植物生理专题 2015 细胞信号转导-刘西平

1、高级植物生理学专题讲座高级植物生理学专题讲座植物细胞信号转导植物细胞信号转导Signal Transduction of Plant Cells生命科学学院生命科学学院 刘西平刘西平2015.10遗传信息和环境因素共同决定植物的代谢遗传信息和环境因素共同决定植物的代谢、生长和生长和发育发育过程过程植物体植物体信息系统可概括为两大类信息系统可概括为两大类: : 遗传基因信息系统：核酸蛋白质为主的生物大分子信息系统。遗传基因信息系统：核酸蛋白质为主的生物大分子信息系统。生长发育过程是基因受环境影响在时空上顺序表达的结果。生长发育过程是基因受环境影响在时空上顺序表达的结果。 环境刺激环境刺激- -细

2、胞反应偶联信息系统：植物感受环境信号，并将其细胞反应偶联信息系统：植物感受环境信号，并将其转变为体内信号，从而调节生长发育过程转变为体内信号，从而调节生长发育过程-信号传导。信号传导。第一节第一节 细胞信号转导概述细胞信号转导概述l细胞信号转导的研究历史细胞信号转导的研究历史l植物信号转导的特点植物信号转导的特点l植物信号转导研究的意义植物信号转导研究的意义l植物信号转导研究的内容植物信号转导研究的内容1. 细胞信号转导研究历史细胞信号转导研究历史18701870年发现对光敏感的视紫质年发现对光敏感的视紫质( (rhodopsin) )。19331933年年George Wald发现视紫红质，

3、获得了发现视紫红质，获得了19671967年的年的诺贝尔奖，诺贝尔奖，但但从没有人把感光系统与体内激素的生理作用联系从没有人把感光系统与体内激素的生理作用联系起来。起来。2020世纪初世纪初Langley和和Hill提出受体理论，并在之后半个世纪得到充提出受体理论，并在之后半个世纪得到充分发展，然而受体本身是什么物质仍然是一团疑云。分发展，然而受体本身是什么物质仍然是一团疑云。六十年代六十年代Sutherland发现环腺苷酸发现环腺苷酸( (cAMPcAMP) )在激素响应中的重要作用，在激素响应中的重要作用，很多人也认为腺苷酸环化酶（很多人也认为腺苷酸环化酶（ACAC）就是受体。）就是受体。

4、19711971年他在获诺年他在获诺贝尔奖演讲中，还提到激素也可能就是作用在贝尔奖演讲中，还提到激素也可能就是作用在ACAC上，这已经是上，这已经是LefkowitzLefkowitz证明受体和证明受体和ACAC是相互独立的是相互独立的物质之后物质之后1 1年了。年了。细胞信号转导研究历史细胞信号转导研究历史19701970年年Lefkowitz等人研究钙离子对促肾上腺皮质激素的激活作用，等人研究钙离子对促肾上腺皮质激素的激活作用，表明促肾上腺皮质激素表明促肾上腺皮质激素受体的存在受体的存在，激素受体的结合与腺苷，激素受体的结合与腺苷酸环化酶酸环化酶(AC)(AC)的激活是两个独立的的激活是两

5、个独立的过程，证明过程，证明细胞表面存在细胞表面存在可与细胞外激素结合的受体可与细胞外激素结合的受体。但依然存在看法，认为促肾上。但依然存在看法，认为促肾上腺皮质素和去甲肾上腺素所结合的受体很可能是腺皮质素和去甲肾上腺素所结合的受体很可能是ACAC。19831983年，他们把纯化后的可与肾上腺素结合的细胞表面蛋白导入年，他们把纯化后的可与肾上腺素结合的细胞表面蛋白导入不响应肾上腺素的细胞，发现细胞的表现与具有肾上腺素受不响应肾上腺素的细胞，发现细胞的表现与具有肾上腺素受体的细胞一致体的细胞一致。从此才真正相信细胞。从此才真正相信细胞表面受体的独立存在。表面受体的独立存在。细胞细胞信号转导信号转

6、导研究的三个里程碑研究的三个里程碑细胞细胞内内3 3大大信息系统：信息系统：cAMPcAMP、钙和钙调素、钙和钙调素( (CaMCaM) )、肌醇磷脂系统的、肌醇磷脂系统的发现，该领域一直成为热点。发现，该领域一直成为热点。2020世纪世纪9090年代后，该领域诺贝尔生理学或医学奖：年代后，该领域诺贝尔生理学或医学奖：1991 1991 胞内信使胞内信使cAMPcAMP及第二信息学说的提出者及第二信息学说的提出者E.W.Sutherland; ;1992 1992 糖原代谢中蛋白质可逆磷酸化反应的研究者糖原代谢中蛋白质可逆磷酸化反应的研究者E.Krebs和和E.Fishcer; ;1994 1

7、994 信号转导领域信号转导领域G G蛋白的发现者蛋白的发现者A.G.Gilman 和和 M M.Rodbell；1998 NO1998 NO信号分子的发现者信号分子的发现者R R.F.Furchgott, , L.J. Ignarro和和F.Murad. .2012 2012 G G蛋白偶联受体家族的发现及其工作与结构机理蛋白偶联受体家族的发现及其工作与结构机理( (化学奖化学奖) )2. 植物细胞信号转导的特点植物细胞信号转导的特点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转导在近4040年来也取得了突破性进展年

8、来也取得了突破性进展。相同：环境或生理信号相同：环境或生理信号-受体受体-信号转导信号转导-反应。反应。区别区别：l 植物不能通过运动积极逃避植物不能通过运动积极逃避逆境，但逆境，但可以通过整合环境信息来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调节自身的生理活动去积极适应环境的变化;l一些信号转导过程一些信号转导过程(光合作用、光形态建成、光周期效应以及春光合作用、光形态建成、光周期效应以及春化效应等化效应等)有别于动物有别于动物;l 信号的长距离传导有别于动物信号的长距离传导有别于动物(神经系统和循环系统神经系统和循环系统)。一些常见的植物信号转导反应一些常见的植物信号转

9、导反应 3. 植物细胞信号转导的研究意义植物细胞信号转导的研究意义l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的信号转导内容，揭示生命进化的本质。物体的信号转导内容，揭示生命进化的本质。l可以揭示植物对环境次级可以揭示植物对环境次级反应的反应的遗传和分子机制，进而通过遗传和分子机制，进而通过生物工程手段调控植物生命活动，提高适应能力。生物工程手段调控植物生命活动，提高适应能力。l干旱、高温、盐碱等常常降低作物产量，有必要研究植物在干旱、高温、盐碱等常常降低作物产量，有必要研究植物在分子、细胞和个体水平对这些胁迫表现出的各种各样应

10、答。分子、细胞和个体水平对这些胁迫表现出的各种各样应答。 l 为了通过育种或基因改良提高植物的抗逆性，有必要确定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，以及其产物是如何被调节的。与农艺性状有关的调控基因，以及其产物是如何被调节的。4. 4. 植物细胞信号转导的研究内容植物细胞信号转导的研究内容植物如何感受环境刺激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等过程。活动、生长发育和形态建成等过程。从机制上可概括为：从机制上可概括为： 植物细胞感受、偶合各种胞外刺激（初级信号），并将这些植物

11、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）；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；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。径和分子机制。第二节第二节. . 植物细胞信号转导基本概念植物细胞信号转导基本概念1. 1. 外源信号和胞间信号：也称第一或初级信使。外源信号和胞间信号：也称第一或初级信使。外源信号外源信号

12、: : 来自于环境的信号。来自于环境的信号。胞间信号胞间信号：植物自身合成的、能够从产生部位运到其它部位：植物自身合成的、能够从产生部位运到其它部位， 并并对其他细胞作为刺激信号的细胞间通讯分子。对其他细胞作为刺激信号的细胞间通讯分子。信号类型：信号类型：l化学信号化学信号: : 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。反应的化学物质。l物理信号物理信号: : 细胞感受到刺激后能够产生起传递信息作用的物细胞感受到刺激后能够产生起传递信息作用的物理因子。理因子。无论是胞外信号还是胞间信号，均含有一定的信息无论是胞外信号还是胞间信号，均含

13、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，受到信号分子所携带的信息后，l引起跨膜的离子流动、引起跨膜的离子流动、l或引起相应基因的表达、或引起相应基因的表达、l或引起相应酶活性的改变，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。最终导致细胞和生物体特异的生理反应。2.2.第二或次级信使第二或次级信使-胞内信使胞内信使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, , 从而从而将细胞外信息转换为细胞内信息。将细胞外信息转换为

14、细胞内信息。CaCa2+2+, , 肌醇肌醇-1,4,5-1,4,5-三磷酸三磷酸(IP(IP3 3), ), 二酰甘油二酰甘油(DG), (DG), 环腺甘酸环腺甘酸( (cAMPcAMP), ), 环鸟甘酸环鸟甘酸( (cGMPcGMP) )H H2 2O O2 2, , 花生四烯酸花生四烯酸, , 环环ADPADP核糖核糖( (cADPRcADPR) ) 和其它肌醇磷酸和其它肌醇磷酸(IP(IP4 4, IP, IP5 5, , IPIP6 6) )等胞内成分在特定信号转导中也可充当第二信使。等胞内成分在特定信号转导中也可充当第二信使。3.3.受体：细胞表面或亚细胞膜组分中的一种分子受体

15、：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-配体结合配体结合, , 从而激活或启动一系列生物化学反应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最后导致该信号物质特定的生物学效应。特定的生物学效应。l受体受体与配体与配体( (即刺激信号即刺激信号) )相对特异性的识别和结合是受体最相对特异性的识别和结合是受体最基本的特征。基本的特征。l二者的结合是一种分子识别过程二者的结合是一种分子识别过程, , 靠氢键、离子键与范德华靠氢键、离子键与范德华力的作用力的作用, , 配体与受体分子空间结构的互补性是特异性

16、结合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。的主要因素。受体存在的位置受体存在的位置l细胞表面受体细胞表面受体: 存在于细胞质膜上。存在于细胞质膜上。大多数信号不能通过膜，信号分子大多数信号不能通过膜，信号分子与细胞表面受体与细胞表面受体结合，经过结合，经过跨膜信跨膜信号号转换，将转换，将胞外信号转至胞内胞外信号转至胞内。l膜内受体膜内受体: 存在于细胞质中或亚细胞存在于细胞质中或亚细胞组分组分(细胞核等细胞核等)上的受体。水溶性信上的受体。水溶性信号分子号分子(如多肽如多肽激素激素、生长因子生长因子)以及以及个别脂溶性激素可以扩散进入个别脂溶性激素可以扩散进入细胞，细胞， 与膜

17、内受体与膜内受体结合，调节基因结合，调节基因转录。转录。细胞表面和膜内受体细胞表面和膜内受体第三节、植物细胞信号转导过程第三节、植物细胞信号转导过程 包括：刺激与感受、信号转导、细胞反应包括：刺激与感受、信号转导、细胞反应一、刺激和感受一、刺激和感受: : 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。信号转导的第一步。受体是细胞信号转导中最重要的一环，它首先识别并接受外来受体是细胞信号转导中最重要的一环，它首先识别并接受外来信号，启动整个信号转导过程。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，

18、引起相应的生理反应通常，一种信号只能与特异受体结合，引起相应的生理反应. .1. 植物激素受体植物激素受体：包括五大类激素、油菜素内酯等；：包括五大类激素、油菜素内酯等；2. 光信号受体：光信号受体： a. 对红光和远红光敏感的光敏色素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对蓝光敏感的蓝光受体 ； c. 对紫外光敏感的紫外光受体对紫外光敏感的紫外光受体 ；3. 感病诱导因子受体感病诱导因子受体目前研究较多的植物受体：目前研究较多的植物受体：植物细胞中已经发现的类似于动物细胞的三种受体植物细胞中已经发现的类似于动物细胞的三种受体二、信号转导过程二、信号转导过程细胞通过细胞表

19、面受体感受外界刺激后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。应酶或基因的活性。包括包括: :胞外信号的跨膜转换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蛋白质的可逆磷酸化(一一). 信号的跨膜转换信号的跨膜转换l对于细胞内受体而言，信号物质对于细胞内受体而言，信号物质( (配体配体) )可以进入细胞内可以进入细胞内部与胞内受体结合，完成细胞信号的直接跨膜进入部与胞内受体结

20、合，完成细胞信号的直接跨膜进入。l对于细胞表面的受体，外界信号首先与细胞表面的受体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。结合，不能直接将所携带的信息传递到细胞内部。外界外界信号物质与细胞表面的受体结合后，将外界信号转换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为胞内信号的过程称为信号的跨膜转换。信号的跨膜转换。1. 1. 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除了具备转运离子的功能外, , 还能与还能与配体特异的识别和结合配体特异的识别和结合, , 具备受体的功能。具备受体的功能。当这类受体与配

21、体结合后当这类受体与配体结合后, , 可以引起跨膜的离子流动可以引起跨膜的离子流动, , 把把胞外胞外的信息转换为细胞内某种离子浓度的改变的信息转换为细胞内某种离子浓度的改变的信息。的信息。参与信号跨膜转换的三种受体参与信号跨膜转换的三种受体类型的作用方式类型的作用方式2. 2. 酶连受体：可直接跨膜转导。酶连受体：可直接跨膜转导。除了具有受体的功能外，本除了具有受体的功能外，本身是一种酶蛋白。身是一种酶蛋白。当细胞外的受体区域和配体结合后，激活具有酶活性的胞内结当细胞外的受体区域和配体结合后，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构区域，引起酶活性的改变，从而

22、引起细胞内侧的反应, , 将将信号传递到胞内。信号传递到胞内。参与信号跨膜转换的三种受体参与信号跨膜转换的三种受体类型的作用方式类型的作用方式3.G3.G蛋白偶联受体蛋白偶联受体(GPCR)(GPCR)跨膜转换信号跨膜转换信号 - - 信号跨膜转换的主要方式信号跨膜转换的主要方式lGPCR是人类基因组中最大的膜蛋白家族，约包含是人类基因组中最大的膜蛋白家族，约包含8001000个个成员，在视觉、嗅觉、味觉以及神经传递等生理代谢中起重要成员，在视觉、嗅觉、味觉以及神经传递等生理代谢中起重要作用。目前的处方药中一半以上以作用。目前的处方药中一半以上以GPCR为靶点。为靶点。l1986年年Gilma

23、n分离纯化得到了分离纯化得到了G蛋白，获蛋白，获1993年诺贝尔奖年诺贝尔奖;l2012年年Lefkowitz 等在等在GPCR 家族的发现及其工作与结构机理家族的发现及其工作与结构机理，获诺贝尔奖。获诺贝尔奖。G-G-蛋白：蛋白：GTPGTP结合调节结合调节蛋白。可蛋白。可与三磷酸鸟苷与三磷酸鸟苷(GTP)(GTP)结合，并具有结合，并具有GTPGTP水解酶的活性。水解酶的活性。所有的所有的G G蛋白中只有两种类型参与细胞信号传递蛋白中只有两种类型参与细胞信号传递: :l小小G G蛋白：只含有蛋白：只含有1 1个亚基的单聚体个亚基的单聚体, , 参与细胞生长与分化、参与细胞生长与分化、细胞骨

24、架、膜囊泡与蛋白质运输的调节细胞骨架、膜囊泡与蛋白质运输的调节; ;l异三聚体异三聚体G G蛋白蛋白( (大大G G蛋白蛋白) )：含：含, , ,亚基亚基。植物中普遍存植物中普遍存在在。亚基上含有亚基上含有GTPGTP结合的活性位点结合的活性位点, , 具有具有GTPGTP酶的活性酶的活性; ; 和和亚基一般以稳定的复合状态存在。亚基一般以稳定的复合状态存在。G G蛋白参与的跨膜转换信号主要由蛋白参与的跨膜转换信号主要由亚基调节，亚基调节，和和亚基主要亚基主要是对是对G G蛋白功能的调节和修饰，或者把蛋白功能的调节和修饰，或者把G G蛋白锚定在细胞膜上。蛋白锚定在细胞膜上。 inhibiti

25、on of cAMP production inhibition of Ca2+ channelsactivation of GIRK K+ channelsG-protein subtypes increased synthesis of cAMPactivation of Ca2+ and K+ channelsactivation of PLC activation of PKC (DAG)intracellular Ca2+ release (IP3) mediates signalling between GPCRs and RhoA (GTPase)ExtracellularCyt

26、oplasmicCOOH-NH2i1i2i3e1e2e3TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7DRY-S-S-与配体结合与配体结合G G蛋白作用部位蛋白作用部位G G蛋白参与的蛋白参与的跨膜信号转换跨膜信号转换胞外信号被细胞表面胞外信号被细胞表面受体识别后，通过膜受体识别后，通过膜上的上的G G蛋白转换到膜蛋白转换到膜内侧的效应酶上内侧的效应酶上, , 再再通过效应酶产生多种通过效应酶产生多种第二信使第二信使, , 从而把胞从而把胞外信号转换到胞内。外信号转换到胞内。植物植物G G蛋白及其偶联受体蛋白及其偶联受体l用免疫转移电泳等手段，先后在拟南芥、水稻、蚕豆、燕麦用免疫转移电泳等手段，先

27、后在拟南芥、水稻、蚕豆、燕麦等的叶片等的叶片、根、培养细胞和黄花幼苗中检测到植物、根、培养细胞和黄花幼苗中检测到植物G G蛋白。蛋白。G G蛋白参与的植物代谢过程蛋白参与的植物代谢过程: :l光、植物激素以及病原菌等信号的跨膜转导光、植物激素以及病原菌等信号的跨膜转导; ;l质膜钾离子通道、植物细胞分裂、气孔运动和花粉管生长等质膜钾离子通道、植物细胞分裂、气孔运动和花粉管生长等生理过程的调控。生理过程的调控。( (二二). ). 胞内信使系统胞内信使系统胞外信号经过跨膜转换进入细胞后胞外信号经过跨膜转换进入细胞后, , 产生第二信使并通过相应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的

28、胞内信使系统将信号级联放大, , 引起细胞最终的生理反应。引起细胞最终的生理反应。目前植物中普遍接受的胞内信目前植物中普遍接受的胞内信使系统主要是钙信使系统和肌使系统主要是钙信使系统和肌醇磷脂信使系统。醇磷脂信使系统。环核苷酸信使系统在植物中存环核苷酸信使系统在植物中存在的普遍性尚有争议。有人认在的普遍性尚有争议。有人认为该系统参与了植物气孔运动、为该系统参与了植物气孔运动、光诱导叶绿体花色素合成等信光诱导叶绿体花色素合成等信号转导过程。号转导过程。常见的第二常见的第二信使结构信使结构1.1.钙信使系统钙信使系统: :植物细胞中最重要的、也是研究最多的胞内信使系统。植物细胞中最重要的、也是研究

29、最多的胞内信使系统。 2020世纪世纪6060年代末期，钙信使系统中的重要环节因子年代末期，钙信使系统中的重要环节因子CaCa2+2+的多功的多功能受体蛋白能受体蛋白-钙调素（钙调素（CaMCaM）的发现，对于细胞内钙信使）的发现，对于细胞内钙信使系统的建立具有实质性贡献。系统的建立具有实质性贡献。8080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。被大量实验所证实。如何衡量钙不是起营养元素的作用如何衡量钙不是起营养元素的作用, , 而是起第而是起第二信使的作用二信使的作用? ?（1 1）衡量）衡量钙信使的标准：细胞

30、质钙信使的标准：细胞质CaCa2+2+水平必须能对来自环境或邻水平必须能对来自环境或邻近细胞的刺激有所反应近细胞的刺激有所反应, , 且且CaCa2+2+水平变化要早于该生理反应水平变化要早于该生理反应; ;a. a. 缺乏外界刺激时缺乏外界刺激时, , 通过诱导细胞质通过诱导细胞质CaCa2+2+浓度的变化浓度的变化, , 能引起该能引起该生理反应生理反应; ;b. b. 细胞必须具有感受细胞质细胞必须具有感受细胞质CaCa2+2+浓度变化浓度变化, , 并将这种变化转化为并将这种变化转化为某种生理反应的机制某种生理反应的机制; ;c. c. 阻拦第二信使干支系统的运行阻拦第二信使干支系统的

31、运行, , 必定会阻拦对外界刺激的生理必定会阻拦对外界刺激的生理反应。反应。（2 2）细胞游离）细胞游离CaCa2+2+的分布与转移的分布与转移l随着随着Ca2+荧光指示剂的应用和激光共聚焦显微技术的发展，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可以比较准确的测定细胞内游离Ca2+浓度及其变化浓度及其变化。l正常情况下植物细胞中游离的静息态正常情况下植物细胞中游离的静息态Ca2+水平为水平为: 细胞质细胞质: 10-7-10-6 mol.L-1, 液胞液胞: 10-3 mol L-1 , - 胞内胞内Ca2+库库 内质网内质网: 10-6 mol L-1 细胞壁

32、细胞壁: 10-5-10-3 mol L-1 - 胞外胞外Ca2+库库Ca2+信号信号的的产生和终止表现为细胞质中游离产生和终止表现为细胞质中游离Ca2+浓度的升浓度的升高和降低高和降低当受到外界刺激时当受到外界刺激时, Ca, Ca2+2+通过细胞内外通过细胞内外CaCa2+2+库膜上的库膜上的CaCa2+2+通道由通道由钙库进入细胞钙库进入细胞, , 引起细胞质中引起细胞质中CaCa2+2+浓度大幅度增加，从而产生浓度大幅度增加，从而产生钙信号钙信号, , 并作用于下游的调控元件并作用于下游的调控元件( (钙调节蛋白钙调节蛋白) )将信号进一将信号进一步向下传递步向下传递, , 引起相应的

33、生理生化反应。引起相应的生理生化反应。CaCa2 2+ +的转运：的转运：细细胞质和细胞器中的胞质和细胞器中的CaCa2+2+浓度是由多种钙泵或钙转浓度是由多种钙泵或钙转运体所控制。运体所控制。钙离子转运体钙离子转运体( (calcium transporters) )： 钙通道钙通道( (calcium channel) ) 钙离子转运载体钙离子转运载体( (calcium carrier) ) 钙泵钙泵( (calcium pump) ) 很多逆境条件下很多逆境条件下, IP, IP3 3也能启动钙库释放也能启动钙库释放CaCa2+2+, , 引起胞内引起胞内CaCa2+2+浓浓度迅速升高

34、。度迅速升高。细胞膜上的钙通道按电压依赖性可分为细胞膜上的钙通道按电压依赖性可分为3 3种类型种类型：去极化去极化CaCa2+2+ 通道通道：低温逆境下可以启动打开低温逆境下可以启动打开, , 引起胞内引起胞内CaCa2+2+ 浓度上升浓度上升, , 从而产生与低温相关的特异从而产生与低温相关的特异“钙信号钙信号”; ; 超极化超极化 Ca2+ 通道通道：在干旱逆境诱导气孔关闭过程在干旱逆境诱导气孔关闭过程中起作中起作用用。非电压依赖性通道非电压依赖性通道钙离子反转运体钙离子反转运体若胞内若胞内CaCa2+2+ 浓度过高，会同磷酸反应形成沉淀而扰乱以磷酸为基浓度过高，会同磷酸反应形成沉淀而扰乱

35、以磷酸为基础的础的能量代谢能量代谢。逆境条件下逆境条件下，植物植物细胞通过细胞通过Ca2+ 内流产生钙信号内流产生钙信号, ,当当CaCa2+2+作为第作为第二信使完成信号传递二信使完成信号传递后，后，Ca2+ 再通再通过过钙库膜上的钙库膜上的反反转运系统把转运系统把细胞质内的细胞质内的Ca2+ 重新运重新运到到Ca2+库库, , 终结相应的逆境信号终结相应的逆境信号。 CaCa2+专一的通道专一的通道 H H+ +/Ca/Ca2+2+ 酶酶( (钙离子转运载体钙离子转运载体) ) Ca Ca2+2+-ATP-ATP酶酶( (钙泵钙泵) )在植物细胞膜上广泛分布各种在植物细胞膜上广泛分布各种C

36、a2+转运体转运体, , 而且其调控机制不而且其调控机制不同，从而使植物对各种逆境信号的转导变得非常灵活同，从而使植物对各种逆境信号的转导变得非常灵活。高等植物高等植物细胞钙细胞钙离子离子转运的多转运的多条途径条途径 钙信号钙信号 在很多非生物胁迫下在很多非生物胁迫下, , 植物通过细胞质中的植物通过细胞质中的CaCa2+2+浓度特异性浓度特异性的的变化作出变化作出响应。响应。 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种反应, , 并通过与钙结合蛋白相互作用而将信号继续向下游传并通过与钙结合蛋白相互作用而将信号继续向下游传递

37、递, , 进而引起细胞内一系列的生物化学反应以适应进而引起细胞内一系列的生物化学反应以适应环境变化环境变化。钙信号钙信号 不同的逆境胁迫引发的钙信号不同的逆境胁迫引发的钙信号, , 在变化在变化幅度幅度、时间时间及及空间空间分布上有所不同分布上有所不同, , 即产生了不同特征的即产生了不同特征的 “钙信号钙信号”。 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, ,而而时间只有几秒到几十秒时间只有几秒到几十秒(Knight et al., 1996)。 盐胁迫所引起小麦细胞内的钙离子浓度增加幅度较小盐胁迫所引起小麦细胞内的钙离子浓度增加幅度较

38、小, , 但但持续时间较长持续时间较长, , 达几分钟到十几分钟达几分钟到十几分钟(Bush, 1996); 番茄低氧下的番茄低氧下的“钙信号钙信号”会持续几个小时会持续几个小时(Price et al., 1994)。l 植物钙信号受体蛋白之一是植物钙信号受体蛋白之一是CaBP, CaBP, 具有很高的亲和力和专一性。具有很高的亲和力和专一性。l 许多种许多种CaCa2+2+结合蛋白在植物中已经结合蛋白在植物中已经找到，它们具有类似于动物中的找到，它们具有类似于动物中的CaCa2+2+- -结合修饰图案结合修饰图案, ,一个主要的一个主要的CaCa2+2+结合修结合修饰图案就是饰图案就是EF

39、 handEF hand结构域。结构域。l由氨基酸组成的钙结合基本序列，由氨基酸组成的钙结合基本序列，含含E E、F F两段螺旋，并形成螺旋两段螺旋，并形成螺旋- -环环- -螺螺旋结构，用于结合旋结构，用于结合CaCa2+2+。(3) 钙结合蛋白钙结合蛋白 (CaBP)EF hand motif （EF手型结构手型结构） 1212个氨基酸残基组成个氨基酸残基组成, , 其中在其中在1 1、3 3、5 5、7 7、9 9和和1212位上的氨基酸非常保守位上的氨基酸非常保守, ,它它们组成了该结构的基本框架们组成了该结构的基本框架。 为保持结构的稳定性为保持结构的稳定性, , 第第6 6位上谷氨

40、位上谷氨酸不能被其它氨基酸所取代酸不能被其它氨基酸所取代。 与与CaCa2+2+结合结合, ,引起蛋白构象改变引起蛋白构象改变, , 从而从而激活该蛋白功能激活该蛋白功能, ,并与下游蛋白相互作并与下游蛋白相互作用共同组成多条信号系统用共同组成多条信号系统, ,参与生长发参与生长发育调节及应对外界逆境信号转导。育调节及应对外界逆境信号转导。 钙调素钙调素 Calmodulins (CaM) 类钙调蛋白类钙调蛋白 SCaBP (SOS3-like Ca-biniding proteins) / Calcineurin B(钙调磷酸酶钙调磷酸酶B)-like (CBL) proteins 钙依赖蛋

41、白激酶钙依赖蛋白激酶 Ca-dependent protein kinase (CDPK).植物中主要的钙结合蛋白植物中主要的钙结合蛋白a.a.钙调素钙调素(CaM(CaM) )：分布分布最广、了解最多最广、了解最多 保守性很强的高热稳定小分子可溶性球蛋白；保守性很强的高热稳定小分子可溶性球蛋白； 1919种种aaaa组成，共组成，共148148个个aaaa分子，单链，酸性，分子，单链，酸性，pI3.9-4.3pI3.9-4.3； 相对分子量约相对分子量约16700.16700. 每个每个CaMCaM中都含有中都含有4 4个长度为个长度为1212个氨基酸残基的个氨基酸残基的EFEF手型结构手型

42、结构, , 它它们可以各与一个们可以各与一个CaCa2+2+结合结合, , 引起引起CaMCaM构像发生变化，从而激活构像发生变化，从而激活CaMCaM行使信号转导功能。行使信号转导功能。 根、茎、叶等器官中都有根、茎、叶等器官中都有CaMCaM的存在的存在；不仅细胞质中不仅细胞质中, , 在多种在多种植物的细胞壁中也发现了植物的细胞壁中也发现了CaMCaM的存在的存在； 植物中发现植物中发现CaMCaM多个亚型多个亚型, , 不同不同CaMCaM亚型可以结合不同的靶酶亚型可以结合不同的靶酶( (CaMBPCaMBP), ), 也可竞争结合相同的靶酶；不同的也可竞争结合相同的靶酶；不同的CaM

43、CaM亚型亚型对对Ca2+结结合合能力不同能力不同, , 在调解靶酶及由此参与的钙信号转导途径也存在在调解靶酶及由此参与的钙信号转导途径也存在差异。差异。植物中多个植物中多个CaMCaM亚型的存在进一步增强了钙信号介导的信号网络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。的多样性和复杂性。钙调素钙调素(CaM)(CaM)在植物中的分布在植物中的分布 CaM CaM通过与通过与CaMCaM结合蛋白结合参与多个细胞反应。一些结合蛋白结合参与多个细胞反应。一些CaMCaM基因基因表达受环境因素调控，它们可能参与外部信号的跨膜转换。表达受环境因素调控，它们可能参与外部信号的跨膜转换。

44、热激能引起玉米细胞质内钙调素含量的升高热激能引起玉米细胞质内钙调素含量的升高；CaCa2+2+/CaM /CaM 信号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。系统及其目标蛋白还参与了许多热激基因的转录调节。 低温、触摸伤害、水分胁迫及盐胁迫等也能引起细胞内低温、触摸伤害、水分胁迫及盐胁迫等也能引起细胞内CaMCaM含含量的升高。量的升高。说明多种非生物胁迫都与说明多种非生物胁迫都与CaCa2+2+/CaM /CaM 信号系统有关。信号系统有关。 钙调素钙调素 (CaM) 在在植物植物信号转导信号转导中中的作用的作用b. 钙调素类似蛋白钙调素类似蛋白(CaM-like protein

45、s)植物中一些含有植物中一些含有1-61-6个个EFEF手型结构手型结构，与钙调素同源性不高与钙调素同源性不高 拟南芥中主要拟南芥中主要是是CaBP22CaBP22、AtCP1AtCP1、TCH2TCH2、TCH3TCH3和和TCH4TCH4等等( (Braam et al.,1997; Jang et al., 1998) )，在对外界的环境刺激中同样起重要作用在对外界的环境刺激中同样起重要作用; ; 热激能诱导拟南芥中编码钙调素类似蛋白基因热激能诱导拟南芥中编码钙调素类似蛋白基因TCH2TCH2、TCH3TCH3、TCH4 TCH4 的表达的表达, , 而而CaCa2+2+的螯合剂的螯合剂

46、EGTAEGTA却能抑制却能抑制其其表达表达, , 说明该类说明该类蛋白参与了拟南芥对热激逆境的调节蛋白参与了拟南芥对热激逆境的调节; ; 水稻中一些受水稻中一些受ABA ABA 诱导的基因所编码的钙结合磷酸酶类诱导的基因所编码的钙结合磷酸酶类EFA27EFA27、ABI1ABI1、ABI2 ABI2 等也属于钙调素类似蛋白等也属于钙调素类似蛋白( (White & Broadley, 2003) )。类钙调蛋白类钙调蛋白 SCaBP：拟南芥拟南芥SOS3(salt overly sensitive 3)SOS3(salt overly sensitive 3)基因基因编码的编码的SOSSOS

47、3 3蛋白能够与蛋白能够与其靶蛋白其靶蛋白SOS2SOS2互作互作，参与植物耐盐胁迫信号转导。参与植物耐盐胁迫信号转导。钙调磷酸酶钙调磷酸酶B B类似蛋白类似蛋白（CBLPCBLP）: :一类能够结合钙离子小蛋白家一类能够结合钙离子小蛋白家族族, , 缺乏其它功能区域缺乏其它功能区域, , 只能通过与下游蛋白只能通过与下游蛋白CIPK(CIPK(与与CBLPCBLP作用作用的蛋白激酶的蛋白激酶) )相互作用才能将信号向下游传递。相互作用才能将信号向下游传递。 拟南芥和水稻中拟南芥和水稻中有有超过超过2525种种CIPKCIPK编码基因。一种编码基因。一种CBLPCBLP可能与多种可能与多种CI

48、PKCIPK或者或者几种几种CBLPCBLP与与一个一个CIPKCIPK相互作用相互作用, , 从而组成多信号传递的支路。从而组成多信号传递的支路。 水稻中克隆出一个与水稻中克隆出一个与CIPKCIPK家族非常类似的基因家族非常类似的基因, , 它编码的蛋白可以与它编码的蛋白可以与AtCBL3AtCBL3蛋白相互作用蛋白相互作用, , 并在低温并在低温等等逆境下被强烈诱导。逆境下被强烈诱导。c. Ca-dependent protein kinase (CDPK)植物和一些原生生物所特有的一类丝植物和一些原生生物所特有的一类丝氨酸氨酸/ /苏氨酸型蛋白激酶苏氨酸型蛋白激酶, , 在胞内钙信在胞

49、内钙信号的放大并向下级联传递过程中起着号的放大并向下级联传递过程中起着重要的作用。重要的作用。参与植物环境胁迫反应、病原体的防参与植物环境胁迫反应、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。节、激素信号等诸多信号传递过程。 CDPK-结构示意图结构示意图激酶活性区域激酶活性区域自身抑制自身抑制 区域区域类似于类似于CaM的的调节结构区调节结构区CN类似于类似于CaMCaM的的结构区含结构区含有有4 4个与个与CaCa2+2+结合的结合的EFEF手型结构手型结构, , 从而从而使使CDPKsCDPKs可以不依赖可以不依赖CaMCaM

50、和磷脂而依赖和磷脂而依赖CaCa2+2+被激活。被激活。当当CaCa2+2+与与CDPKCDPK结合时，其自身抑制区域对激酶活性的抑制被解除，结合时，其自身抑制区域对激酶活性的抑制被解除，CDPKCDPK被活化。被活化。由由508508个氨基酸组成，个氨基酸组成，在结构上包括了在结构上包括了N N端激酶催化区、中间端激酶催化区、中间高度保守的高度保守的自身抑制区域（由自身抑制区域（由3131个氨基酸组成个氨基酸组成) )，以及含有结以及含有结构和功能类似构和功能类似CaMCaM的的C C端调控区。端调控区。按按C C端调控区结构上差异端调控区结构上差异, CDPKs, CDPKs超超家族分为家

51、族分为6 6种种类型类型: : CDPKs: CDPKs:一类钙依赖蛋白激酶一类钙依赖蛋白激酶, , 也称钙调素类似结构区域的蛋也称钙调素类似结构区域的蛋白激酶白激酶; ; CRKs: CRKs:一类与一类与CDPKsCDPKs相关的激酶相关的激酶, CRKs, CRKs的的C C端区与端区与CDPKsCDPKs的调控的调控区有相似氨基酸序列区有相似氨基酸序列, ,但不与但不与CaCa2+2+结合结合; ; PPCKs: PPCKs:一类磷酸烯醇丙酮酸羧化酶一类磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)(PEPC)激酶激酶, , 只含只含1 1个催化个催化区区; ; PRKs: PRKs:与与PPCKs

52、PPCKs相关的激酶相关的激酶, , 其其C C端区与家族其他成员无相似性端区与家族其他成员无相似性; ; CCaMKsCCaMKs: :受受CaCa2+2+和和CaMCaM同时调节的激酶同时调节的激酶, , 与与CaCa2+2+及及CaCa2+2+和和CaMCaM复合复合体都能结合体都能结合; ; CaMKsCaMKs: : CaMCaM依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶, , 与与CaCa2+2+和和CaMCaM复合体结合。复合体结合。Ca2+/CDPK信号系统与植物的抗逆性信号系统与植物的抗逆性CDPKCDPK家族主要是通过一系列的磷酸化和去磷酸化作用来调节其家族主要是通过一系列的磷酸化和去磷

53、酸化作用来调节其底物的活性并完成钙信号的传递过程。植物细胞内底物的活性并完成钙信号的传递过程。植物细胞内CDPKCDPK的底物的底物: : 结瘤素：一类跨膜转运蛋白结瘤素：一类跨膜转运蛋白, , 可能在代谢物跨越豆科根瘤共可能在代谢物跨越豆科根瘤共 生膜运输时起主要作用生膜运输时起主要作用; ; 质膜质子泵质膜质子泵H H+ +-ATPase-ATPase 与逆境胁迫有关的一些钾离子和氯离子内流通道与逆境胁迫有关的一些钾离子和氯离子内流通道 水孔蛋白水孔蛋白 CaCa2+2+-ATPase -ATPase 逆境诱导型启动子逆境诱导型启动子HVA1HVA1等都可能是等都可能是CDPKCDPK作用

54、的底物。作用的底物。d. 其它其它无无EF 手型结构手型结构钙离子结合蛋白钙离子结合蛋白磷脂酶磷脂酶D(PLD)D(PLD)钙膜联蛋白钙膜联蛋白(annexin)(annexin)钙联结蛋白钙联结蛋白(calnexin)(calnexin)钙网蛋白钙网蛋白(calreticulin)(calreticulin)集钙蛋白集钙蛋白(calsequestrin)(calsequestrin)BipBip蛋白蛋白( (一类热激蛋白一类热激蛋白) ) 它们主要通过一些特异结构域与它们主要通过一些特异结构域与CaCa2+2+结合产生信号效果结合产生信号效果, , 并在并在维持细胞质内维持细胞质内CaCa2

55、+2+平衡、膜代谢、植物的生殖发育等过程中起平衡、膜代谢、植物的生殖发育等过程中起着重要作用着重要作用, ,而且发现磷脂酶而且发现磷脂酶D D和一些钙膜联蛋白与植物的逆境和一些钙膜联蛋白与植物的逆境信号转导有关信号转导有关。第三节、植物细胞信号转导过程第三节、植物细胞信号转导过程一、刺激和感受一、刺激和感受二、信号转导二、信号转导( (一一). ). 信号的跨膜转换信号的跨膜转换 细胞表面的三种受体类型细胞表面的三种受体类型 1. 1. 离子通道连接受体离子通道连接受体 2. 2. 酶连受体酶连受体 3. G3. G蛋白偶联受体蛋白偶联受体( (二二). ). 胞内信使系统胞内信使系统 1.

56、1. 钙信使系统钙信使系统 (1) (1) 衡量钙信使的标准衡量钙信使的标准 (2) (2) 细胞游离细胞游离CaCa2+2+的分布与转移的分布与转移 (3) (3) 钙结合蛋白钙结合蛋白: : a. a.CaMCaM,b,b. .钙调磷酸酶钙调磷酸酶B B类似蛋白类似蛋白(CBL)(CBL)， c.c.钙依赖蛋白激酶钙依赖蛋白激酶(CDPK)(CDPK)， d.d.其它无其它无EFEF手型结构的钙结合蛋白手型结构的钙结合蛋白, , e e. . 钙钙信使作用的分子信使作用的分子基础基础. . 2. 2. 肌醇磷脂信号系统肌醇磷脂信号系统(4) (4) 钙信使作用的分子基础钙信使作用的分子基础

57、a. 钙信使作用的分子基础钙信使作用的分子基础l钙调素钙调素( (Calcium + Modulalion) )定名本身有双重意义定名本身有双重意义: : 1. 1. 因为这种小分子蛋白质活性由因为这种小分子蛋白质活性由CaCa2+2+浓度调节浓度调节； 2.2. 它本身又可调节细胞质它本身又可调节细胞质CaCa2+2+水平水平。l作为钙信号的受体蛋白，作为钙信号的受体蛋白，CaMCaM对对CaCa2+2+的亲和能力是它感受信息的亲和能力是它感受信息的基本特征，也只有与的基本特征，也只有与CaCa2+2+结合才有生理结合才有生理活性；然后，进一活性；然后，进一步步与靶酶结合而将其激活。与靶酶结

58、合而将其激活。nCa2+ + CaM(Ca2+nCaM*) m*E(靶酶靶酶) + mCa2+nCaM*Ca2+nCaM*Ca2+CaM复合体的复合体的形成与靶酶的激活形成与靶酶的激活 当某种刺激到达细胞时当某种刺激到达细胞时质膜上质膜上Ca2+通道打开通道打开Ca2+浓度瞬间浓度瞬间增加增加到一定到一定阈值阈值 (通常为通常为10-6L-1以上以上)与与CaM结合结合 形成复合体形成复合体与它所调节的靶酶结合与它所调节的靶酶结合激活靶酶激活靶酶细胞质细胞质Ca2+降低到与降低到与CaM结合阈值以下结合阈值以下细胞质中细胞质中Ca2+又回到静息态水平又回到静息态水平Ca2+与与CaM分离分离C

59、aM与靶酶复合体与靶酶复合体 亦告解离亦告解离CaM与靶酶均回到非活性状态与靶酶均回到非活性状态CaM调节的酶包括主动运输调节的酶包括主动运输Ca2+跨膜的跨膜的Ca2+ATP酶酶，它它可以把可以把 Ca2+反馈地泵出细胞质或泵入某些细胞器钙库反馈地泵出细胞质或泵入某些细胞器钙库b.b.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lCaCa2 2在众多的植物刺激在众多的植物刺激- -反应中作为第二信使。反应中作为第二信使。l几乎所有不同的胞外刺激信号，如光、触摸、重力、植物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，都能引起胞内激素、病

60、原菌等，都能引起胞内游离游离CaCa2 2浓度浓度短暂的、明短暂的、明显升高，或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。显升高，或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。CaCa2 2+ +信号信号如何能对不同的胞外刺激起如何能对不同的胞外刺激起反应反应、最终最终导致对某种刺激的特定生理效应？导致对某种刺激的特定生理效应？( (i i) ) 钙信号本身具有特异性，从而决定生理反应的特异性。钙信号本身具有特异性，从而决定生理反应的特异性。l细胞对某种刺激产生独特的细胞对某种刺激产生独特的CaCa2+2+时空特异性变化方式，称为钙时空特异性变化方式，称为钙指纹指纹。l不同刺激可以反映在钙峰峰值的不同刺激可以反