生長素受體及作用機(jī)制解讀

陳建坤

(安徽省臨泉第一中學(xué) 安徽阜陽 236400)

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。不同的植物激素都有各自的受體和作用機(jī)制。作為信號(hào)分子,生長素需要通過與其受體特異性結(jié)合進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo),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發(fā)育。相較于舊版教材,人教版新教材《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第五章第一節(jié)“植物生長素”中新增了生長素受體的相關(guān)知識(shí):生長素首先與細(xì)胞內(nèi)某種蛋白質(zhì)——生長素受體特異性結(jié)合,引發(fā)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,進(jìn)而誘導(dǎo)特定基因的表達(dá),從而產(chǎn)生效應(yīng)。那么生長素的受體都有哪些種類?是否像動(dòng)物激素受體一樣,分布在質(zhì)膜外側(cè)或者細(xì)胞內(nèi)?生長素與受體特異性結(jié)合后,又是如何影響基因組的表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)植物體的生命活動(dòng)?下文將綜述生長素受體的種類及受體之間的聯(lián)系,為更深入的教學(xué)研究提供參考。

1 生長素

生長素(IAA)是發(fā)現(xiàn)最早的植物激素,也是研究者關(guān)注最多的一種植物激素。植物體內(nèi)除了IAA 外,還存在其他的生長素類物質(zhì),如苯乙酸(PPA)和吲哚丁酸(IBA)。生長素在植物體內(nèi)的合成部位主要是葉原基、嫩葉和發(fā)育中的種子,成熟的葉片中和根尖也會(huì)產(chǎn)生生長素,但數(shù)量甚微。目前已知植物體合成生長素的途徑有兩種:依賴于色氨酸的途徑和非依賴于色氨酸的途徑。生長素在植物體內(nèi)有兩種不同的存在狀態(tài):能夠自由移動(dòng)的稱為自由生長素,與其他化合物(如糖、氨基酸)結(jié)合的稱為束縛生長素。自由生長素具有生理活性,而束縛生長素沒有生理活性,且二者可以相互轉(zhuǎn)變。高等植物體內(nèi)生長素的運(yùn)輸方式主要有極性運(yùn)輸和非極性運(yùn)輸。其中極性運(yùn)輸是以載體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸過程,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;在成熟組織中,生長素可通過韌皮部進(jìn)行非極性運(yùn)輸,運(yùn)輸方向取決于兩端有機(jī)物的濃度差等因素。生長素廣泛存在于高等植物體各個(gè)器官和部位,相對(duì)集中地分布在生長旺盛的部分。

生長素反應(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、細(xì)胞分裂以及胚胎形成。在生長素引發(fā)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,第一步是生長素與受體的特異性結(jié)合。近年來,科學(xué)家利用生物化學(xué)和分子生物學(xué)等相關(guān)研究手段,在擬南芥等材料中都證實(shí)了生長素受體的存在。目前研究最多的生長素受體是生長素結(jié)合蛋白1(ABP1)和運(yùn)輸抑制劑響應(yīng)蛋白1(TIR1)。

2 生長素結(jié)合蛋白1(ABP1)

ABP1 是一種在植物體內(nèi)廣泛存在的糖蛋白。研究表明,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 框可能與生長素結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)。ABP1 主要分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,也有少量的存在細(xì)胞質(zhì)膜上、內(nèi)膜系統(tǒng)中、細(xì)胞核中及細(xì)胞壁中,但只有質(zhì)膜上的ABP1 才能與生長素發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)受到生長素刺激后,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)膜上的一種跨膜停泊蛋白結(jié)合。

生長素結(jié)合于ABP1 的一個(gè)疏水性口袋中,在這個(gè)口袋的深處三個(gè)組氨酸和一個(gè)谷氨酸共同結(jié)合一個(gè)鋅原子,生長素的羧基與鋅原子結(jié)合,其芳香環(huán)與包括151 位的色氨酸在內(nèi)的疏水基團(tuán)集合,第2 位與155 位的半胱氨酸之間形成二硫鍵。當(dāng)生長素與質(zhì)膜上ABP1 的疏水區(qū)結(jié)合后,會(huì)引發(fā)質(zhì)膜構(gòu)象的改變,質(zhì)膜上的離子通道發(fā)生變化,出現(xiàn)早期生長素反應(yīng),進(jìn)而引發(fā)后續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。例如,用NAA處理煙草葉肉原生質(zhì)體,在短短1—2 min 就導(dǎo)致質(zhì)膜超極化;如果事先加入ABP1 抗體,則抑制質(zhì)膜超極化,這就說明ABP1 參與了生長素誘導(dǎo)質(zhì)膜超極化的生理過程。研究表明,ABP1 在酸性條件下,對(duì)生長素的結(jié)合敏感性更高。在pH 為5.0—5.5 時(shí),ABP1 與生長素結(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。

3 運(yùn)輸抑制劑響應(yīng)蛋白1(TIR1)

TIR1 蛋白最早是從具有抑制生長素運(yùn)輸能力的擬南芥突變體中分離出來的。這類蛋白位于細(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。TIR1 蛋白富含亮氨酸重復(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)后形成單一開口的空腔,生長素可結(jié)合于空腔的內(nèi)部。生長素作為一種“分子膠水”通過填充TIR1蛋白內(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)合在生長素的頂部。

TIR1 蛋白介導(dǎo)的生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與多種調(diào)節(jié)因子有關(guān)。生長素響應(yīng)因子(ARFs)是指一類能與生長素早期反應(yīng)基因啟動(dòng)子中的生長素應(yīng)答元件TGTCTC序列特異性結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子,能調(diào)節(jié)生長素反應(yīng)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄激活或抑制因子。ARF 就是一種重要的生長素響應(yīng)因子,具有轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)。Aux/IAA 是被生長素快速誘導(dǎo)表達(dá)基因的一種,其產(chǎn)物Aux/IAA 蛋白是一種定位到細(xì)胞核的短命蛋白。典型的Aux/IAA 蛋白具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4 個(gè)保守的氨基酸序列基序,結(jié)構(gòu)域Ⅰ、Ⅱ位于N 端,而結(jié)構(gòu)域Ⅲ和Ⅳ位于C端。其中,結(jié)構(gòu)域Ⅰ有著強(qiáng)大的轉(zhuǎn)錄抑制作用,結(jié)構(gòu)域Ⅱ是Aux/IAA 蛋白與TIR1 的結(jié)合位點(diǎn),結(jié)構(gòu)域Ⅲ和Ⅳ可與ARF 結(jié)合形成異源二聚體,抑制ARF 活性,從而抑制引發(fā)與生長素有關(guān)的反應(yīng)。

當(dāng)沒有生長素或生長素濃度較低時(shí),Aux/IAA 蛋白相對(duì)穩(wěn)定,并且能夠與ARF 蛋白結(jié)合形成異源二聚體,抑制ARF 功能。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)生長素濃度升高時(shí),生長素與TIR1 結(jié)合后,再與結(jié)合了ARF 的Aux/IAA蛋白結(jié)合,轉(zhuǎn)移到SCF 蛋白復(fù)合體上。在ATP 供能的情況下,復(fù)合體上Aux/IAA 蛋白被泛素化,再被SCF 中蛋白酶降解,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,并通過其N 端的DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域DBD(DNA binding do-main)結(jié)合生長素早期應(yīng)答基因啟動(dòng)子區(qū)的生長素響應(yīng)元件(auxin response element,AuxRE),從而觸發(fā)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)。

4 兩種受體之間的對(duì)比

通過對(duì)比兩種受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,可以看出兩種生長素受體所介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制存在著明顯的不同。質(zhì)膜上的ABP1 受體與生長素結(jié)合后,通過引起質(zhì)膜上離子通道的變化,引發(fā)后續(xù)的級(jí)聯(lián)反應(yīng),主要介導(dǎo)生長素的早期反應(yīng)。而細(xì)胞內(nèi)的TIR1受體與生長素結(jié)合后,引起Aux/IAA 蛋白通過泛素途徑被降解,激活A(yù)RF,啟動(dòng)一系列生長素反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá),從而使生長素反應(yīng)順利進(jìn)行,偏向于介導(dǎo)生長素的晚期反應(yīng)。另外研究表明,TIR1 受體和ABP1 受體還存在兩方面區(qū)別:(1)對(duì)生長素的選擇性不同;TIR1 更傾向于與IAA 結(jié)合,ABP1 則傾向于與NAA 結(jié)合。(2)親和活性所依賴的pH 值不同;大豆的ABP1與1-NAA 結(jié)合作用的最適pH 是5.0—5.5,而擬南芥中TIR1 與IAA 級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn)的pH 為7.2—7.5。

目前,關(guān)于生長素受體相關(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)新的生長素受體,以完善生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。