解讀生長(zhǎng)素受體種類(lèi)及其參與的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制

陳建坤

(安徽省臨泉第一中學(xué))

植物激素對(duì)植物體的生命活動(dòng)起到重要的調(diào)節(jié)作用,一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)。作為信號(hào)分子,生長(zhǎng)素和其他激素一樣,需要通過(guò)與其受體特異性結(jié)合以進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo),從而對(duì)植物細(xì)胞內(nèi)基因組的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而影響植物體的生長(zhǎng)發(fā)育。不同的植物激素都有各自的受體和作用機(jī)制。人教版新教材選擇性必修1第5章第1節(jié)《植物生長(zhǎng)素》一節(jié)中明確提出生長(zhǎng)素作用需要受體參與:生長(zhǎng)素首先與細(xì)胞內(nèi)某種蛋白質(zhì)——生長(zhǎng)素受體特異性結(jié)合,引發(fā)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,進(jìn)而誘導(dǎo)特定基因的表達(dá),從而產(chǎn)生效應(yīng)[1]。本文對(duì)生長(zhǎng)素受體的種類(lèi)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制之間的聯(lián)系進(jìn)行闡述,旨在為更深入地學(xué)習(xí)提供參考。

1.IAA的合成、運(yùn)輸與降解

吲哚-3-乙酸(IAA,如圖1[1])是生長(zhǎng)素類(lèi)最主要的一種植物激素。植物體內(nèi)除了IAA外,還存在其他的生長(zhǎng)素類(lèi)物質(zhì),如苯乙酸(PPA)、吲哚丁酸(IBA)。生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)的合成部位主要是葉原基、嫩葉和發(fā)育中的種子。成熟的葉片和根尖也產(chǎn)生生長(zhǎng)素,但數(shù)量甚微[2]。如圖2[3]所示,植物可以通過(guò)多條途徑將色氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)镮AA,也可以通過(guò)非色氨酸依賴(lài)途徑合成IAA。這些途徑通常用關(guān)鍵的中間產(chǎn)物來(lái)命名,其中吲哚-3-丙酮酸途徑是IAA生物合成的主要途徑。生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)有兩種不同的存在狀態(tài):游離態(tài)生長(zhǎng)素具有生理活性;而與氨基酸、糖類(lèi)、肌醇等化合物結(jié)合的結(jié)合態(tài)生長(zhǎng)素,沒(méi)有生理活性。結(jié)合態(tài)生長(zhǎng)素可水解釋放出游離態(tài)IAA。

圖1

圖2 生物合成過(guò)程(仿武維華,2018)

IAA濃度過(guò)高會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用,細(xì)胞可以通過(guò)多種途徑將其降解:酶促反應(yīng)和光氧化。前者又可分為脫羧降解和非脫羧降解;后者是指在強(qiáng)光下,體外生長(zhǎng)素在核黃素催化下被光氧化生成吲哚醛等物質(zhì)。

生長(zhǎng)素廣泛存在于高等植物體各個(gè)器官和部位,相對(duì)集中地分布在生長(zhǎng)旺盛的部分。高等植物體內(nèi)的生長(zhǎng)素的運(yùn)輸方式主要有極性運(yùn)輸和非極性運(yùn)輸。極性運(yùn)輸是以載體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程,主要發(fā)生在胚芽鞘、幼莖、幼根的薄壁細(xì)胞之間,是一種短距離運(yùn)輸,對(duì)生長(zhǎng)素的不對(duì)稱(chēng)分布起關(guān)鍵作用。在成熟組織中,生長(zhǎng)素通過(guò)韌皮部進(jìn)行非極性運(yùn)輸,運(yùn)輸方向取決于兩端有機(jī)物濃度差等因素。

2.生長(zhǎng)素受體參與的信號(hào)傳導(dǎo)途徑

生長(zhǎng)素反應(yīng)分為早期反應(yīng)和晚期反應(yīng),前者包括膜上離子的流動(dòng),后者包括細(xì)胞伸長(zhǎng)、細(xì)胞分裂以及胚胎形成[2]。兩者反應(yīng)都有基因表達(dá)的參與,分為早期基因和晚期基因。早期基因的表達(dá)是原有基因活化刺激所致,晚期基因表達(dá)需要重新合成蛋白質(zhì)。生長(zhǎng)素與受體的特異性結(jié)合是生長(zhǎng)素進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)的第一步。目前研究最多的生長(zhǎng)素受體是運(yùn)輸抑制劑響應(yīng)蛋白1(TIR1)和生長(zhǎng)素結(jié)合蛋白1(ABP1)。

2.1 依賴(lài)于受體TIR1的生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

TIR1最早是從具有抑制生長(zhǎng)素運(yùn)輸能力的擬南芥突變體中分離出來(lái)的。這類(lèi)蛋白位于細(xì)胞中,具有F盒(F-Box)序列,是負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)降解的SCF蛋白復(fù)合體的組分之一[2]。TIR1富含亮氨酸重復(fù)序列,由內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)層在結(jié)合了肌醇六磷酸輔因子(InsP6)后形成單一開(kāi)口的空腔,生長(zhǎng)素可結(jié)合于空腔的內(nèi)部。生長(zhǎng)素作為一種“分子膠水”通過(guò)填充TIR1內(nèi)表面的疏水空穴而增加TIR1與底物Aux/IAA的作用,并使Aux/IAA肽段結(jié)合在生長(zhǎng)素的頂部[4]。

在依賴(lài)于TIR1的生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中,生長(zhǎng)素控制生長(zhǎng)素誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄,整個(gè)過(guò)程與多種調(diào)節(jié)因子有關(guān)。生長(zhǎng)素響應(yīng)因子(ARF)是能與生長(zhǎng)素早期反應(yīng)基因啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件特異性結(jié)合的一類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子,在植物的生長(zhǎng)素信號(hào)調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Aux/IAA蛋白是生長(zhǎng)素響應(yīng)因子(ARF)轉(zhuǎn)錄活性的抑制因子。當(dāng)沒(méi)有生長(zhǎng)素或生長(zhǎng)素濃度較低時(shí),Aux/IAA蛋白能夠與ARF結(jié)合形成異源二聚體,抑制ARF功能,進(jìn)而阻止早期基因的轉(zhuǎn)錄,所以表現(xiàn)為無(wú)生長(zhǎng)素效應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)素濃度升高時(shí),生長(zhǎng)素與受體TIR1結(jié)合后,在ATP供能的情況下,泛素連接酶激活,促使與ARF結(jié)合的Aux/IAA蛋白被泛素化降解,釋放出ARF,解除Aux/IAA蛋白對(duì)ARF的抑制作用。被釋放激活的ARF可形成同源二聚體,與生長(zhǎng)素早期反應(yīng)基因啟動(dòng)子區(qū)的生長(zhǎng)素響應(yīng)元件結(jié)合,從而觸發(fā)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)。此外,Aux/IAA基因也是ARF的靶向基因,因此生長(zhǎng)素對(duì)Aux/IAA在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白穩(wěn)定性方面有雙重作用。

2.2 依賴(lài)于受體ABP1的生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

植物體內(nèi)存在不依賴(lài)TIR1參與,生長(zhǎng)素快速產(chǎn)生效應(yīng)的現(xiàn)象,如質(zhì)膜超極化、調(diào)節(jié)PIN1的內(nèi)吞轉(zhuǎn)運(yùn)、迅速誘導(dǎo)大約一千種蛋白質(zhì)的磷酸化等。這些證據(jù)表明生長(zhǎng)素還存在一種快速、非轉(zhuǎn)錄反應(yīng)參與的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。

ABP1是一種在植物體內(nèi)廣泛存在的糖蛋白。ABP1分子的C-末端具有定位到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號(hào)序列(KDEL);N-末端有一個(gè)疏水氨基酸構(gòu)成的信號(hào)序列,有利于ABP1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜間的運(yùn)輸。ABP1蛋白結(jié)構(gòu)中存在著A框、B框和C框三個(gè)高度保守結(jié)構(gòu)域,其中A框和C框可能與生長(zhǎng)素結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)[5]。

ABP1主要分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,也有少量存在細(xì)胞質(zhì)膜上、高爾基體或者附近細(xì)胞壁中。雖然內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上存在著大量的ABP1,卻不與生長(zhǎng)素結(jié)合,只有質(zhì)膜上的ABP1才能與生長(zhǎng)素發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)受到生長(zhǎng)素刺激后,大量閑置在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的ABP1會(huì)轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜上,與質(zhì)膜上的一種跨膜類(lèi)受體蛋白激酶TMKs結(jié)合,在細(xì)胞表面形成ABP1/TMKs受體復(fù)合體。ABP1/TMKs受體復(fù)合體通過(guò)激活相應(yīng)效應(yīng)因子,介導(dǎo)全局磷酸化反應(yīng)和生長(zhǎng)素通道化,從而調(diào)控細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)變化[6]或引發(fā)質(zhì)膜上的離子通道(如H+-ATP酶質(zhì)子泵的激活)構(gòu)象發(fā)生變化,出現(xiàn)早期生長(zhǎng)素反應(yīng)。例如,用NAA處理煙草葉肉原生質(zhì)體,在短短1～2 min內(nèi)就導(dǎo)致質(zhì)膜超極化;如果事先加入ABP1抗體,則可抑制質(zhì)膜超極化,這就說(shuō)明ABP1參與了生長(zhǎng)素誘導(dǎo)質(zhì)膜超極化的生理過(guò)程[2]。研究表明,ABP1在酸性條件下,對(duì)生長(zhǎng)素的結(jié)合敏感性更高。在pH為5.0～5.5時(shí),ABP1與生長(zhǎng)素結(jié)合活性最高;而在pH>6時(shí),ABP1就會(huì)逐漸喪失結(jié)合活性[4]。

2.3 兩種受體之間的對(duì)比

通過(guò)對(duì)比兩種受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,可以看出兩種生長(zhǎng)素受體所介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制存在著明顯的不同。其一,質(zhì)膜上的ABP1受體與生長(zhǎng)素結(jié)合后,可通過(guò)引起質(zhì)膜上離子通道的變化,快速引發(fā)后續(xù)的級(jí)聯(lián)反應(yīng),主要介導(dǎo)生長(zhǎng)素早期反應(yīng)。而細(xì)胞內(nèi)的TIR1受體與生長(zhǎng)素結(jié)合后,引起Aux/IAA蛋白通過(guò)泛素途徑被降解,激活A(yù)RF,啟動(dòng)一系列生長(zhǎng)素反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá),從而使生長(zhǎng)素反應(yīng)順利進(jìn)行,偏向于介導(dǎo)生長(zhǎng)素晚期反應(yīng)。其二,對(duì)生長(zhǎng)素的選擇性親和活性所依賴(lài)的pH不同。TIR1更傾向于與IAA結(jié)合,ABP1則傾向于與NAA結(jié)合。大豆的ABP1與1-NAA結(jié)合作用的最適pH是5.0～5.5(細(xì)胞表面pH5.0～6.0);擬南芥中TIR1與IAA級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn)的pH為7.2～7.5(細(xì)胞核pH7.2～7.6)[7]。其三,兩種受體分布區(qū)域不同。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),TIR1和ABP1對(duì)于生長(zhǎng)素的選擇性和親和活性與其對(duì)應(yīng)的細(xì)胞區(qū)域是一致的,因而可以推斷ABP1是位于細(xì)胞表面的生長(zhǎng)素受體,而TIR1是位于細(xì)胞核區(qū)域的生長(zhǎng)素受體[7]。

3.習(xí)題再現(xiàn)

(1)生長(zhǎng)素(IAA)主要促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng),而細(xì)胞壁的彈性非常小,影響細(xì)胞的伸長(zhǎng)?？茖W(xué)家根據(jù)“酸生長(zhǎng)理論”和“基因活化學(xué)說(shuō)”提出IAA對(duì)細(xì)胞伸長(zhǎng)的作用機(jī)理如圖3。下列說(shuō)法正確的是

圖3

( )

A.生長(zhǎng)素與細(xì)胞膜受體結(jié)合后可通過(guò)Ca2+引發(fā)H+以被動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞较蛲膺\(yùn)輸

B.酸性條件下細(xì)胞壁的纖維素微絲伸長(zhǎng)使細(xì)胞壁對(duì)細(xì)胞的壓力減小,引起細(xì)胞橫向生長(zhǎng)

C.活化因子與生長(zhǎng)素結(jié)合使相關(guān)基因在細(xì)胞核內(nèi)表達(dá),合成mRNA和蛋白質(zhì)

D.生長(zhǎng)素的調(diào)節(jié)作用依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)的信息傳遞,體現(xiàn)了細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的聯(lián)系

(2)實(shí)驗(yàn)表明,IAA的短距離運(yùn)輸以細(xì)胞到細(xì)胞的方式進(jìn)行,且輸入與輸出細(xì)胞的載體不同,其中輸出與PIN蛋白相關(guān)。PIN蛋白會(huì)通過(guò)胞吐(依賴(lài)于生長(zhǎng)素應(yīng)答因子ARF)輸出IAA,如圖4表示此過(guò)程的部分作用機(jī)制。下列有關(guān)敘述不正確的是

圖4

( )

A.GNOM(一種蛋白)活性增強(qiáng)會(huì)促進(jìn)PIN蛋白胞吐

B.TPL與AUX/IAA蛋白結(jié)合物含量升高,不利于IAA的輸出

C.IAA、AUX/IAA與TIR1蛋白結(jié)合,促進(jìn)IAA輸出

D.IAA濃度高時(shí)有利于其輸出,所以其運(yùn)輸方式為被動(dòng)運(yùn)輸

答案:(1)D (2)D

(1)解析:圖示依據(jù)“酸生長(zhǎng)理論”和“基因活化學(xué)說(shuō)”提出IAA對(duì)細(xì)胞伸長(zhǎng)的作用機(jī)理,“酸生長(zhǎng)理論”是指生長(zhǎng)素與細(xì)胞膜受體結(jié)合可通過(guò)Ca2+引發(fā)H+以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞较蛲膺\(yùn)輸;酸性條件下細(xì)胞壁的纖維素微絲伸長(zhǎng)使細(xì)胞壁對(duì)細(xì)胞的壓力減小,引起細(xì)胞縱向生長(zhǎng);“基因活化學(xué)說(shuō)”是指活化因子與生長(zhǎng)素結(jié)合使相關(guān)基因在細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄并在細(xì)胞質(zhì)中翻譯。

(2)解析:分析題圖可知,GNOM蛋白質(zhì)促進(jìn)PIN通過(guò)胞吐輸出IAA;低IAA濃度時(shí),TPL與AUX/IAA蛋白和ARF形成的異源二聚體結(jié)合,抑制ARF的釋放,無(wú)ARF促進(jìn)PIN的胞吐,不利于IAA的輸出;高濃度IAA與細(xì)胞核TIR1復(fù)合體結(jié)合,將AUX/IAA蛋白降解,釋放出ARF,進(jìn)而促進(jìn)后續(xù)反應(yīng);PIN蛋白會(huì)通過(guò)胞吐(依賴(lài)于生長(zhǎng)素應(yīng)答因子ARF)輸出IAA。

目前,關(guān)于生長(zhǎng)素受體相關(guān)研究仍在不斷深入。關(guān)于兩種受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的具體過(guò)程和反應(yīng),研究還不夠全面具體。而且僅靠這兩種受體還不能較為系統(tǒng)地構(gòu)建生長(zhǎng)素受體反應(yīng)體系,仍需要進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)新的生長(zhǎng)素受體,以完善生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。

2022年9—10月,Nature雜志在線(xiàn)發(fā)表了兩篇與生長(zhǎng)素受體有關(guān)的研究論文:第一篇論文利用磷酸化蛋白組學(xué)技術(shù)對(duì)擬南芥的根進(jìn)行研究,明確表明ABP1是基于TMK1的細(xì)胞表面信號(hào)傳導(dǎo)的生長(zhǎng)素受體,它介導(dǎo)全局磷酸化反應(yīng)和生長(zhǎng)素通道化[8]。另一篇的研究成果:生長(zhǎng)素受體TIR1/AFBs除了具有E3泛素連接酶活性以外,還具有腺苷酸環(huán)化酶(AC)活性,且腺苷酸環(huán)化酶(AC)活性對(duì)于生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控至關(guān)重要[9]。我們應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注最新的研究動(dòng)態(tài),不斷豐富知識(shí)體系。