全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 4期
植物泛素结合酶 E2功能研究进展
王金利1 史胜青 2 贾利强 3 江泽平 2
( 1北京市林业保护站,北京 100029; 2中国林科院林业研究所,北京 100091;
3中国科学院遗传与发育生物学研究所,北京 100101)
摘 要: 泛素26S蛋白酶体途径是细胞内蛋白质选择性降解的重要途径, 广泛参与植物生长发育相关过程。该途径中
关键酶主要包括泛素活化酶 ( E1)、泛素结合酶 ( E2)和泛素连接酶 ( E3), 对靶蛋白泛素化起重要作用。在简单概述泛素化过
程的基础上, 主要对近年来植物 E2蛋白在 DNA修复、光周期和维管分化调控, 缺素及抗逆胁迫响应中的功能进行综述, 为今
后该蛋白功能的深入研究及木本植物中该功能基因的发掘奠定基础。
关键词: 泛素 26S蛋白酶体 泛素结合酶 DNA修复 生长发育 胁迫响应
Progress on Functions of Ubiquitinconjugating Enzyme( E2) in P lants
W ang J inli
1
Shi Shengq ing
3
Jia L iq iang
2
Jiang Zeping
2
(
1
Beijing M unicipal Forestry Protection Station, B eijing 100029;
2
Institute of G enetics and D evelopm ental B io logy,
Chinese A cademy of Science, Beijing 100101;
3
Institute of Forestry R esearch, Chinese A cademy of Forestry, Beijing 100091)
Abstrac:t The ubiquitin26S pro teasom e pa thway ( UPP ) is the c rucial regu la tory m echan ism for se lective prote in degradation in a
w ide variety o f deve lopm entalprocesses in p lants. The key enzym es invo lve in UPP inc lude ub iqu itinactiv ating enzyme ( E1) , ubqu itin
conjuga ting enzym e ( E2) and ubiqu itinliga ting enzym e ( E3) , and play an im po rtan t ro le in the ub iqu itination o f tagarted pro te ins.
Based on the simp le summ ariza tion o fUPP, this article rev iew ed the functions o f E2 pro teins on DNA repa irs, regulations o f pho toper iod
and vascu lar differentiation, responses o f nu trition de fic iency and stress resistance, wh ich w ou ld bene fit the future study of E2 pro te ins in
p lants and the m ining o f E2 genes in woody plants.
Key words: Ubiqu itin 26S pro teasom e Ubquitinconjugating enzym e DNA repa ir Deve lopm ent S tress response
收稿日期: 20091225
基金项目:国家 十一五 !科技支撑专题 ( 2006BAD03A0104)
作者简介:王金利,男,硕士,工程师,主要从事森林病虫害检疫和防治研究与工作
通讯作者:史胜青,男,博士,助理研究员,主要从事树木逆境生理与分子生物学; Em ai:l sh .i sh engq ing@ ca.f ac. cn
泛素 - 蛋白酶体途径 ( ubiquitinproteasome
pathw ay, UPP)广泛存在于真核生物中,并且在维持
细胞功能以及细胞周期运转,抵御环境胁迫,胚胎发
育,激素响应和衰老等方面发挥着重要的作用 [ 1 - 8 ]。
在泛素化过程中, 关键酶主要包括泛素活化酶
( E1)、泛素结合酶 ( E2)和泛素 -蛋白连接酶 ( E3) ,
对维持细胞内蛋白质的产生和降解的平衡及维持细
胞的稳态和正常功能方面起着重要作用 [ 9, 10]。植物
泛素化研究在拟南芥中最为深入,约 1 400个基因
(占总蛋白质数量的约 5% )编码蛋白泛素化系统的
组分。其中, E 1基因只有 2个,其突变体是致死型;
E2基因有 37个, E2like基因 8个; E3基因超过
1 300个, 并决定泛素化底物的特异性 [ 5 ]。近年来,
E3蛋白在调控植物生长发育以及应对逆境胁迫等
方面研究进展较大 [ 11- 15 ] ,而 E2蛋白功能研究尽管
也取得了一定进展, 但相对缓慢。在简单概述泛素
化作用过程的基础上, 主要对近年来 E2蛋白的功
能进行综述, 为今后该蛋白功能的深入研究奠定
基础。
1 泛素化过程
泛素 -蛋白酶体途径是细胞内蛋白质选择性降
解的重要途径。泛素分子 ( ub iqu it in)主要通过泛素
活化酶 ( E1)、泛素结合酶 ( E2)和泛素 - 蛋白连接
酶 ( E3)与靶蛋白结合形成一条多泛素链,将底物蛋
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 4期
白泛素化, 使靶蛋白被 26S蛋白酶所识别和降
解 [ 3, 10] ,这是一个需能、涉及三步酶促级联反应的过
程。首先泛素的 C末端甘氨酸残基在一个 ATP的
参与下与 E1的半胱氨酸残基间形成高能硫酯键;
然后, E1把激活的泛素通过 Ub腺苷酸中间产物形
成 E2U b巯基酯;在 E3的催化下, 泛素的 C末端与
蛋白底物的赖氨酸残基以一个酰胺异构肽腱连接,
E2被释放;单个连接的泛素残基尚不足以引起底物
降解, 活细胞中有一系列的泛素残基可加到前一个
泛素的第 48位赖氨酸残基上, 形成多聚泛素链
( po lyU b) ;最后, 26S蛋白酶体的 19S调节复合体识
别、结合、展平泛素化的底物蛋白, 然后由 26S蛋白
酶体的催化核心 20S复合体最终将蛋白水解成含有
3- 22个氨基酸残基的多肽, 而多聚泛素链在泛素
再循环酶的作用下分解成单个泛素分子后释放出来
并被重新利用, 从而形成泛素 - 蛋白酶体途径的
循环。
2 E2蛋白结构特点及种类
植物基因组编码 37个 E2基因及 8个 E2like
基因, 部分决定着蛋白泛素化的效率和特异性 [ 16 ]。
E2蛋白都包含有一个 150个氨基酸组成的保守催
化结构域,内含有一个高度保守的半胱氨酸 ( cyste
ine)保守位点; E2like蛋白则只包含有一个 UBC结
构域, 而缺少 E2酶的催化位点半胱氨酸, 因此没有
E2的酶活性。 E2蛋白 ( UBC )可分为 4大亚类:
C lass I只含有 UBC结构域, C lass II包含有一个 C
端延长的蛋白序列, C lass III包含一个在 N端延长
的蛋白序列, C lass IV包含有 N端和 C端延长的蛋
白序列 [ 17]。体外酶活性测定表明 E2中有 17个蛋
白有酶活性 [ 18]。
3 E2蛋白功能
3. 1 DNA修复
近年来,有关 E2基因在 DNA的修复进程中研
究比较多。在核酸修复途径中, UBC35 /UBC36和
Mms2p /U ev1a蛋白形成复合物,在赖氨酸位点催化
形成泛素链,引发核酸修复的信号转导,从而完成对
受损核酸的修复 [ 19 ]。A tUBC13在 DNA复制后修
复以及 N末端序列的蛋白的降解方面也发挥着重
要的作用 [ 20]。UBC13协同 E3连接酶 RNF8通过依
赖泛素化的信号途径来传递 DNA损伤信号。 DNA
损伤引发染色质蛋白的磷酸化, 促使 RNF8UBC13
复合物定位到受损伤的核酸部位,产生泛素链,触发
DNA修复信号通路, 使 RAP80蛋白和整个 Brca1 A
复合物定位到受损伤的 DNA部位, 对损伤的 DNA
进行修复 [ 21]。但是 UBC13在这一进程中如何发挥
作用还存在着未知。最近研究表明, RNF8UBC13
复合物可以独立行使底物蛋白的泛素化,同时促进
DNA损伤的调节子 53BP1蛋白的积累 [ 22]。
3. 2 生长发育
泛素 /26S蛋白酶体途径几乎涉及到了植物生
长发育的所有过程。近年研究表明, 该途径中 E2
蛋白在调控光形态建成、维管发育等方面具有重要
作用 [ 5, 23, 24 ]。
3. 2. 1 光周期调控 COP10是 E2like蛋白, 在植
物的光形态建成中起着重要的作用。研究表明
COP10可能通过和 DET1和 DDB1互做,来增强 E2
的活性,使相应的底物 (如促进光形态建成的因子 )
正常的泛素化,从而影响到植物生长发育的一系列
进程 [ 24]。除了 COP10具有增强 E2活性的功能外,
UBC4 /5这一亚组的 E2也有类似的功能。RAD6是
酵母中的一种 E2蛋白, 其功能丧失突变体对紫外
光敏感。它可以和 E3连接酶 B rca1形成复合物, 结
合 PAF1蛋白使组蛋白 H2B123位的赖氨酸 ( H2B
K123)泛素化,从而引发组蛋白 H3赖氨酸 4位点的
trimethy lation, 激活基因表达 [ 25 ]。拟南芥中与酵母
RAD6基因同源的功能基因有两个, A tUBC1 和 A t
UBC2, 其功能上存在冗余性。这两个基因都能恢复
rad6突变体对紫外光敏感的表型。这两个基因也
能调控组蛋白 H2B的单泛素化,上调拟南芥抑制开
花的基因 ( FLC )以及其同功能基因的表达, 从而抑
制开花 [ 26]。单突变体 A tubc1和 A tubc2表现出很弱
的表型,与野生型的表型差别不是很大,但是双突变
体 A tubc1Atubc2就表现为明显的突变表型, 包括急
剧减少的拟南芥莲座叶和花期的明显提前。说明
A tUBC1和 A tUBC2功能上存在冗余性 [ 16 ]。
3. 2. 2 维管分化调控 研究显示, 维管组织中 E2
蛋白等泛素化相关基因高水平表达 [ 27]。原位杂交
显示, UBC19和 UBC20 在拟南芥和萝卜的分生组
织、叶原基等部位表达 [ 28 ] ,但 UBC19仅在维管柱中
(主要在原生木质部 )表达,而 UBC20在木质部和韧
8
2010年第 4期 王金利等:植物泛素结合酶 E2功能研究进展
皮部等均表达。
3. 3 胁迫响应
3. 3. 1 缺素胁迫响应 最近研究表明蛋白的泛素
化参与植物应答缺素信号转导途径 [ 29]。NLA基因
编码一个 R ING类型的泛素连接酶。该蛋白在细胞
核内与 A tUBC8蛋白互做, 共同来调控拟南芥对低
氮环境的适应性反应; 当 NLA基因的 R ing结构域
发生突变, NLA蛋白的亚细胞定位会发生改变, 丧
失与 A tUBC8蛋白的互做, nla突变体表现为对低氮
溶液超敏, 丧失了对低氮环境基本的适应性反
应 [ 30]。PHO2 /A tUBC24蛋白作为磷高亲和转运体
PHT1的负调控子, 也参与到植物体内磷代谢的平
衡。缺磷环境下, pho2 突变体表现为磷中毒表型,
地上部分磷超积累, 并且丧失了磷的在分配和移动
性 [ 29, 31 ]。研究还发现 PHO2 /A tUBC24 的表达受
m iR399的调控, 超表达 m iR399会造成 PHO2 /At
UBC24表达量的下调, 表现出与 pho2 类似的表
型 [ 31]。这些结果表明, 通过 m iRNA 399来调控 E2
的表达, 对于维持植物体内磷的代谢和平衡是
必须的。
3. 3. 2 抗逆胁迫响应 干旱、重金属、高温等非生
物胁迫因素能够诱导植物泛素结合酶 E2基因表
达,从而提高植物适应不良环境的能力 [ 32, 33]。植物
E2蛋白基因 (L eUBC1 )首次从番茄 cDNA文库中分
离,并且受热激和重金属诱导表达增强 [ 32 ] ,这说明
胁迫发生时, E 2蛋白可能参与了不正常蛋白的降解
过程。徐晨曦等 [ 33]从耐盐灌木柽柳 ( Tamarix an
dro ssow ii )中获得了 E2基因, 异源表达证明该基因
能明显提高烟草的耐旱性。
4 展望
蛋白质泛素化在植物生长发育和逆境胁迫响应
中的作用已得到广泛认可 [ 1, 4- 7, 11]。相对于植物 E3
的广泛研究, E 2蛋白功能在模式植物拟南芥中的研
究仍进展缓慢。通过对拟南芥基因组数据库搜索显
示, E 2基因以多拷贝形式存在,造成 E2蛋白功能冗
余,这可能是使 E2基因的研究进展不大的主要原
因。随着新一代测序技术的成熟, 越来越多模式植
物的全基因组序列被完成。这样我们可以利用不同
的模式植物来研究基因的功能,以期利用其基因组
的差异来解决 E2功能容余性的问题, 推动 E2蛋白
的功能研究。例如,利用木本植物柽柳为试验材料,
异源表达 E2基因能提高起抗旱性, 表明 E2蛋白在
植物抗旱中发挥着重要意义 [ 33]。另外,对另一种模
式植物水稻 E2蛋白生物信息学分析结果表明在水稻
基因组中存在单拷贝的 E2,并且具有 E2酶活性 (数
据未发表 )。因此,利用多种模式植物 (例如水稻和
杨树 )来开展 E2蛋白的功能研究而不局限于拟南芥,
将有利于人们对 E2蛋白在植物生长发育以及植物与
环境相互关系中的作用有更深入地了解。
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