全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 9 期
信号转导蛋白 PII的研究进展
王瑞 代淑贤 燕永亮 平淑珍
(中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081)
摘 要: PII蛋白是一种信号转导蛋白，存在于细菌、古细菌和植物中，该蛋白通过调节信号传导酶的活性来控制细胞内
的碳、氮代谢。就 PII蛋白的结构、功能以及在细菌和植物中 PII蛋白的研究进行了系统阐述。
关键词: PII蛋白 信号转导 碳、氮代谢 功能
Advances in the Study of the Signal Transduction Protein PII
Wang Rui Dai Shuxian Yan Yongliang Ping Shuzhen
(Biotechnology Research Institute，Chinese Academic of Agricultural Sciences，Beijing 100081)
Abstract: PII proteins are signal transduction proteins，found in bacteria，archaea and plants，control carbon and nitrogen assimila-
tion by regulating the activity of signal transduction enzymes． In this review，we have tried to bring together information to give a broad
perspective of PII proteins’structure and function and study in bacteria and plants．
Key words: PII proteins Signal transduction Carbon and nitrogen metabolism Function
收稿日期:2011-03-09
作者简介:王瑞，女，硕士研究生，研究方向:微生物学;E-mail:wangrui1214@ yahoo． cn
通讯作者:平淑珍，研究员，硕士生导师，研究方向:微生物固氮;E-mail:pingszhen@ yahoo． com． cn
PII蛋白是生物界分布最广泛的信号转导蛋白
之一，1969 年人们在研究谷氨酰胺合成酶(GS 酶)
的调节过程中发现了 PII蛋白，它广泛存在于细菌、
古细菌和植物中。因为这个蛋白出现在凝胶过滤洗
脱的第二个高峰，所以被定义为 PII蛋白
［1］。PII家族
是细菌和植物中重要的信号转导蛋白，其突出的功
能多样性使得它们通过与各种靶分子的直接作用来
参与广泛的有关氮调控途径［2］。大量的研究证明，
PII蛋白可以与 α-酮戊二酸结合并参与细胞内的代
谢调节，是重要的碳、氮平衡调节信号，在原核生物
的碳、氮代谢中发挥重要作用［1］。PII蛋白可以通过
调节转录调节蛋白的活性实现对基因转录的调节，
也可以通过调节那些参与细胞中氮代谢途径中的酶
的活性实现对氮代谢的调节，PII蛋白还可以调节铵
转运蛋白的活性［3］。
随着分子生物学和蛋白质组学分析技术日渐成
熟，以及细菌全基因组测序的完成，使人们对于 PII
蛋白的研究更加深入，发现更多的 PII类似蛋白和 PII
蛋白家族成员，包括在高等植物叶绿体中发现的。
目前 PII蛋白的分类是基于序列相似性和遗传连锁，
PII家族有 3 个亚科:glnB、glnK和 nifI
［3］。
1 PII蛋白的结构与功能
PII蛋白结构特点是小而且高度保守，其结构决
定了其作用的多样性。PII蛋白的原型是 40 年前发
现的 E． coli GlnB。在 E． coli 中有两个拷贝的 PII蛋
白基因，一个是 glnB 基因，大多数对 glnB 的描述是
它与编码 GS酶的 glnA基因以及编码谷氨酰胺水解
NAD(+)合成酶的 nadE 基因连锁［3］;另一个是
glnK基因，它与编码铵转运蛋白 AmtB 的 amtB 基因
连锁，glnK和 amtB之间的遗传耦连在所有原核生物
中是保守的，这一现象表明了其功能的重要性［3］。
研究初期，科学家对 E． coli PII蛋白(GlnB)进行
SDS-PDGE，鉴定结果是一个四聚体［4］，但后来对 PII
蛋白晶体进行超速离心试验及 X 射线衍射表明它
事实上为三聚体［5］。在所有物种中 PII蛋白三聚体
的结构是一样的，并且通过生物信息学和蛋白质组
学分析，这种构型普遍存在于调控蛋白复合体中。
例如，与铜耐受性相关的 CutA1，以及哺乳动物体内
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
的乙酰胆碱酯酶都具有这样的三聚体结构［6］。利
用弯月面耗尽的沉降平衡试验估价 PII 蛋白的分子
量是 35 ± 1 kD，PII单体的分子量约为 0. 012 kD
［5］。
E． coli GlnB每个单体含两个 α螺旋，6 个 β折叠，其
中两个 α 螺旋与第一到第四个 β 折叠形成两个
(βαβ)2基序，两个基序由从 Gly-37 到 Phe-55 之间
形成的一个大环所连接。在该环的顶端，即是尿苷
酰化位点 Tyr-51，因此该环被称为 T-环。在 GlnB的
单体结构中还有两个环，称为 B-环和 C-环。E． coli
Glnk也形成三聚体，并且它们的核心结构极其相
似，不同之处在于 T-环结构的不同，GlnK T-环的 47
－ 49 残基形成了一个 310螺旋，T-环顶部较 GlnB 更
靠近分子核心的顶部［7］。GlnK的 B-环和 C-环也与
GlnB的不同，GlnK B-环的顶部距 GlnK 表面的距离
与 GlnB B-环的顶部距 GlnB表面的距离差 4. 3，其
C-环含有一个而不是两个 β折叠和一个 310螺旋，该
螺旋使多肽的末端折回到狭缝的底部。有研究对 6
种菌的 GlnB 和 GlnK 的氨基酸序列进行了同源性
比较，发现有 5 个氨基酸残基(3、5、52、54 和 64 位)
可以区分 GlnB 和 GlnK［8］。在 GlnB 蛋白的中心腔
中 Lys3 和 Glu5 组成了一个相反电荷形成的环，而
在 GlnK蛋白中第 3 位和第 5 位的氨基酸残基是不
带电荷的，这种差别使得在形成三聚体时电荷的差
异可以阻止异型三聚体的形成。第 52 位和第 54 位
的氨基酸残基参与 T-环的形成，其差异将影响 T-环
的结构，进而影响蛋白的生物学功能(表 1)。
PII蛋白结构中的 T-环(Δ47 － 53)起着较重要的
作用，它和 PII蛋白与其他蛋白的相互作用有关。不
同种中的 T-环长度不同尽管其序列残基保守［7］。
当 glnB 基因中 Tyr-51 尿苷酰化位点变为 Phe、Asn
或 Ser时，则不能被尿苷酰化［9］。Tyr-46 在 PII蛋白
中高度保守，但若突变为 Phe，则可使 GlnB 的尿苷
酰化速度大为下降。去除 T-环顶部后也影响 GlnB
的尿苷酰化，该突变改变了 GlnB与所有 3 种已知受
体的相互作用(UTase /UR、NtrB 和 ATase)［10］，但却
没有影响到小分子效应物的结合，这说明 T-环为
GlnB与其靶向物相互作用所必须的。
PII蛋白依靠与靶蛋白(酶、转录因子或膜蛋白)
之间的相互作用完成氮代谢调控，PII蛋白感应细胞
氮信号并迅速与目标蛋白相互作用这一能力的主要
特征是与中间代谢产物 2-OG(2-酮戊二酸)的结合。
但配体在 PII蛋白中的结合位点一直存在争议，最近
有研究报道了分辨率为 1. 4 的 Azospirillum brasi-
lense PII蛋白 GlnZ与 MgATP和 2-OG复合体的 X-光
衍射晶体结构，这个结构与之前关于 2-OG 与各种
PII蛋白结合的生化数据极其吻合，并表明了 2-OG
结合在同源三聚体相邻亚基形成的裂缝中。2-OG
的 2-含氧酸部分与 Mg2 +通过 ATP 的 3 个磷酸氧和
T-环的 Gln39 残基侧链结合在一起。这个复合体结
构与很早以前报道的 Methanococcus jannaschii GlnK1
蛋白中 2-OG与 PII蛋白 T-环结合的结构产生鲜明对
比［11］。
2 PII蛋白在生物体中的研究进展
2． 1 巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense)中 PII蛋
白研究进展
在 A． brasilense 中，有两个拷贝的 PII蛋白基因，
一个与 E． coli glnB 基因高度同源，且与编码 GS 酶
的 glnA基因连锁，第二个拷贝的 PII蛋白基因称为
glnZ基因，且与编码天门冬氨酸转录酶(Aat)的 aat
基因链锁。这两个基因可以共转录也可以单独转
录，glnB 前有两个启动子，但 glnB 的表达不是 NtrC
依赖型的。glnA 启动子中也不含有已发现的启动
子的共有序列，在以分子态氮为唯一氮源时，glnA
的转录水平下降［13］。GlnZ 对运输蛋白 AmtB 的活
性起负调节作用，但其突变对固氮作用没有明显的
影响。glnZ基因类同于很多固氮基因，其转录依赖
于 σ54因子，需要 NtrC 激活蛋白。法国曾报道，glnB
在固氮中的调控作用可能是激活 NifA 蛋白［14］。推
测其作用机理是 glnB 的产物 GlnB 与 NifA 相互作
用，从而激活 NifA 的活性。glnB 和 glnZ 基因虽然
具有较高的同源性，但在固氮中的作用相差很大。
与 E． coli不同的是，GlnB和 GlnZ对 GS活性修饰都
不起作用，GlnB和 GlnZ都可被 GlnD尿昔酞化或去
尿昔酞化，如果双突变则导致突变株生长受损，两者
在不同的铵浓度下有不同水平的合成，它们可能也
通过感受不同的铵浓度来调节细胞的功能［15］。
2． 2 深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)中 PII蛋白
研究进展
在深红红螺菌中，除了 GlnB 之外，还存在两个
PII蛋白，即 GlnK和 GlnJ，这 3 个蛋白既存在相同的
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2011 年第 9 期 王瑞等:信号转导蛋白 PII的研究进展
表 1 PII蛋白特性概况
［12］
Taxon(total no． of PII sepquences) PII*
No． of PII sequences conatining
Flanking gene
PS signatureb
Uridylation site C-terminal region
Proteobacteria(437) GlnK Ammonium transporter 201 182 191
GlnB Glutamine synthetase 62 60 62
NAD + synthetase 47 47 47
NifI Nitrogen fixation genes 5 0 3
PII Heavy mental efflux pump 20 0 3
PII Others 102 98 94
Firmicutes(56) GlnK Ammonium transporter 28 0 26
NifI Nitrogen fixation genes 24 0 17
PII 4 0 4
Archaea(91) GlnK Ammonium transporter 37 0 31
NifI Nitrogen fixation henes 42 0 38
PII Others 12 0 11
Cyanobacteria(39) PII Henolysin A 13 0 13
Others 26 17 25
Actinotxacteria(34) Ammonium transporter 33 26 21
PII Others 1 1 1
Chlorobi(38) GlnK Ammonium transporter 18 0 11
NifI Nitrogen tixation genes 20 0 10
Chloroflexi(4) GlnK Ammonium transporter 2 0 2
NifI Nitrogen tixation genes 2 0 1
Others(49) GlnK Ammonium transporter 30 1 26
NifI Nitrogen tixation genes 2 0 0
PII Others 17 3 9
功能，又有自己独特的功能。GlnB 参与激活 NifA
的活性，而 GlnK 和 GlnJ 却不参与这个过程，相反，
GlnB和 GlnJ都可以参与对固氮酶 ADP核糖基化修
饰的调节，并且 GlnB 和 GlnJ 都是该菌生长所必需
的，3 种蛋白都可以单独完成对 GS酶活性的翻译后
调节。有研究分析了 GlnJ与目标蛋白 AmtB1(铵转
运蛋白) ，GlnE(腺苷转移酶)和 GlnD(尿苷酰转移
酶)之间的相互作用，在体外试验中，GlnJ 与目标蛋
白之间的作用受 Mn2 +、2-OG浓度和 ADP /ATP比率
的调控。当 ADP /ATP 比率增加时，GlnJ 尿苷酰化
下降，并且当有 2-OG存在时，GlnE的腺苷化活性随
ADP /ATP比率的增加而增加［16］。
2． 3 固氮施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)中
PII蛋白研究进展
在固氮菌中，很多固氮相关基因是受 ntr 系统调
控的。ntr 系统由 ntrA、ntrB 和 ntrC 三个基因组成，
ntrA是 σ54的结构基因，NtrB 和 NtrC 是 ntr 系统的活
化因子［17］。肺炎克氏杆菌和大肠杆菌(E． coli)中，
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
glnK基因的表达受 NtrC 的调控，且 glnK 基因的启
动子为 σ54依赖型［18］;但在 A． vinelandii 菌中，glnK
基因的启动子为 σ70依赖型，并且基因表达不受 Nt-
rC的调控［19］。何升［20］构建了 P． stutzeri A1501 的
glnK基因突变株，研究发现在 glnK基因的启动子上
游 － 12 / － 24 处具有 σ54相似的结合位点，进一步研
究发现在低氮的情况下 glnK 基因的表达从依赖于
σ54的启动开始转录，表达受 NtrC 蛋白调控;在高氮
条件下，glnK-lacZ融合质粒在 glnK突变株和野生型
A1501 中具有相似的 β-半乳糖苷酶活性，而表达载
体 ppR9TT 在 P． stutzeri A1501 中几乎不能表达，说
明在高氮条件下，glnK 基因可能从不依赖于 σ54和
NtrC 蛋白调控的启动子开始转录并进行低水平表
达。此现象类似于 R． capsulatus 和 H． seropedicae 中
glnK基因的表达，在低氮条件下，glnK 基因从一个
依赖于 σ54启动子处开始转录，其表达受 NtrC 蛋白
调控;而在高氮条件下 glnK基因从一个未知的启动
子开始转录，低水平组成型表达。
2． 4 蓝细菌中 PII蛋白研究进展
张颖等［21］构建了具有 cre-loxp重组酶系统的异
型蓝藻 Anabaena sp． PCC 7120 的 glnB基因突变株，
在固氮条件下突变株比野生型菌株生长得慢。在硝
酸盐存在时，突变株谷氨酰胺合成酶活性明显降低，
而野生菌中同样的条件会诱导高的谷氨酰胺合成酶
活性。这个结果表明，当细胞利用硝酸盐时，PII蛋
白可以直接或间接刺激谷氨酰胺合成酶活性，而当
细胞利用铵时抑制谷氨酰胺合成酶活性。在含硝酸
盐的培养基中，Anabaena sp． PCC 7120 的 glnB 基因
突变株的硝酸还原酶活性比野生型高。突变株的固
氮酶活性很低，但是在固氮条件下能形成异型细胞，
表明 PII蛋白不需要异型细胞的分化。PII蛋白的缺
失影响几乎所有的氮代谢过程。通过质谱分析发
现，PII蛋白的 Tyr51 在固氮条件下生长时被硝基化
修饰，这是一种新发现的 PII蛋白修饰方式，为研究
PII蛋白的调节功能提供了很好的线索。
2． 5 植物中 PII蛋白研究进展
在真核生物中，PII蛋白仅在红藻及植物中被发
现，细菌之外的第一个 PII基因是在红藻 Porphyra
purpurea的叶绿体基因组中发现的［22］。研究显示，
PII蛋白在高等植物中分布较广泛，Hsieh 等
［23］已从
拟南芥、蓖麻、番茄和大豆中克隆了 PII蛋白基因。
植物中氮的同化在叶绿体中完成，由核基因控制的
PII蛋白位于叶绿体中，因而叶绿体是碳、氮互作的
第一个场所。拟南芥 PII蛋白基因 GLB1 的氨基酸序
列与 E． coli有 50%一致性，但是 N端有一段大约 70
个氨基酸的保守结构域，其功能是引导 PII蛋白向叶
绿体的定位，在成熟蛋白中该结构域被切掉。未发
现植物中的 PII蛋白有磷酸化修饰过程
［24］。
3 展望
在本研究中，我们不只阐述了 PII蛋白的结构与
功能，还列举了不同细菌和植物中的 PII蛋白。研究
发现 PII蛋白有着更广泛的作用，在氮代谢的许多方
面，包括氮化合物的获取、同化和分解，它起到了协
调作用。基因组序列信息分析的迅猛发展让我们发
现 PII蛋白是无处不在的，基因功能性耦合这一观念
的发展更为研究 PII蛋白提出了新目标。因此在了
解更多 PII蛋白家族成员方面我们还有许多新的
挑战。
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(责任编辑 狄艳红)
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