植物细胞信号转导.ppt

高级植物生理学专题讲座 植物细胞信号转导生命科学学院刘西平 植物细胞信号转导 植物代谢 生长和发育是由遗传信息和环境因素共同决定的 遗传信息决定新陈代谢和发育 另一方面 基因表达和代谢也依赖于环境因素 因此 植物体信息系统可概括为两大类 遗传基因信息系统 以核酸蛋白质为主组成的生物大分子信息系统 生长发育是基因受环境影响在时空上顺序表达的结果 环境刺激 细胞反应偶联信息系统 植物感受环境信号 并将其转变为植物体内的信号 从而调节植物的生长发育过程 信号传导 植物细胞信号转导研究历史 自20世纪30年代起 科学家们致力于细胞信号转导的研究 三个里程碑 细胞内3大信息系统cAMP 钙和钙调素 CaM 肌醇磷脂系统的发现 该领域一直成为热点 20世纪90年代后的10年 该领域5项诺贝尔生理学或医学奖 1991胞内信使cAMP及第二信息学说的提出者E W Sutherland 1992糖原代谢中蛋白质可逆磷酸化反应的研究者E Krebs和E Fishcer 1994信号转导领域G蛋白的发现者A G Gilman和M Rodbell 1998NO信号分子的发现者R F Furchgott L J Ignarro和F Murad 植物细胞信号转导的研究内容 随着动物细胞信号转导研究的深入 系统和完善 植物细胞信号转导在近30年来也取得了许多突破性进展 包括了代谢 发育和遗传等许多方面 从机制上研究内容可概括为 植物细胞感受 偶合各种胞外刺激 初级信号 并将这些胞外信号转化为胞内信号 次级信号 通过细胞内信号系统调控胞内的生理生化变化 包括基因表达变化 酶的活性和数量的变化等 最终引起植物细胞甚至植物体特定的生理反应的信号转导途径和分子机制 植物细胞信号转导的研究意义 由于植物细胞信号转导的特殊性 对其机制的研究将丰富生物体包括动植物等的信号转导内容 揭示生命进化的本质 植物信号转导的研究可以揭示植物对环境次级反映的遗传和分子机制 使得可以通过生物工程技术和手段调控植物生命活动 提高植物适应环境的能力 不利的环境因素 干旱 高温 盐碱胁迫等 可能引起作物产量的严重下降 植物在分子 细胞和个体水平对这些胁迫表现出各种各样的应答 为了通过育种或基因改良提高植物的抗逆性 有必要确定与农艺性状有关的调控基因 并搞清楚这些基因及其产物是如何被调节的 植物细胞信号转导研究的意义 胁迫因子对模式植物Arabidopsis的调控过程已做了大量工作 对水稻的调控过程的研究进展顺利 已经证实 但环境信号的作用机理是非常复杂的 还有大量的工作需要去研究 而且在与植物胁迫适应性有关的基因中 真正掌握的只有少量的基因 也只有很少的与胁迫应答相关的途径被完整的揭示出来 植物细胞信号转导的研究现状 非生物胁迫环境信号调节的基因 植物对非生物胁迫的一个主要反应就是胁迫相关基因的活化在Arabidopsis基因组中 有大约30 的基因可能在转录水平受到非生物胁迫的影响 或受各种胁迫和ABA激活 在这些基因中 上调的基因多于下调的基因 Arabidopsis幼苗用ABA处理后 超过2000个基因上调了超过两倍 同时大约有500个基因被下调 在胁迫信号发送和胁迫忍耐性中起作用 1 酶直接作用脱毒作用 SOD 离子载体生物合成渗透调节物质 可溶性糖 脯氨酸 ABAantioxidantcompounds Vc VE GSH 2 保护作用LEA late embryogenesis abundantprotein 胚胎发生晚期丰富蛋白只是胁迫和胁迫损伤的结果 或者邻近基因e g UFC upstreamofFLC 非生物胁迫诱导的基因产物的作用 环境信号转导过程中需要许多代谢过程的激活和协作 一些胁迫信号的转导过程比较简单 但大部分是复杂的 表现为多组分参与 并随时间和空间不同而有所差异 信号转导过程的启动是通过受体分子感受特定信号刺激来实现的 这些受体分子在其分子特征 信号感受和输出 以及亚细胞定位上可能有所不同 受体活化后引起胞内次生信使的产生 并进一步扩展为其它信号组分 结果是下游代谢途径的活化 而这些途径可能输出多种信号 从而实现信号的级联放大 可逆的蛋白质磷酸化过程 使转录因子活化 并引发相关基因的表达 I A 环境刺激 胞间通讯信号 跨膜信号转换 胞内信号 细胞反应 胞内的特定 细胞表面或细胞内受体 植物生长发育 植物细胞信号转导 植物如何感受环境刺激 环境刺激又如何调控和决定植物生理活动 生长发育和形态建成 这些过程称之为细胞信号转导 包括 细胞感受 转导各种环境刺激 引起相应生理反应等过程 第一节 植物细胞信号转导基本概念 1 外源信号和胞内信号 也称第一或初级信使 外源信号 来自于环境的信号 如 机械刺激 磁场 光辐射 温度 风 CO2 O2 水分 营养元素 伤害等 胞间信号 指植物自身合成的 能够从产生部位运到其它部位 并对其他细胞作为刺激信号的细胞间通讯分子 如植物激素 化学调节因子 NO 以及多肽 糖类 细胞代谢物等 电信号 生物电位 不论是胞外信号还是胞内信号 均含有一定的信息 信号的主要功能是在细胞内和细胞间传递信息 当植物体感受到信号分子所携带的信息后 引起跨膜的离子流动 或引起相应基因的表达 或引起相应酶活性的改变 最终导致细胞和生物体特异的生理反应 信号类型 化学信号 细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质 物理信号 指细胞感受到刺激后产生的能够起传递信息作用的物理因子 电 光 磁场 水力学等可以在生物细胞间或其内起信号的作用 信号作用的时效性 ABA的短期效应 气孔关闭 表现在对ABA信号的快速生理应答 常常包括跨膜离子流的改变等 ABA的长期效应 长期的过程可能会出现在基因表达模板的改变 Arabidopsis或rice中 大约10 的基因受ABA调控 2 第二或次级信使 Secondmessenger 指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞内信号分子 从而将细胞外信息转换为细胞内信息 Ca2 肌醇 1 4 5 三磷酸 inositol1 4 5 triphosphoate IP3 二酰甘油 1 2 diacylglycerol DG 环腺甘酸 cAMP 环鸟甘酸 cGMP H2O2 花生四烯酸 环ADP核糖 cADPR 和其它肌醇磷酸 IP4 IP5 IP6 等胞内成分在特定的信号转导过程中也可充当第二信使 3 受体 Receptor 细胞表面或亚细胞膜组分中的一种分子 可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质 配体结合 从而激活或启动一系列生物化学反应 最后导致该信号物质特定的生物学效应 受体与配体 受体与配体 即刺激信号 相对特异性的识别和结合是受体最基本的特征 二者的结合是一种分子识别过程 靠氢键 离子键与范德华力的作用 配体与受体分子空间结构的互补性是特异性结合的主要因素 受体的功能 a 识别并结合特异的信号物质 接受信息 告知细胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素 b 把识别和接受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部 启动一系列胞内信号级联反应 最后导致特定的细胞效应 受体存在的位置 细胞表面受体 存在于细胞质膜上 大多数信号不能通过膜 信号分子与细胞表面受体结合 经过跨膜信号转换 将胞外信号转至胞内 膜内受体 存在于细胞质中或亚细胞组分 细胞核等 上的受体 水溶性信号分子 如多肽激素 生长因子等 以及个别脂溶性激素可以扩散进入细胞 与膜内受体结合 调节基因转录 4 植物信号转导的特征 如同动物信号转导 植物信号转导包括 信号感受 跨膜信号转导 信号级联放大与整合 细胞特定的生理反应 与动物信号转导不同之处 植物不能通过运动积极逃避逆境 但可以通过整合环境信息来调节自身的生理活动去积极适应环境的变化 植物的一些信号转导过程 光合作用 光的形态建成 光周期效应以及春化效应等 有别于动物 植物信号的长距离转导有别于动物 神经系统和循环系统 一些常见的植物信号转导反应 5 信号转导的过程 细胞信号转导的过程 1 刺激与感受 形成胞间信号 2 跨膜信号转导 3 胞内信号 4 蛋白质可逆磷酸化 第二节 植物细胞信号转导过程包括 刺激与感受 信号转导 细胞反应 一 刺激和感受干旱信号的感知 机械刺激正常情况下 细胞壁和细胞质膜相接触 由于质壁的刚性不同 细胞失水质膜收缩时质壁必然相互 撕扯 因此 水分胁迫信号可能先转化为质壁间的机械作用 而为质膜上的某些因子 如拉伸通道 G蛋白和磷脂酶C等 感受 从而激活NADPH氧化酶 可引起胞内游离钙离子浓度增加 也能诱导植物活性氧迸发 最终导致胞内信号物质的变化 机械作用可能为专门的 机械感应器 识别 Bogre等认为这种 机械感应器 是MAPK 其在机械刺激后1min就能被激活 干旱信号的感知 机械刺激和渗透调节 细胞失水一方面引起膨压变化 另一方面引起渗透势变化 膨压本身是一种机械作用 水分胁迫信号在某些情况下可能转化为机械胁迫而为植物识别 在另一些情况下则可能转化为渗透作用 再借助 渗透感受器 而被识别 Roger等测定拟南芥细胞膨压与生理反应的关系时并没有检测到 膨压感受器 但发现可能存在所谓的 渗透感受器 植物 渗透感受器 研究尚处于起步段 干旱信号的感知 渗透刺激 对微生物研究表明 典型的 渗透感受器 是一种 双组分系统 在细菌中广泛存在 由EnvZ和OmpR两种蛋白组成 前者是一个组氨酸激酶 在高渗环境下自身发生磷酸化 起感应器的作用 后者是反应调节器 含有天冬氨酸残基 接受来自EnvZ的磷而被磷酸化 磷酸化的OmpR可作为转录因子而将来自EnvZ的信号输出 酵母中也有类似的 双组分系统 磷酸化的反应调节器可激活MAPK级联系统而诱导渗透保护物质的合成 干旱信号的感知 渗透刺激 植物中尚未找到典型的 渗透感应器 但在拟南芥中发现一种蛋白 在水分胁迫下可被激活 与酵母 渗透感应器 有同源性 而且发现乙烯受体ETR1类似于细菌双组分系统的组氨酸激酶 位于ETR1下游的CTR1则是MAPK级联环节的一部分 拟南芥中找到了 双组分系统 的另一部分 反应调节器 说明植物中也有起 感受器 或 受体作用 的双组分系统 有报道另一种跨膜感受器Sho1p蛋白 此种蛋白含有4个堆在一起的疏水跨膜多肽 其碳端在胞外 在高渗条件下激活MAPK级联系统 推测可能是植物的另一种类型 渗透感受器 当存在刺激信号时 植物细胞受体感受并接受这些刺激 这是信号转导的第一步 研究较多的一些植物受体 1 植物激素受体 2 光信号受体 a 对红光和远红光敏感的光敏色素b 对蓝光敏感的蓝光受体c 对紫外光敏感的紫外光受体3 感病诱导因子受体 细胞表面和膜内受体 受体是细胞信号转导系统中最重要的一环 它首先识别并接受外来信号 启动整个信号转导过程 通常 一种信号只能与特异受体结合 引起相应的生理反应 植物细胞中已经发现的类似于动物细胞的三种受体 a 离子通道连接受体b G蛋白偶联受体 G蛋白即GTP结合蛋白 c 酶连受体 存在于植物细胞表面的三种受体类型 二 信号转导 细胞通过细胞表面受体感受外界刺激后 将胞外信号转化为胞内信号 并通过细胞内信使系统级联放大信号 调节相应酶或基因的活性 包括 胞外信号的跨膜转换细胞内第二信使系统的启动和信号的级联放大蛋白质的可逆磷酸化 一 信号的跨膜转换 对于细胞内受体而言 信号物质 配体 可以进入细胞内部与细胞内的受体结合 完成细胞信号的直接跨膜进入 对于细胞表面的受体 外界信号首先与细胞表面的受体结合 不能直接将所携带的信息传递到细胞内部 外界信号物质与细胞表面的受体结合后 将外界信号转换为胞内信号的过程称为信号的跨膜转换 1 通过离子通道连接受体 离子通道连接受体除了具备转运离子的功能外 还能与配体特异的结合和识别 具备受体的功能 当这类受体和配体结合接收信号后 可以引起跨膜的离子流动 把胞外的信息通过膜离子通道转换为细胞内某种离子浓度的改变的信息 2 由酶连受体直接跨膜运输 跨膜信号转换主要由酶连受体来完成 酶连受体除具有受体的功能外 本身是一种酶蛋白 当细胞外的受体区域和配体结合后 可以激活具有酶活性的胞内结构区域 引起酶活性的改变 从而引起细胞内侧的反应 将信号传递到胞内 3 通过G蛋白偶联受体跨膜转换信号 细胞跨膜转换信号的主要方式 GTP结合蛋白是细胞内具有重要生理调节功能的蛋白质 可以和三磷酸鸟苷 GTP 结合 并具有GTP水解酶的活性 所有的G蛋白中只有两种类型参与细胞信号传递 小G蛋白 只含有一个亚基的单聚体 参与细胞生长与分化 细胞骨架 膜囊泡与蛋白质运输的调节过程 异三聚体G蛋白 大G蛋白 G蛋白 在细胞跨膜信号转导中起主要作用 异三聚体G蛋白 G蛋白 在植物中普遍存在 含有三个不同亚基 亚基上含有GTP结合的活性位点 并具有GTP酶的活性 和 亚基一般以稳定的复合状态存在 G蛋白参与的跨膜转换信号方式主要是由 亚基调节 和 亚基的功能主要是对G蛋白功能的调节和修饰 或者把G蛋白锚定在细胞膜上 inhibitionofcAMPproductioninhibitionofCa2 channelsactivationofGIRKK channels G proteinsubtypes increasedsynthesisofcAMPactivationofCa2 andK channels activationofPLC leadingtoactivationofPKC DAG intracellularCa2 release IP3 mediatessignallingbetweenGPCRsandRhoA GTPase functionunderinvestigation Extracellular Cytoplasmic COOH NH2 i1 i2 i3 e1 e2 e3 TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM6 TM7 D R Y G蛋白偶联受体 400 600个氨基酸残基组成的多肽 S S 与配体结合 G蛋白作用部位 G蛋白参与的跨膜信号转换 G蛋白参与的胞外信号转换 胞外信号被细胞表面的受体识别后 通过膜上的G蛋白转换到膜内侧的效应酶上 再通过效应酶产生多种第二信使 从而把胞外的信号转换到胞内 G蛋白参与的代谢过程 光 植物激素以及病原菌等信号的跨膜转导 质膜钾离子通道 植物细胞分裂 气孔运动和花粉管生长等生理过程的调控 植物G蛋白及其偶联受体 运用免疫转移电泳等生化手段 先后在拟南芥 水稻 蚕豆 燕麦等植物叶片 根 培养细胞和黄花幼苗中检测到植物G蛋白 也已经从拟南芥中分离到一种G蛋白偶联受体 GPCR 其氨基酸序列与动物GPCR达20 的一致性和50 的相似性 在功能上可能参与细胞分裂的信号转导过程 存在于细胞表面的三种受体类型 细胞膜表面受体 二 胞内信使系统 胞外的信号经过跨膜转换进入细胞后 通常产生第二信使并通过相应的胞内信使系统将信号级联放大 引起细胞最终的生理反应 二 胞内信使系统 目前植物中普遍接受的胞内第二信使系统主要有钙信使系统和肌醇磷脂信使系统 环核苷酸信使系统是否在植物中普遍存在尚有争议 一些报道认为环核苷酸信使系统在植物中存在 并参与了植物气孔运动 光诱导叶绿体花色素的合成等信号转导过程 常见的第二信使结构 1 钙信使系统 植物细胞中最重要的 也是研究最多的胞内信使系统 20世纪60年代末期 钙信使系统中的重要环节因子Ca2 的多功能受体蛋白 钙调素 CaM 的发现 对于细胞内钙信使系统的建立具有实质性贡献 80年代以来 植物细胞中钙信使系统的存在及其信号转导功能被大量实验所证实 如何衡量钙不是起营养元素的作用 而是起第二信使的作用 1 衡量钙信使的标准 细胞质的Ca2 水平必须能对来自环境与邻近细胞的刺激有所反应 且Ca2 水平的变化要早于该生理反应 a 在缺乏正常的外界刺激时 通过诱导细胞质Ca2 浓度的变化 能引起该生理反应 b 细胞必须具有感受细胞质Ca2 浓度变化 并将这种变化转化为某种生理反应的机制 c 阻拦第二信使干支系统的运行 必定会阻拦对外界刺激的生理反应 2 细胞游离Ca2 的分布与转移 随着Ca2 荧光指示剂的应用和激光共聚焦显微技术的发展 可以比较准确的测定细胞内游离Ca2 浓度及其变化 细胞游离Ca2 的分布与转移 正常情况下植物细胞中游离的静息态Ca2 水平为 细胞质 10 7 10 6mol L 1 液胞 10 3molL 1 胞内Ca2 库内质网 10 6molL 1细胞壁 10 5 10 3molL 1 胞外Ca2 库 Ca2 信号 Ca2 信号的产生和终止表现为细胞质中游离Ca2 浓度的升高和降低 当细胞受到外界刺激时 Ca2 可以通过细胞内外Ca2 库膜上Ca2 通道由钙库进入细胞 引起细胞质中游离Ca2 浓度大幅度增加 从而产生钙信号 并作用于下游的调控元件 钙调节蛋白 将信号进一步向下传递 引起相应的生理生化反应 当Ca2 作为第二信使完成信号传递后 细胞质中Ca2 又可以通过钙库膜上的钙泵或Ca2 H 转运体将Ca2 运回到Ca2 库 高等植物细胞内钙离子转运多条途径 植物细胞内Ca2 转移系统模式图 Ca2 的转运 细胞质和细胞器中的钙离子浓度是由多种钙泵或钙转运体所来格控制的 这些钙转运体可使胞质钙离子浓度在受刺激扰动后重新恢复到静息态的水平 钙离子转运体 calciumtransporters 钙通道 calciumchannel 钙离子转运载体 calciumcarrier 钙泵 calciumpump 细胞膜上的钙通道按电压依赖性可分为3种类型去极化钙离子通道 depolarization activatedcationchannel DACC 超极化钙离子通道 hyperpolarization activatedcationchannel HACC 非电压依赖性通道 voltage independentcationchannel VACC 钙离子转运体 calciumtransporters DACC在低温逆境条件下可以启动打开 引起胞内Ca2 浓度的上升 从而导致与低温相关的特异 钙信号 产生 HACC在干旱逆境条件下诱导的气孔关闭过程中起着重要作用 Mazarsetal 1997 Blatt 2000 在很多逆境胁迫条件下 IP3和cADPR也能启动钙库释放Ca2 引起胞内Ca2 浓度的迅速升高 Takahashietal 2001 Ca2 是一种毒害剂 在细胞质 液 中与胞外或胞内钙库 某些细胞器 之间存在一个Ca2 浓度梯度 若胞内Ca2 浓度过高 将会同磷酸反应形成沉淀而扰乱以磷酸为基础的能量代谢 植物细胞必具有从胞质中主动排出过量Ca2 的机制 而使细胞内Ca2 浓度维持在低水平 钙稳态 液泡大量积累Ca2 并形成不溶性钙盐 草酸钙 苹果酸钙等 从而从细胞溶质中清除过量Ca2 钙离子反转运体 calciumtransporters 在各种逆境条件下植物细胞首先通过Ca2 的内流产生钙信号 在完成传递信号功能后 Ca2 再通过H Ca2 酶和Ca2 ATP酶等反转运系统把细胞质内的Ca2 重新运到钙库 即通过Ca2 的外流通道来终结相应的逆境信号 Ca2 专一的通道 钙泵 Ca2 交换系统 钙离子反转运体 H Ca2 酶 钙离子转运载体 Ca2 ATP酶 钙泵 是细胞内钙离子的反转运系统 主要调节细胞质内钙离子的外流 维持胞内钙离子的稳态平衡 在植物细胞膜上广泛分布各种钙离子转运体 而且其调控机制不同 它们的存在使植物对各种逆境胁迫信号的转导变得非常灵活 WhiteandBroadley 2003 Ca2 asanintermediatesignalmolecule 因为胞内Ca2 的可调性 使植物在很多非生物胁迫下 通过细胞质中的钙离子浓度特异性的变化对环境作出响应 细胞质中的Ca2 浓度这种特异性变化是它作为次级信使来区分不同原始信号的一种反应 并通过与它的作用介质 钙结合蛋白相互作用而将信号继续向下游传递 进而在细胞内引起一系列的生物化学反应以适应环境变化 钙信号 不同的逆境胁迫引发的钙信号 在变化幅度 时间及空间分布上有所不同 即产生了不同特征的 钙信号 低温会导致拟南芥细胞质内的钙离子浓度增加幅度较大 而时间只有几秒到几十秒 Knightetal 1996 盐胁迫所引起小麦细胞内的钙离子浓度增加幅度较小 但持续时间较长 达几分钟到十几分钟 Bush 1996 番茄低氧下的 钙信号 会持续几个小时 Priceetal 1994 植物钙信号受体蛋白之一是钙结合蛋白 CaBP 具有很高的亲和力和专一性 分布最广 其中了解最多的是钙调素CaM 许多种Ca2 结合蛋白在植物中已经找到 这些Ca2 结合蛋白具有类似于动物中的Ca2 结合修饰图案 一个主要的Ca2 结合修饰图案就是EFhand结构域 3 钙结合蛋白 EFhandmotif EF手型结构 由氨基酸组成的钙结合基本序列 含E F两段螺旋 并形成螺旋 环 螺旋结构 用于结合钙离子 ThefigureshowsatypicalEFhandmotifwithaCa2 sittingintheloopsegment EFhandmotif EF手型结构 由12个氨基酸残基组成 其中 在1 3 5 7 9和12位上的氨基酸非常保守 它们组成了该结构的基本框架 为了保持该结构的稳定性 第6位上的谷氨酸不能被其它氨基酸所取代 Luanetal 2002 它们与钙离子结合 引起蛋白构象改变 从而激活该蛋白功能 并与下游蛋白相互作用共同组成多条信号系统 参与植物生长发育的调节以及应对外界逆境信号的转导 Calmodulins CaM SCaBP SOS3 likeCa binidingproteins CalcineurinB 钙调磷酸酶B like CBL proteinsCa dependentproteinkinase CDPK 植物中主要的钙结合蛋白 a 钙调素 CaM 一种保守性很强的高热稳定小分子可溶性球蛋白 100 半失活需7min 19种Aa组成 共148个Aa分子 单链 酸性 pI3 9 4 3 CaM上有四个Ca2 结合位点 有Ca2 时 MW 15 000 无Ca2 时MW 19 000 每个CaM中都含有4个长度为12个氨基酸残基的EF手型结构 它们各与一个Ca2 结合 引起CaM构像发生变化 从而激活CaM行使信号转导功能 目前已经在植物中发现CaM有多个亚型 不同的CaM亚型可以结合不同的靶酶 CaMBP 也可以竞争结合相同的靶酶 刘宏涛等 2001 不同的CaM亚型对钙离子结合能力不同 在调解靶酶及由此参与的钙信号转导途径也存在差异 所以 植物中多个CaM亚型的存在进一步增强了钙信号介导的信号网络的多样性和复杂性 刘曼等 2005 钙调素 CaM 已经发现在植物根 茎 叶等器官中都有CaM的存在 而且CaM不仅存在于细胞质中 在多种植物体中的细胞壁中也发现了CaM的存在 孙大业等2001 胞外CaM参与了包括细胞增殖 花粉萌发等多种细胞生理活动 但对于胞外CaM是否介导植物的非生物逆境的信号转导还未有报道 钙调素 CaM 植物细胞中分布 CaM通过与CaM结合蛋白参与多个细胞反应 一些CaM基因表达是受多环境因素调控 如机械 触摸 冷 盐或干旱等 这些CaMs可能参与外部信号的跨膜转换 如 CaM3对COR基因表达有负调节作用 CaM超表达时会诱导转录水平的胁迫响应基因RD29A和KIN1表达 与这种观点一致 CaM结合蛋白 AtCaMBP25可能扮演耐渗透胁迫的负调节子的作用 超表达AtCaMBP25基因的拟南芥对渗透胁迫更敏感 而反义 antisense 植物则有更强的耐性 钙调素 CaM 在植物信号转导中的作用 CaM与逆境胁迫 热激能引起玉米细胞质内钙调素含量的升高 Cong等1997 Ca2 CaM信号系统及其目标蛋白还参与了许多热激基因的转录调节 Sunetal 2000 Liuetal 2003 低温 触摸伤害 水分胁迫及盐胁迫等也能引起细胞内CaM含量的升高 用AtCaM3超表达转基因拟南芥研究表明 AtCaM3可以抑制冷诱导基因COR表达 TownleyandKnight 2000 说明多种非生物胁迫都与Ca2 CaM信号系统有关 植物中存在的一些钙调素类似蛋白 CaM likeproteins 含有1 6个EF手型结构 与钙调素同源性不高 在拟南芥中主要是CaBP22 AtCP1 TCH2 TCH3和TCH4等 Braametal 1997 Jangetal 1998 在调节植物对外界的环境刺激中同样起着重要作用 热激能够诱导拟南芥中编码钙调素类似蛋白基因TCH2 TCH3 TCH4的表达 而Ca2 的螯合剂EGTA却能抑制其表达 说明该类蛋白参与了拟南芥对热激逆境的调节 水稻中发现的一些受ABA诱导的基因所编码的钙结合磷酸酶类EFA27 ABI1 ABI2等也属于钙调素类似蛋白 White Broadley 2003 两类CaM结合蛋白 CaMbindingproteins CaMBP 一类依赖于钙离子 一类不依赖于钙离子 它们在植物体内广泛存在 且广泛参与包括植物体发育 代谢以及植物对逆境的反应调节等多种生理作用 毛国红等 2004 在小麦盐胁迫反应中发现了一个在N端含有编码CaMBD结构域的基因CA1 而且该基因能够被钙调素激活 Chung等2000 在拟南芥 玉米等植物中也发现了该类基因的存在 Geisleretal 2000 Ubbaiah Sachs 2000 且它们都与盐胁迫密切相关 4 钙信使作用的分子基础 钙结合蛋白 CaBP 中分布最广 其中了解最多的是钙调素CaM CaM对Ca2 的亲和能力是它感受信息的基本特征 胞内Ca2 浓度变化可通过膜透性的变化或通过开启 关闭膜上的Ca2 通道而引起 Calcium Modulalion 定名本身有双重意义 1 因为这种小分子蛋白质活性由Ca2 浓度调节 2 它本身又可调节细胞质Ca2 水平 钙信使作用的分子基础 作为细胞钙信号的受体蛋白 CaM 只有与Ca2 结合才有生理活性 才能进一步与靶酶结合而将其激活 nCa2 CaM Ca2 n CaM m E 靶酶 mCa2 n CaM Ca2 n CaM Ca2 CaM复合体的形成与靶酶的激活 CaM的靶酶也包括Ca2 ATPase 因此它又可以反馈性地泵出Ca2 到各个钙库 使胞质Ca2 水平降到CaM结合阈值以下 细胞质中Ca2 恢复到静息态水平 随后Ca2 与CaM分离 CaM E复合体也随之解体 CaM E均回到非活化状态 依赖细胞质内Ca2 浓度变化把细胞外的信息传递给细胞内各相关过程的功能 即为Ca2 的信号功能 Ca2 的信号功能 当某刺激到达细胞时 质膜上Ca2 通道打开 对Ca2 通透性瞬间增加到达一定阈值 通常为10 6 L 1以上 与CaM结合形成复合体 与它所调节的靶酶结合 激活靶酶 Ca2 10 10 mol Ca2 10 5 10 4mol CaMCa CaM NAD激酶 无活性 Ca CaM NAD激酶 有活性 NAD ATP Mg 2 ADP NADP 刺激 膜 受体 CaM细胞功能调节作用模型 Cormier 1980 细胞质Ca2 降低到与CaM结合阈值以下 细胞质中Ca2 又回到静息态水平 Ca2 与CaM分离 CaM与靶酶复合体亦告解离 CaM与靶酶均回到非活性状态 CaM调节的酶包括主动运输Ca2 过膜的Ca2 ATP酶 所以Ca2 又可以被反馈地泵出细胞或泵入某些细胞器钙库 不同刺激信号的特异性及钙信号对靶酶的调节 大量研究表明 Ca2 在众多的植物刺激 反应中作为第二信使 几乎所有不同的胞外刺激信号 如光 触摸 重力 植物激素 病原菌等 都能引起胞内游离钙离子浓度短暂的 明显升高 或在细胞内的梯度和区域分布发生变化 钙浓度变化信号如何能对不同的胞外刺激起反应 而最终导致对特定刺激的特定生理效应 产生钙信号的特异性可能有如下两种模式 一种是钙信号本身具有特异性 特异性的钙离子变化决定生理反应的特异性 细胞能对某一种刺激产生独特的Ca2 时空特异性变化方式 称为钙指纹 构成钙指纹的信息有钙峰 钙波 钙振荡和钙信号的空间定位等 不同的刺激可以反映在钙峰峰值的高低及出现钙峰的早晚 钙振荡的振幅和频率以及钙振荡的形状 正弦型 钉型或不对称型等 钙波的形状和形式 钙信号产生的细胞内局部空间定位等 产生钙信号的特异性可能有如下两种模式 另一种是钙信号产生后通过下游的的不同信号转导因子决定反应的特异性 钙信号产生后可以通过下游相应的钙受体蛋白产生不同的生理效应 不同刺激信号的特异性及钙信号对靶酶的调节 不同刺激信号的特异性及钙信号对靶酶的调节 CaM异型基因表达的差异很大 其在不同细胞内种类 含量不同可能导致同一个刺激在不同的细胞内产生不同的生理效应 同时CaM在不同细胞内不同区域的分布 含量不同也可能是不同形式的钙信号产生不同生理效应的另一种机制 Ca2 浓度变化的调节机制 调幅机制 通过调节Ca2 浓度来调节靶酶反应 仅用于调节短时间快速反应 胞内Ca2 浓度改变迅速同时又不允许Ca2 大量长时间存在 调敏机制 在胞内Ca2 浓度不变的情况下 调节CaM或靶酶对Ca2 水平的敏感程度 比如减少结合Ca2 的需求数目 如CaM或E浓度的变化 或对其进行修饰改变对钙的亲和力 大多数情况下这两种机制并非截然分开 目前已经在植物中发现CaM有多个亚型 不同的CaM亚型可以结合不同的靶酶 CaMBP 也可以竞争结合相同的靶酶 刘宏涛等 2001 由于不同的CaM亚型对钙离子结合能力不同 因此它们在调解靶酶及由此参与的钙信号转导途径也存在差异 所以 植物中多个CaM亚型的存在进一步增强了钙信号介导的信号网络的多样性和复杂性 刘曼等 2005 CaM的亚型 类钙调蛋白SCaBP 最早被克隆的类钙调磷酸酶 亚基蛋白基因是拟南芥的SOS3 saltoverlysensitive3 即AtCBL4 基因 它编码的SOS3蛋白能够与其靶蛋白SOS2互作参与植物耐盐胁迫信号转导 在植物受到盐胁迫时 SOS3能够感受盐胁迫激发的钙信号 与SOS2形成SOS3 SOS2激酶复合体 磷酸化和钙依赖性地激活位于质膜上的Na 特异的Na H 逆向转运蛋白SOS1 激活后的SOS1将细胞内的Na 排到胞外 维持植物细胞内K 和Na 的稳态 减少Na 在细胞的积累 从而提高植物的耐盐性 CBL是植物中存在的一类能够结合钙离子小蛋白家族 缺乏其它功能区域 它们只能通过与下游蛋白CIPK 与CBL作用的蛋白激酶 相互作用才能将信号向下游传递 Kim 2000 BatisticAlbrechtetal 2001 类钙调蛋白CBLproteins 钙调磷酸酶B类似蛋白 其它类钙调蛋白SCaBP CBLproteins 在拟南芥和水稻中已经发现超过25种CIPK编码基因 所以 一种CBL可能与多种CIPK相互作用或者几种CBL和一个CIPK相互作用 从而组成多信号传递的支路 Luanetal 2002 不同逆境或者不同逆境程度通过不同信号支路途径向下游传递 从而引起与逆境因子相应的转录因子或功能基因的表达 来调节细胞适应和抵抗外来逆境 Kobayashietal 2004 其它类钙调蛋白SCaBP CBLproteins 在水稻中克隆出了一个与CIPK家族非常类似的一个基因OsCK1 Kim等2003 它编码的蛋白可以与AtCBL3蛋白相互作用 并且能够在低温及其它逆境条件下被强烈诱导 在拟南芥的耐盐性相关基因的筛选过程中 获得了CBL家族中一类与盐害密切相关的基因 AtSOS3 即AtCBL4 及其下游目标蛋白基因AtSOS2 AtCIPK24 和由它们共同调控的功能基因AtSOS1 Liu Zhu 1998 其表达受AtSOS3和AtSOS2共同调节 而且AtSOS1编码的蛋白 Na H 反转运蛋白有助于提高植物的耐盐性 其它类钙调蛋白SCaBP CBLproteins Mahajan等 2006 对豆荚克隆得到一种PsCBL和PsCIPK基因 通过研究发现 其表达能够被盐 低温 伤害 钙及水杨酸 SA 诱导 可以看出 CBL家族在植物的逆境信号转导中起着重要作用 而且存在多条信号转导支路来介导各种逆境胁迫 其它类钙调蛋白SCaBP CBLproteins 除SOS3 AtCBL4外 已从高等植物中分离了多个与非生物胁迫相关的CBL基因 拟南芥AtCBL1受多种非生物胁迫 如盐 干旱 低温和伤害等 诱导 AtCBL1是响应非生物胁迫信号转导的上游调节子 调节了包括CBF DREB型转录因子在内的多种胁迫响应标记基因的表达 AtCBL9能被盐 干旱 低温和ABA处理等诱导表达 反义遗传学方法证实AtCBL9是ABA信号途径和胁迫诱导的ABA合成途径的一个共用元件 ArabidopsisSOS3 saltoverlysensitive3 基因sos3突变体对盐分过分敏感已被确认 它与动物钙离子感应器和钙调磷酸酶B亚基 calcineurinBsubunit CNB 有着相似序列 但SOS3不能象CNB一样激活钙调磷酸酶 可以作为钙结合蛋白与AMPK SNF likeserine threonineproteinkinaseSOS2相到作用 而SOS2的突变体也对盐敏感 激活的SOS2使磷酸化并调节离子转运体 如同位于质膜上的Na H antiporterSOS1 变终导致盐胁迫下胞质中离子的最终自动动态平衡 其它类钙调蛋白SCaBP CBLproteins Arabidopsis基因组中有9个SOS3同系物 homologs 22个SOS2同系物 SOS2 likeproteinkinases PKS CBL interactingproteinkinases CIPK 个体的SCaBP CBL可以与不同特性的PKS CIPK相互作用 因此这个蛋白组群可以介异多种非生物胁迫信号 如SCaBP5和PKS3相互作用可以解释来自ABA或干旱胁迫的Ca2 信号特征 Ca dependentproteinkinase CDPK 是植物和一些原生生物所特有的一类丝氨酸 苏氨酸型蛋白激酶 在胞内钙信号的放大并向下级联传递过程中起着重要的作用 参与了植物环境胁迫反应 病原体的防御反应 生长发育过程 离子通道调节 激素信号等诸多信号传递过程 根据C端调控区结构上差异 CDPKs超家族存在6种类型的蛋白激酶 CDPKs 一类钙依赖蛋白激酶 也称钙调素类似结构区域的蛋白激酶 CRKs 一类与CDPKs相关的激酶 CRKs的C端区与CDPKs的调控区有相似氨基酸序列 但不与Ca2 结合 PPCKs 一类磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 PEPC 激酶 只包含1个催化区 PRKs 与PPCKs相关的激酶 其C端区与家族中的其他成员没有相似性 CCaMKs 受Ca2 和CaM同时调节的激酶 与Ca2 及Ca2 和CaM复合体都能结合 CaMKs CaM依赖的蛋白激酶 与Ca2 和CaM复合体结合 Ca dependentproteinkinase CDPK CDPKs的氨基酸序列在结构上包括了N端激酶催化区 中间高度保守的连接区以及含有结构和功能类似CaM的C端调控区等3个功能区 与其他激酶类相比 CDPKs结构上的独特性在于它的调控区中有一段类似于CaM的氨基酸序列 该区内有4个能与Ca2 结合的EF手型结构 这种结构使得CDPKs可以不依赖CaM和磷脂而依赖Ca2 被激活 第一节 植物细胞信号转导基本概念 1 外源信号和胞内信号2 第二或次级信使3 受体4 植物信号转导的特征5 信号转导的过程 第二节 植物细胞信号转导过程 一 刺激和感受二 信号转导 一 信号的跨膜转换细胞表面的三种受体类型1 离子通道连接受体2 酶连受体3 G蛋白偶联受体 二 胞内信使系统1 钙信使系统 1 衡量钙信使的标准 2 细胞游离Ca2 的分布与转移 3 钙结合蛋白 CaM 钙调磷酸酶B类似蛋白 CBL 钙依赖蛋白 CDPK 4 钙信使作用的分子基础2 肌醇磷脂信号系统 2 肌醇磷脂信号系统 肌醇磷脂是细胞膜的基本组成成分 主要分布于质膜内侧 其总量约占膜磷脂总量的10 它是肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目磷酸酯化形成的一类化合物 已确定的主要有三种 磷脂酰肌醇 PI 磷脂酰肌醇 4 磷酸 PIP 磷脂酰肌醇 4 5 二磷酸 PIP 肌醇磷脂的分子结构箭头所示为不同磷脂酶 C D 的作用位点 磷脂酰肌醇代谢循环过程 胞外信号 膜受体接受 以G蛋白为中介质膜中磷脂酶C PLC 激活 水解PIP2 两种第二信使 肌醇 1 4 5 三磷酸 IP3 二酯酰甘油 DAG 启动双信使系统IP3 Ca2 DAG PKC 双信号系统 以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统分别形成两个信号 a 肌醇 1 4 5 三磷酸 IP3 与细胞内贮钙体膜上专一受体结合 促使Ca2 从液泡中释放出来 Ca2 与CaM结合形成Ca2 CaM复合物 IP3被磷酸二酯酶水解产生IP2 继而是IP及PI 返回膜中 b 二酯酰甘油 DAG 留在质膜上的DAG使PKC激活 催化蛋白质磷酸化 Ca2 CaM和蛋白质 酶 磷酸化导致细胞反应 蛋白激酶C PKC 活性依赖于Ca2 和磷脂 它催化蛋白质的磷酸化 在正常情况下 质膜上不存在自由的二酯酰甘油 DAG 只有在细胞受到外界刺激时肌醇磷脂水解才产生 在DAG和Ca2 存在时 磷脂与PKC分子相结合 使PKC激活 从而对某些底物蛋白或酶类进行磷酸化 导致细胞反应 PKC的钝化 当胞外刺激信号消失后 DAG首先从复合物上解离下来而使PKC钝化 钝化的PKC可继续存在于质膜上或进入细胞质里备用 植物细胞的肌醇磷脂信使系统作用模式 植物细胞感受外界刺激后 经过信号跨膜转换 激活质膜内侧的磷脂酶C PLC 水解质膜上的PIP2产生DAG和IP3 启动IP3 Ca2 和DAG PKC双信使途径 A 产生的IP3激活液泡等钙库上的钙通道 使Ca2 释放出来 胞内Ca2 浓度升高 通过Ca2 信使系统调节相应的生理反应 IP3 Ca2 系统与干旱 ABA引起的气孔关闭信号转导有关 在鸭趾草保卫细胞中 ABA诱导气孔关闭过程中 胞内Ca2 升高也是通过IP3作用于胞内钙库释放Ca2 实现 植物细胞的肌醇磷脂信使系统作用模式 另一方面 在动物细胞肌醇磷脂信号系统中 产生的DAG可以通过DAG PKC信号转导途径 激活PKC 对某些底物蛋白或酶进行磷酸化 实现信号的下游传递 在植物细胞中是否存在PKC迄今为止尚无直接的证据 有报告DAG可以促进保卫细胞质膜上的质子泵以及气孔开放 但DAG PKC途径是否在植物细胞中存在尚未证实 植物细胞肌醇磷脂信使系统模式图 植物细胞肌醇磷脂信使系统模式图 植物细胞中钙信使与肌醇磷脂信号系统的共辖性质 1 Ca2 控制磷脂酶C PLC 的底物专一性 如此决定IP3和DAG信号分子的生成 2 IP3信使的量反过来又影响Ca2 的产生 3 DAG信使的受体蛋白 PKC 也受到Ca2 的调节 植物细胞中迄今仍未证实类似于动物细胞中PKC类酶的存在 三 环核苷酸信号系统 环核苷酸是在活细胞内最早发现的第二信使 包括cAMP 由ATP经腺苷酸环化酶作用产生cGMP 由GTP经鸟苷酸环化酶作用产生 某些胞外刺激信号作用于动物细胞质膜上的受体 通过G蛋白介导 促进或抑制膜内侧的腺苷酸环化酶调节胞质内cAMP水平 cAMP作为第二信使激活cAMP依赖的蛋白激酶 PKA 催化亚基相互分离 引起相应的酶或蛋白质磷酸化 产生相应的细胞反应 催化亚基直接进入细胞核 使cAMP应答元件结合蛋白 CREB 磷酸化 然后激活核基因序列中的转录调节因子cAMP应答元件 CRE 使相关基因表达 cAMP信号系统传递模型 植物中的环核苷酸信号系统 虽然自70年代人们就开始研究植物细胞内的cAMP 但进展缓慢 至今仍未证明它在植物细中的普遍存在以及它是否具有胞内第二信使的作用 在一部分植物中已经检测到cAMP或其合成和降解系统相关成分 腺苷酸环化酶 磷酸二酯酶 的存在 植物中的环核苷酸信号系统 拟南芥基因序列的分析表明 其核基因组中含有CRE序列以及编码CREB的序列 并且CRE的启动子受cAMP结合蛋白的调控 乙烯受体ETR1基因序列中也包含一段可能受cAMP调控的DNA序列 植物中的环核苷酸信号系统 植物中cAMP生理功能的研究表明 cAMP可能参与了叶片气孔关闭的信号转导过程 并且在ABA和Ca2 抑制气孔开放及质膜内向型K 通道活化的过程有cAMP参与 花粉管的伸长生长也受cAMP的调控 腺苷酸环化酶可能参与了花粉与柱头间不亲和性的表现 根际微生物作用于根毛细胞后可导致cAMP浓度的升高等 利用分子生物学和细胞显微注射方法 以光敏色素A缺失的番茄突变系为试材 研究完整叶绿体中多种光系统色素蛋白质及酶基因表达所必需的光信号传递过程 Bowleretal 1994 将信号中各组分如光敏色素A phyA G蛋白激活剂 Ca2 及CaM cGMP cAMP等以及它们的不同组合微注射到单细胞内 随后对叶绿体内多种色素蛋白和酶系在基因活化 转录 翻译三个水平进行观察研究 植物中的环核苷酸信号系统 光刺激后 上游的光敏色素与G蛋白激活对完整叶绿体发育及花色素苷合成是共同必需的 Ca2 CaM系统参与PS 辅光色素 ATP合成酶 Rubisco等光诱导产生 但不参与诱导花色素苷合成 因而只形成不成熟的叶绿体 动物视觉系统细胞光感应中起重要作用的cGMP在植物花色素苷诱导中起决定作用 并与Ca2 CaM一起诱导PSI和Cytb6f合成 结果表明 Ca2 CaM及cGMP两个信号系统在合成完整 成熟叶绿体中协同起作用 植物细胞中cAMP cGMP作为信号转导过程中的调节因子 可能是通过与其它信使的交互作用而表现其生理调节功能 结果表明 第二信使学说 信号转导网络 植物细胞在感受某一刺激或同时感受多种刺激时 不同信号系统之间存在着相互交流 cross talk 并由此形成植物细胞内的信号转导网络 四 蛋白质的磷酸化和去磷酸化 细胞信号传递过程中的共同环节 也是中心环节 胞内第二信使产生后 其下游的靶分子是细胞内的蛋白激酶和蛋白磷酸酶 激活的蛋白激酶 蛋白磷酸酶催化相应蛋白的磷酸化或去磷酸化 从而调控细胞内酶 离子通道 转录因子等的活性 蛋白质的磷酸化和去磷酸化 cAMP可以通过PKA作用使下游的蛋白质磷酸化 Ca2 可以通过与钙调素结合 促使Ca2 CaM依赖的蛋白激酶进行蛋白质磷酸化 也可以直接作用于CDPK使蛋白质磷酸化等 或促进分裂原活化蛋白激酶 mitogenactiveproteinkinase MAPK 信号转导级联反应途径 胞内信号通过调节蛋白质的磷酸化或去磷酸化过程进一步转导信号 并具有级联放大信号的作用 因此 外界微弱的信号可以通过受体激活G蛋白 产生二信使 激活相应的蛋白激酶 促使底物蛋白磷酸化等一些列反应得到级联放大 信号的级联放大 1 植物中的蛋白激酶 植物中已知的蛋白激酶至少有30多种 其中最为重要的一类蛋白激酶是钙依赖型蛋白激酶 CDPK calciumdependentproteinkinase