全 文 ：·综述与专论· 2015, 31(9):1-7
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 ：2015-03-02
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31040052，31101022），中国农业大学开放课题（SKLPPBKF1504），河北农业大学青年科学基金
（QJ201234）
作者简介 ：谢鑫，女，硕士研究生，研究方向 ：植物抗旱分子机制 ；E-mail ：xiexincg@163.com
通讯作者 ：魏凤菊，女，博士，讲师，研究方向 ：植物抗逆分子机制 ；E-mail ：weifj98@126.com
糖类是生物能量的主要来源，糖代谢是生物
新陈代谢物质代谢中的核心问题之一，它的合成与
分解代谢关系到植物的形态建成、逆境胁迫应答
等生命过程。磷酸甘油酸变位酶（Phosphoglycerate
mutase，PGAM）是糖酵解和糖异生过程中的关键酶
之一，它能够催化 3- 磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，
3-PGA） 和 2- 磷 酸 甘 油 酸（2-phosphoglycerate，
2-PGA） 之 间 的 相 互 转 化。1982 年 Fothergill 等［1］
首先在酵母中发现了 PGAM，随着其氨基酸序列和
晶体结构被揭示，人们在多种生物体中均发现了该
蛋白，并根据其在催化反应中与辅因子 2，3- 二磷
酸 甘 油 酸（2，3-bisphosphoglycerate，2，3-BPG） 的
依赖关系，分为两种类型 ：辅因子依赖型 PGAM
（Cofactor-dependent PGAM，dPGAM）和辅因子非依
赖 型 PGAM（Cofactor-independent PGAM，iPGAM）。
前一种酶存在于所有的脊椎动物、大部分无脊椎动
物、某些真菌和细菌，尤其是革兰氏阴性菌中，其
在酶催化反应时需要 2，3-BPG 作为辅因子 ；后一种
酶存在于所有植物、一些无脊椎动物、某些真菌和
细菌，尤其是革兰氏阳性菌中［2］，其在酶催化反应
植物 iPGAM 的研究进展
谢鑫  刘娜  魏凤菊
（河北农业大学生命科学学院 河北省植物生理与分子病理学重点实验室，保定 071001）
摘 要 ： 辅因子非依赖型磷酸甘油酸变位酶（Cofactor-independent phosphoglycerate mutase，iPGAM）是在真菌和高等植物中
发现的金属酶，是糖酵解和糖异生过程中的一个关键酶。随着原核生物、无脊椎动物等物种中 iPGAM 基因被克隆、蛋白晶体结构
的解析及其生物学功能的陆续报道，近些年，植物 iPGAM 的功能开始受到关注。阐述了植物 iPGAM 蛋白的结构特点及作用机制，
着重对已报道的拟南芥、水稻和玉米中 iPGAMs 的系统进化关系以及生物学功能进行了概述。
关键词 ： 植物 ；辅因子非依赖型 ；磷酸甘油酸变位酶
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.09.001
Research Progress on Cofactor-independent Phosphoglycerate
Mutase in Plants
Xie Xin Liu Na Wei Fengju
（Hebei Province Key Laboratory of Plant Physiology and Moleculars Pathology College of Life Sciences，Agriculture University of Hebei，
Baoding 071001）
Abstract: Cofactor-independent phosphoglycerate mutase（iPGAM）is a metalloenzyme discovered in fungi and higher plants, i.e., a
key enzyme in glycolysis and gluconeogenesis. With the progress on cloning of iPGAM gene, analysis of its protein crystal structure and biological
functions in prokaryotes and invertebrates, the function of plant’s iPGAM has captured the attentions. This article reviewed the structural
characteristics, action mechanism of plant iPGAM proteins while emphatically introducing the phylogenetic relationships and biological functions
of iPGAMs in Arabidopsis, rice and corn.
Key words: plant ；cofactor-independent ；phosphoglycerate mutase
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.92
时不需要 2，3-BPG 作为辅因子［3］。根据其氨基酸的
序列分析显示，dPGAM 属于酸性磷酸酶家族，而
iPGAMs 属于碱性磷酸酶超家族。尽管 iPGAMs 属
于碱性磷酸酶超家族，但它和碱性磷酸酶（Alkaline
phosphatase，AP）的活性有着实质性的差异。碱性
磷酸酶在蛋白保守区 AP 上包含有典型的磷酸转移
残基，具有磷酸转移活性 ；iPGAM 在蛋白保守区具
有磷酸酶的活性残基，具有磷酸酶活性［4-6］。
在过去的几十年中，人们对于动物、真菌、细
菌中的 dPGAMs 研究较多，尤其对哺乳动物和人类
dPGAMs 的蛋白结构、生化机理及其功能特性等已
有比较深入的了解［7］；与 dPGAM 所不同的是，植
物中广泛分布的 iPGAMs，而在脊椎动物中没有发
现。自从第一次从玉米中分离纯化到 PGAM-i 后［8］，
人们开始关注植物中的 iPGAMs。由于植物来源的
iPGAMs 不稳定性导致其分离纯化困难，对其研究报
道亦相对较少，目前对其功能研究尚处于初级阶段。
结合近年对植物来源的 iPGAMs 的相关报道，对其
结构特点、作用机制和生物学功能（重点介绍了拟
南芥、玉米及水稻）进行阐述。
1 iPGAM 蛋白的生化特性
1.1 结构特征
蛋白晶体结构的分析结果显示 iPGAM 具有典型
的保守域。首个报道的 iPGAM 结构是嗜热脂肪芽孢
杆菌（Bacillus stearothermophilus）中的［3］，它含有
两个显著分离的结构域，分别具有磷酸酶和磷酸转
移酶的活性。随后，在细菌、真菌及动物中都陆续
有 iPGAM 晶体结构解析，并证实了结构域的典型特
征，但在植物来源的 iPGAM 中，其成员的晶体结构
未见研究报道。植物 iPGAMs 相对于 dPGAM，分子
稍大，一般由约 500 个氨基酸残基组成，以 60 kD
的单体形式存在，其一级结构较为保守。在 iPGAMs
的 1-76 位和 311-511 位的氨基酸残基形成磷酸酶的
活性中心，该结构与碱性磷酸酶和硫酯酶结构相近，
包含多个活性位点和两个金属离子结合位点（Pfam
domain PF01676）［9］，其中的金属离子结合位点是
区别于 dPGAM 的特有的结构域［10］，且和碱性磷酸
酶的金属离子结合位点序列一致性很低。102-332
位是属于 2，3-BPG 不依赖区域（Pfam domain，PF0-
6415），包含一个保守的磷酸化位点丝氨酸残基［9］
（图 1）。77-310 位氨基酸残基区域形成磷酸转移酶
区，但与细菌 iPGAMs 蛋白一级结构中氨基酸序列
存在差异，这也体现了生物进化过程中蛋白分子的
进化过程。
1.2 活性调节
磷酸甘油酸变位酶 iPGAMs 的活性受金属离子
的影响。较早的研究结果显示，细菌中的 iPGAMs
是金属离子依赖的酶，可以结合 Mg2+［11］、Mn2+［12］，
Ni2+ 或 Co2+ 等二价阳离子［13］，且每个酶分子可以结
合两个金属离子［14］。而植物中的 iPGAMs 是否需要
金属离子来保持活性，这在当时一直存在争议。起
初报道的小麦胚芽中的 iPGAM 受 EGTA 抑制［15，16］，
其活性的恢复需要 Mn2+ 和 Co2+［17］。与这一结果相
反，蓖麻种子中的 iPGAM 活性不受金属离子影响［18］。
迄今为止，还未有报道在反应体系中把金属离子完
全去除来检测酶活性。鉴于植物和细菌中 iPGAM 序
列的高度相似性，推测植物中的 iPGAMs 也属于金
属离子依赖的酶［11］。现今的研究报道中，直接称植
物中的 iPGAMs 为金属酶。
1.3 催化机理
iPGAM 催化反应不需要 2，3-BPG 作为辅因子，
其酶的活性位点是丝氨酸。底物直接与丝氨酸结合
并使该位点磷酸化形成酶 - 底物中间体，然后通过
这个磷酸丝氨酸中间体来催化磷酸基团在磷酸甘油
酸分子内的转移［19］。其中 2- 磷酸甘油酸第 2 个碳
所结合的磷酸根来自变位酶 iPGAM，而后第 3 个碳
的磷酸根再结合到 iPGAM 上。可见，磷酸基团并非
从 3 号碳原子直接转移到 2 号碳原子上（图 2）。
2 iPGAMs 家族
2.1 家族成员
在高等植物的研究报道中，对拟南芥的 iPGAMs
研究较多。早在 2003 年，TAIR（http ：//www.arabid
opsis.org/）网站将 At1g09780、At1g22170 和 At3g08-
590 定 名 为 PGAMs，KEGG（http ：//www.genome.jp/
kegg/）网站公布了 4 个 PGAMs ：At1g09780、At3g-
50520、At3g08590 和 At5g04120。同年，Mazarei 等［20］
研 究 发 现 拟 南 芥 中 存 在 5 个 PGAMs ：At1g58280、
At2g17280、At3g50520、At5g04120 和 At5g64460［21］，
2015,31(9) 3谢鑫等 ：植物 iPGAM 的研究进
较 早 报 道 的 这 些 成 员 中 既 包 含 iPGAM 也 包 含
dPGAM。后续的研究中，拟南芥 PGAM 家族成员
逐渐增多，同时也将发现的蛋白进行了细致的鉴
别［10，22］。截至目前，文献信息报道及网站信息显
示拟南芥中的 iPGAMs 成员共计 21 个，其中两个
被 正 式 命 名 为 iPGAM1（At1g09780） 和 iPGAM2
（At3g08590），并证实二者具有磷酸甘油酸变位酶
活性 ；另外，人们推测还有两个成员 At4g09520 和
At3g30841 具有磷酸甘油酸变位酶活性［23］。其余一
些成员是否具有磷酸甘油酸变位酶的活性，尚待进
一步检测验证。玉米和水稻的 iPGAMs 家族成员报
道相对较少。玉米中的一些家族成员已经被克隆，
第一个报道的玉米 iPGAM 成员是 PGAM-i，通过筛
选 cDNA 表达文库获得了该成员的 cDNA 序列，经
⦹㊣≤にᤏই㣕㓶㧼⦹㊣≤にᤏই㣕㓶㧼
⦹㊣≤にᤏই㣕㓶㧼 ACG36195AAA33499P30792AFW84765NP_001044625NP_001055868NP_001050008NP_563852NP_1874711EQJ_A
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阴影表示氨基酸的相似度，颜色越深相似度越高 ；“*”表示植物中较为保守的磷酸化丝氨酸残基位点 ；在拟南芥、
水稻和玉米的 iPGAMs 100-330 氨基酸残基位点之间具有保守的 2，3-BPGA 不依赖的区域（Pfam domain PF06415）
图 1 iPGAMs 中的 2，3-BPGA 不依赖的区域（Pfam domain PF06415）
Ser Ser Ser Ser
COOH
HC OH 㺘⽪iPGAM S˗er㺘⽪䞦⍫ᙗѝᗳⲴэ≘䞨↻ส˗൷㺘⽪⼧䞨สഒ3-⼧䞨⭈⋩䞨 2-⼧䞨⭈⋩䞨H2C O COOHHC OH2C OP P P P PP HC OCOOHH2C OH PP
图 2 iPGAM 催化反应机理
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.94
序列比对发现 PGAM-i 与小麦胚芽、蘑菇、蜘蛛中
的 iPGAMs 成员序列相似性很低［24］。两年之后，又
成功克隆了玉米 PGAM-i 的基因组序列［25］。目前
通 过 NCBI（http ：//www.ncbi.nlm.nih.gov/） 信 息 查
询，注释为玉米 iPGAM 的蛋白共 9 个。而 Gramene
（http ：//ensembl.gramene.org/genome_browser/index.
html）信息显示，编码玉米 iPGAM 的基因存在多个
转录本，同时发现多个基因可能转录生成一种蛋白
产物。由于真核生物中基因发生可变剪切的比例较
高，至于玉米的 iPGAMs 基因在何种情况下转录翻
译成有功能的 iPGAMs 蛋白，我们不得而知。除去
NCBI 中注释的 9 个蛋白成员，与 AtiPGAM1 蛋白序
列相似性较高的成员（>70%）有 7 个，关于这些
成员的深入研究还未见报道。水稻数据库中标注为
iPGAM 的蛋白共 3 个，这些蛋白的功能还未知，活
性也未曾被验证。与 AtiPGAM1、AtiPGAM2 蛋白序
列相似性较高（>70%）的成员共 6 个，经结构域分析，
这些蛋白都具有 BPG-非依赖的结构域，推测这些蛋
白成员可能属于水稻的 iPGAM 家族。
其他植物如巴旦杏［9］、烟草、蓖麻［26］及橡胶树［27］
中都克隆了 iPGAMs 的 cDNA 序列，在草菇［28］、欧
洲油菜［29］、大青杨［30］等植物中也发现了 iPGAMs。
2.2 iPGAMs家族的进化
蛋 白 质 演 变 是 生 物 进 化 的 体 现 之 一， 其 中
iPGAMs 家族在真核生物中衍化出很多成员，或许各
个成员之间功能已有了精细差异。Stechmann 等［31］
对真核生物、真菌和古细菌的 iPGAMs 蛋白序列中
的 394 个氨基酸位点进行比对获得了系统进化树，
结果表明 iPGAMs 与很多生物的侧向基团转移有关。
为了分析不同植物物种中 iPGAMs 家族成员的进化
关系，将已知的水稻、玉米、拟南芥的 iPGAMs 成
员与最早报道的嗜热脂肪芽孢杆菌中的 iPGAMs 一
起进行系统发育树构建，结果印证了上述观点，同
种来源的 iPGAMs 未必包括在同一个亚群中，如拟
南芥的 At3g30841（NP_850651）和 At4g09520（NP_
192690）与细菌的蛋白序列相似性较高，而已报道
的在保卫细胞中发挥功能的 At3g08590（NP_187471）
和 At1g09780（NP_563852） 与 细 菌 的 序 列 相 似 性
较低，它们分别位于不同的亚群。玉米和水稻的
iPGAMs 蛋 白 表 现 出 与 拟 南 芥 已 知 功 能 iPGAMs ：
At3g08590（NP_187471）和 At1g09780（NP_563852）
的序列相似性较高，位于一个亚群（图 3），推测这
些成员的功能可能较为相近。
ACG36195
AFW84765
AAA33499
P30792
NP_001044625
NP_001055868
NP_563852
NP_187471
NP_001050008
1EQJ_A
GPMI_BACAN
NP_192690
NP_850651100
100
98
100
94
93
50
71
79
100
0.2
◇代表玉米 ；△代表水稻 ；○代表拟南芥 ；□代表细菌
图 3 不同物种 iPGAMs 系统进化树
3 iPGAMs 的定位
iPGAMs 分 布 于 多 种 器 官 组 织。 在 正 常 情 况
下，拟南芥 AtPGAM 特异性分布于茎尖和根尖分生
组织 ；囊包线虫侵染后，在入侵部位的合胞体中磷
酸甘油酸变位酶活性显著增强，并且根部组织也有
明显 AtPGAM 表达活性。另外，分布在分生组织的
AtPGM 受多种刺激调控，表明 AtPGM 与分生组织功
能及细胞周期活动有关［20］。免疫金标结果显示麝香
百合中的 iPGAM（与玉米中的 iPGAM 同源性较高）
在根尖和花柱传递细胞中表达量很高，推测这可能
与这部分细胞的代谢活动旺盛相关［32］。
研究发现 iPGAMs 定位于多种细胞器。糖酵解
的发生部位是细胞质，因此通常认为参与糖酵解途
径的酶定位于细胞质，而检测结果与这一观点存在
差异。通过对拟南芥线粒体蛋白质组学分析发现，
糖酵解途径中的 10 个酶中有 7 个也在线粒体中存在，
AtiPGAM1（At1g09780）便是其中之一，该酶定位
于线粒体外膜和膜间隙［33］。糖酵解代谢的产物——
丙酮酸的重要去路就是进入线粒体基质，参与三羧
酸循环为机体产生能量。糖酵解过程中的酶定位在
线粒体，推测这将有助于丙酮酸用于线粒体中的进
2015,31(9) 5谢鑫等 ：植物 iPGAM 的研究进
一步代谢。除线粒体之外，也有定位于其他细胞器
的 iPGAMs，Wang 等［32］通过免疫金标技术观察到
麝香百合 iPGAMs 在根的顶端分生组织中定位于细
胞质、质体及细胞核中。iPGAM 定位于多个细胞器
预示着 iPGAMs 可能在细胞中发挥多种功能。
4 iPGAMs 的生物学功能
植物 iPGAMs 参与多种生长发育过程，如气孔
运动、花粉形成及营养生长等。在拟南芥气孔中
表 达 的 两 个 基 因 iPGAM1（At1g09780） 和 iPGAM2
（At3g08590）［34］，具有 90% 的蛋白序列相似性，其
双突变体在黑暗条件下低浓度 CO2 诱导的气孔开放
和蓝光促使的气孔开放过程中表现出极为敏感的表
型，这一实验结果首次提供了遗传学方面的实验证
据，表明糖酵解过程中的酶（iPGAMs）在气孔响应
环境信号过程中发挥重要作用。另外，两个单突变
体在酶活性上没有差异，表型与野生型也没有差别。
而双突变体没有检测到 iPGAM 的酶活性，其营养生
长和生殖生长都受到严重影响，表明糖酵解代谢过
程中的两个酶 iPGAM1 和 iPGAM2 是能量代谢或者
代谢物提供途径的重要组分［23］，且两个成员之间存
在着功能冗余。拟南芥非磷酸化的 3- 磷酸甘油醛脱
氢酶（NP-GAPDH）在植物生长和发育过程中发挥
重要作用，其缺失后表现为第三、四个花蕾不能自
花授粉，经检测编号为 At3g30841 的 iPGAM 基因表
达量明显下降，预示着糖酵解过程受到了抑制［35］，
使开花受精所需的能量供应不足，表明 At3g30841
基因在花粉授粉过程中的能量代谢方面发挥着重要
功能。
在非生物胁迫响应过程中 iPGAMs 发挥着重要
功能。如拟南芥中的 AtiPGAM1（At1g09780），不仅
在生长发育过程中起作用，而且参与了响应非生物
胁迫的过程。在拟南芥受低温胁迫时，AtiPGAM1 表
达量明显增高［36］，预示 AtiPGAM1 在植物响应冷胁
迫过程中起正调节因子的作用。但也有一些 iPGAM
起负调节作用，如耐冷性较强的水稻赤霉素不敏感
突变体 gid1（Gibberellin-insensitive dwarf1），其悬浮
细胞中 iPGAM（Accession No. BAB64833）的表达量
降低［37］；在水稻花药三核期响应冷胁迫时 iPGAM
呈现部分降解［37，38］，暗示水稻的 iPGAM（Accession
No. BAB64833）是水稻响应冷胁迫的负调节因子。
生物胁迫过程中也有 iPGAM 成员的参与。在卷
心菜曲叶病毒（Cabbage leaf curl virus，CaLCuV）侵
染拟南芥 12 d 时，上位叶片表现出小、狭窄和卷曲
等症状 ；芯片结果显示 iPGAM 成员 At5g64460 表达
量下降［21］，推测这一基因可能在病毒侵染过程参与
了叶片的形态建成。
5 展望
从最初对 iPGAMs 的酶活性检测，到现阶段对
家族成员的挖掘以及功能的分析验证，经过几十年
的不断研究，人们对于植物中的 iPGAMs 有了一定
的认识，但仍有很多问题需要去探究。植物中各物
种 iPGAM 家族成员鉴定还不完全 ；与已知 iPGAM
成员氨基酸序列相似性较高的成员是否属于 iPGAM
家族 ；对于已报道的多数拟南芥的家族成员，还不
清楚它们是否具有磷酸甘油酸变位酶活性 ；如果没
有变位酶的活性，是否作为另外一种酶发挥其功
能 ；至今对于植物中磷酸甘油酸变位酶的功能知之
甚少，作为催化基础代谢过程中不可或缺的一类酶，
iPGAMs 参与了植物生命中的哪些生理过程，以及
iPGAMs 参与生理过程的分子机制是什么。随着各种
生物技术的日臻成熟与完善，后续研究中更多植物
的 iPGAMs 将会被关注，相信以上科学问题会被科
研工作者逐一揭示。
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（责任编辑 狄艳红）