植物細(xì)胞中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一些已知或未知的功能

1、植物細(xì)胞中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一些已知或未知的功能膜蛋白對(duì)于氨基酸在細(xì)胞和細(xì)胞器之間的進(jìn)出是非常必要的。雖 然很多推定的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已經(jīng)被識(shí)別，但僅僅只有一些蛋白對(duì)植 物細(xì)胞氮元素的轉(zhuǎn)運(yùn)功能起作用。那些研究證實(shí)內(nèi)流系統(tǒng)在細(xì)胞和整 個(gè)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(jìn)一步 表明氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是植物新陳代謝的主要調(diào)節(jié)者，它們的活性會(huì)影 響到植物的生長(zhǎng)和發(fā)展。相反地，氨基酸外排系統(tǒng)和細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)運(yùn) 載體的分子機(jī)制的研究還很少。同樣地，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能和參 與氨基酸信號(hào)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)控也是知之甚少。未來(lái)的研究需要確認(rèn) 缺失的部分，闡明對(duì)整個(gè)植物生理和生產(chǎn)能力具有重要作用的氨基酸

2、轉(zhuǎn)運(yùn)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(guò)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(duì)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(jí)代謝物。植物可以從土 壤中直接吸收氨基酸或者將無(wú)機(jī)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(huì)在細(xì)胞 內(nèi)其他細(xì)胞器中合成，包括線粒體、細(xì)胞質(zhì)和過(guò)氧化物體。依據(jù)合成， 氨基酸會(huì)被用于新陳代謝，瞬時(shí)貯存，或者轉(zhuǎn)運(yùn)到韌皮部進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生 長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)。氨基酸在細(xì)胞或者細(xì)胞器，以及從源到匯器官的運(yùn)輸 在細(xì)胞或亞細(xì)胞膜中都需要有外排

3、或內(nèi)流轉(zhuǎn)運(yùn)功能的蛋白。不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族對(duì)于氨基酸在植物細(xì)胞中的內(nèi)流作用已 經(jīng)被識(shí)別至少在18年前，第一個(gè)植物氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AAP1/NAT2 （氨基 酸透性酶1）在擬南芥中被識(shí)別。AAP1屬于這個(gè)家族的8大成員之一 （AAP1-8），它們分別轉(zhuǎn)運(yùn)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(bǔ)實(shí)驗(yàn)和序列同源性的基礎(chǔ)上，有超過(guò)60種的可推 測(cè)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體已經(jīng)在擬南芥中被識(shí)別出來(lái)了。轉(zhuǎn)運(yùn)體在不同系統(tǒng) 中通過(guò)功能分析表達(dá)和局部研究，進(jìn)一步表征，大部分參與了植物細(xì) 胞吸收氨基酸的過(guò)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(yùn)蛋白）、ProT （脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、ANT

4、1-like（類似ANT1的芳香族和中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、GAT （廠氨基丁酸 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）和CAT （陽(yáng)離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在酵母菌 或者非洲爪蟾蜍卵母細(xì)胞中，以及它們的組織或者細(xì)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(duì)于根部 吸收、木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)、葉肉細(xì)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(yùn)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(yùn)蛋白在擬南芥根部吸收氨基 酸的過(guò)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(dá)，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(xì)胞，包括根毛，當(dāng)土壤濃度高于50MM時(shí)， 對(duì)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(shí)，LHT1 和AAP5分別對(duì)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(zhǎng)階段，AAP5在根部的皮層中表達(dá)，LHT1在根部的表皮， 皮層和籽苗的內(nèi)皮層中表達(dá)，對(duì)氨基酸內(nèi)流進(jìn)根部細(xì)胞具有直接的促 進(jìn)作用。但是，在后期生長(zhǎng)階段，AAP5和LHT1對(duì)氨基酸的吸收并不 那么直接，因?yàn)锳AP5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(gè)葉肉細(xì)胞中表達(dá)。此外，在含LTH1 的葉子中，質(zhì)外體氨基酸的大量增加，就會(huì)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(yùn)

6、蛋白是否直接或間接作用于根部氨基酸 的吸收的問(wèn)題，還要繼續(xù)研究在根部表達(dá)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)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(yùn)蛋白一直沒(méi)有被識(shí)別出來(lái)，但 蛋白的候選者可能屬于AAP家族。對(duì)整個(gè)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(guò)表達(dá)酵母轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)，韌皮部裝載也發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。負(fù)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(yùn)到庫(kù)的 減少就會(huì)導(dǎo)致種子中的整個(gè)氮元素和蛋白質(zhì)水平下降。即使沒(méi)有直接 參與韌皮部的吸收，木質(zhì)部軟組織細(xì)胞的AAP6表達(dá)和降低AAP6植物 韌皮部的氨基酸水平，進(jìn)一步突出了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)氨基酸從木質(zhì)部到韌 皮部過(guò)程中轉(zhuǎn)運(yùn)的重要性。種子的氨基酸內(nèi)流在生殖生長(zhǎng)階段，擬南芥AAP8和AAP1參與了氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)角果中50% 的已受精胚乳流產(chǎn)具有重要作用。然而，轉(zhuǎn)運(yùn)體也會(huì)在脈管系統(tǒng)表達(dá)， 推測(cè)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(zhǎng)可觀察到的效應(yīng)也可能部分通過(guò)減少韌皮部裝配和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到 庫(kù)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(dá)的氨基 酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，比如CAT6對(duì)AAP1的功能缺失具有補(bǔ)償作用，因?yàn)锳AP1 種子的生長(zhǎng)不受影響。子葉貯藏薄壁組織細(xì)胞也能表達(dá)AAP轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞中AAP1的過(guò)度表達(dá)，會(huì)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(yùn)蛋白的調(diào)控雖然目前還沒(méi)有證據(jù)表明植物氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)蛋白的表達(dá) 發(fā)生在特定的細(xì)胞和組織中，它會(huì)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(dá)，可能作為 一種手段提高細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)谷氨酰胺的水平。谷氨酰胺，反過(guò)來(lái)，會(huì)影 響水楊酸調(diào)節(jié)信號(hào)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(huì)誘導(dǎo)LHT1在根部的表達(dá)。此外，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá) 也受到可利用氮的影響，包括存在的無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮。還有，在衰老 過(guò)程中細(xì)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(yùn)過(guò) 程（突變體或者過(guò)度表達(dá)體），會(huì)影響到特別氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。 氨基酸外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白生理學(xué)數(shù)據(jù)顯示，氨基酸從植物細(xì)胞中外排需要轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)行了討論，它們是建 立在細(xì)菌蛋白，哺乳類動(dòng)物，和其他促進(jìn)氨基酸流出的生物

10、體序列同 源的基礎(chǔ)之上。但是它們?cè)谥参镏械墓δ苋源U述。這包括擬南芥 BAT1（雙向氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1），它在酵母細(xì)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(yùn)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(yùn)蛋白在韌皮部，ANT1可能會(huì)將氨基酸從擬南芥的韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)氨基酸的 外排。SiARl是一種雙向的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，參與谷氨酰胺和組氨酸的 細(xì)胞外排，天冬氨酸和谷氨酸的細(xì)胞內(nèi)流。它會(huì)在根部和種子，以及 不同器官的維管組織中表達(dá)。SiARl是重要的，它的缺失葉片生長(zhǎng)減 緩，紅角果花青素的

11、積累，因?yàn)镹元素分區(qū)的改變。GDU1，雖然沒(méi)有 直接參與氨基酸的外排，但是似乎通過(guò)促使非選擇性氨基酸促進(jìn)因子 的活化來(lái)潛在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺的釋放。細(xì)胞內(nèi)氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)化合物的合成也發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)和其他細(xì)胞器。這就要求 有內(nèi)流和外排的蛋白在亞細(xì)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(yùn)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(shí)。目前為止，植物中唯一的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋 白是DiT2.1，是一種谷氨酸和蘋果酸的轉(zhuǎn)運(yùn)器，將谷氨酸從質(zhì)體中

12、 排出到胞液中。DiT2.1對(duì)氨同化轉(zhuǎn)運(yùn)功能具有促進(jìn)作用，它們展示 出光呼吸表現(xiàn)型。氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在植物代謝和發(fā)育中會(huì)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(jí)、 次級(jí)代謝以及系統(tǒng)N的響應(yīng)。氨基酸不僅對(duì)于蛋白質(zhì)、酶和植物生長(zhǎng) 新陳代謝、生長(zhǎng)和防御非常必要的很多化合物合成的關(guān)鍵，它們通過(guò) 信號(hào)分子來(lái)影響生物過(guò)程，或通過(guò)氨基酸合成來(lái)影響激素的作用。因 此，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于一個(gè)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(jiàn)例）。最近的研究支持這一生理過(guò)程，無(wú) 論是上游和下游的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)功能都會(huì)受到有機(jī)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性的 強(qiáng)烈影響。例如，韌皮部加載的變化，源

13、-庫(kù)易位和種子中氨基酸的 內(nèi)流都會(huì)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(kù)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(huì)受到氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性的影響。 在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的突變體和過(guò)度表達(dá)體中，特定氨基酸會(huì)顯示一種可能的 信號(hào)，通過(guò)誘導(dǎo)復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)，致使基因表達(dá)的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo) 致觀察到的發(fā)生變化。然而，通過(guò)在氨基酸水平的變化的檢測(cè)和信號(hào) 轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制是未知的，但可能涉及氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或蛋白激酶，如酵 母細(xì)胞中在氨基酸通透性酶GAP1 SSY1和GCN2激酶。結(jié)論與未來(lái)的挑戰(zhàn)最近，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究工作表明，細(xì)胞氨基酸內(nèi)流過(guò)程對(duì) 植物生長(zhǎng)

14、有重要作用。然而，目前的研究?jī)H限于少數(shù)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體和 細(xì)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(zhǎng)與繁殖作用的研究還有待解決。我們還缺乏氨基酸在亞細(xì)胞膜的外 排和移動(dòng)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基本信息，這個(gè)挑戰(zhàn)也亟待解決。其他還可能 漏掉涉及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)的高度復(fù)雜問(wèn)題。什么是信號(hào)控制轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的 表達(dá)，導(dǎo)致養(yǎng)分吸收，代謝和發(fā)展的變化？細(xì)胞如何感知氨基酸狀 態(tài)？氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是否參與了？同樣地，翻譯后的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)蛋白是氨基酸在細(xì)胞或細(xì)胞器之間移動(dòng)的門衛(wèi)。一旦 蛋白質(zhì)的功能被分配，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)就需要被集成到一個(gè)復(fù)雜的代謝和 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，去充分認(rèn)識(shí)它們對(duì)整個(gè)植物的生理和植物生產(chǎn)力貢獻(xiàn)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(cè)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(shí)功能的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（有黑圈的箭頭和兩個(gè)黑箭頭）。這包 括（i）根部氨基酸吸收的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白LHT1, AAP1, AAP5, ProT2和CAT6，（ii）內(nèi)流入葉肉細(xì) 胞LHT1，胚乳AAP8，胚AAP1，木質(zhì)部薄壁組織AAP6和韌皮部