全 文 ：植物学通报 2006, 23 (5): 564~577
Chinese Bulletin of Botany
基金项目: 国家杰出青年科学基金(No. 30525027)
* Author for correspondence. E-mail: daoxin@tsinghua.edu.cn
泛素蛋白酶体途径及其对植物生长发育的调控
宋素胜,谢道昕*
清华大学生物科学与技术系, 北京 100084
摘要 泛素蛋白酶体途径主要由泛素活化酶、泛素结合酶、泛素蛋白连接酶和26S蛋白酶体组成。泛
素活化酶首先激活泛素分子, 然后把泛素转移到泛素结合酶上。泛素结合酶结合泛素蛋白连接酶并把泛
素转移到底物蛋白上使底物泛素化, 或把泛素转移到泛素蛋白连接酶再使底物泛素化。泛素化的蛋白通
常通过26S蛋白酶体进行降解。初步的研究结果表明, 植物生长发育的很多方面受泛素蛋白酶体介导的
蛋白降解途径的调控。
关键词 26S蛋白酶体, 泛素, 拟南芥
The Ubiquitin-Proteosome Pathway and Plant Development
Susheng Song, Daoxin Xie*
Department of Biological Sciences and Biotechnology, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract The ubiquitin/26S proteosome pathway mainly consists of ubiquitin activating enzyme (E1),
ubiquitin conjugating enzyme (E2), ubiquitin protein ligase (E3), and 26S proteasome. In the initial reaction, E1
activates the Ub by coupling ATP hydrolysis, the activated Ub is then transferred to an E2. The E2 either
transfers ubiquitin directly to the E3 in the case of HECT E3s or binds the E3 and transfers the ubiquitin to the
substrate. Polyubiquinated proteins are eventually degraded by the 26S proteasome. In plants, regulated
protein degradation by the ubiquitin/26S proteosome contributes significantly to development by affecting a
wide range of processes, including hormone signaling, photomorphogenesis, and flower development.
Key words 26S proteosome, ubiquitin, Arabidopsis
蛋白质是一种非常重要的生命大分子。
在生命体物质代谢、能量代谢、细胞信息传
递、发育调控和机体防御等过程中发挥着重
要的作用。生命体内有着各种不同的蛋白质,
它们分别在生命体的不同发育阶段调控着生命
活动。生物体蛋白质的合成与降解是同样重
要的命题。人们在生物体蛋白质合成的研究
中取得了众所周知的突破; 而对蛋白质降解途
径的研究却相对较少。可以预见, 对蛋白质
降解途径的研究, 必将对生命科学的发展产生
重要影响。
生物体内存在两种蛋白质降解方式。一
种不需要能量, 比如发生在消化道中的降解, 蛋
白酶可以将食物中的蛋白质分解为氨基酸以供
机体利用。另一种方式需要能量, 具有效率
高、专一性和选择性强的特点。泛素蛋白酶
体途径是第二种方式的代表性途径。本文将
综述近年泛素蛋白酶体介导的蛋白质降解途径
综述 . 茉莉酸
5652006 宋素胜 等: 泛素蛋白酶体途径及其对植物生长发育的调控
及其调控植物生长发育方面的主要研究进展。
1 泛素蛋白酶体途径
泛素蛋白酶体途径( u b i q u i t i n / 2 6 S
pro teasome pa thway)主要由泛素活化酶
(ubiquitin-activating enzyme, E1)、泛素结合酶
(ubiquitin-conjugating enzyme, E2)、泛素蛋白
连接酶(ubiquitin protein ligase, E3)和26S蛋白
酶体组成。它不仅是植物中蛋白高效专一降
解最精致的调控机制之一, 也是整个真核生物蛋
白高效专一降解最重要的调控机制之一。
1.1 泛素
泛素(ubiquitin, Ub)是一种由 76个氨基酸
构成的多肽。1975年, Goldstein等从小牛的胰
脏中分离出泛素, 随后在细菌以外的许多真核组
织和有机体发现了该分子(Goldstein et al.,
1975)。泛素在序列上高度保守。人类与酵母
菌的泛素序列仅有3 个氨基酸不同。它在细胞
中以自由的方式或通过共价键与蛋白质牢固结
合(Attaix et al., 2002)。泛素在一系列酶的催化
下, 其C-末端Gly与靶蛋白的Lys侧链相连, 然
后其它泛素分子以Gly 连接到先前结合的泛素
分子的 L y s 侧链上而形成多聚泛素链
(Ciechanover et al., 2000)。
1.2 泛素化过程
泛素化过程存在 3个主要的酶, 即泛素活
化酶(E1)、泛素结合酶(E2)和泛素蛋白连接酶
(E3)。泛素化过程中它们依次行使功能。E1
激活泛素分子, 并把激活的泛素连接到E2 上。
E3负责识别目标蛋白, E3的作用是分别与E2和
目标蛋白直接作用, 把E2和目标蛋白在空间上
拉近, 促进E2将泛素转移到目标蛋白; 另一种
方式是E2把泛素转移到含有HECT结构域的E3
上, 再由E3作为供体, 把泛素结合到目标蛋白
上。泛素化过程循环下去, 泛素化水平达到一
定程度, 目标蛋白就被运输到26S蛋白酶体进行
降解。
1.3 泛素化酶
泛素活化酶(E1) 依赖ATP催化泛素C末端
羧基通过高能硫酯键结合到 E1 的半胱氨酸
(Cys)的侧链, 同时释放AMP。拟南芥E1由单
基因编码的大小分别为110 kD和117 kD的两
个亚基组成。通过酯交换反应, 泛素从E1转移
到E2保守的Cys侧链上(Attaix et al., 2002)。在
哺乳动物、植物和酵母中, E2是由许多分子量
在14～35 kD 之间的相关蛋白组成的一个大家
族。E2的多样性保证了 E3的功能。
E3是一个超大的蛋白家族。根据E3的组
成, 它可以分为单亚基E3和多亚基E3两类。单
亚基的E3主要有两种: 一种含有HECT结构域,
另一种含有RING/U-box结构域。含有HECT
结构域的E3广泛存在于植物中, 但目前对其功
能和底物知之甚少(Bates and Vierstra, 1999)。
单亚基RING(Really Interesting New Gene)E3是
一类含有RING-finger结构域的蛋白, 例如COP1
(Constitutive Photomorphogenesis1)、SINAT5
(SEVEN IN ABSENTIA IN ARABIDOPSIS
THALIANA 5)和 ARC1 (Arm Repeat-
Containing1)等。RING finger结构域是指70个
氨基酸中的8个氨基酸(半胱氨酸和组氨酸)通
过与锌离子螯合作用形成C3H2C3 (RING-H2)或
C3H1C4 (RING-HC)构型。U-box结构域通过静
电的作用形成一种与RING finger类似的构型。
拟南芥大约编码37个含有U-box结构域的E3
(Azevedo, 2001)。另一类是多亚基的 E3。它
们都含有一个支架蛋白Cullin (或Cullin-like)蛋
白和一个 RING-f inger 蛋白。包括分别以
CUL1、CUL2、CUL3、CUL4为支架蛋白的
SCF E3、VHL/ELO E3、CUL3-BTB E3、DDB1/
X E3, 以及以Cullin类似蛋白为支架蛋白的APC
(Anaphase-Promoting Complex) E3等。拟南芥
可能有1 300多个基因编码E3的亚基(Vierstra,
2003)。正是如此众多的E3识别不同的底物从
而对生命活动进行着精细地调控。
1.4 26S蛋白酶体
26S蛋白酶体是一个分子量为2 MD的蛋
566 23(5)
白酶复合体。它依赖ATP特异地识别和降解
细胞质和细胞核中的蛋白, 而且通常是降解泛素
标记的蛋白。26S蛋白酶体由中间的20S催化
中心复合体和两侧的19S调节复合体组成。酿
酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)20S的结构表
明它是 14对不同但相关的蛋白亚基集合成的
一种单一结构, 排列为4个分别含有7个蛋白亚
基的环, 2个a型的催化环位于两侧, 2个b型催
化环位于中间(Groll et al., 1997)。19S调节复合
体至少由15个亚基组成, 其中6个属于ATPases
或AAA-ATPase家族(Baumeister et al., 1998)。
19S调节复合体很可能负责识别和展开目标蛋
白, 并帮助把目标蛋白运输到20S催化中心复合
体中。
1.5 去泛素化酶
与动物和酵母一样, 植物也有一个去泛素
化酶(Deubiquitinating Enzymes, DUB)蛋白家族
(Wing, 2003)。拟南芥中至少有30个基因编码
DUB。这包括2个泛素羧端水解酶(UCH)、27
个Ub特异的蛋白酶(UBP)和1个26S蛋白酶体
盖子中的去泛素化蛋白 RPN11 (Yan et al.,
2000)。它们可以从最初的转录产物中获得自
由的泛素, 也可以在多聚泛素化的蛋白分解后重
新利用泛素, 还可以逆转泛素化过程。这些
DUB都是泛素特异的。它们识别近端的泛素,
并水解C末端甘氨酸上的氨基酸或多肽(Yan et
al., 2000; Doelling et al., 2001)。DUB可能通过
逆转泛素化过程调节蛋白的半衰期。
1.6 泛素相关蛋白
自从发现泛素后, 科学家就致力于发现一
些有同样重要功能的小分子蛋白。目前植物
中发现了 RUB1 (NEDD8)、SUMO (Small
Ubiquitin-related Modifier)、APG8 (Autophagy-
defective 8)、URM (Ubiquitin-related Modifier)
和HUB (Homologous to Ubiquitin)等起修饰作
用的小分子蛋白(Vierstra and Callis, 1999;
Melchior, 2000)。虽然它们多数与泛素的序列
同源性较差, 但都含有弹性延伸C末端这一泛
图 1 泛素蛋白酶体途径(引自Vierstra, 2003)
Fig. 1 The ubiquitin (Ub)/26S proteasome pathway (Vierstra, 2003)
5672006 宋素胜 等: 泛素蛋白酶体途径及其对植物生长发育的调控
素的折叠特性。它们也可以通过与泛素化过
程类似的方式连接到目标蛋白上, 甚至可以被有
DUB活性的蛋白水解。但这些小分子的目标
蛋白比泛素少得多。RUB1和SUMO可以直接
参与UB连接途径(Kurepa et al., 2003)。
RUB1与Ub有75%的序列一致性和近乎一
致的形状(Rao-Naik et al., 1998)。它在Ub/26S
蛋白酶体途径中通过共价的结合到Cullin亚基
上来可逆地修饰 SCF类E3的活性。RUB1连
接途径的活化酶是AXR1和ECR1组成的异二
聚体, 结合酶是RCE1 (del Pozo et al., 2002)。最
后一步RUB1-RCE1中间体与RBX1作用 (Gray
et al., 2002)。RUB1的连接可能通过使CAND1
从Cullin的解离来促进活性SCF E3复合体的聚
合(Liu et al., 2002)。CSN(COP9 signalosome,
CSN)复合体可以通过其亚基 CSN5/JAB1的
JAMM金属蛋白酶活性水解RUB1 (Cope et al.,
2002)。对RUB1修饰循环的研究表明它在生命
活动的很多过程中有作用(Dharmasiri et al., 2003;
Serino and Deng, 2003)。
2 泛素蛋白酶体途径对植物生长发育
的调控
植物泛素蛋白酶体途径中, E3负责识别底
物蛋白。据推测拟南芥基因组有1 300多个基
因编码E3的亚基(Gagne et al., 2002)。下文将
主要以泛素蛋白酶体途径中研究较为深入的单
亚基RING E3和多亚基E3为例, 简要阐述泛素
蛋白酶体途径是如何调控植物生长发育的。
2.1 单亚基 RING E3
单亚基RING E3的RING-finger结构域负责
结合E2, 其它结构域负责结合底物蛋白以及其
它一些辅助因子。拟南芥基因组编码400多个
RING蛋白, 而果蝇和线虫分别编码大约100个
和150个这样的蛋白(The Arabidopsis Genome
Initiative, 2000)。
研究较深入的单亚基 RING E3蛋白是
COP1。COP1不仅含有RING基序, 还有WD-
40 重复序列, 即重复序列的长度是40个氨基酸
残基, 最后 2个氨基酸通常是色氨酸和天冬氨
酸。WD-40 重复序列很可能结合底物蛋白和
其它的调控因子。COP1在黑暗下抑制光调控
的植物发育(Hardtke et al., 2000; Wang et al.,
2001)。COP1突变后, 黑暗下生长的拟南芥幼
苗在下胚轴缩短、叶发育、光合器官形成等
方面表现出光下生长幼苗的特征。COP1的底
物很可能是促进光形态建成的。研究表明
bZIP转录因子HY5 (Hypocotyl 5)和HYH (HY5
图 2 E3与Ub-E2作用的组织结构图(引自Vierstra, 2003)
Fig. 2 Organization and structure of several E3s in association with a Ub-E2 intermediate (Vierstra, 2003)
568 23(5)
homolog)是 COP1的底物 (Holm et al., 2002)。
HY5是光调控的基因表达所必需, 在光下积
累。而在黑暗条件下, 它被蛋白酶体降解
(Osterlund et al., 2000)。cop1突变体在黑暗条
件下积累HY5表明HY5的降解需要COP1。体
内和体外实验表明COP1通过WD-40重复序列
直接与HY5相互作用, 这进一步证实了COP1是
HY5降解所需要的 E3的一个组分(Ang et al.,
1998)。
光形态建成的一个受体phA(phytochrome
A, phyA)也被COP1泛素化。cop1突变体积累
较高水平的 phyA。COP1在体外可以多聚泛
素化phyA, 而且在瞬时转化的洋葱表皮细胞中
和 phyA共定位于细胞核中(Seo et al., 2004)。
这表明细胞在暴露于远红光后, phyA可能从细
胞质转移到细胞核中, 被COP1泛素化而降解。
另外phyA 响应所需要的转录因子LAF1(Long
After Far Red Light1)也是COP1的一个底物 (Seo
et al., 2003)。COP1不仅能在体外多聚泛素化
LAF1, 而且多聚泛素化LAF1不需要其它蛋白
的辅助作用(Seo et al., 2003)。
SINAT5是另一个单亚基RING E3。NAC1
(NAM/CUC-like protein1)是拟南芥生长素反应
中侧根形成的转录激活因子。通过酵母双杂
实验分离出与NAC1互作的SINAT5 (Xie et al.,
2002)。研究表明NAC1是单亚基RING E3蛋
白 SINAT5的底物, NAC1可以在体外直接被
SINAT5 泛素化(Xie et al., 2002)。SINAT5超
表达会减弱侧根形成, 这与SINAT5在NAC1降
解中的作用是一致的。
2.2 多亚基E3
除了单亚基的E3, 还有多亚基E3。植物中
已发现的多亚基E3有SCF (Skp-Cullin-F-box)、
APC (Anaphase Promoting Complex)和 CUL3-
based BTB (Broad-complex, Tramtrack, Bric-a-
Brac)复合体等。这些复合体的功能研究方面
都有一定的研究进展。
研究者最初分离的SCF复合体包含SKP1
(拟南芥中是ASK)、CDC53 (或Cullin)和F-box
三个蛋白。进一步研究发现 SCF 与一个有
RING-finger结构域的蛋白RBX1 (Ring-Box 1)和
一个小分子蛋白RUB1(NEDD8)共同作用组成
E3 (Bai et al., 1996)。这个复合体中Cullin作为
支架蛋白结合RBX1和连接蛋白SKP1 (Zheng
et al., 2002b), SKP1则结合一系列具有底物特异
识别功能的F-box蛋白 (Pickart, 2001)。已知的
SCF底物包括转录因子、细胞周期调控因子以
及发育和信号转导涉及的多种因子(Hershko
and Ciechanover, 1998; Wang, 2003; Pagano,
2004)。
拟南芥中有 21个 ASK (Marrocco et al.,
2003)。酵母双杂实验表明 ASK1、2、11和
19与多数研究过的F-box蛋白有相互作用, 而
ASK5和 ASK16仅与少数F-box 蛋白相互作用
(Gagne et al., 2002; Risseeuw et al., 2003)。研究
表明ASK1和ASK2可能参与绝大多数的SCF
复合体(Risseeuw et al., 2003), 且ASK1是所有
ASK中表达最强最广泛的(Marrocco et al.,
2003)。
拟南芥至少有 5个Cullin: CUL1、CUL2、
CUL3A、CUL3B和 CUL4(Shen et al., 2002)。
AtCUL1和 AtCUL2 都是 SCF复合体的亚基
(Gray et al., 1999; Risseeuw et al., 2003)。目前
对Cullin的研究表明AtCUL1是植物发育中最
重要的Cullin。cul1突变体是胚胎致死的(Shen
et al., 2002)。拟南芥CUL3A、CUL3B和CUL4
则分别与动物 C U L 3 和 C U L 4 分为一类
(Risseeuw et al., 2003)。动物CUL3与BTB蛋
白家族作用, 该复合体类似 SCF复合体, 只是
BTB蛋白代替了SKP和F-box蛋白(Furukawa et
al., 2003)。
F-box蛋白有一段含60个氨基酸的F-box保
守序列, 该F-box负责结合ASK/SKP。F-box蛋
白还含有与底物蛋白结合所需要的结构域, 负责
识别底物蛋白。拟南芥中有700多个F-box 蛋
白(Gagne et al., 2002; Risseeuw et al., 2003)。拟
5692006 宋素胜 等: 泛素蛋白酶体途径及其对植物生长发育的调控
南芥F-box 蛋白家族有13 类蛋白互作所需要的
结构域, 包括Leu-rich 重复序列、Kelch、WD-
40和 Armadillo (Arm)等。F-box蛋白代表了拟
南芥最大的超家族, 占据了拟南芥整个基因组的
2.7% (Gagne et al., 2002)。
2.2.1 SCFTIR1介导生长素反应 SCFTIR1组
分缺失突变体(ask1、tir1和 rbx1)都对生长素
表现出抗性, 表明SCFTIR1的底物蛋白是生长素
反应的负调控因子 (Gray et al., 1999, 2001)。生
长素响应因子 ARF(AUXIN RESPONSE
FACTOR)是生长素反应基因表达的转录因子。
而AUX/IAA 蛋白通过Domains III和IV结构域
与AUX/IAA蛋白或ARF转录因子形成二聚体
(Guilfoyle et al., 1998)。AUX/IAA-ARF二聚体
形成后, AUX/IAA富含亮氨酸的DomainⅠ结
构域作为转录抑制因子以一种未知的方式抑制
ARF的功能(Tiwari et al., 2003, 2004)。生长素
可以结合受体TIR1, 促使F-box蛋白TIR1识别
AUX/IAA蛋白, 增强SCFTIR1与AUX/IAA蛋白
互作。然后AUX/IAA被泛素化并通过 26S蛋
白酶体降解, 对ARF的抑制解除, ARF行使转
录功能(Gray et al., 2001; Dharmasiri et al., 2005;
Kepinski and Leyser, 2005)。但目前还不清楚
生长素如何调控SCF与底物之间的相互作用。
动物和真菌系统中, SCF和底物间的识别需要底
物的磷酸化(Pickart, 2001)。一些研究表明
SCFTIR1-AUX/IAA相互作用并不受磷酸化作用
的调节(Kepinski and Leyser, 2004)。
2.2.2 SCF介导赤霉素反应 最近研究发现
SCF复合体在GA信号转导中也有重要作用。
通过 GA不敏感突变体 gai (gibberellic acid
insensitive)分离出GAI蛋白, 通过抑制GA缺乏
突变体ga1-3表型的突变rga (repressor of ga1-3)
分离出RGA蛋白(Silverstone et al., 1997)。它
们都属于负调控GA反应的DELLA核蛋白家族
(Silverstone et al., 1998; Dill et al., 2001)。进行
GA反应时, 通过SCFSLY复合体途径泛素化降
解GAI和RGA, GAI和RGA对GA反应的抑制
解除, 促进各种依赖GA的过程(McGinnis et al.,
2003; Cheng et al., 2004; Dill et al., 2004; Fu et al.,
2004; Tyler et al., 2004)。F-box基因 SLEEPY1
(SLY1)的突变会使RGA和GAI稳定(Silverstone
et al., 2001)。这些研究表明 SCFSLY复合体可
以泛素化DELLA 蛋白, 从而解除DELLA对GA
反应的抑制(McGinnis et al., 2003)。
水稻(Oryza sativa)RGA的同源蛋白是
SLR1 (Slender Rice1)(Ikeda et al., 2001; Itoh et al.,
2002)。对水稻GA不敏感矮化突变体的研究分
离出蛋白GID1(GA-insensitive dwarf 2)以及和拟
南芥SLY同源的F-box蛋白GID2 (GA-insensi-
tive dwarf 2)(Sasaki et al., 2003)。研究发现GID1
是GA的受体, 而且GID1依赖GA与SLR1直接
作用(Ueguchi-Tanaka et al., 2005)。GA诱导
SLR1磷酸化可以促进GID2与磷酸化的SLR1直
接相互作用, 进而使磷酸化的SLR1被SCFGID2
复合体泛素化并通过26S蛋白酶体降解(Sasaki
et al., 2003; Gomi et al., 2004)。拟南芥SCFSLY
与磷酸化的DELLA蛋白有较强的相互作用也
证明了这一点(Fu et al., 2004)。在动物中底物
磷酸化是SCF识别底物的特征, 而在植物中这
是第一次发现底物磷酸化对SCF识别底物的作
用(Pickart, 2001)。
2.2.3 SCFEBF1/EBF2介导乙烯反应 乙烯信号
通路包括内质网定位的受体家族(ETR1、ETR2
和 EIN4)、Raf-like激酶 CTR1 (Constitutive
Triple Response1)和EIN2 (Ethylene Insensitive2)
蛋白(Guo and Ecker, 2004)。乙烯信号通路通
过转录因子 EIN3促进乙烯调控基因的表达
(Guo and Ecker, 2003, 2004)。当乙烯不存在时,
EIN3被SCFEBF1/2复合体泛素化后通过26S蛋白
酶体降解(Guo and Ecker, 2003; Potuschak et al.,
2003; Gagne et al., 2004)。ebf1 ebf2双突变体
的EIN3是稳定的, 这就导致了组成型的乙烯反
应(Guo and Ecker, 2003)。乙烯存在时, 它通过
受体反应抑制SCFEBF1/2复合体作用, 转录激活
因子 EIN3起始乙烯调控的相关基因的转录。
570 23(5)
有研究表明乙烯信号通路中存在着MAP激酶
级联信号通路(Ouaked et al., 2003), 这可以帮助
我们分析磷酸化是否对 EIN3的稳定性起作
用 。
2.2.4 SCFCOI1 介导茉莉酸反应 茉莉酸
(jasmonic acid, JA) 及茉莉酸甲酯(methyl
jasmonate , MeJA) 是亚麻酸衍生的具有环戊酮
基团的化合物。茉莉酸介导植物发育和防御
应激反应, 比如种子的萌发和生长、花和果实
的发育、花粉的育性, 以及对真菌感染、病虫
害和渗透胁迫等逆境产生应激反应。该信号
途径分离的第一个信号蛋白是含有F-box基序
和亮氨酸重复序列(Leu-rich repeat)的F-box蛋
白 COI1(coronatine insensitive 1)(Xie et al.,
1998)。COI1、RBX1、ASK1或ASK2和CUL1
组成SCF复合体调控茉莉酸的植物发育和防御
反应 (Xu et al., 2002)。
2.2.5 SCF介导自交不亲和反应 植物的自
交不亲和反应涉及到 E3。一些植物的自交不
亲和性位点S作为雄性或雌性决定因子控制着
花粉和柱头的互作。蔷薇科(Rosaceae)、茄
科(Solanaceae)和玄参科(Scrophulariaceae)植物
的柱头表达S-RNase作为雌性决定因子降解自
花花粉表达的 RNA。杏树 (Prunus dulcis)
(Ushijima et al., 2003)、金鱼草 (Antirrhinum
majus)(Qiao et al., 2004)和矮牵牛 (Petunia
hybrida) (Sijacic et al., 2004)等的雄性S位点编
码F-box蛋白。这些F-Box蛋白可以通过降解
相容的 S-RNases促进自花授粉。研究发现金
鱼草雄性 S位点编码 F-box蛋白 AhSLF-S2。
SCFAhSLF-S(2)复合体可以通过降解雌性S-RNase
促进自花授粉 (Qiao et al., 2004)。
2.2.6 SCF介导花发育 Ub/26S蛋白酶体途
径也调控着花发育过程。拟南芥 U F O
(UNUSUAL FLORAL ORGANS)和它在金鱼草
(Ant i r rh inum majus )中的同源蛋白 FIM
(FIMBRIATA)都是 F-Box蛋白(Samach et al.,
1999; Zhao et al., 2001)。它们对控制花瓣和雄
蕊发育的 B类基因有调控作用。对 ufo和 fim
突变体研究表明该SCF E3可能降解B类基因的
抑制因子, 比如金鱼草CHO和DESP及其在拟
南芥中的同源蛋白(Wilkinson et al., 2000)。
UFO可能通过拮抗第二轮 C功能基因 AGA-
MOUS使花瓣发育(Durfee et al., 2003)。
2.2.7 SCF介导植物衰老 植物衰老过程中
会有大量的蛋白被重复循环利用。Ub/26S蛋
白酶体途径很可能参与了这一过程。从延迟
衰老的突变体中分离了ORE9基因。它编码一
个含有LRR的F-Box蛋白并能与ASK1聚合, 很
可能形成SCFORE9复合体(Woo et al., 2001)。分
枝突变体max2-1中也分离出ORE9基因, 表明
这个 SCF E3还有其它的作用(Stirnberg et al.,
2002)。
2.2.8 SCF复合体受到的调控 前面提到
RUB连接到Cullin蛋白上可以调控SCF复合体
的活性。研究还发现CSN和CAND1也参与调
控SCF复合体的活性。
在研究拟南芥光形态建成的过程中, 分离
出一个抑制光调控发育的关键复合体 COP9
signalosome(CSN)。CSN在植物发育的多个方
面有重要作用(Serino and Deng, 2003)。研究
表明它与COP1、SCFCOI1、SCFTIR1和 SCFUFO
等 E3有相互作用(Schwechheimer et al., 2001;
Feng et al., 2003; Wang, 2003)。CSN的 CSN5
亚基介导SCF类E3 Cullin亚基上RUB的去连
接(Cope et al., 2002)。csn5反义植株 RUB修
饰的CUL1水平增加。它的表型与 axr1相似:
有卷叶, 顶端优势减弱, AUX/IAA蛋白稳定性
增强(Schwechheimer et al., 2002)。
研究发现了CAND1蛋白, 它可以有选择地
结合未修饰的CUL1(Liu et al., 2002; Zheng et al.,
2002a)。CAND1的结合会阻止CUL1/RBX1与
SKP1结合, 从而抑制有活性的SCF的形成。细
胞CAND1水平的减少会使含CUL1和SKP的
复合体增加。RUB 对 CUL1 的修饰可以使
CAND1从CUL1/RBX1复合体上解离下来。可
5712006 宋素胜 等: 泛素蛋白酶体途径及其对植物生长发育的调控
见 RUB连接途径、CSN 和CAND1共同作用
调节着SCF的聚合和解聚(Cope and Deshaies,
2003; Pintard et al., 2003; Parry and Estelle, 2004)。
2.3 泛素蛋白酶体途径与其它植物激素反应
目前已发现SCF复合体介导的蛋白降解途
径在生长素、赤霉素、乙烯和茉莉酸信号转
导中起重要作用。尽管尚未在细胞分裂素、
脱落酸和油菜素内酯信号转导中发现SCF复合
体, 但它们都涉及 26S蛋白酶体。下面将简述
这方面的研究工作。
2.3.1 泛素蛋白酶体途径与细胞分裂素反
应 细胞分裂素(cytokinin)有促进细胞分裂、
种子萌发和延缓衰老等作用。目前还未分离
出介导细胞分裂素反应的泛素连接途径的蛋
白。对外源细胞分裂素敏感性降低的拟南芥
突变体 rpn12a-1具有细胞分裂素敏感性减弱
的典型表型。通过对 1 9 S 调节复合体亚基
RPN12a相关的突变体的研究分析表明细胞分
裂素信号通路与 2 6 S 蛋白酶体是有联系的
(Smalle et al., 2002)。但是突变体 rpn12a-1对
细胞分裂素快速诱导表达的ARR5没有影响, 表
明 RPN12a可能在信号转导通路的下游起作
用。RPN12a可能通过调控细胞分裂素诱导的
细胞周期蛋白的半衰期影响细胞分裂素反应
(Dewitte and Murray, 2003)。
2.3.2 泛素蛋白酶体途径与脱落酸反应 脱
落酸(abscisic acid, ABA)控制着胚胎和幼苗发
育的很多方面。幼苗萌发后在干旱或盐胁迫
下生长会停滞。研究表明拟南芥 bZIP转录因
子ABI5控制着这一反应。ABI5结合蛋白AFP
和26S蛋白酶体19S调节复合体RPN10亚基对
ABI5的降解有重要作用。AFP和RPN10负调
控ABI5(Lopez-Molina et al., 2003; Smalle et al.,
2003) 。ABA存在时, ABA通过抑制泛素化
ABI5和26S蛋白酶体降解ABI5, 使ABI5转录
水平和蛋白水平都增加(Lopez-Molina et al.,
2001)。与ABI5超表达表型相似, rpn10-1幼苗
对 ABA和高糖高盐浓度超敏感。这是由于
ABA的存在使ABI5稳定性增强(Smalle et al.,
2003)。
2.3.3 泛素蛋白酶体途径与油菜素内酯反
应 油菜素内酯(brassinosteroid, BR)是一类在
茎延伸、种子萌发和木质部分化等方面有作
用的新型植物激素(Cano-Delgado et al., 2004)。
对油菜素内酯信号通路的研究表明蛋白质降解
在其中有重要作用。当不存在 BR时, 蛋白激
酶BIN2磷酸化BR响应蛋白BZR1和BSE1, 然
后磷酸化的BZR1和BSE1被泛素化并通过26S
蛋白酶体降解(He et al., 2002; Zhao et al., 2002)。
当存在BR时, BR结合并激活质膜定位的受体
激酶BRI1, 使受体激酶BRI1和BAK1异二聚
化。BRI1-BAK1异二聚体通过某种机制抑制
蛋白激酶BIN2的作用, 促使BZR1和BSE1去磷
酸化并在核内积累(Li and Nam, 2002; Wang et
al., 2002; Yin et al., 2002)。BZR1结合特异的
DNA序列抑制BR合成基因的转录(He et al.,
2005)。BES1则与BIM作用作为转录因子结合
特异的DNA序列激活BR响应基因的表达(Yin
et al., 2005)。磷酸酯酶BSU1可以通过去磷酸
化BZR1和BSE1拮抗BIN2的作用(Mora-Garcia
et al., 2004)。
3 研究展望
二十几年前科学家从植物中发现了泛素蛋
白酶体降解途径 (Vierstra, 1993)。近年来, 科
学家在泛素蛋白酶体途径的组成和功能研究方
面取得了一定的研究进展。Ub/26S蛋白酶体
途径对植物生长发育等方面的调控作用也逐步
清晰。但该途径仍有很多问题需要解决。例
如, 植物中存在大量的RING蛋白和F-box蛋
白, 它们的底物蛋白是什么？它们是如何识别
底物蛋白的？E3是如何受调控的？26S蛋白
酶体各个亚基有什么功能？对这些问题的深
入研究将有助于我们进一步揭示Ub/26S蛋白
酶体途径介导的蛋白降解调控植物生长发育
的奥秘。
572 23(5)
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香山科学会议介绍
香山科学会议是由科技部(原国家科委)发起, 在科技部和中国科学院的共同支持下于1993年正式创
办, 相继得到国家自然科学基金委员会、中国科学院学部、中国工程院、教育部、解放军总装备部
和国防科工委等部门的支持与资助。
香山科学会议的宗旨是: 创造宽松学术交流环境, 弘扬学术民主风气, 面向科学前沿, 面向未来, 促进
学科交叉与融合, 推进整体综合性研究, 启迪创新思维, 促进知识创新。
基础研究的科学前沿问题与我国重大工程技术领域中的科学问题均可作为会议主题。会议侧重于
探讨科学前沿、展望未来发展趋势、讨论最新突破性进展、交流新的学术思想和新方法、分析新学
科的生长点以及交叉学科的新问题。
香山科学会议实行执行主席负责制, 以评述报告、专题发言和深入的自由讨论为基本方式, 报告时
间与讨论时间的比例大体为 1: 1至 1: 2。要求报告人以过去的研究积累为基础, 涵盖最新信息, 把握最
新动向, 发表新的见解。同时, 鼓励对原有理论提出质疑, 提倡发表不同意见, 并提出有独创性的思考与
见解。
香山科学会议每年分两次公布全年的会议安排, 每年 1月 1日发布上半年的会议安排计划, 7月 1日
发布下半年会议安排计划。申请者可以集体或个人的名义自由申请召开香山科学会议。申请的会议主
题经过同行专家评议后, 由理事会最后审定。会议主题确立后, 该主题的申请人、执行主席与香山科学
会议的学术秘书共同磋商, 确定会议召开的日期、中心议题、评述报告、专题发言与人员安排。所
有的申请都会在很短的时间内得到书面形式的答复。