全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (5): 677-685, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2006-11-07; 接受日期: 2007-01-28
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30571069)和中山大学青年教师科研启动基金(No. 2005-33000-1131226)
* 通讯作者。E-mail: wanghb@mail.sysu.edu.cn
.专题介绍.
PTP及其在植物MAPK途径中的作用
赖辉煌, 王宏斌 *, 王金发
中山大学生命科学学院, 有害生物控制与资源利用国家重点实验室, 基因工程教育部重点实验室, 广州 510275
摘要 蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatases, PTPs)是一个结构多样的磷酸酶家族, 含有高度保守的催化结构
域。在植物体内, PTP主要的靶蛋白是促细胞分裂剂激活性蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)。MAPK级
联途径参与有机体的发育、细胞增殖、激素调节以及逆境胁迫的信号转导, PTP在MAPK级联途径中主要起负调控作用。本文
就PTP的结构和功能、MAPK在植物中的作用及PTP在MAPK级联途径中的功能进行综述, 并着重介绍PTP在拟南芥中的研究
进展。
关键词 拟南芥, 促细胞分裂剂激活性蛋白激酶, 磷酸化, 蛋白酪氨酸磷酸酶, 信号转导
赖辉煌, 王宏斌, 王金发 (2007). PTP及其在植物MAPK途径中的作用. 植物学通报 24, 677-685.
细胞对外界环境做出应答的前提是胞外信号能够通
过一定的途径进入胞内, 并最终抵达细胞核, 从而引起基
因的表达发生改变。生物体经过漫长的进化过程形成
了不同的途径, 其中很重要的一种途径就是蛋白磷酸化
水平的调节(Hunter, 1995)。蛋白磷酸化水平通过调控
细胞周期、细胞间信号传递、免疫应答和基因转录水
平等过程, 影响细胞的生长、分化、代谢和增殖(Ulm
et al., 2002)。有机体内蛋白质的磷酸化水平由蛋白激
酶( p r o t e i n k i n a s e s )和蛋白磷酸酶 ( p r o t e i n
phosphatases)共同调节。促细胞分裂剂激活性蛋白激
酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)是一类丝
氨酸和苏氨酸激酶。到目前为止, 已经在真菌、植物
及动物中鉴定到MAPK的存在, 并发现它几乎涉及所
有的细胞信号转导通路。由于 MAPK级联途径在信
号转导中具有重要作用, 真核生物体内需要一个严格
精细的调控机制 , 蛋白酪氨酸磷酸酶 ( p ro te in t y-
rosine phosphatase, PTP)便在该途径中扮演着重
要角色。它不仅与蛋白酪氨酸激酶(protein tyrosine
kinase, PTK)共同参与调节细胞的酪氨酸磷酸化水平,
还能够使MAPK去磷酸化, 从而在MAPK级联途径中
起负调控作用。
1 PTP的结构与功能
1.1 PTP的结构和分类
蛋白磷酸酶广泛存在于各种真核生物中, 根据结构和功
能的不同, 可分为 3个家族(图1)。其中, 磷蛋白磷酸酶
(phosphoprotein phosphatase, PPP)和镁或锰依赖的
蛋白磷酸酶(Mg2+- or Mn2+-dependent prote in
phosphatase, PPM)家族水解丝氨酸和苏氨酸残基, 为
离子介导的催化机制; 而PTP家族则去磷酸化酪氨酸残
基, 它通过一个半胱氨酸磷酸化的中间态完成催化反
应。每个 PTP成员都含有 1个约 240个氨基酸的高度
保守的催化结构域(Barford et al., 1998; Kerk et al.,
2002)。
根据作用底物的特异性, 可以将PTP家族分为2个
亚家族: 酪氨酸特异的磷酸酶(tyrosine-specific PTP,
TsPTP)和双特异磷酸酶(dual-specificity phosphatase,
DsPTP)(Tonks and Neel, 2001)。前者只水解酪氨酸
磷酸, 不能水解丝氨酸/苏氨酸磷酸基团, 而后者则两种
皆可。有趣的是, 虽然TsPTP与DsPTP在序列上的相
似性很低 , 但它们都有催化区的核心序列 ( V / I )
HCXAGXGR(S/T)G(X代表任意氨基酸), 该核心序列通
678 植物学通报 24(5) 2007
常位于三维结构的中央, 并处在催化位点的底部; 所有的
PTP催化区的二级结构和四级结构都是高度相似的, 而
底物结合的特异性则由催化区之外的序列决定。核心
序列中的Cys残基对催化活性尤为重要, 将该残基突变
为Ser后, 磷酸酶活性完全丧失(Guan and Dixon, 1991;
Luan, 2003)。
根据TsPTP在细胞中的定位及结构特点, 可以将其
分成两大类: 受体型PTP(receptor PTP, rPTP)和非受
体型 PTP(non-receptor PTP, nrPTP)(Vactor et al.,
1998)。rPTP主要分布在质膜上, 而nrPTP则分布于胞
质内(Stoker, 2005)。rPTP一般包括 1个胞外结构域、
1个跨膜结构域及1-2个胞内催化结构域; nrPTP则只
包括1个催化结构域及不同长度的N端和C端作为靶向
或调节结构域(Stone and Dixont, 1994)。由于催化结
构域是高度保守的, nrPTP家族成员结构和功能的多样
性便由其N端和C端的调节结构域和靶向结构域来决定
(Barford et al., 1998)。目前在植物和真菌中尚未发现
rPTP; 而nrPTP和DsPTP则存在于包括植物在内的各
种真核生物中(Gupta and Luan, 2003)。
1.2 PTP的生物学功能
蛋白的磷酸化状态会影响其功能、定位及稳定性等。
在多细胞生物中, 大约30%蛋白质的功能调节由可逆磷
酸化来完成(Cohen, 2000)。一系列胞外细胞信号的传
递均涉及细胞内特定蛋白的酪氨酸磷酸化水平; 虽然细
胞中酪氨酸磷酸只占总氨基磷酸的0.1%, 但它起的作用
显然大于这个比例, 而酪氨酸磷酸化水平由PTK和PTP
共同决定(Stoker, 2005)。值得注意的是, 在信号转导
中, PTP参与翻译后修饰的两个重要过程: 酪氨酸磷酸
化和半胱氨酸的氧化。两者对酶活性的影响是相反的,
前者主要与酶的活化相关, 而后者则起失活或钝化的作
用。PTP的双重作用对于调节细胞稳态至关重要, 它们
可能采用不同的动力学机制作用于相同的靶分子, 或者
是在不同的亚细胞器采用不同的修饰方式(Chiarugi et
al., 2005)。目前的研究表明, PTP参与了植物的气孔
活动、生长发育及逆境胁迫等。
1.2.1 PTP与气孔关闭
MacRobbie(2002)利用 PTP特异的抑制剂氧化酚砷
(phenylarsine oxide, PAO)处理鸭趾草后发现, PTP是
气孔关闭必需的酶蛋白。ABA(abscisic acid)、胞外
Ca2+、无光照及H2O2等4种因素会诱导气孔的关闭, 而
这4种因子均可改变胞内Ca2+的动态平衡, 从而引起质
膜和液泡膜上 K+通道的活性。由此可见, PTP可能是
Ca2+通道的下游组分, 它参与质膜和液泡膜上K+通道的
活性调节。
1.2.2 PTP与植物微管组织
Naoi和Hashimoto (2004)用微管特异性药物戊炔草胺
(propyzamide)筛选获得拟南芥突变体phs1-1和PHS1
基因。序列分析表明, PHS1基因属于蛋白酪氨酸磷酸
酶家族, 并具有与MAPK相互作用的结构域。PHS1基
图 1 蛋白磷酸酶家族的分类
Figure 1 The classification of protein phosphatase family
679赖辉煌等: PTP及其在植物MAPK途径中的作用
因的C190T点突变导致拟南芥微管组织结构发生形态
改变, 从而引起其根部生长异常。
1.2.3 PTP与植物激素
植物激素ABA参与多种生理途径反应, 包括种子的休眠
与萌发、果实成熟及逆境胁迫等。PPM家族中蛋白丝
氨酸 /苏氨酸磷酸酶2C(PP2C)已经被证明是ABA信号
转导的一个环节。Quettier等(2006)利用ABA处理PTP
基因的拟南芥T-DNA插入突变体种子发现, PHS1基因
的突变体phs1-3种子萌发率大幅下降。在该突变体中,
与ABA应答相关的基因与野生型植株有着不同的表达
水平。而 ABA处理突变体和野生型植株后, PHS1的
表达量也有明显升高。这些证据表明, PTP家族成员也
参与了 ABA途径的调控。
1.2.4 PTP与非生物胁迫
Xu等(1998)首次在高等植物中克隆获得编码PTP蛋白
的AtPTP1基因, 该基因能对逆境条件做出应答: 高盐处
理的情况下, 其mRNA的量明显提高; 冷处理后该基因
的转录本的量迅速下调。另外, Gupta和 Luan (2003)
发现, AtPTP1是H2O2的靶蛋白, 并可能参与MAPK级
联途径的调控。目前的研究认为, PTP在植物体中主要
的靶蛋白是MAPK, PTP能够使MAPK去磷酸化失去活
性, 从而在该途径中起重要的调控作用(Huang et al.,
2000; Tena et al., 2001)。
2 PTP与MAPK级联途径
2.1 MAPK途径及其在植物中的功能
Sturgill和Ray (1986)在胰岛素处理的3T3-L1细胞抽提
物中分离得到一种能同时将Ser和Thr磷酸化的激酶, 并
把它命名为微管相关蛋白 2(microtubule associated
protein-2, MAP-2)。Rossomando等(1989)发现该蛋
白与一种能够对促细胞分裂剂做出反应的蛋白相关, 并
将它重新命名为MAPK。MAPK的保守序列TXY(X为
Glu、Gly、Pro或 Asp)被双特异的蛋白激酶MAPKK
(MAPK kinase)磷酸化, 而后者又被MAPKKK (MAPK
kinase kinase)磷酸化激活, 从而组成一系列的激酶反应
体系(肖文娟等, 2004)。MAPK级联反应体系是细胞
信号转导中一个备受重视的途径(图 2)。Kieber 等
(1993)在拟南芥ctr1 (constitutive triple response 1)
突变体中克隆得到MAPKK的基因CTR1, 并发现该基
因参与乙烯信号途径, 从此拉开植物MAPK级联途径
研究的序幕。
首先, MAPK与生长素、赤霉素(gibberellic acid,
GA)、脱落酸(abscisic acid, ABA)和乙烯等均有着密
切的关系, 如生长素和 ABA可以诱导MAPK快速且瞬
时的活化(Knetsch et al., 1996; Morris, 2001)。其次,
MAPK参与植物的抗病反应, 利用能够引起抗病反应的
苯并噻二唑(benzothiadiazole, BTH)处理水稻后,
O s B I M K 1 ( M A P K 成员)基因有明显的上调表达
图 2 MAPK级联途径
Figure 2 The pathway of MAPK cascades
680 植物学通报 24(5) 2007
(Petersen et al., 2000; Song and Goodman, 2002)。
再次, MAPK与非生物胁迫相关。有研究表明, 受损伤
的紫花苜蓿叶子中, 一种名为p44MMK4的MAPK被诱导
表达, 并由此引起MMK4基因转录水平的提高(Bogre et
al., 1997; Nakagami et al., 2005)。最后, 通过诱导早
期防御基因的转录发现, MAPK途径还参与了拟南芥先
天免疫(Asai et al., 2002; Pedley and Martin, 2005)。
由此可见, MAPK级联途径在植物中起着重要的作
用。然而, MAPK活化的时间和数量最终决定了它在细
胞中的含量, 过度的活化可能会对植物体产生致命的影
响(Marshall, 1995)。因此必须存在着一个精确调控
MAPK的分子机制, 这不仅与MAPK级联途径的激酶成
员的活化相关, 而且蛋白磷酸酶的负调控也在其中起重
要作用(Martin et al., 2005)。
2.2 PTP参与MAPK级联途径
蛋白磷酸酶能够使靶蛋白去磷酸化, 从而调节靶蛋白的
活性。DsPTP亚家族能够选择性地使MAPK的保守基
序TXY去磷酸化, 使其活性丧失, 从而在MAPK级联途
径中起到负调控作用。同时, 它们分布在不同的亚细胞
器中 , 特异性地对一些 M A P K 异构体成员起作用
(Camps et al., 2000)。有研究表明, DsPTP对其底物
的高度专一性可能是由催化结构域上游的富含电荷的区
域决定的(Denu et al., 1996)。另外, 早期对酵母的研究
证明, TsPTP亚家族也能够使MAPK去磷酸化, 近年来
发现该亚家族同样参与MAPK级联途径的调节(Wurgler-
Murphy et al., 1997; Gupta and Luan, 2003)。
值得一提的是, 推测PTP存在于植物中便是从研究
MAPK开始的。Luan等(2001)在研究保卫细胞的渗透
敏感性时发现, MAPK在高渗压力下活性上调, 但很快
恢复至正常水平, 这可能是由于蛋白磷酸酶去磷酸化导
致的。使用抑制剂 okadaic acid(PP1 / PP2A-type
phosphatases抑制剂)和 vanadate(PTP抑制剂)后,
MAPK便较长时间地处于超活化状态, 单独使用一种抑
制剂则不能达到上述效果。因此推测, PTPs和 PP1 /
PP2A型磷酸酶存在于植物中(Luan et al., 2001)。
首次真正在植物中鉴定并克隆得到PTP基因(酪氨
酸磷酸酶基因VH-PTP13)是在低等单细胞藻类植物衣
滴虫中, 该基因与已经发现的双特异磷酸酶的序列有着
很高的同源性。其中, 相似性最高的是人类的 CL-100
基因, 这是一个能够调节MAPK活性的逆境应答基因。
体外实验证明, 在大肠杆菌(E. coli)中表达的VH-PTP13
重组蛋白同样能够抑制来自苜蓿和烟草的MAPK的活
性(Haring et al., 1995)。
2.3 PTP与MAPK的作用机制
目前, 对动物中DsPTP与MAPK的相互作用研究比较
清楚。可能的作用机制为: 当DsPTP mRNA翻译为蛋
白质后, 起初无催化活性, 转移至核内或胞质特定的亚细
胞器中与其靶蛋白MAPK的氨基端结合后, 磷酸酶催化
活性被激活。若结合的MAPK已被上游激酶(MAPKK)
活化, DsPTP便使其去磷酸化并抑制其活性; 若结合的
MAPK是非活化形式的, DsPTP的紧密结合则会阻碍
MAPK的活化。而未结合 DsPTP蛋白的MAPK则保
持活化状态并对外界刺激信号敏感, DsPTP空间分布的
特异性可能为不同亚细胞器中MAPK调节途径提供基
础。另外, 一些DsPTP的“半衰期”较短, 它们的转录
和翻译并非持续进行, 以此限制 DsPTP作用的时间
(Camps et al., 2000)。
植物中DsPTP与MAPK的作用机制尚不明确, 而
DsPTP与TsPTP之间的作用方式是否存在差异也有待
进一步的研究。总之, PTP与MAPK的相互作用是一
个精细调控的过程。
3 PTP在拟南芥中的研究进展
虽然酪氨酸磷酸酶在动物中的功能已经被证明, 但是
PTP基因在高等植物中的发现却整整晚了10年(Tonks
et al., 1988; Xu et al., 1998)。近 10年来, 在模式植
物拟南芥中陆续克隆得到了不同的PTP基因, 并且证明
PTP在植物MAPK级联途径中也发挥着重要作用。
3.1 拟南芥中的PTP基因
Xu等(1998)在高等植物拟南芥中克隆得到第1个蛋白酪
681赖辉煌等: PTP及其在植物MAPK途径中的作用
氨酸特异的磷酸酶基因AtPTP1。它编码的蛋白质位于
细胞质中, 并只对酪氨酸磷酸酶抑制剂钒酸盐(vanadate)
敏感, 而丝氨酸 /苏氨酸磷酸酶抑制剂冈田酸(okadaic
acid)对其不起作用。同年, Gupta等(1998)克隆得到1
个与哺乳动物中相似性很高的 DsPTP基因, 命名为
AtDsPTP1, 该基因编码双特异的蛋白磷酸酶, 能够去磷
酸化丝氨酸 /苏氨酸和酪氨酸残基。AtDsPTP1对磷酸
酶通用底物硝基苯磷酸(pyronitrophenyl phosphate,
pNPP)的催化能力只有AtPTP1的1/1 600, 其更倾向于
分解蛋白底物。AtDsPTP1与 AtPTP1在四级结构上
仍然具有很高的相似性, 且都含有催化结构域的特征序
列(V/I)HCXAGXGR(S/T)G。
随后, Fordham-Skelton等(1999)通过保守结构域筛
选分别在拟南芥、大豆和豌豆中克隆得到3个蛋白酪氨
酸磷酸酶基因(PTP1-ARATH、PTP1-SOYBN 和
PTP1-PEA), 并通过重组蛋白的酶活性检测证明三者均
为酪氨酸特异磷酸酶。Fordham-Skelton等(2002)通过
拟南芥基因组库搜索获得1个编码PTP的基因AtPTP-
KIS1, 该基因产物包括了 PTP催化结构域和 SNF1
(sucrose nonfermenting-l)激酶作用结构域。
Gupta等(2002)在拟南芥中鉴定出一个与动物第10
号染色体同源丢失性磷酸酶 -张力蛋白(phosphatase
and tensin homolog deleted on chromosometen,
PTEN)基因相关的酪氨酸磷酸酶AtPTEN1, 该蛋白可以
去磷酸化酪氨酸和 3、4、5-三磷脂酰肌醇(phosphat-
idylinositol 3,4,5-triphosphate, PIP3), 而 PIP3正是
PTEN的生理底物。AtPTEN1基因只在花粉中表达, 通
过RNAi方法证明该基因受干扰后花粉细胞出现凋亡, 因
此这是一个花粉特异的且与花粉发育密切相关的基因。
同年, Bellec等(2002)利用图位克隆得到PAS2基因, 该
基因的突变影响拟南芥胚胎和植株的发育。
Monroe-Augustus等(2003)在拟南芥中鉴定了1个
DsPTP基因 IBR5, 并证明其参与ABA和生长素的调
节。Landrieu等(2004)克隆的 Arath;CDC25基因
同样属于DsPTP亚家族成员, 其编码的蛋白是细胞素
依赖性激酶(cyclin-dependent kinases, CDKs)的正调
控因子。
我们对已经获得的拟南芥PTP蛋白的氨基酸序列
用DNAMAN软件分析和比较后发现, 它们之间的相似
性很低, 基本上都在 15%以下。利用BioEdit软件对催
化结构域进行Cluster聚类分析, 结果表明, PTP蛋白核
心催化序列仍具有很高的保守性(图 3)。因此, 提示它
们在功能上可能有着不同的分工, 即参与不同的生理调
节过程。
图 3 拟南芥 PTP核心催化序列比较分析 (括号中显示各蛋白序列登录号, 数字表示核心序列所在的氨基酸位置)
Figure 3 The comparative analysis of core catalytic sequence in Arabidopsis thaliana PTPs (The accession numbers are indicated
in the bracket, and the number shows the position of the core catalytic sequence)
682 植物学通报 24(5) 2007
3.2 拟南芥PTP在MAPK途径中的作用
随着PTP在拟南芥中的发现, 越来越多的证据表明它在
MAPK级联途径中发挥重要的作用。Gupta和 Luan
(2003)发现在拟南芥蛋白酪氨酸磷酸酶AtPTP1催化底
物pNPP的反应中加入H2O21分钟后, 其催化反应受到
了直接的抑制; 而在反应中再加入过氧化氢酶水解H2O2
后, 反应的速率又恢复正常水平, 说明AtPTP1可能作为
H2O2的一个靶分子而参与氧胁迫反应。另外, 用H2O2
处理拟南芥幼苗后可以使 AtMPK6(MAPK成员)活化,
因此AtPTP1可能参与了MAPK级联途径(Desikan et
al., 2001; Gupta and Luan, 2003)。
通常, MAPK的磷酸化是空间上相邻的Tyr和Thr同
时被磷酸化。而早期的研究表明, MAPK的磷酸化有的
只涉及Tyr残基, 这在植物中也得到了证实(Seo et al.,
1995)。拟南芥的MAPK成员 AtMPK4的激活便是在
Tyr残基发生磷酸化, 而它的去磷酸化则由AtPTP1来完
成, 后者是一个酪氨酸特异的磷酸酶。体外抑制实验表
明, AtPTP1可以去磷酸化AtMPK4而使其基本失去活
性。免疫沉淀反应表明, 通过AtPTP1处理的AtMPK4
的MBP激酶活性明显受到影响。然而, 关于 AtPTP1
与 AtMPK4是否在体内也存在相互作用尚不清楚。拟
南芥中的另一个已经被克隆的DsPTP基因AtDsPTP1
同样能够使 MAPK 去磷酸化, 因此它也有可能抑制
A t MP K 4 的活性。但 A t D s P T P 1 的催化速率只有
AtPTP1的 1/30。因此, 这种可能性似乎比较低。当
然, 磷酸酶家族的PP2C也已被证明可以抑制MAPK的
活性(Huang et al., 2000)。
目前已有报道的有关植物DsPTP在MAPK途径中
的生理功能研究是通过 T-DNA插入 AtMKP1突变体。
序列分析表明, AtMKP1是一种 DsPTP蛋白亚家族成
员, 具有保守的催化特征序列。AtMKP1无义突变体在
正常条件下并不表现出可见的表型, 但却对紫外UV-C
和甲基磺酸甲酯(methyl methanesulphonate, MMS)高
度敏感。用紫外 UV-C照射野生型植株 5分钟后发现,
有一个分子量为49 kDa的MAPK被诱导表达。在相同
剂量处理的情况下, 突变株的MAPK活性显然比野生型
植株高。另外, 对超表达的 AtMKP1株系检测显示, 超
表达株系表现出比野生型植株更强的抗UV-C和MMS
的能力(Ulm et al., 2001, 2002)。这些结果表明, 在
MAPK途径对DNA损伤因子的应答过程中, AtMKP1蛋
白是重要的调控因子。不过, 关于 AtMKP1 调控的
MAPK具体成员, 以及MAPK和MAKP磷酸酶在逆境
条件下应答中取得平衡的机制尚不清楚(Tena et al.,
2001)。
对拟南芥基因组序列的分析表明, 其基因组中可能
有 20个MAPK、10个MAPKK和 60个MAPKKK的
编码基因存在。这种情况同样见于番茄、烟草和水稻
等高等植物(Ulm et al., 2002)。相应地, 在拟南芥基
因组中发现了112个编码磷酸酶的基因, 其中只有1个
为TsPTP, 而DsPTP有 17个之多, 另外还有 1个小分
子量的 PTP(Kerk et al., 2002; Rayapureddi et al.,
2005)。这些证据都表明, PTP参与的MAPK级联途径
在拟南芥乃至整个植物界中起了非常重要的作用。
4 展望
虽然尚未在高等植物中鉴定得到酪氨酸磷酸激酶, 但通
过PTP在MAPK途径中作用的研究已经证明, 植物体内
的酪氨酸磷酸化水平对于细胞信号转导有着重要意义。
对植物PTP与MAPK作用机制的进一步研究也将加深
人们对MAPK级联途径的认识。拟南芥基因组完成测
序后, 发现了相当多的可能编码蛋白磷酸酶的基因, 研究
人员已经开始试图证明这些信息是否与其功能相符。
反向遗传学手段如RNAi和T-DNA插入突变体等技术的
发展, 将对 PTP的研究有很好的帮助(Bellec et al.,
2002)。另外, Rayapureddi等(2005)在拟南芥中获得了
一个酪氨酸特异的磷酸酶基因AtEYA, 该基因虽为酪氨
酸磷酸酶却不具有保守的Cys氨基酸, 而是由Asp来替
代。这也为我们进一步了解植物中酪氨酸磷酸酶的分
类及功能提供了新的思考。近几年, 研究重点已由酪氨
酸激酶转为酪氨酸磷酸酶; 由于生物体内磷酸化水平的
调节取决于两者之间的平衡, 将来的研究必将更加倾向
于磷酸酶对细胞信号的调节及其本身接受的调控机制等
方面。酪氨酸磷酸酶特异性抑制剂的运用和PTP核心
683赖辉煌等: PTP及其在植物MAPK途径中的作用
序列的定点突变等技术都有助于对磷酸酶信号转导通路
的研究。
参考文献
肖文娟, 宾金华, 武波 (2004). 植物体中的MAPK. 植物学通报 21,
205-215.
杨洪强, 接玉玲, 李林光 (2001). 脱落酸信号转导研究进展. 植物
学通报 18, 427-435.
Asai T, Tena G, Plotnikova J, Willmann MR, Chiu WL, Gomez-
Gomez L, Boller T, Ausubel FM, Sheen J (2002). MAP
kinase signaling cascade in Arabidopsis innate immunity.
Nature 415, 977-983.
Barford D, Das AK, Egloff MP (1998). The structure and mecha-
nism of protein phosphatases: insights into catalysis and
regulation. Annu Rev Biophys Biomol Struct 27, 133-164.
Bellec Y, Harrar Y, Butaeye C, Darnet S, Bellini C, Faure JD
(2002). Pasticcino2 is a protein tyrosine phosphatase-like in-
volved in cell proliferation and differentiation in Arabidopsis.
Plant J 32, 713-722.
Bogre L, Ligterink W, Meskiene I, Barker PJ, Heberle-Bors
E, Huskisson NS, Hirt H (1997). Wounding induces the rapid
and transient activation of a specific MAP kinase pathway.
Plant Cell 9, 75-83.
Camps M, Nichols A, Arkinstall S (2000). Dual specificity
phosphatases: a gene family for control of MAP kinase function.
FASEB J 14, 6-16.
Chiarugi P, Taddei ML, Ramponi G (2005). Oxidation and ty-
rosine phosphorylation: synergistic or antagonistic cues in
protein tyrosine phosphatase. Cell Mol Life Sci 62, 931-
936.
Cohen P (2000). The regulation of protein function by multisite
phosphorylation — a 25 year update. Trends Biochem Sci 25,
596-601.
Denu JM, Stuckey JA, Saper MA, Dixon JE (1996). Form and
function in protein dephosphorylation. Cell 87, 361-364.
Desikan R, Hancock JT, Ichimura K, Shinozaki K, Neill SJ
(2001). Harpin induces activation of the Arabidopsis mitogen-
activated protein kinases AtMPK4 and AtMPK6. Plant Physiol
126, 1579-1587.
Fordham-Skelton AP, Skipsey M, Eveans IM, Edwards R,
Gatehouse JA (1999). Higher plant tyrosine-specific protein
phosphatases (PTPs) contain novel amino-terminal domains:
expression during embryogenesis. Plant Mol Biol 39, 593-
605.
Fordham-Skelton AP, Chilley P, Lumbreras V, Reignoux S,
Fenton TR, Dahm CC, Pages M, Gatehouse JA (2002). A
novel higher plant protein tyrosine phosphatase interacts with
SNF1-related protein kinases via a KIS (kinase interaction
sequence) domain. Plant J 29, 705-715.
Guan KL, Dixon JE (1991). Evidence for protein-tyrosine-phos-
phatase catalysis proceeding via a cysteine-phosphate
intermediate. J Biol Chem 266, 17026-17030.
Gupta R, Luan S (2003). Redox control of protein tyrosine phos-
phatases and mitogen-activated protein kinases in plants. Plant
Physiol 132, 1149-1152.
Gupta R, Huang Y, Kieber J, Luan S (1998). Identification of a
dual-specificity protein phosphatase that inactivates a MAP
kinase from Arabidopsis. Plant J 16, 581-589.
Gupta R, Ting JT, Sokolov LN, Johnson SA, Luan S (2002). A
tumor suppressor homolog, AtPTEN1, is essential for pollen
development in Arabidopsis. Plant Cell 14, 2495-2507.
Haring MA, Siderius M, Jonak C, Hirt H, Walton KM,
Musgrave A (1995). Tyrosine phosphatase signaling in a
lower plant: cell-cycle and oxidative stress-regulated expres-
sion of the Chlamydomonas eugametos VH-PTP13 gene. Plant
J 7, 981-988.
Huang Y, Li H, Gupta R, Morris PC, Luan S, Kieber JJ (2000).
ATMPK4, an Arabidopsis homolog of mitogen-activated protein
kinase, is activated in vitro by AtMEK1 through threonine
phosphorylation. Plant Physiol 122, 1301-1310.
Hunter T (1995). Protein kinases and phosphatases: the yin and
yang of protein phosphorylation and signaling. Cell 80, 225-
236.
Kerk D, Bulgrien J, Smith DW, Barsam B, Veretnik S,
Gribskov M (2002). The complement of protein phosphatase
catalytic subunits encoded in the genome of Arabidopsis. Plant
Physiol 129, 908-925.
Kieber JJ, Rothenberg M, Roman G, Feldmann KA, Ecker
JR (1993). CTR1, a negative regulator of the ethylene re-
sponse pathway in Arabidopsis, encodes a member of the raf
family of protein kinases. Cell 72, 427-441.
Knetsch M, Wang M, Snaar-Jagalska BE, Heimovaara-
684 植物学通报 24(5) 2007
Dijkstra S (1996). Abscisic acid induces mitogen-activated
protein kinase activation in barley aleurone protoplasts. Plant
Cell 8, 1061-1067.
Landrieu I, da Costa M, de Veylder L, Dewitte F, Vandepoele
K, Hassan S, Wieruszeski JM, Corellou F, Faure JD, van
Montagu M, Inze D, Lippens G (2004). A small CDC25 dual-
specificity tyrosine-phosphatase isoform in Arabidopsis
thaliana. Proc Natl Acad Sci USA 101, 13380-13385.
Luan S (2003). Protein phosphatases in plants. Annu Rev Plant
Biol 54, 63-92.
Luan S, Ting JL, Gupta R (2001). Protein tyrosine phosphatases
in higher plants. New Phytol 151, 155-164.
MacRobbie EA (2002). Evidence for a role for protein tyrosine
phosphatase in the control of ion release from the guard cell
vacuole in stomatal closure. Proc Natl Acad Sci USA 99,
11963-11968.
Marshall CJ (1995). Specificity of receptor tyrosine kinase
signaling: transient versus sustained extracellular signal-regu-
lated kinase activation. Cell 80, 179-185.
Martin H, Flandez M, Nombela C, Molina M (2005). Protein
phosphatases in MAPK signaling: we keep learning from yeast.
Mol Microbiol 58, 6-16.
Monroe-Augustus M, Zolman BK, Bartel B (2003). IBR5, a
dual-specificity phosphatase-like protein modulating auxin and
abscisic acid responsiveness in Arabidopsis. Plant Cell 15,
2979-2991.
Morris PC (2001). MAP kinase signal transduction pathways in
plants. New Phytol 151, 67-89.
Nakagami H, Pitzschke A, Hirt H (2005). Emerging MAP kinase
pathways in plant stress signaling. Trends Plant Sci 10, 339-
346.
Naoi K, Hashimoto T (2004). A semidominant mutation in an
Arabidopsis mitogen-activated protein kinase phosphatase-
like gene compromises cortical microtubule organization. Plant
Cell 16, 1841-1853.
Pedley KF, Martin GB (2005). Role of mitogen-activated protein
kinases in plant immunity. Curr Opin Plant Biol 8, 541-547.
Petersen M, Brodersen P, Naested H, Andreasson E,
Lindhart U, Johansen B, Nielsen HB, Lacy M, Austin MJ,
Parker JE, Sharma SB, Klessig DF, Martienssen R,
Mattsson O, Jensen AB, Mundy J (2000). Arabidopsis map
kinase 4 negatively regulates systemic acquired resistance.
Cell 103, 1111-1120.
Quettier AL, Bertrand C, Habricot Y, Miginiac E, Agnes C,
Jeannette E, Maldiney R (2006). The phs1-3 mutation in a
putative dual-specificity protein tyrosine phosphatase gene
provokes hypersensitive responses to abscisic acid in
Arabidopsis thaliana. Plant J 47, 711-719.
Rayapureddi JP, Kattamuri C, Chan FH, Hegde RS (2005).
Characterization of a plant, tyrosine-specific phosphatase of
the aspartyl class. Biochemistry 44, 751-758.
Rossomando AJ, Payne DM, Weber MJ, Sturgill TW (1989).
Evidence that pp42, a major tyrosine kinase target protein, is a
mitogen-activated serine/threonine protein kinase. Proc Natl
Acad Sci USA 86, 6940-6943.
Seo S, Okamoto M, Seto H, Ishizuka K, Sano H, Ohashi Y
(1995). Tobacco MAP kinase: a possible mediator in wound
signal transduction pathways. Science 270, 1988-1992.
Song F, Goodman RM (2002). OsBIMK1, a rice MAP kinase
gene involved in disease resistance responses. Planta 215,
997-1005.
Stoker AW (2005). Protein tyrosine phosphatases and signaling.
J Endocrinol 185, 19-33.
Stone RL, Dixont JE (1994). Protein-tyrosine phosphatase. J
Biol Chem 269, 31323-31326.
Sturgill TW, Ray LB (1986). Muscle proteins related to microtu-
bule associated protein-2 are substrates for an insulin-
stimulatable kinase. Biochem Biophys Res Commun 134, 565-
571.
Tena G, Asai T, Chiu WL, Sheen J (2001). Plant mitogen-acti-
vated protein kinase signaling cascades. Curr Opin Plant Biol
4, 392-400.
Tonks N, Neel BG (2001). Combinatorial control of the specificity
of protein tyrosine phosphatases. Curr Opin Cell Biol 13,
182-195.
Tonks NK, Charbonneau H, Diltz CD, Fischer EH, Walsh KA
(1988). Demonstration that the leukocyte common antigen CD45
is a protein tyrosine phosphatase. Biochemistry 27, 8695-
8701.
Ulm R, Revenkova E, di Sansebastiano GP, Bechtold N,
Paszkowski J (2001). Mitogen-activated protein kinase phos-
phatase is required for genotoxic stress relief in Arabidopsis.
Genes Dev 15, 699-709.
Ulm R, Ichimura K, Mizoguchi T, Peck SC, Zhu T, Wang X,
685赖辉煌等: PTP及其在植物MAPK途径中的作用
Study on Protein Tyrosine Phosphatases and Their Function in
Mitogen-activated Protein Kinase Cascades in Plants
Huihuang Lai, Hongbin Wang*, Jinfa Wang
The State Key Laboratory of Biocontrol and Key Laboratory of Gene Engineering of the Ministry of Education, School of Life
Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract Protein tyrosine phosphatases (PTPs) are a large and structurally diverse family, and contain a highly conserved
catalysis domain. In plants, they interact with the mitogen-activated protein kinase (MAPK), which has an important role in
development, cell proliferation, hormone regulation and stress signaling. PTP is a negative regulating factor in the MAPK pathway.
In this paper, we review the recent advances in study of PTP and the role of MAPK in plants, including the structure of PTP and its
functions in the MAPK pathway, especially in Arabidopsis thaliana.
Key words Arabidopsis thaliana, mitogen-activated protein kinase, phosphorylation, protein tyrosine phosphatase, signal transduc-
t ion
Lai HH, Wang HB, Wang JF (2007). Study on protein tyrosine phosphatases and their function in mitogen-activated protein kinase
cascades in plants. Chin Bull Bot 24, 677-685.
(责任编辑: 孙冬花)
* Author for correspondence. E-mail: wanghb@mail.sysu.edu.cn
Shinozaki K, Paszkowski J (2002). Distinct regulation of
salinity and genotoxic stress responses by Arabidopsis MAP
kinase phosphatase 1. EMBO J 21, 6483-6493.
Vactor DV, O’Reilly AM, Neel BG (1998). Genetic analysis of
protein tyrosine phosphatases. Curr Opin Genet Dev 8, 112-
126.
Wurgler-Murphy SM, Maeda T, Witten EA, Saito H (1997).
Regulation of the Saccharomyces cerevisiae HOG1 mitogen-
activated protein kinase by the PTP2 and PTP3 protein tyrosine
phosphatases. Mol Cell Biol 17, 1289-1297.
Xu Q, Fu HH, Gupta R, Luan S (1998). Molecular characteriza-
tion of a tyrosine-specific protein phosphatase encoded by a
stress-responsive gene in Arabidopsis. Plant Cell 10, 849-
857.