全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 11 期
GAST家族基因及蛋白研究进展
白英男 冯丹丹 林军岳 冯娟 任正隆
(电子科技大学生命科学与技术学院，成都 610054)
摘 要: GAST(GA-stimulated transcript)家族基因是在植物中发现的、表达受 GA 诱导的一类基因，其编码的蛋白由 N-
末端信号肽、中间不同长度的亲水区域，以及含有 12 个保守半胱氨酸的 C-末端(简称 GASA 区域)组成。至今，GAST家族基
因已经在多种植物中被发现并报道。它们在植物不同组织、不同发育阶段表达，参与了细胞分裂、细胞延伸、根发育、果实成
熟、抗菌及抗氧化等多种生理学过程。综述近年来各种植物中报道发现的 GAST基因的时空表达图谱、蛋白质定位及外源因
素对其转录水平调控方面的研究。同时，对其结构、功能及与富含 Pro蛋白的关联等方面存在的问题进行讨论。
关键词: GAST 时空表达图 蛋白质定位 调控
Research Progress in GAST Family Genes and Proteins
Bai Yingnan Feng Dandan Lin Junyue Feng Juan Ren Zhenglong
(School of Life Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054)
Abstract: GAST(GA-stimulated transcript)family genes are discovered in plants with expression stimulated by GA． Their enco-
ding proteins consist of N-terminal signal peptides，hydrophilic regions with varying length，and a C-terminal domain containing 12 con-
servative cysteine residues(denoted as GASA domain)． As so far，GAST family genes have been successfully identified in some plants．
It was found that GAST genes were usually highly expressed in special organs or during the developmental stage，indicating that they are
involved in many significant physiological processes，including cell division，cell elongation，root growth，fruit maturation，defense barri-
ers against plant pathogens，as well as antioxidative process． In this review，we summarize the progress in their spatio-temporal expres-
sion profiles，protein locations，and regulation on the transcript level． In addition，we also discuss some problems on its structure，biologi-
cal function in vitro and its interaction with proline-rich proteins．
Key words: GAST Spatiotemporal expression profiles Protein localization Regulation
收稿日期:2011-06-01
基金项目:国家自然科学基金项目(30730065，20973034)
作者简介:白英男，男，硕士研究生，研究方向:蛋白质工程;E-mail:earthwolf365@ 163． com
通讯作者:冯娟，E-mail:fengjuan@ uestc． edu． cn
GAST(GA-stimulated transcript)家族基因是在植
物中发现的、表达受 GA诱导的一类基因。自从 1992
年 Shi等［1］首次从 GA-缺失的番茄(Lycopersicon escu-
lentum Mill)突变体 cDNA 文库中发现了 GAST 基因
GAST1后，先后从拟南芥(Arabidopsis thaliana)、矮牵
牛花、水稻(Oryza sative)、马铃薯(Solanum tuberos-
um)、大丁草(Gerbera hybrida)、草莓(Fragaria vesca)
及玉米(Zeamays)等双子叶和单子叶植物中报道发现
了该类基因。通过上述基因编码蛋白的氨基酸序列
比对，发现该家族蛋白由 N-末端信号肽、中间不同长
度的亲水区域，以及含有 12 个保守半胱氨酸的 C-末
端(简称 GASA 区域)组成(图 1)。通过对其时空表
达模式、蛋白质定位和调控等方面进行研究发现，该
类蛋白在植物细胞分裂、细胞延伸、根发育、果实成熟、
抗菌和抗氧化等多种生理学过程中发挥了重要作用。
1 GAST家族蛋白简介
1. 1 GAST家族蛋白的功能
1. 1. 1 细胞延伸 1992 年和 1998 年，Shi 等［1，2］研
究发现番茄中的 GAST1 基因在延伸的芽中表达，番
茄中另一个 GAST-类似基因 RSI1 基因却在根中表
达。1996 年，Ben-Nissan 等［3］发现矮牵牛花中的
GIP1 促进了花冠和茎延伸;当 GIP2基因被 CaMV 35S
2011 年第 11 期 白英男等:GAST家族基因及蛋白研究进展
图 1 不同植物中发现的 GAST家族蛋白保守
GASA区域氨基酸序列比对
强启动子驱动后，茎和花冠的延伸被增强，而 GIP2
被 RNA干扰后转基因植株茎延伸减慢。由此可见，
GIP1 和 GIP2 在细胞延伸中发挥作用。
与此情况相反，1999 年，Kotilainen 等［4］研究发
现大丁草中的 GEG 过量表达会导致花组织中细胞
延伸减慢，而促进放射状细胞膨胀。通过比较 GIP
与 GEG在细胞延伸过程中不同的功能，推测这种差
别可能与 N-末端区域多变有关。2006 年，de la Fu-
ente等［5］发现草莓中 FaGAST基因在处于延伸区域
的根细胞中表达，而且过量表达草莓中 FaGAST 基
因的拟南芥生长迟缓，果实变小［6］，由此证明 Fa-
GAST在果实成熟过程中抑制了细胞延伸。
1. 1. 2 细胞分裂 1998 年，Aubert 等［7］通过免疫
组化的研究发现拟南芥中的 GASA4 的启动子在分
生组织中也具有活性，这表明 GASA4 参与了细胞的
分裂。2004 年，Ben-Nissan 等［8］发现矮牵牛花中的
GIP4 和 GIP5 在细胞分裂中发挥了作用。2006 年，
Furukawa等［9］发现单子叶植物水稻中 OsGASR1 和
OSGASR2 参与了细胞的增殖，两者在细胞增殖活跃
的芽尖和根尖分生组织中大量表达。2010 年，Rubi-
novich等［10］研究发现，拟南芥中的 GASA4 促进了
花和种子的细胞分裂发育效应。
1. 1. 3 根发育 1994 年，Taylor等［11］研究表明番茄
中的 RSI1基因参与了根发育。1998 年，Aubert等［7］
发现拟南芥中 AtGASA4 参与了初生根和侧根细胞
的发育。2010 年，Zimmermann 等［12］发现单子叶植
物玉米中 GAST-类似基因也参与了侧根形成。
1. 1. 4 果实成熟 2006 年，de la Fuente 等［5］发现
草莓中 FaGAST基因在成熟的果实中大量表达，表
明 FaGAST基因在果实成熟过程中发挥了作用。
1. 1. 5 促进细菌聚集 1999 年，Segura 等［13］从马
铃薯块茎中分离获得 GAST 类似蛋白 StSN1，它能
促使植物病原菌聚集。2002 年，Berrocal-Lobo
等［14］又从马铃薯中获得另一个 GAST 类似蛋白
StSN2，它能促使格兰氏阳性菌马铃薯环腐病菌和
格兰氏阴性菌青枯菌聚集。StSN1 与 StSN2 序列
同源性仅为 38%。
1. 1. 6 抗氧化 2006 年，Bindschedler 等［15］在研究
矮牵牛花 GIP2 基因时，发现当它在转基因矮牵牛花
中过量表达时，叶片创伤后产生的过氧化氢含量明
显下降，这表明 GIP2 蛋白能清除过氧化氢，具有抗
氧化活性。至于其具体的抗氧化机理初步推测可能
与其 GASA区域中含有具有氧化还原活性的半胱氨
基酸对(CXC或 CXXC)有关(图 2)。2010 年，Rubi-
novich等［10］对于拟南芥的 GASA4 蛋白的研究发
现，该蛋白的过量表达明显缓解了由 H2 O2及 SNP
引起的宿主菌的氧化损伤。
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图 2 不同材料中 GASA区域的半胱氨酸分布及
可能的氧化还原对 CXXC和 CXC
1. 2 GAST家族蛋白的定位
在 GAST 家族蛋白的亚细胞定位方面，早在
1992 年，Shi 等［1］就通过生物信息学的软件分析
GAST1 中既不含有内质网定位序列 KDEL，又不含
有液泡定位序列，所以推测 GAST1 可能定位于细胞
壁。1999 年，Kotilainen 等［4］在研究大丁草中 GEG
时赞同 Shi 的观点。1999 年，Segura 等［13］在研究马
铃薯中的 GAST 类似蛋白时，通过生物化学和分子
生物学手段比较发现，StSN1 含有一个由 25 /24 个
氨基酸残基组成的信号肽，信号肽的存在与细胞壁
定位一致(图 3)。2004 年，Ben-Nissan 等［8］首先运
用 PSORT软件预测 GIP1 中含有一个不能切割的疏
水的 N-末端信号肽，因此蛋白可能定位于内质网膜
上，然后通过 GIP 基因与 GFP 构建融合表达载体，
并借助荧光显微镜观察发现 GIP1 的确存在于内质
网膜上。同时，在采用原核表达获得 GIP蛋白，然后
免疫新西兰兔制备多克隆抗体后，运用细胞成分的
免疫印记分析发现 GIP4 也定位于内质网膜，而
GIP2 和 GIP5 却定位于细胞壁基质中。2006 年，Fu-
rukawa等［9］通过搜索水稻 EST 数据库获得了两个
GAST 类似蛋白 OsGAST1 和 OsGAST1。OsGAST-
GFP的融合蛋白显示出目标蛋白存在于非原质体或
细胞壁中。2008 年，Peng 等［16］从矮牵牛花的细胞
壁中分离获得一种 GAST 类似蛋白 PRGL。2009
年，Wang［17］发现水稻中的另一个 GAST 类似蛋白
OsGSR1 定位于原生质膜、细胞质及核中。2010 年，
Zimmermann等［12］提出在 10 个玉米 GAST类似蛋白
中有 8 个 GAST-类似基因，命名为 ZmGSL 都含有可
以切割的信号肽，这表明它们会分泌到细胞外基质
中。上述亚细胞定位与功能密切相关。
图 3 马铃薯 StSN1 蛋白的信号肽及成熟肽段部分
1. 3 外因对 GAST家族基因的调控
1. 3. 1 植物激素的影响 大量研究表明，植物激素
如 GA、ABA和茁长素等可以控制 GAST家族基因的
表达。1992 年和 1998 年，Shi 等［1，2］研究发现番茄
中的 GAST1 基因受 GA诱导表达，但 ABA处理会抑
制其表达，而番茄中另一个 GAST-类似基因 RSI1 基
因却受茁长素诱导。1996 年和 2004 年，Ben-Nissan
等［3，8］发现矮牵牛花中的 GIP1、GIP2、GIP3 和 GIP4
的表达均受 GA诱导。1999 年，Kotilainen 等［4］研究
发现，GA 可以诱导大丁草中的 GEG 在花冠和心皮
中表达。1999 年，StSN1 的 mRNA 水平被发现受
GA及创伤影响［13］。2006 年，de la Fuente等［5］研究
了草莓中的 FaGAST 基因，发现它的转录水平随着
GA处理而提高。同年，Furukawa 等［9］发现水稻中
的 OsGASR1 和 OSGASR2 均受 GA 诱导而上调。
2009 年，Wang等［17］在水稻中发现了另一个 GAST-
家族基因 OsGSR1，它的转录水平受 GA 调控，同时
也受 BR影响。通过转基因植株形态的变化、内源
性 GA、BR含量的检测、GA 及 BR 生物合成相关基
因转录水平的研究、酵母双杂交等发现 OsGSR1 介
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导了水稻中 GA和 BR信号传导通路之间的交叉。
模式植物拟南芥中含有 14 个 GSAT家族成员，
它们具有不同的表达模式，其中 GA 可以诱导 GA-
SA1 和 GASA4 表达，但不影响 GASA2 和 GASA3 的
表达。2010 年，Rubinovich 等［10］证实了这一点，他
们发现拟南芥中的 GASA4 受 GA 调控，进而引起一
系列的 GA响应。同年，Zimmermann等［12］发现单子
叶植物玉米中含有 10 个 GAST-类似基因(命名为
ZmGSL1-ZmGSL10) ，它们的转录水平均受 GA 诱导
而上调。
1. 3. 2 氧化胁迫的影响 2002 年，Berrocal-Lobo
等［14］发现马铃薯中 StSN2 基因的表达受植物病原
菌入侵诱导，同时也受到外界创伤影响。2006 年，
Furukawa等［9］研究发现，紫外线照射能够诱导水稻
中 OsGASR1 转录水平提高，而高盐、低温等氧化胁
迫却对 OsGASR1 几乎无影响。同年，Bindschedler
等［15］发现矮牵牛花中的 GIP2、GIP4 和 GIP5 可能参
与了氧化还原调控，它们随着外源性 H2O2处理转录
水平提高。
1. 4 与富含 Pro蛋白之间的关联
2006 年，Wigoda 等［18］报道法国豆细胞中存在
一种结合几丁质的蛋白，它是由一个富含 Pro 的蛋
白 PRP 与一个含有 GASA 区域的 Snakin-2 类似蛋
白组成的二元复合体，它在植物 －病原体相互作用
过程中参与了病原体的识别和结合，但两类组成蛋
白是分别由不同的基因编码的。与此情况不同，
2008 年，Peng 等［16］通过设计保守引物，并结合 3-
race和 5-race 手段从大丁草 cDNA 中克隆得到一
个 PRGL基因，它编码的蛋白定位于细胞壁，既包含
富含 Pro 的蛋白区域，同时又含有 GASA 区域。
PRGL基因受 GA和创伤诱导表达。
1. 5 GAST家族蛋白的生化提取及表达
在已报道 GAST 家族基因或蛋白的植物中，大
多数是通过 cDNA文库筛选或 EST数据库筛选获得
了目标基因。1999 年与 2002 年，Segura 和 Berrocal-
Lobo［13，14］从马铃薯块茎中通过生化方法，结合
HPLC分离纯化直接获得了 StSN1、StSN2 蛋白，再通
过 3-和 5-race 获得了基因的 cDNA 全长序列。
2006 年，Wigoda 等［18］从法国豆细胞中提取了一种
富含 Pro的 PRP蛋白与 GASA区域组成的二元复合
体。2008 年，Peng 等［16］从矮牵牛花的细胞壁中分
离获得一种 GAST 类似蛋白 PRGL。
对于富含半胱氨酸的 GAST 家族蛋白，除了可
以通过上述分子生物学或生化方法获得外，近年来
国外和国内研究组都开展了一些基因工程的研究。
如 2004 年，Ben-Nissan等［8］采用 pET系统原核表达
了矮牵牛花中的 GIP蛋白。2008 年 Peng等［16］利用
pET-30 作为原核表达载体，大肠杆菌 BL21(DE3)
作用宿主菌，成功水溶性表达了矮牵牛花 PRGL 中
的富含 Pro 区域，并免疫新西兰兔，制备了 anti-
PRGL血清，与亚细胞蛋白成分进行了 Western blot-
ting分析。2009 年，Kovalskaya 等［19］采用携带 pelB
信号序列的 pET-26b表达载体，表达了马铃薯中的
StSN1，获得的蛋白主要以包涵体形式存在于周质空
间。通过对包涵体的变性、复性处理，发现目标蛋白
具有抗菌活性。2009 年，Liu 等［20］先后采用 pET-
28、pET-32 系统表达了手掌参中的 GAST 家族蛋白
GcGASA，发现当信号肽存在时，目标蛋白主要以包
涵体形式存在，而信号肽缺失后可以极大提高外源
蛋白的可溶性。同时发现，较之 pET-28，采用 pET-
32 系统表达的可溶性蛋白更多，这可能是因为在质
粒 pET-32 上目标蛋白基因片段前面的硫氧还蛋白
促进了目标蛋白的正确折叠。但是，由于硫氧还蛋
白上含有半胱氨酸，这直接影响了融合蛋白进行下
游的一些功能性检测试验。为了解决这一问题，目
前本研究小组进行了两方面的工作:一是用肠激酶
对融合蛋白进行酶切，从而得到干净的目的蛋白;另
一方面，采用 pET-28 原核表达载体进行试验，进而
对表达的包涵体蛋白变性复性研究，以此得到满足
下游试验要求的样品。上述原核表达的研究对后续
获得足够量蛋白、开展结构方面的研究及后续进行
一些突变的研究提供了参考。
2 结论
如前所述，GAST 家族蛋白在多种植物中均有
报道，它们在植物不同组织中表达，参与了细胞分
裂、细胞延伸、抗菌等多种生理过程，调节了植物的
发育。上述生理学功能必然与结构密切相关。根据
GAST家族蛋白的氨基酸序列可知，除了不同长度
的信号肽外，GAST 家族蛋白还含有不同长度的亲
水区域及保守的 GASA区域，其中多变的 N-末端可
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能导致它们在植物发育过程中不同的时间空间模
式，进而影响了特异的生理学功能;而在进化过程中
未发生显著变化的富含半胱氨酸的 GASA区域可能
决定了该类蛋白在结构或生化方面的角色。对于富
含半胱氨酸的 C-末端，二硫键的连接模式、高级结
构等尚待采用质谱、圆二色、核磁、X-射线晶体衍射
等手段深入研究。此外，研究该类蛋白与其他生物
大分子或细胞聚合物的相互作用将对揭示该类蛋白
的功能及作用机理提供有益的帮助。
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(责任编辑 狄艳红)
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