植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能研究進(jìn)展

唐桃霞，孔維萍，任凱麗，程 鴻

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，蘭州 730070)

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，又名ATP結(jié)合盒式蛋白(ATP-binding cassette transporter，ABC)，得名于含有一個(gè)腺苷三磷酸(ATP)結(jié)合盒，且依賴于 ATP 水解產(chǎn)生的能量而實(shí)現(xiàn)底物在細(xì)胞內(nèi)外的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，是目前已知數(shù)量和功能最多的一類蛋白[1]。據(jù)報(bào)道，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族在所有生物中廣泛存在，已在人類、酵母和大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量不等的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其基因，而在陸生植物中鑒定到的 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量遠(yuǎn)高于其他生物[2-3]，其中，模式作物擬南芥和水稻基因組中分別存在130個(gè)和128個(gè) ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[4-5]，此外，玉米(Zeamays)[6]、小麥(Triticumaestivum)[7]、甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)[8]、百脈根(Lotuscorniculatus)[9]、菠蘿(Ananascomosus)[10]以及番茄(Solanumlycopersicum)[11]中均有報(bào)道，而研究最多的擬南芥僅有一小部分ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被鑒定出來(lái)[12]，還有大部分成員的轉(zhuǎn)運(yùn)底物及其功能尚不清楚，而有關(guān)其他作物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其功能還未見報(bào)道。因此，本文通過(guò)對(duì)已鑒定的植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成員及功能進(jìn)行歸類總結(jié)，旨在為研究其他作物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及功能提供思路和依據(jù)。

1 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)及分類

典型的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白由親水核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(Nucleotide-binding domain, NBD)和疏水跨膜結(jié)構(gòu)域(Transmembrane domain, TMD)組成[13]，其中親水性的 NBDs 包含3個(gè)保守的特征基序：Walker A，Walker B 和ABC 標(biāo)簽序列(又稱 Walker C)[4]，因此，其結(jié)構(gòu)和序列在 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中高度保守，而疏水的TMD是由數(shù)個(gè)跨膜 α- 螺旋構(gòu)成，形成跨膜運(yùn)輸通道[14]，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)NBDs負(fù)責(zé)結(jié)合并水解 ATP 使其構(gòu)象發(fā)生改變，從而激活轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，而 TMDs則形成通道使得底物通過(guò)脂質(zhì)雙分子層，二者共同參與實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)[15]。ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的轉(zhuǎn)運(yùn)分為向外和向內(nèi)兩種轉(zhuǎn)運(yùn)方式，大多數(shù)的ABC向內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白還包括一個(gè)可溶性的位于細(xì)胞外或是錨定在膜上的胞外區(qū)結(jié)合蛋白(Substrate-binding protein，SBP)，SBP 可以結(jié)合不同種類的底物并把底物傳遞到相應(yīng)的 TMDs 中。圖1展示了ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中依靠構(gòu)象改變的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制[16]。

A.向內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制；B.向外轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制A.Import mechanism; B.Export mechanism

由于 ABC 蛋白包含的NBD 和 TMD 數(shù)量以及排列方式存在差異，其又被分為全分子 ABC 蛋白、半分子ABC 蛋白和可溶性ABC蛋白，全分子 ABC 蛋白由 2 個(gè) NBD 和 2 個(gè) TMD構(gòu)成，4 個(gè)結(jié)構(gòu)域結(jié)合在一起才可執(zhí)行轉(zhuǎn)運(yùn)功能，而半分子 ABC 蛋白僅由 1 個(gè) NBD 和 1個(gè) TMD 構(gòu)成，從而排列形成 TMD-NBD 或NBD-TMD，任一的 TMD-NBD 或 NBD-TMD 是沒(méi)有功能的，它們必須形成同源或者異源二聚體才能發(fā)揮功能[17]。通常，研究者們按照國(guó)際命名系統(tǒng)將植物ABC分為8個(gè)亞族(ABCA～ABCG和ABCI)，植物中未發(fā)現(xiàn)ABCH 亞族成員，但存在一類特殊的細(xì)菌類型 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，被命名為 ABCI 亞族[1]。目前，研究較多的為 ABCG、ABCB和ABCC[18]。ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與植物體中多種重要的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，其轉(zhuǎn)運(yùn)功能需要NBD和TMD的共同參與。由于NBD的高度保守性和每個(gè)亞族結(jié)構(gòu)的相似性，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)運(yùn)功能具有專一性，也具有相似性。

2 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能

2.1 ABCA亞族

迄今為止，在人類基因組中已鑒定出12個(gè)ABCA亞族成員，主要與身體各部位的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)[19]，而擬南芥中的 ABCA1 與人類 ABCA1具有高度的序列同源性，推測(cè)植物ABCA1 也可能具有脂質(zhì)運(yùn)輸功能[20]。目前，在擬南芥中也發(fā)現(xiàn)12個(gè)ABCA成員，且只有 At ABCA9的功能被鑒定出來(lái)，并發(fā)現(xiàn)其過(guò)量表達(dá)可促進(jìn)種子三酰甘油 (Triacylglycerol，TAG)的生物合成，表明AtABCA9 可能是增加油籽脂質(zhì)產(chǎn)量的有力工具[12,21]，隨后李健春[22]在大豆中發(fā)現(xiàn)GmABCA7轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，并將其定位于過(guò)氧化物酶體，表明其在擬南芥中的過(guò)量表達(dá)影響脂肪酸的 β氧化并促進(jìn)種子萌發(fā)；此外，擬南芥根的轉(zhuǎn)錄組分析表明 AtATH14 和 AtATH15 表達(dá)對(duì)鹽脅迫有反應(yīng)[23]，也有報(bào)道AtABCA1 與花粉萌發(fā)、種子萌發(fā)和種子成熟有關(guān)[9,24]，但具體功能未做解析。

ABCA包括全分子的AOH和半分子的ATH兩種類型。在蔬菜作物番茄中發(fā)現(xiàn)，SlABCA1 是唯一全分子ABCA 和最大的 ABC 蛋白，由1 910 個(gè)氨基酸殘基組成，另一主要特征是 ABCA 亞族在雙子葉植物中存在一個(gè)全分子的ABCA (AOH)，包括番茄[11]、擬南芥[4]、百脈根[9]和葡萄[24]，截至目前還未在水稻[25]、玉米[6]等單子葉植物中發(fā)現(xiàn)，這表明這種全分子 ABCA可能特定于雙子葉植物；據(jù)番茄[11]的基因表達(dá)譜顯示 SlABCA1 和 SlABCA2 優(yōu)先在根中表達(dá)，它們可能參與根的分泌活動(dòng)，SlABCA4-7 在花中特異性表達(dá)，表明在花器官中具有特定功能。此外，吳鵬等[26]在黃瓜中克隆到控制ABCA19轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因，通過(guò)功能分析發(fā)現(xiàn)黃瓜果實(shí)中的AB-CA19對(duì)霜霉威脅迫的響應(yīng)比較迅速。以上研究只是對(duì)ABCA 成員做了初步表達(dá)，其轉(zhuǎn)運(yùn)底物可能比較多樣，具體功能還需進(jìn)一步解析驗(yàn)證。

表1 植物ABCB轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能Table 1 Function of plant ABCB transporters

2.2 ABCB亞族

ABCB是僅次于ABCG的第二大亞族，擬南芥中發(fā)現(xiàn)29個(gè)ABCB成員[4]。據(jù)表1可知，已鑒定的大多數(shù)ABCB成員主要與激素類物質(zhì)(生長(zhǎng)素)的運(yùn)輸及調(diào)控有關(guān)，且部分成員功能冗余，均能轉(zhuǎn)運(yùn)生長(zhǎng)素；其次，ABCB還參與離子及重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)，如在番茄中研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù) SlABCBs 在根中高度表達(dá)，這可能表明這些 SlABCB 參與根中的離子和重金屬運(yùn)輸[11]。除上述功能外，ABCB還具有轉(zhuǎn)運(yùn)生物堿和維持鐵穩(wěn)態(tài)的作用。綜上可知，還需加大對(duì)ABCBs功能的研究，以期為闡釋植物對(duì)激素和非生物脅迫響應(yīng)的生理機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

2.3 ABCC亞族

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)，C亞族目前已鑒定的功能之一是轉(zhuǎn)運(yùn)代謝產(chǎn)物(花青素、植酸、葉酸等物質(zhì))，有研究表明，玉米ZmMRP3和葡萄VvABCC1均具有運(yùn)輸液泡中花青素的功能[43-44]；擬南芥的AtABCC2可能與其他的ABCC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同介導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)組織中花青素和其他類黃酮的液泡運(yùn)輸[45]；還有研究表明，部分ABCC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有多種功能，如擬南芥AtABCC5/AtMRP5[46]和水稻 OsABCC13[47]參與種子植酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和含磷產(chǎn)物的積累，其中AtABCC5/AtMRP5還是保衛(wèi)細(xì)胞脫落酸和 Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中保衛(wèi)細(xì)胞離子通道的中央調(diào)節(jié)器[48]；而擬南芥AtABCC4/AtMRP4不僅參與葉酸轉(zhuǎn)運(yùn)[49]，還介導(dǎo)氣孔孔徑的復(fù)雜調(diào)節(jié)[50]。

二是具有解毒功能，擬南芥AtABCC1、AtABCC2和AtABCC3均定位于液泡膜，其中AtABCC1和AtABCC2被證明賦予對(duì)砷、鎘和汞的耐受性[51-53]，是因?yàn)橹参矧纤?(PC) 與Cd需要以 PC-Cd 復(fù)合物的形式運(yùn)輸?shù)揭号葜衅鸬浇舛咀饔?，而AtABCC3是一種PC-Cd 復(fù)合物的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其活性受Cd 調(diào)節(jié)并與AtABCC1/AtABCC2 的活性協(xié)調(diào)；此外，AtABCC6 在重金屬Cd脅迫下表達(dá)上調(diào)，也參與重金屬解毒作用[54]；苦蕎FtABCC9在重金屬Pb脅迫下表達(dá)上調(diào)，說(shuō)明此蛋白也響應(yīng)重金屬脅迫[40]。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白為植物基因工程提供了有用的工具，可使植物增強(qiáng)對(duì)金屬耐受性和積累，這是植物修復(fù)的理想特征[52]。

2.4 ABCG亞族

在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中，ABCG是其中最大的一個(gè)亞族，其功能廣泛，有全分子的PDR和半分子的WBC兩種類型。已知的擬南芥、亞麻、水稻、玉米、鐵皮石斛、毛果楊、二穗短柄草、葡萄、番茄、菠蘿及蜜柚中分別有43、85、50、54、37、74、44、71、70、42和22個(gè)ABCG轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(表2)，分別占ABC蛋白的33.08%、42.93%、39.06%、41.54%、42.05%、38.54%、33.08%、39.23%、45.45%、42%和44%，平均數(shù)量占ABC家族的40%以上，說(shuō)明ABCG是ABC家族最為重要的成員。從已報(bào)道的研究來(lái)看，已鑒定ABCG成員的功能多樣，具體類別見表3。

表2 部分植物中ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量Table 2 Number of ABC transporters in some plants

由表3可知，ABCG是植物體生命活動(dòng)的重要參與者。首先，可轉(zhuǎn)運(yùn)植物體內(nèi)的代謝物，包括脂類、烯類，生物堿類等，還調(diào)節(jié)花散發(fā)揮發(fā)性化合物的功能，除轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)源代謝物外，還可轉(zhuǎn)運(yùn)外源物質(zhì)百草枯等除草劑。其次，介導(dǎo)激素類物質(zhì)的運(yùn)輸(ABA)，如AtABCG25、AtABCG31、AtABCG30、AtABCG40、AtPDR12/AtABCG40均具有轉(zhuǎn)運(yùn)脫落酸(ABA)的作用。此外，ABCG參與重金屬脅迫/逆境脅迫響應(yīng)，可提高植物對(duì)非生物脅迫的抗逆性。

表3 植物ABCG轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能Table 3 Functions of plant ABCG transporters

植物角質(zhì)層不僅減少水分流失，還具有化學(xué)防御功能，研究發(fā)現(xiàn)AtABCG32/PEC1和AtABCG11/WBC11均參與角質(zhì)層的形成[68-70]，ABCG9 和 ABCG31 通過(guò)促進(jìn)甾醇在花粉表面的積累而支持花粉外殼的成熟，從而增強(qiáng)花粉的適應(yīng)性[71]；木質(zhì)素作為植物細(xì)胞壁的重要組成部分，其轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制還未可知，Alejandro等[72]研究發(fā)現(xiàn)AtABCG29參與擬南芥中木質(zhì)素合成，填補(bǔ)了人們對(duì)木質(zhì)素生物合成理解的關(guān)鍵空白，這可能為木質(zhì)素工程開辟新的方向。

此外，ABCG還具有抗菌方面的作用，如白花丹葉煙草(Nicotianaplumbaginifolia)中NpPDR1/NpABC1 通過(guò)參與次級(jí)代謝物的分泌，在防御真菌病原體中起作用[78-79]；煙草NtPDR1通過(guò)介導(dǎo)抗真菌二萜的外排，在植物的化學(xué)防御中發(fā)揮作用[80]，這為植物抗菌方面的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

2.5 其余亞族

除亞族 B、C、G研究較多外，其他亞家族的報(bào)道相對(duì)較少，它們是否具有與其他亞族相似的功能未有明確的報(bào)道。根據(jù)模式作物擬南芥的研究，推測(cè)蔬菜作物番茄ABCD可能參與長(zhǎng)鏈脂肪酸的過(guò)氧化物酶體輸入，ABCE可能在核糖體生物發(fā)生、翻譯控制和基因沉默調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用，ABCI在果實(shí)發(fā)育期表達(dá)，表明其可能在果實(shí)發(fā)育中有特定功能[11]，擬南芥ABCF 亞家族成員 AtABCF3 參與根系生長(zhǎng)發(fā)育[82]；水稻OsABCI7可能涉及到多種葉綠體發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[83]，具體功能還有待驗(yàn)證。

3 總結(jié)與展望

綜上發(fā)現(xiàn)，植物ABC蛋白家族體系龐大，成員眾多，這些 ABC 蛋白存在于各類細(xì)胞器中，大多定位于質(zhì)膜和液泡膜、還有些定位于線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器上，其轉(zhuǎn)運(yùn)底物形式多樣，有激素、離子、重金屬、代謝產(chǎn)物等，通過(guò)介導(dǎo)底物的轉(zhuǎn)運(yùn)及平衡，隨時(shí)調(diào)控植物的生理狀態(tài)。就目前研究可知，ABCB參與生長(zhǎng)素及重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)，ABCC參與轉(zhuǎn)運(yùn)代謝產(chǎn)物(花青素、植酸、葉酸等物質(zhì))、還具有重金屬解毒功能，ABCG功能較多，參與代謝產(chǎn)物和激素轉(zhuǎn)運(yùn)、植物器官形成和細(xì)胞發(fā)育、逆境脅迫、化學(xué)防御等過(guò)程，ABCA報(bào)道較少，初步表明其與脂質(zhì)代謝有關(guān)，其余亞族功能還有待進(jìn)一步研究。總而言之，ABC是一類值得深入研究的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，研究其可解析生理機(jī)制，研究其可輔助植物育種。通過(guò)總結(jié)上述進(jìn)展的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)以下不足。

研究作物種類單一：目前研究主要集中在模式作物和個(gè)別作物中，如蔬菜僅有番茄ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行了全基因組分析[11]。

研究深度不夠：大多研究只對(duì)某些成員做了初步的鑒定和表達(dá)，其轉(zhuǎn)運(yùn)底物尚不明確，具體功能還有待驗(yàn)證[11,23]。

與應(yīng)用研究結(jié)合不緊密：如品質(zhì)育種已成為研究熱點(diǎn)，代謝產(chǎn)物是影響果實(shí)品質(zhì)的關(guān)鍵因素[84]，而ABC家族中有許多成員參與轉(zhuǎn)運(yùn)代謝產(chǎn)物，但未見到關(guān)于此類問(wèn)題的研究報(bào)道。

基于上述研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為未來(lái)研究，需從以下方向著手：(1)開展蛋白互作，挖掘未知功能。對(duì)目前功能未知的其他亞族建議開展蛋白互作研究，可有助于加快ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究進(jìn)程；(2)橫向研究，由此及彼。利用已有模式作物的研究基礎(chǔ)，加快其他作物ABC蛋白的研究，如擬南芥AtABCA9過(guò)量表達(dá)可促進(jìn)種子三酰甘油 (TAG)的生物合成，從而增加油籽脂質(zhì)產(chǎn)量，這是一種源庫(kù)調(diào)控效應(yīng)，若應(yīng)用于其他油料作物，可能有助于提高其品質(zhì)；(3)深度研究，明確機(jī)制，加以應(yīng)用。針對(duì)目標(biāo)蛋白加深研究，掌握其生理功能，并延伸至實(shí)踐應(yīng)用，如NpPDR1/NpABC1在抗菌方面起作用， AtATH14 和 AtATH15響應(yīng)鹽脅迫，MsABCG1響應(yīng)干旱，若加以深度研究，則可應(yīng)用于植物抗逆育種；(4)多學(xué)科聯(lián)合，準(zhǔn)確解析具體功能。由于其結(jié)構(gòu)的相似性，有許多蛋白功能冗余[27-31]，大多研究只是通過(guò)模式作物進(jìn)行推測(cè)，應(yīng)通過(guò)代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生物信息學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等多學(xué)科聯(lián)合，準(zhǔn)確具體的鑒定其功能。