進一步表征，大部分參與了植物細 胞吸收氨基酸的過程，它們屬于AAP（氨基酸透性酶）、LHT（類似 賴氨酸和組氨酸轉(zhuǎn)運蛋白）、ProT （脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白）、ANT

4、1-like（類似ANT1的芳香族和中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白）、GAT （廠氨基丁酸 轉(zhuǎn)運蛋白）和CAT （陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白）。轉(zhuǎn)運蛋白在酵母菌 或者非洲爪蟾蜍卵母細胞中，以及它們的組織或者細胞定位中，根據(jù) 基底的選擇性和親和性不同而不同。然而，研究表明，它們對于根部 吸收、木質(zhì)部轉(zhuǎn)運、葉肉細胞和種子的氨基酸內(nèi)流有著重要的生理作 用。具有內(nèi)流功能的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白根部吸收氨基酸最近幾年研究中，有四種氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白在擬南芥根部吸收氨基 酸的過程中起著重要作用，它們是LHT1，AAP1，AAP5,和ProT2。ProT2 是在根部表皮和皮層中表達，參與根部脯氨酸（兼容性溶液）的吸收。 AAP1位于根尖

5、和表皮細胞，包括根毛，當(dāng)土壤濃度高于50MM時， 對于中性和酸性氨基酸的吸收起重要作用。當(dāng)土壤濃度較低時，LHT1 和AAP5分別對中性、酸性和堿性氨基酸的吸收起重要作用。在植物 的早期生長階段，AAP5在根部的皮層中表達，LHT1在根部的表皮， 皮層和籽苗的內(nèi)皮層中表達，對氨基酸內(nèi)流進根部細胞具有直接的促 進作用。但是，在后期生長階段，AAP5和LHT1對氨基酸的吸收并不 那么直接，因為AAP5的轉(zhuǎn)錄物在根部非常低，但在葉子、莖干和花 中比較高，LHT1僅僅在根尖和整個葉肉細胞中表達。此外，在含LTH1 的葉子中，質(zhì)外體氨基酸的大量增加，就會反饋調(diào)節(jié)從土壤中吸收的 氨基酸量。為了清晰解決轉(zhuǎn)運

6、蛋白是否直接或間接作用于根部氨基酸 的吸收的問題，還要繼續(xù)研究在根部表達的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白。韌皮部氨基酸的內(nèi)流氨基酸從源到匯的遷移通常發(fā)生在韌皮部，在大多數(shù)的草本植物 中，包括擬南芥，有機氮的裝配積累在葉部小靜脈的韌皮部中。然而， 截止到現(xiàn)在，參與此步驟的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白一直沒有被識別出來，但 蛋白的候選者可能屬于AAP家族。對整個植物生理的氨基酸韌皮部裝 配重要性的證據(jù)已經(jīng)通過表達酵母轉(zhuǎn)運體S-甲基蛋氨酸，一種含硫 非蛋白氨基酸，以及豌豆植物韌皮部的AAP1中獲得了。當(dāng)根衍生的 氨基酸從木質(zhì)部轉(zhuǎn)移到韌皮部時，韌皮部裝載也發(fā)生轉(zhuǎn)運途徑。負責(zé) 這次裝配步驟的是擬南芥AAP2。在AAP2植物中，氨基酸

7、轉(zhuǎn)運到庫的 減少就會導(dǎo)致種子中的整個氮元素和蛋白質(zhì)水平下降。即使沒有直接 參與韌皮部的吸收，木質(zhì)部軟組織細胞的AAP6表達和降低AAP6植物 韌皮部的氨基酸水平，進一步突出了轉(zhuǎn)運蛋白對氨基酸從木質(zhì)部到韌 皮部過程中轉(zhuǎn)運的重要性。種子的氨基酸內(nèi)流在生殖生長階段，擬南芥AAP8和AAP1參與了氨基酸轉(zhuǎn)運到種子中。 在胚的早期階段，AAP8調(diào)節(jié)氨基酸吸收到胚乳中，它對角果中50% 的已受精胚乳流產(chǎn)具有重要作用。然而，轉(zhuǎn)運體也會在脈管系統(tǒng)表達， 推測角果的韌皮部，莖干和可能的其他器官，以及AAP8植物種子生 長可觀察到的效應(yīng)也可能部分通過減少韌皮部裝配和氨基酸轉(zhuǎn)運到 庫器官。氨基酸吸收入胚是被APP1

8、調(diào)節(jié)的。在APP1植物中，當(dāng)氨基 酸內(nèi)流入胚中，隨后種子氮和蛋白質(zhì)水平的降低，其他胚表達的氨基 酸轉(zhuǎn)運蛋白，比如CAT6對AAP1的功能缺失具有補償作用，因為AAP1 種子的生長不受影響。子葉貯藏薄壁組織細胞也能表達AAP轉(zhuǎn)運蛋 白，使氨基酸內(nèi)流，有利于非原生質(zhì)體蛋白的積累，蠶豆子葉軟組織 細胞中AAP1的過度表達，會導(dǎo)致種子蛋白質(zhì)含量的增加，形狀和重 量變大。氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控雖然目前還沒有證據(jù)表明植物氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白是轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)或 翻譯后修飾，但調(diào)控的確發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達 發(fā)生在特定的細胞和組織中，它會受到環(huán)境的影響，比如水和鹽脅迫。 有意思的是，病原菌的侵染能夠影響擬

9、南芥LHT1的表達，可能作為 一種手段提高細胞質(zhì)基質(zhì)谷氨酰胺的水平。谷氨酰胺，反過來，會影 響水楊酸調(diào)節(jié)信號途徑，從而導(dǎo)致抗病性下降。同樣地，在百脈根中， 菌根菌類會誘導(dǎo)LHT1在根部的表達。此外，氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達 也受到可利用氮的影響，包括存在的無機氮和有機氮。還有，在衰老 過程中細胞氨基酸水平的改變，當(dāng)氨基酸被活化，改變氨基酸轉(zhuǎn)運過 程（突變體或者過度表達體），會影響到特別氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達。 氨基酸外排轉(zhuǎn)運蛋白生理學(xué)數(shù)據(jù)顯示，氨基酸從植物細胞中外排需要轉(zhuǎn)運蛋白，但在分 子水平上已知的很少。外排蛋白的候選者已經(jīng)進行了討論，它們是建 立在細菌蛋白，哺乳類動物，和其他促進氨基酸流出的生物

10、體序列同 源的基礎(chǔ)之上。但是它們在植物中的功能仍待闡述。這包括擬南芥 BAT1（雙向氨基酸轉(zhuǎn)運體1），它在酵母細胞中能夠調(diào)節(jié)精氨酸和丙 氨酸的內(nèi)流，賴氨酸和谷氨酸的外排。相反的是，芳香中性氨基酸轉(zhuǎn) 運體ANT1的突變體的研究顯示增加了篩管氨基酸水平，這表明如果 轉(zhuǎn)運蛋白在韌皮部，ANT1可能會將氨基酸從擬南芥的韌皮部轉(zhuǎn)運出 去?？上驳慕Y(jié)果是最近獲得了一種膜蛋白，它似乎可以促進氨基酸的 外排。SiARl是一種雙向的氨基酸轉(zhuǎn)運體，參與谷氨酰胺和組氨酸的 細胞外排，天冬氨酸和谷氨酸的細胞內(nèi)流。它會在根部和種子，以及 不同器官的維管組織中表達。SiARl是重要的，它的缺失葉片生長減 緩，紅角果花青素的

11、積累，因為N元素分區(qū)的改變。GDU1，雖然沒有 直接參與氨基酸的外排，但是似乎通過促使非選擇性氨基酸促進因子 的活化來潛在調(diào)節(jié)細胞內(nèi)谷氨酰胺的釋放。細胞內(nèi)氨基酸的轉(zhuǎn)運蛋白雖然很多蛋白質(zhì)氨基酸在質(zhì)體中合成，但氨基酸的合成和依賴于 氨基酸的有機化合物的合成也發(fā)生在細胞質(zhì)和其他細胞器。這就要求 有內(nèi)流和外排的蛋白在亞細胞膜上存在，指導(dǎo)氨基酸特定的代謝途 徑?；谏锘瘜W(xué)、蛋白質(zhì)組、定位等研究，擬南芥的蛋白質(zhì)已被確 定，可能在氨基酸轉(zhuǎn)運線粒體、液泡和葉綠體中起作用，ER或高爾 基體膜，但其生理功能仍有待證實。目前為止，植物中唯一的轉(zhuǎn)運蛋 白是DiT2.1，是一種谷氨酸和蘋果酸的轉(zhuǎn)運器，將谷氨酸從質(zhì)體中

12、 排出到胞液中。DiT2.1對氨同化轉(zhuǎn)運功能具有促進作用，它們展示 出光呼吸表現(xiàn)型。氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白在植物代謝和發(fā)育中會發(fā)揮關(guān)鍵作用嗎？轉(zhuǎn)錄組和代謝組研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控是在氮/碳/硫/磷代謝與初級、 次級代謝以及系統(tǒng)N的響應(yīng)。氨基酸不僅對于蛋白質(zhì)、酶和植物生長 新陳代謝、生長和防御非常必要的很多化合物合成的關(guān)鍵，它們通過 信號分子來影響生物過程，或通過氨基酸合成來影響激素的作用。因 此，轉(zhuǎn)運蛋白位于一個復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)的中心位置，在源和匯的不同途 徑中調(diào)節(jié)氨基酸的供應(yīng)（見例）。最近的研究支持這一生理過程，無 論是上游和下游的氨基酸轉(zhuǎn)運功能都會受到有機氮轉(zhuǎn)運蛋白活性的 強烈影響。例如，韌皮部加載的變化，源

13、-庫易位和種子中氨基酸的 內(nèi)流都會影響葉的發(fā)展，以及氮、碳或硫的代謝，并反饋調(diào)節(jié)從土壤 中吸收的氮和硫。同樣，庫的發(fā)展（即花數(shù)，分支，豆莢數(shù)/莢和種 子，種子重量）以及種子代謝都會受到氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白活性的影響。 在轉(zhuǎn)運蛋白的突變體和過度表達體中，特定氨基酸會顯示一種可能的 信號，通過誘導(dǎo)復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)，致使基因表達的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo) 致觀察到的發(fā)生變化。然而，通過在氨基酸水平的變化的檢測和信號 轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制是未知的，但可能涉及氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白或蛋白激酶，如酵 母細胞中在氨基酸通透性酶GAP1 SSY1和GCN2激酶。結(jié)論與未來的挑戰(zhàn)最近，氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的研究工作表明，細胞氨基酸內(nèi)流過程對 植物生長

14、有重要作用。然而，目前的研究僅限于少數(shù)氨基酸轉(zhuǎn)運體和 細胞類型或組織，主要關(guān)注擬南芥，而并非單子葉植物或作物。此外， 許多生理功能，如氨基酸裝載聚集在韌皮部或生殖器官，花組織的生 長與繁殖作用的研究還有待解決。我們還缺乏氨基酸在亞細胞膜的外 排和移動的轉(zhuǎn)運蛋白的基本信息，這個挑戰(zhàn)也亟待解決。其他還可能 漏掉涉及轉(zhuǎn)運蛋白調(diào)節(jié)的高度復(fù)雜問題。什么是信號控制轉(zhuǎn)運蛋白的 表達，導(dǎo)致養(yǎng)分吸收，代謝和發(fā)展的變化？細胞如何感知氨基酸狀 態(tài)？氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白是否參與了？同樣地，翻譯后的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白 的活性是否被調(diào)控，以及是否需要蛋白修飾或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作 用？氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白是氨基酸在細胞或細胞器之間移動的門衛(wèi)。一旦 蛋白質(zhì)的功能被分配，氨基酸轉(zhuǎn)運就需要被集成到一個復(fù)雜的代謝和 信號網(wǎng)絡(luò)，去充分認識它們對整個植物的生理和植物生產(chǎn)力貢獻的重 要性。還需要努力研究它們與環(huán)境之間的作用，預(yù)測在壓力和養(yǎng)分限 制的情況下植物的表現(xiàn)。Current Opinion in Plant Biology圖中顯示的是植物中已被證實功能的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白（有黑圈的箭頭和兩個黑箭頭）。這包 括（i）根部氨基酸吸收的轉(zhuǎn)運蛋白LHT1, AAP1, AAP5, ProT2和CAT6，（ii）內(nèi)流入葉肉細 胞LHT1，胚乳AAP8，胚AAP1，木質(zhì)部薄壁組織AAP6和韌皮部