全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (6): 807-815, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-04-16; 接受日期: 2007-08-28
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30170552)、北京市自然科学基金(No. 5042004)和北京市教委科技发展项目(No. KZ200710028013)
* 通讯作者。E-mail: yinlp@mail.cnu.edu.cn
缩写词: ATX1: antioxidant ; CCC2: Ca2+phenotype cross-complements; CCH: copper chaperone; CCO: cytochrome oxidase; COX17:
cytochroml coxidase ; COPT1 : copper transporter 1; CRS5: copper-resistant suppressor; CTR2: copper transport; CUP1: copper-
binding metallothionein; FET3: ferrous transport; FRE1: ferric reductase ; HMA : heavy mental ATPase ; PAA1: a P-Type ATPase of
arabidopsis 1; RAN1: responsive-to-antagonist 1; SMF1: suppressor of mitochondria import function ; SOD1: superoxide dismutase 1
.专题介绍.
酵母和植物中铜的转运系统及其调控
房茜, 李鹏, 靳思, 印莉萍 *
首都师范大学生命科学学院, 北京 100037
摘要 铜是生物正常生命活动所必需的微量矿质元素。酵母和植物中有复杂的机制来调节铜的摄取、分布、螯合以及输
出。本文集中讨论了酵母和植物中铜离子的转运体、铜的金属伴侣及其基因转录水平的调控。
关键词 铜, 金属伴侣, 植物, 转运体, 酵母
房茜, 李鹏, 靳思, 印莉萍 (2007). 酵母和植物中铜的转运系统及其调控. 植物学通报 24, 807-815.
铜普遍存在于动物、植物和微生物体内, 是植物正
常生命活动所必需的微量矿质元素, 广泛参与各种生命
活动, 如: 呼吸代谢中的氧化还原反应; 光合作用的电子
传递过程等。铜对维持植物正常的新陈代谢及生长发
育具有极其重要的意义。
铜的生理功能主要表现可以作为许多胞内酶所必
需的组分或辅酶, 这些酶包括细胞色素氧化酶、Cu/
Zn超氧化物歧化酶、lysyl氧化酶和多巴胺 -b -单加
氧酶等。铜还是多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、多
胺氧化酶和 Cu-Zn-SOD 等蛋白质的重要辅因子。
铜也在微生物和哺乳类的铁吸收转运系统中起着关键
作用, 包括多铜氧化酶、血浆铜蓝蛋白(哺乳动物)和
FET3(酵母)。在许多氧化还原反应蛋白质的活性位
点上, 铜往往是有效的电子供体与受体(含铜的蛋白在
超氧自由基的清除及呼吸与光合等作用的电子传递反
应中起着重要作用)。许多具有氧化功能的酶, 只有
铜存在时才有活性, 如抗坏血酸氧化酶、二胺氧化酶
和酚氧化酶等。铜还参与呼吸代谢中的氧化还原反
应; 在叶绿体质体蓝素中, 铜参与光合作用的电子传
递过程。
1 酵母中铜的转运机制
1.1 酵母的铜转运系统
在芽殖酵母中, Cu2+首先被细胞膜上的三价铁还原酶
(FRE1和 FRE2)还原为一价铜离子(Cu+), 继而Cu+由
高、低亲和系统转运至细胞内(Pu ig and Th ie le ,
2002)。在高亲和系统中, 细胞膜上的P-ATPase CTR1
和CTR3把Cu+运入细胞质。接着Cu+通过4条途径完
成其定位并发挥生理功能。(1)分子伴侣ATX1接受Cu+
并将其运送到位于反面高尔基体上的CCC2蛋白(一种
P-ATPase), CCC2把 Cu+运给高亲和性多铜氧化酶
FET3。(2)分子伴侣CCS1装载Cu+并运输到超氧化物
歧化酶 1(SOD1),并催化SOD1形成二硫键。SOD1穿
过线粒体外膜, 把Cu+运到线粒体膜间隙。(3)对于线粒
体铜转运的研究认为分子伴侣 COX17、COX19和
COX23接受胞质中的Cu+, 然后穿过线粒体外膜,将Cu+
运到位于线粒体内膜上的细胞色素氧化酶(CCO)和位于
线粒体膜间隙的SOD1, 后来的研究表明线粒体基质中
存在铜离子, 从基质向膜间隙的铜转运可能参与了CCO
和 SOD1的正确装配。(4)分子伴侣 CUP1和 CRS5与
808 植物学通报 24(6) 2007
Cu+相互作用, 把多余的Cu+运到液泡中以消除铜对细
胞的毒害(图 1)。
目前, 人们对于低亲和铜转运系统持有两种猜测。
一种认为低亲和系统仅由细胞膜上的CTR2组成。Cu+
由 CTR2运入细胞质, 只有CUP1和CRS5接受并转运
到液泡膜上未知的铜转运体(印莉萍等, 2006)。但也有
人提出 : 低亲和系统还包括细胞膜上的 F E T 4 和
SMF1。细胞质中几乎所有的铜分子伴侣都接受高、
低亲和转运系统运入细胞的Cu+并运往所需部位(Puig
and Thiele, 2002)。
1.2 酵母的铜分子伴侣
近年来 ,铜的分子生物学研究取得了很大进展, 铜分子伴
侣越来越受到人们的重视。这些蛋白质具有重要的生
物学功能, 把细胞质中的铜通过铜伴侣蛋白运送至靶蛋
白, 起到铜的转运者作用, 并且在铁转运系统中发挥重要
作用; 此外还参与维持胞浆内铜的生理浓度。在芽殖酵
母(S. cerevisiae)中, 铜离子主要分布于细胞质、高尔
图 1 芽殖酵母铜转运系统与转录调控示意图
铜离子通过高亲和系统的转运体(CTR1/3)和低亲和系统的转运体(FET4、SMF1和 CTR2)进入芽殖酵母。通过铜的金属伴侣分配到需
要铜的部位。(1)分子伴侣 ATX1接受 Cu+并将其运到位于反面高尔基体上的 CCC2蛋白, CCC2把 Cu+运给高亲和性多铜氧化酶 FET3。
(2)分子伴侣 CCS1装载 Cu+运输到超氧化物歧化酶 1(superoxide dismutase 1, SOD1)。(3)分子伴侣 COX19和 COX23接受胞质中的
Cu+, 然后穿过线粒体外膜,将 Cu+运到细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase, CCO)和 SOD1。(4)分子伴侣 CUP1和 CRS5把多余的 Cu+
运到液泡中以消除铜对细胞的毒害。当铜过量时, ACE1调节 CUP1 和 CRS5的表达; 当铜不足时, MAC1调节 CTR1、CTR3 和 FRE1
的表达。AFT1调节 FET3、FTR1和 CCC2的表达。
Figure 1 Copper transporter system and transcriptional regulation in Saccharomyces cerevisiae
Copper enters the cell via either high affinity transporter (CTR1/3) or low affinity transporter (FET4/SMF1/CTR2) and is distributed
to copper-requiring enzymes by metallochaperones. (1) ATX1 delivers Cu(I) to the P-type ATPase CCC2 for the subsequent
incorporation within the trans-Golgi into the multi-copper oxidase FET3 required for high affinity iron uptake. (2) CCS1 acts as a
copper chaperone for superoxide dismutase 1 (SOD1). (3) COX19 and COX23 act as the copper chaperones to deliver Cu(I) to
CCO and SOD1. (4) Copper can be detoxified by the metallothioneins (CUP1, CRS5) and excess copper is transported into the
vacuole. At conditions of copper excess, ACE1 activates the expression of CUP1 and CRS5 genes. At low copper conditions, MAC1
activates the expression of CTR1, CTR3 and FRE1 genes. AFT1 regulates the expression of FET3, FTR1 and CCC2 genes.
809房茜等: 酵母和植物中铜的转运系统及其调控
基体、线粒体和液泡中。酵母的铜分子伴侣有 ATX1、
CCS1、COX17、COX19、COX23、CUP1和CRS5。
研究最多的是 ATX1、CCS1和 COX17。最新研究发
现COX19和COX23参与酵母线粒体的铜运输, 是线粒
体的铜分子伴侣(Cobine et al., 2006)。CUP1和CRS5
是位于细胞质的金属硫蛋白, 可把铜转运到液泡膜。而
对于液泡膜铜转运蛋白的作用机理, 现在尚不清楚 。
ATX1含73个氨基酸残基, 它的金属结构域组成是:
Met-X-Cys-X-X-Cys (X为任意一种氨基酸)。这个结构
基序的二级结构包含4个标准的反平行b折叠片及覆盖
在上面的 2个 a螺旋。其结构保守, 可结合一个 Cu+
(Arnesano et al., 2001)。ATX1直接与细胞内 CCC2
的金属结构域结合, 把Cu+传给专一受体CCC2蛋白(Lin
et al., 1997)。
CCS1位于细胞质和线粒体膜间隙。它包含一个类
似SOD1b桶构像的中央结构域。CCS1把Cu+转运给
SOD1, 从而激活 SOD1。在 atx1突变体中, CCS1把
Cu+转运到线粒体, 其线粒体可正常行使功能 (Cobine et
al., 2004), 因此ATX1和CCS1是独立完成铜分子伴侣
功能的。
COX17是一种起着全酶修饰传递离子作用的蛋白
质, 存在于胞质(含 40%)和线粒体内膜(含 60%)之间。
它包含69个氨基酸, 其中有7个可结合金属离子的半胱
氨酸残基。进一步研究发现它还是一种铜结合蛋白, 含
有 1个二硫键螺旋发卡结构(Heaton et al., 2001), 每
摩尔纯化的细胞色素C氧化酶蛋白中(COX17)含铜离子
0.2-0.3 mol, 可结合 2个 Cu+。在 ccs1突变体中,
COX 17 可将 Cu +转运到线粒体的细胞色素氧化酶
(CCO)并负责CCO的装配, 从而维持CCO活力以及线
粒体中铜的含量。
1.3 酵母线粒体中铜的转运
对于铜离子在酵母线粒体中的转运有了新的发现。人
们最初认为COX17是线粒体铜转运载体, 它位于细胞质
和线粒体膜间隙。在cox17突变体中, 由于铜的传递受
阻, CCO失活, 表现为呼吸缺陷。而在培养基中添加
0.4%的铜盐, 则可抑制cox17突变体呼吸作用缺陷的表
型, 这一结果与COX17可将铜传递至CCO的观点是一
致的。于是人们假设COX17可穿梭进入线粒体内外膜
间隙从而实现向CCO传递铜的功能。同时, COX17作
为一个铜结合蛋白, 其结合Cu+的构像极小, 可以被挤压
进TOM蛋白的通道, 而TOM蛋白作为易位子恰巧是多
种蛋白进入线粒体的必需途径。这些都说明了COX17
具有向 CCO蛋白传递铜的作用。然而, 将 COX17连
接一外源的内膜结合结构域之后, COX17将被特异地
固定在线粒体内膜, 表达这种完全定位在线粒体内的
COX17仍可以弥补cox17突变体的呼吸缺陷, 突变体
内的CCO也保持着正常的活性, 而其线粒体内的铜离子
也保持着正常的水平, 这些证据都说明COX17并不是向
线粒体转运铜的唯一分子伴侣(Maxfield et al., 2004)。
此外, 与COX17类似的2个蛋白COX19和COX23
参与了CCO的装配。这2个蛋白与COX17类似, 并具
有保守的螺旋发卡构像(又称双 Cx9C结构基序)。与
COX17不同的是, COX19以二聚体的形式存在, 通过
TOM通道的可能性较小。同时 cox19突变体表现的呼
吸缺陷不能因外源施加铜而得以弥补; 将COX19专一定
位在线粒体内膜后, 仍可以互补 cox19的表型, 可见
COX19并没有因为其定位限制到线粒体内膜而阻碍了
CCO的装配。因此认为 COX19也并不是胞质向线粒
体转运铜的专性分子伴侣。
cox23突变体不能在非发酵的培养基上增殖, 而转
化了COX17基因的酵母过量表达COX17后, 可弥补这
一缺陷, 说明COX17和COX23都有向线粒体转运铜的
功能。在COX23的突变体中, 线粒体内的铜并不缺乏,
因此说明并不是缺铜导致了CCO活性下降, 而是CCO
的正确装配受到影响所致。以往在线粒体铜特异的分
子伴侣的研究中, 常把线粒体的铜转运局限在 CCO或
SOD1的活性上, 而线粒体基质内本身存在铜离子, 而且
铜过量时细胞表现出的毒性也很小。目前的假说认为,
线粒体的Cu+较多地聚集在基质中, CCO和SOD1的铜
来源于线粒体基质, 但在线粒体内膜上还未发现向膜间
隙转运铜的铜转运体。所以目前, 直接向线粒体转运铜
的分子伴侣并没有得到完全证实, 虽然COX17及其类似
蛋白(如COX19)在胞质中和线粒体内膜上都有定位(可能
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参与了这一过程)。
在这样的假说前提下, 认为线粒体内2个主要的铜
酶 CCO和 SOD1按照下述的过程装配(Cobine et al.,
2006)(图 2)。CCO含有 12-13个亚基, 分别由核基因
组和线粒体基因组编码, 其中COX1、COX2和COX3
是核心亚基。CCO的装配是由 COX17和辅助伴侣共
同完成。COX17接受线粒体膜间隙的 Cu+后, 把 Cu+
运到线粒体膜间隙, 再通过2种途径运到CCO的所需位
点, 使之发生金属化作用。(1) COX17把 Cu+运到内膜
的COX11, 随后COX11把Cu+插入到COX1的CuB位
点。(2) COX17把Cu+转运到内膜的SCO1, 随后SCO1
把Cu+插入到COX2的CuA位点。在线粒体膜间隙中,
CCS1把Cu+运给SOD1, 使得SOD1金属化, 从而激活
SOD1(SOD1的活性和稳定性完全取决于CCS1)。
1.4 铜稳态的转录调控机制
芽殖酵母中, 铜转运体和分子伴侣的表达受转录调节子
ACE1、MAC1及 AFT1的调节(图 1)。ACE1的氨基
末端序列富含半胱氨酸和带正电荷的氨基酸残基, 含有
DNA结合区域; 羧基末端的序列是酸性的, 调节转录装
置的接触位点。ACE1转录激活因子调节依赖铜激活的
基因表达。当铜过量时, 细胞核中ACE1的铜结合区域
与四铜硫醇簇结合, 形成功能性转录激活因子, 调节
CUP1和CRS5的表达。缺铜时, 酵母依赖一种独特的
金属敏感转录因子MAC1。MAC1的铜结合区域是分子
内自动抑制区域, 它调节CTR1、CTR3和 FRE1的转
录。MAC1的激活位点富含半胱氨酸, 可结合8个Cu+,
这些Cu+诱导N端DNA结合区域的分子内反应。此外,
研究发现 M A C 1 的铜金属化调节与信号转导有关 ;
MAC1介导的DNA结合依赖于磷酸化作用。在铜不足
时, MAC1识别基因上游区的特异DNA序列, 与基因的
启动子元件结合并诱导 CTR1、CTR3和 FRE1的表
达。AFT1是一个铁依赖的转录调控因子, 它调节着
FET3和FTR1的基因表达, CCC2也受到AFT1的调节
图 2 线粒体中铜的穿梭转运及功能
线粒体含有两个主要的铜酶细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase, CCO)和超氧化物歧化酶 1(superoxide dismutase 1, SOD1)。COX17
与辅酶 SOD1和 COX11使得 CCO金属化。一条途径是 COX17把 Cu+运到内膜的 COX11, 随后 COX11把 Cu+插入到 COX1的 CuB位
点。另一条途径是 COX17把 Cu+转运到内膜的 SCO1, 随后 SCO1把 Cu+插入到 COX2的 CuA位点。在线粒体膜间隙中, SOD1的金
属化由 CCS1传递 Cu+, 从而激活 SOD1。
Figure 2 Copper sorting and delivery within the mitochondrial IMS(Cobine et al.,2006)
The mitochondrion has two major cupperoenzymes cytochrome oxidase (CCO) and superoxide dismutase 1 (SOD1). CCO is
metallated by a pathway that consists of COX17 and the co-chaperones, SOD1 and COX11. COX17 delivers copper to COX11 for
subsequent insertion into the CuB site in COX1 and to SCO1 for insertion into the CuA site of COX2. Copper for SOD1 is provided
by CCS1. The activity and stability of SOD1 in the IMS is completely dependent on CCS1.
811房茜等: 酵母和植物中铜的转运系统及其调控
(Keller et al., 2005)。
2 植物铜的转运系统
2.1 细胞质膜上铜转运的COPT家族
通过质膜铜吸收系统突变体的功能互补筛选实验发现了
COPT家族 (Sancenón et al., 2003)。COPT蛋白属于
CTR 铜转运家族, 在哺乳动物和酵母中也有它的成员
(Petris, 2004)。这类家族成员含有 3个推测的跨膜区域,
其中一些成员可在膜中形成便于Cu+穿过的孔道 (Puig
and Thiele, 2002)。在铜吸收受损的酵母突变体中, 植物
的COPT1和COPT2的表达可以恢复酵母突变体的生长;
COPT3和COPT5的表达也可恢复突变体的生长功能, 但
其恢复程度有限; 至今还未得到COP4的酵母转化子。
COPT1基因的cDNA 全长为747 bp, 有一个连续
的开放阅读框, 其编码的COPT1为内在膜蛋白。该蛋
白含有169个氨基酸残基和3个推测的跨膜结构域(63-
84、104-122和 127-144)。COPT1蛋白的氨基末端
缺乏分选定位到质膜的导肽, 而是利用一个跨膜结构引
导COPT1蛋白插入质膜。COPT1可高效介导铜运入
细胞。除了转运铜, COPT1也可转运其它金属离子。
COPT1在花、茎和叶中表达, 而在根中检测不到它的
表达。这表明 COPT1不能从土壤中吸收铜。但根部
铜缺乏是否会引起根或其它组织增加COPT1的含量尚
不清楚(Karlheiz et al.,1995)。
2.2 叶绿体和内囊体腔上的PAA1和PAA2
在拟南芥中, 人们发现了 P-ATPase— PAA1(又称
HMA6)(Shikanai et al., 2003) 。通过高叶绿素荧光表
型筛选鉴定出 PAA1的 6个等位基因。paa1突变体在
光和电子传递链方面有缺陷, 添加铜盐后在一定程度上
恢复了paa1突变体的表型。尽管在根中, paa1突变体
Cu+含量正常, 但其叶绿体中Cu+含量比野生型低, 这表
明在 paa1突变体中 Cu+向叶绿体的传递过程存在缺
陷。由于 Cu+是质体蓝素的辅助因子, 所以 paa1突变
体缺乏功能性质体蓝素。在 paa1突变体中, 含铜的质
体蓝素(holoplastocyanin)含量很低; 不含铜的质体蓝素
(apoplastocyanin)含量要比野生型高很多。另外, Cu/
Zn超氧化物歧化酶位于叶绿体中, 只有结合Cu+才有活
性。但在paa1突变体中其活性下降, 说明PAA1与Cu+
向叶绿体的转入有关。
对类似高叶绿素荧光的表型进行筛选 , 发现了
PAA2 (Abdel-Ghany, 2005b) 。PAA2(也称HMA8)基
因编码类似 PAA1的金属转运P-ATPase。同 paa1突
变体一样, 添加铜盐能恢复 paa2突变体的表型。尽管
paa1和 paa2两种突变体没有致死表型, 但paa1/paa2
双突变体在土壤中不能存活。PAA1定位在叶绿体外
缘, 推测它的功能是跨叶绿体膜传递 Cu+。PAA2定位
在叶绿体中, 基于几种酶的活性研究, 推测PAA2在类囊
体膜上发挥作用。质体蓝素位于类囊体膜, 而CSD2位
于叶绿体基质, 它们接受 Cu+才有活性。实验发现在
paa1和 paa2突变体中, 含 Cu+的质体蓝素含量下降;
而CSD2活性在paa1突变体中下降, 而在paa2突变体
中上升。由此可知: PAA1位于叶绿体外膜, 可把细胞
质的 Cu+运到叶绿体基质, 而 PAA2位于类囊体膜, 可
将叶绿体基质的 Cu+转运到类囊体腔中。
2.3 高尔基体膜上的RAN1
在鉴定乙烯信号途径的重要组分时, 通过突变筛选策略
鉴定出RAN1 (也称HMA7), 它表现为组成型乙烯反应
(Hirayama et al., 1999)。拟南芥中的RAN1与出芽酵
母的 ccc2突变体可进行功能互补 (Southron et al.,
2004) 。CCC2在分泌途径中转运 Cu+, 为 FET3氧化
酶提供必要的铜辅助因子。由于 C u + 是乙烯受体
(ETR1)的辅助因子, ran1突变体造成 RAN1不能向
ETR1受体传递Cu+ (Himelblau and Amasino, 2000)。
向培养基加入铜盐使 ran1突变体恢复正常表型。基于
RAN1同CCC2的相似性, 人们推测RAN1同CCC2一
样, 位于高尔基膜泡上, 负责把 Cu+运输到 ETR1。但
ETR1位于内质网, 所以仍需进一步研究RAN1的定位
以及在植物中的功能(Chen et al., 2002)。
2.4 与铜转运相关的HMA1和HMA5
除了RAN1、PAA1和PAA2, HMA家族的另外两位成
812 植物学通报 24(6) 2007
员HMA1和HMA5也与铜转运相关 (Andres-Colas et
al., 2006) 。通过蛋白组学研究拟南芥叶绿体膜, 鉴定
出HMA1。同PAA1和PAA2一样, HMA1与叶绿体铜
平衡有关 (Daphné et al ., 2006) 。研究发现, 叶绿体
外膜上的 H M A 1 能把 C u + 转运到叶绿体基质
(Seigneurin-Berny et al., 2006) 。通过对两个功能缺
失突变体的研究, 发现了HMA5及其功能 (Nuria et al.,
2006)。HMA5可把Cu+从细胞质运出胞外或运入相应
器官, 其在根部和花中大量表达。此外酵母双杂交试验
发现, HMA5负责将Cu+转运给2个铜分子伴侣ATX1和
C CH。
2.5 铜稳态的分子伴侣
CCH是在拟南芥中第1个被发现的金属伴侣 (Himelblau
et al., 1998)。Puig等(2007)报道 CCH是类 ATX1的
铜伴侣。CCH含有植物特异的羧基端区域(CTD)以及独
特的结构特征。在根、茎、叶、花序和长角果中其
mRNA转录水平很高。推测CCH能把Cu+从细胞质转
运至高尔基反面膜囊上的RAN1转运体, 但还没有充分
的证据。此外, CCH还与细胞间铜转运有关 (Mira et
al., 2001)。在拟南芥中发现CCH更多地聚集在老叶韧
皮部以及韧皮部渗出物中, 推测CCH具有从衰老叶片中
回收Cu+的作用。在拟南芥中发现了另一类ATX1的铜
分子伴侣— — AtATX1。AtATX1位于细胞质中, 能互补
酵母 atx1和 sod1突变体的表型。AtATX1的C末端序
列要比CCH短, 通过酵母双杂交实验发现AtATX1可把
Cu+转运给RAN1, 但是转运效率不如CCH高(Puig et
al., 2007)。
与酵母CCS1同源的AtCCS1可把Cu+运到SOD1
(Chu et al., 2005)。根据 35S-CCS1::GFP融合基因
的表达, 发现 AtCCS1在叶绿体中行使功能, 可能向基
质中 Cu/ZnSOD供应 Cu+。当铜含量提高或植物衰老
时, CCS1的mRNA水平随之提高。由此推测, CCS1
的作用是保持Cu+在质体蓝素和超氧化物歧化酶中的稳
态含量。
运用差异展示技术发现了铜分子伴侣 AtCOX17
(Balandin and Castresana, 2002) 。AtCOX17同酵母
的COX17具有同源性。酵母的COX17突变体不能把
Cu+运到线粒体的细胞色素氧化酶复合体上, 表现为呼
吸缺陷。而AtCOX17的表达能恢复酵母cox17突变体
图 3 植物中铜的转运系统模式图
箭头方向表示转运体转运铜的方向
Figure 3 Summary of the membrane distribution of Cu transporters localized in plants
Arrows indicate the directions of transport copper based on mutant phenotypes and expression in heterologous systems
813房茜等: 酵母和植物中铜的转运系统及其调控
的生长。AtCOX17的mRNA转录被病原体感染所诱导,
加入不同的金属 , 其含量变化不同 : 添加铜盐导致
AtCOX17表达量升高; 添加锌盐和镉盐使mRNA含量
有所提高, 但诱导程度很低。推测 AtCOX17在线粒体
损伤时把铜运到线粒体中。
2.6 铜转运的调控机制
细胞内重金属离子必须被严格控制, 因此其转运蛋白的
调控就显得非常重要。还没有证据表明转运蛋白在高
等植物中是如何被调控的, 但这种调控可能发生在转录
水平(包括控制起始速率、mRNA稳定性以及mRNA的
不同剪接)或翻译水平(靶向和稳定性)。在一些生物中,
许多金属转运蛋白经由转录因子通过胞外金属浓度在转
录水平上被调控。对底物响应的转录调控已经在 E.
hirae的COPA和COPB中观察到(Lorraine and Jon,
2000), 并发现位于 COPA和 COPB上游的 2个基因
COPY和COPZ属于金属调控基因, 它们分别在低或高
的铜浓度下诱导 ATPase基因的表达。
3 总结与展望
铜对维持植物正常的新陈代谢及生长发育具有极其重要
的意义。近年来, 人们对于酵母和植物中铜转运体、分
子伴侣和营养转运调控等方面进行了大量研究, 并取得
一定进展(图 1和图 3)。酵母由高亲和系统和低亲和系
统转运铜离子。高亲和系统的转运体为CTR1和CTR3;
低亲和系统的转运体为CTR2/FET4和SMF1。目前对
铜分子伴侣的研究较多, 如 ATX1、CCS1、COX17、
CCO和CCC2。最近人们发现了酵母线粒体的铜分子
伴侣COX19和COX23, 并对线粒体铜转运途径及其功
能进行了详细的描述。CUP1和CRS5将铜离子运给液
泡膜上的转运体, 但迄今还没有发现液泡膜上的转运
体。在对细胞核的调控研究中, 发现了酵母的转录因子
MAC1、 ACE1和 AFT1。在植物中, 负责铜运输的转
运体有: 细胞膜的 COPT 家族成员, 高尔基膜泡的
RAN1, 叶绿体和内囊体上的 PAA1、PAA2 和 HMA1
以及细胞质的HMA5。在植物铜分子伴侣研究中, 发现
了细胞质中CCH和AtATX1, 叶绿体中AtCCS1以及
线粒体中 AtCOX17。但是, 对于植物液泡中的转运
体一直没有报道。目前, 涉及植物转录调控的研究报
道很少。
研究方法的创新是金属营养离子(包括铜研究工作)
能否取得突破的关键。T-DNA突变体的筛选有助于理
解植物的金属转运体如何行使功能。植物中许多与铜
吸收和分配有关的转运体属于基因家族的成员。通过
筛选不同缺失功能的突变体来鉴定铜转运体, 如HMA2
和 HMA5。金属离子包括铜的可视标记是亟待解决的
问题。只有可视标记后才能观察到营养离子的动态变
化。比如在芽殖酵母中, 可通过金属的荧光结合染料来
定位细胞中的金属。但目前该技术还没有被广泛用于
植物金属含量的研究。研究细胞中金属的分配, 不仅能
够帮助找到现有技术所找不到的表型, 还能帮助理解铜
转运体在细胞中的作用。
植物的铜转运和稳态调控以及液泡的铜离子转运应
成为今后研究的重点。截至目前, 人们发现酵母中许多
铜的转运体通常在转录水平或转录后水平受特异金属的
调控。但在植物中的研究还相差甚远。此外, 目前大
部分研究主要集中在转运体的研究, 对于铜离子如何在
细胞中安全贮存、使用以及稳态调控的研究甚少, 液泡
与铜离子稳态的研究可能会成为今后研究的热点方向。
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815房茜等: 酵母和植物中铜的转运系统及其调控
Transporter System and Regulation of Copper in Yeast and Plants
Qian Fang, Peng Li, Si Jin, Liping Yin*
College of Life Science, Capital Normal University, Beijing 100037,China
Abstract Copper is an essential trace element for organisms. Sophisticated regulation mechanisms are involved in copper
uptake, distribution, sequestration and export in yeast and plants. In this review, we focus on the current knowledge of copper
transporters, metallochaperone and regulation of gene expression at the transcriptional level.
Key words copper, metallochaperone, plant, transporter, yeast
Fang Q, Li P, Jin S, Yin LP (2007). Transporter system and regulation of copper in yeast and plants. Chin Bull Bot 24, 807-815.
(责任编辑: 孙冬花)
* Author for correspondence. E-mail: yinlp@mail.cnu.edu.cn
致谢审者
本刊编辑部向 2007年为我刊审稿的专家表示衷心的感谢！(统计截止 2007年 10月)
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陈受宜 陈之端 程红焱 程祝宽 种 康 储成才 崔克明 戴绍军 戴思兰 邓 馨 邓秀新
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刘耀光 卢存福 陆树刚 路安民 麻 密 马庆虎 马荣才 马文奇 马占鸿 孟庆伟 孟 征
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山红艳 申家恒 申建波 沈世华 施和平 施苏华 施卫明 石东乔 石 雷 宋纯鹏 宋松泉
宋艳茹 苏培玺 孙宝刚 孙蒙祥 汤彦承 唐 亚 陶丽珍 田秋英 田世平 童依平 汪 矛
汪俏梅 王宝山 王 斌 王广策 王慧中 王豁然 王建波 王亮生 王 台 王小菁 王兴智
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