全 文 ：植物锚蛋白研究进展*
吴利民 李东屏
(湖南师范大学生命科学学院,长沙 410081)
摘 要: 锚蛋白重复序列模体是生物体内最普遍的蛋白质序列模体之一, 在多种细胞活动中主要介导蛋白
质-蛋白质的相互作用。综述了近年来有关锚蛋白参与植物信号传导的研究进展。
关键词: 锚蛋白重复序列模体 结构域 蛋白质相互作用 防卫反应
Research Progress of Plant Ankyrin Repeats Protein
Wu Limin Li Dongping
( Col le ge of L i f e S ci ence , H unan N or mal Univ e rsi ty , Chang sha 410081)
Abstract: Anky rin repeats, as one of the most commonly pr otein mo tifs, are invo lved in diver se pr otein-pro tein
interactions in var ious life activities. In this rev iew , w e discussed the r eseach prog r ess of ankyr in r epeat containing
pr otein in plant signal transduction.
Key words: Anky rin repeats motif Domain P rotein-pro tein interaction Defense response
锚蛋白重复序列 ( ankyrin repeat )是普遍存在
于真核、原核及病毒中的一种蛋白质序列模体,其功
能主要是参与蛋白质与蛋白质的相互作用。1987
年, Breeden 和 Nasmy th在两个酵母细胞周期调控
蛋白 Sw i6和 Cdc10中, 首次发现了 ANK 模体, 随
后在细胞骨架锚蛋白 ( ankyrin)中发现了含有 24
个此重复序列模体的结构, 将其命名为锚蛋白重复
序列模体 ( ANK repeats mot if ) [ 1]。典型的 ANK
重复序列一般含有 33个残基, 数目不等的 ANK 单
元串联起来, 形成许多大的 ANK 结构域 ( ANK
domain) ,行使生物功能。由于该蛋白质家族成员
中 ANK在数目、一级序列以及空间结构上都存在
差异,使得 ANK模体能够与多种配体结合,实现纷
繁复杂的生物功能[ 2] 。
有关动物中锚蛋白重复序列的研究报道很多,
其中主要包括细胞骨架形成体 ( cytoskeletal org an-
izers) , CDK ( cyclin dependent kinase)抑制剂,转录
调控因子,发育调控子,膜蛋白等。拟南芥和水稻等
模式植物基因组测序发现锚蛋白重复序列也存在于
许多植物蛋白中, 但植物锚蛋白的研究还相对滞后,
主要集中在有关信号转导中的自身防御、发育调控、
物质转运及蛋白磷酸化等。因此, 研究 ANK 模体
对于认识这类植物蛋白质家族成员的结构和功能具
有十分重要的作用, 也必定会给植物信号传导的研
究带来新的切入点。
1 ANK 的结构特征
典型的 ANK 重复序列一般含有 33 个残基,保
守残基的一级序列和二级结构可由图 1表示[ 3]。
同源性比较发现, 保守性越强,其蛋白质的功能
越类似。非保守残基集中在分子表面作为蛋白质识
别和结合位点,而保守残基则包含蛋白质分子折叠
所必需的信息[ 4]。
锚蛋白重复结构域主要由两个-螺旋和两个-
片层构成,折叠成 22结构。发夹与 螺旋构成
的平面几乎垂直, 而几对螺旋肩并肩排列,依靠疏
水作用相互堆积, 形成一个紧密而舒展的螺旋平面,
一侧疏水, 另一侧亲水,在空间上则形成 L 型结构,
整个结构域就像一只弯曲的手, 片层形成手指,而
收稿日期: 2005-09-14
* 基金项目:国家自然科学基金项目资助( 30370791)和省教育厅青年项目资助( 0413038)
作者简介:吴利民( 1977- ) ,男,湖南师范大学硕士研究生,研究方向:分子生物学
通讯作者:李东屏, T el: 0731-8872724; Email: dli@ hunnu. edu. cn
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 6期
螺旋平面形成手掌部分, 手指与手掌相互垂直,从而
形成手心内部的一个疏水性深沟, 图 2 所示。保守
残基在结构上可能参与每个独立重复单位构建或者
形成各重复单位之间相互作用的表面残基,对整个
ANK 结构域起到稳定的作用[ 5]。
图 1 保守的 ANK重复序列
图 2 ANK结构域的 X晶体衍射结构图(人肿瘤抑制子 PDB编号: 1bd8)
ANK中还有一个非常保守的模体 T PLH 形成
的一个紧密转角( t ight turn) , 它是连接2和 1的
纽带[ 6] 。一般来说, 发夹指尖残基可变,它并不参
与结构的形成, 因此,它很可能参与与目标蛋白的结
合,不同残基结合不同的蛋白,便形成了其功能的特
异性[ 7] 。同时,许多 ANK 家族蛋白质分子的 ANK
结构域并不完全保持典型的结构特征, 有些 ANK
序列长度相对于其他单元较短,还有些 ANK 结构
域有一些氨基酸序列会插入到两个 ANK重复单元
之间或者是位于 ANK模体的内部。这些结构上的
变异,也使得 ANK的空间结构多样化,能够结合
的不同蛋白质配体, 实现了功能上的多样化。
2 植物锚蛋白功能研究
2. 1 锚蛋白参与的自身防御
植物依靠敏感的识别机制,识别各种入侵的病
原微生物,从而激活防卫反应、保护自己。遗传方法
发现有很多抗性基因参与防卫反应的信号传导, 它
们能被独立地激活。锚蛋白作为重要的调节因子,
广泛参与植物防卫反应。
应用突变体分析和基因克隆技术, 已分离和鉴
定了一些参与防卫反应的锚蛋白基因, 例如: A t-
Phos43、A KP 2、A N K 1、A CD 6、DREB2 和 N PR1
等。Sco tt 等[ 8]用二维电泳结合质谱分析在拟南芥
中分离得到一个 43KD的蛋白质 AtPho s43, 细菌或
真菌感染后几分钟内 AtPhos43 迅速被磷酸化, 其
C-末端含 2个锚蛋白单元,可能介导蛋白质的识别
或相互作用。有趣的是表达分析发现许多植物如水
稻、棉花、苜蓿等均存在 A tPhos43的同源蛋白, 而
酵母、动物和人类均没找到其同源蛋白质, 表明
A tP hos43是一个植物特有的锚蛋白基因。Yan 等
8 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 6期
应用酵母双杂交分离和鉴定了一个锚蛋白基因
AK R2, A KR 2蛋白 C-末端有 4 个锚蛋白单元, 而
N-末端包含 PEST 序列,类似动物的 IkB蛋白及植
物 N PR 1/ N IM 1蛋白。用反义 RNA 抑制 AKR2
表达导致叶片小块坏死,并伴随 H 2O2产生,类似过
敏反应。AK R2 可能是 PR-1 的负调节子, 还可能
参与抗病和抗胁迫反应中的抗氧代谢, 锚蛋白重复
序列在其中的具体作用还有待进一步研究[ 9]。
Hua Lu 等 2003 年在拟南芥中分离得到一个
新的锚蛋白基因 ACD6, 它影响和调节拟南芥防卫
反应的 SA (水杨酸)信号途径。A CD6是一个必需
且剂量依赖的激活因子, 在对病原体防卫反应和
SA 依赖的细胞程序死亡中起作用, 它属于一个大
的家族,编码的蛋白质含 9 个锚蛋白单元, N-末端
有 5个跨膜结构域[ 10, 11] 。
N PR1是从拟南芥中克隆到的系统获得抗性
( SAR)的重要调节成员, N PR1 突变体阻止水杨酸
( SA)参与的系统获得抗性。N PR1包含锚蛋白重
复序列和一个 BT B域,以此与其它蛋白相互作用。
例如酵母双杂交证明 NPR1 与 bZIP 特异性结
合[ 12]。而 Markus Kuhlmann 等发现烟草 bZIP 转
录因子 BZT-1的 a-螺旋 D1结构域与另一个锚蛋白
ANK1相互作用, 参与激素信号和病原体防卫反
应[ 13]。而Wirdnam[ 14]等从也烟草中得到两个锚蛋
白 GBP1和 GBP2。当 GBP1或 GBP2 在体外和酵
母中表达都能结合几丁质酶( HNI)和 -1, 3-葡聚糖
酶( GLUI) ,而 HNI和 GLU I均参与对病毒、细菌、
真菌等病原体的防御反应。GBP1的正反义 RNA
转化株表现出幼叶下垂卷缩, 同时淀粉、蔗糖、果糖
积累减少,说明 GBP1/ 2属于植物特有的 PANK 家
族成员,可能参与植物防御反应与糖代谢之间的关
联。有趣的是正义 GBP1转化株中 GBP 过量表达,
而反义 GBP1转化株 GBP/ TIPb 表达减少, 猜测只
有 GBP 的适当丰度才能保证植物的相关防御功能。
2. 2 锚蛋白参与的物质运输
组织或细胞之间物质运输和信息交流对生物体
的生长发育非常重要, 有机分子和无机离子的选择
吸收和有序运输是植物生长调节的一个重要方面。
植物中有很多锚蛋白基因参与物质的识别和运输。
Pratelli等在葡萄中克隆了一个 K + 通道蛋白
基因 SIPK , 它属于所谓的 Shaker fam ily, 与 K 通
道蛋白 KAT 有很高同源性, 不同的是它还含有一
个小的 anky rin domain,可能是 Shaker family 进化
的一个典型特征。SI PK 与报告基因 GUS 的融合
蛋白的组织定位分析发现它在葡萄中主要在气孔保
卫细胞中表达,而拟南芥中还在木质部的薄壁组织
表达。SIPK可能调节植物蒸腾作用, 以及控制葡
萄浆果的含水量[ 15]。而 Sentenca H 等( 1992)就在
拟南芥克中隆得到一个 K+ 转运的基因, 其编码的
多肽有三个结构域: 一个动物同源的 K + 通道形成
区,一个环核苷酸结合域以及一个锚蛋白重复序列。
该基因在酵母中表达能互补酵母 K + 缺陷株[ 16] 。随
后 Pilot 等发现拟南芥含 ANK 的 K + 通道蛋白
AKT 有六个成员 [ 17]。
Li HY 等在拟南芥中分离和克隆了一个锚蛋
白基因 A CBP 2,该蛋白结合长链乙酰辅酶 A,作为
乙酰辅酶 A的转运子,能维持胞内乙酰辅酶 A 库。
与其它 A CBP 一样, A CBP2 含有一个乙酰辅酶 A
结合域,但它还有 N-末端的跨膜区以及 C-末端的锚
蛋白重复序列, 酵母双杂交表明 ACBP2 很可能在
质膜通过其 C-末端的锚蛋白重复序列与拟南芥的
乙烯响应因子结合蛋白 AtEBP 相互作用,从而参与
乙酰辅酶 A的转运 [ 18 ]。
2. 3 锚蛋白参与的发育调控
生物体的生长发育是一个非常复杂的过程,发
育过程中细胞、组织和器官内一系列按时间和空间
顺序发生质变的规律是植物遗传信息在内外条件影
响下顺序表达的结果。其发育中涉及到一系列植物
的极性、模式的决定,组织间的相互作用、细胞分化、
细胞识别以及核- 质关系等生物学中的一些基本问
题。大量蛋白调节因子在不同时空水平上调控生物
体的正常生长发育。
Sylive Albert ( 1999)分离了一个在参与胚胎发
育的锚蛋白基因 EMB506,编码一个 35KD的蛋白,
在 C-末端有 5个锚蛋白重复序列。EMB506 在配
子发生期或早期胚胎中表达, 而突变体 emb506会
出现胚胎发育受阻,而正常 emb506 cDNA 互补突
变株能产生种子, 但顶端优势不明显,且产生不定芽
或苞叶。EMB506可能通过其锚蛋白重复序列识别
蛋白,调节植物的胚胎发育[ 19] 。Zhang H ( 1992)克
92005年第 6期 吴利民等:植物锚蛋白研究进展
隆和鉴定了一个参与质体发育的基因 A KR ,其编码
的蛋白质包含 4 个典型的锚蛋白重复序列。AK R
基因光依赖性表达, 而且含两个或多个正反义 AK R
的转基因拟南芥表现明显黄萎, 这种表型能稳定遗
传。大多数黄萎植株结种很少, 黄萎叶片里类囊体
膜减少以及基粒缺失说明正反义 A KR 抑制了叶绿
体的分化,而锚蛋白重复序列可能在叶绿体的分化
中起了重要的调控作用 [ 20]。值得说明的是正义
AK R 沉默的作用机理还不太清楚,可能是在转录或
DNA 修饰过程中导致基因沉默, 也有可能跟 AKR
基因本身的特异性有关, 正义 AK R 植株产生含 4
个锚蛋白重复序列的多肽, 一旦这些多肽翻译或折
叠正确,就可能与 AKR形成竞争性的抑制, 通过其
锚蛋白重复序列结合相关蛋白。Victor L . Klimyuk
等( 1999)用转座子标记分离到一个拟南芥突变体
chaos,表现出类囊体核编码天线蛋白显著减少、叶
绿素和类胡萝卜素耗尽以及光合作用的捕光不足。
克隆得到该基因 CAO, 编码一个 43KD 的蛋白
cpSRP43,含 4个锚蛋白重复序列和一个染色质结
合域,在叶绿体内 cpSRP43与 cpSRP54 特异结合。
序列分析发现 cpSRP43是一个植物特有的蛋白, 可
能通过其锚蛋白重复序列识别 cpSRP54, 作为叶绿
体信号识别系统( cpSRP)的成员, 参与捕光色素蛋
白复合物( LHCP)的转运和定位 [ 20]。锚蛋白还在参
与转录水平的调控, Bouche 等( 2002)筛选 cDNA 表
达文库发现一类转录激活蛋白家族 CAMTA s,存在
于在各种多细胞生物体,拟南芥中共有 6 个 CA M-
T A 基因, 其中有些含 CAMT A 蛋白含有锚蛋白重
复序列[ 21]。
Nodzon 等[ 22] 研究发现了一个 泛素连接酶
XBA T32,它含一个锚蛋白重复序列和一个 RIN G
指结构域。xbat32突变株抑制侧根生长, 细胞分裂
标志物 CYCB1表达显著减少, 激素处理其突变株
诱导刺激初生根中 XBAT 32表达,而且部分地刺激
次生根的生长, 因此, XBAT 32 可能是一个新的泛
素蛋白连接酶参与侧根发育。而 Ha 等[ 23] 在拟南
芥中发现一个含 BTB/ POZ 及 ANK 结构结构域的
蛋白 BOP1,其插入突变出现明显的叶损伤, 而表达
模式研究发现它在幼叶原基、基叶近轴、花芽、萼片
及花瓣均有表达,表明 BOP1可能参与调节侧生器
官形态建成。
2. 4 锚蛋白激酶
现在有关植物锚蛋白激酶的报道还很少, Chin-
chilla D( 2003)在紫花苜蓿的原发或继发根结节中
发现 Msapk1的表达, 它是一类新的蛋白激酶, 其
N-末端有 3 个锚蛋白重复序列, 在渗透压力下,
M sapk1从 3 小时开始表达, 2 天到达最高。RT-
PCR在拟南芥中找到了 M sapk1 的同源基因[ 24]。
而其它还有有关植物锚蛋白激酶在细胞黏附中起作
用的报道。
3 结束语
由于锚蛋白介导的不同调节蛋白的大分子识
别,表明作为功能广泛的调节因子介导蛋白质-蛋白
质的相互作用, 参与复杂的生物功能。锚蛋白主要
在细胞内外的信号传递过程中起联系和调节作用。
事实上,复杂的生物反应大部分正是通过有限的蛋
白质结构模体完成的。蛋白质的进化既需要关键氨
基酸的保守性来保持结构上的完整性, 又要通过序
列上的变化来实现功能上的特异性和生物多样性。
正如 ANK模体, 螺旋堆积内保守的疏水性残基既
保证了整个 ANK 结构域的形成和稳定, 同时又作
为发生相互作用的结合位点; 发夹指尖和其他非
保守元件的插入为其功能多样性提供了结构基础。
植物锚蛋白功能进一步研究对于找出蛋白质- 蛋白
质相互作用以及植物信号传导的规律具有重要意
义。
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发表的鸟类基因组图。 汪开治
112005年第 6期 吴利民等:植物锚蛋白研究进展