全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 19卷 第 1期
2007年 2月
Vol. 19, No. 1
Feb., 2007
孢子体型自交不亲和反应臂重复蛋白ARC1
王茂广1,2
（ 1 临沂师范学院生命科学学院，临沂 276005；2曲阜师范大学生命科学学院，曲阜 273165）
摘　要：臂重复蛋白ARC1(arm repeat containing 1, ARC1)是孢子体型自交不亲和信号传导途径下游非常
重要的蛋白质因子，由臂重复结构域、U-box结构域、亮氨酸拉链 / 卷曲螺旋结构域、1 个核定位信
号和 2个核输出信号组成，其中臂重复结构域和 U-box结构域起主要功能。ARC1具有 E3泛素连接酶
活性，能够促进自交不亲和反应(self-incompatibility, SI )中的信号传导元件泛素化并降解。本文综述了
ARC1 蛋白的结构和功能，旨在阐明它在 SI反应中的作用。
关键词：自交不亲和性；S R K；A R C 1；泛素化
中图分类号：Q 51 7　　文献标识码：A
The arm repeat containing protein ARC1 in sporophytic
self-incompatible response
WANG Maoguang1,2
(1 College of Life Science, Linyi Normal University, Linyi 276005, China;
2 College of Life Science, Qufu Normal University, Qufu 273165, China)
Abstract: ARC1(arm repeat containing 1 ) is a very important downstream protein factor in sporophytic self-
incompatible signaling process. It is made up of arm repeat domain, U-box domain, leucine zipper domain/
coiled-coil domain, one nuclear localization signal and two nuclear export signal, arm repeat domain and U-box
domain are main functional domain. ARC1 has an E3 ubiquitin ligase activity and promotes the self-incompatible
signaling process element ubiquitination and degradation. This article summarizes the structure and function of
ARC1 protein to define its role in SI response.
Key words: self-incompatibility; SRK; ARC1; ubiquitination
植物的自交不亲和性(self-incompatibility, SI)是
花粉与雌蕊综合作用的结果，涉及到花粉识别和拒
绝的过程，它在遗传上受 S位点(S-locus)控制[1~2]。
至今，在孢子体型自交不亲和的芸薹属中，已经分
离克隆了编码控制花粉和雌蕊的 S基因，S基因编
码了花粉包被中S位点富含半胱氨酸蛋白[3-5](S-locus
cysteine rich, SCR)与雌蕊柱头中 S位点糖蛋白[6-7](S-
locus glycoprotein, SLG)和 S位点受体激酶[7-8]（S-lo-
文章编号 ：1004-0374(2007)01-0086-04
收稿日期：2006-06-05；修回日期：2006-07-20
基金项目：山东省高等学校实验技术研究项目
作者简介：王茂广(1978—)，男，硕士，讲师，E-mail: wangmaoguang@sina.com
cus receptor kinase, SRK）。SRK是 SI反应的雌蕊
决定因子[9-10]，它由一个与 SLG同源的 S域、一个
跨膜域和一个富含丝氨酸 /苏氨酸的胞内激酶域组
成[7-8]，位于柱头乳头细胞的细胞膜内[11]。臂重复
蛋白ARC1(arm repeat containing 1, ARC1) 是近年来
Goring领导的研究小组鉴定的一个能与 SRK的胞内
激酶域相互作用的蛋白质因子[12-13]，虽然它不是 S
位点基因编码蛋白，但能够以一种磷酸化的方式与
8 7第1期 王茂广：孢子体型自交不亲和反应臂重复蛋白 ARC1
SRK激酶域结合，引起 SI反应胞内信号传递，起
一种胞内第二信使的作用。现在已把SI反应作为研
究植物细胞信号传导的模式系统 [ 1 0 ]，所以，对
ARC1的研究成为搞清楚 SI反应信号传导途径的关
键，它也是许多花期分子生物学家研究的热点，本
文综述了ARC1蛋白近几年来的研究进展。
1　ARC1蛋白基因的克隆
SI反应起始于 SCR与 SRK胞外域的结合，引
起 SRK的磷酸化，然后 SI信号传递给 SRK的下游
元件。ARC1是Gu等[12]利用酵母双杂交系统筛选自
交不亲和的油菜柱头 cDNA文库时鉴定的一种能与
SRK的激酶域结合的蛋白因子，推测它可能介导了
自交不亲和信号的胞内传递，被认为是SRK的三个
底物蛋白(ARC1、THL1 和THL2[14])当中最令人感兴
趣的[15]。后来，Liu等[16]利用 PCR和 RT-PCR技术
分别克隆了高度自交不亲和的甘蓝和油菜中ARC1
的基因组DNA和 cDNA，研究表明，ARC1基因中
只有一个开放阅读框(ORF)，无内含子存在，序列
同源性比较发现，甘蓝与油菜中 ARC1 cDNA序列
同源性为 94%，两者有 41处核苷酸差异，差异的
密码子均引起编码的氨基酸发生错义突变；而甘蓝
与拟南芥中 ARC1 cDNA序列同源性只有 76%，并
且甘蓝、油菜和拟南芥中 ARC1编码的氨基酸数目
也不同，分别为 663、661和 729个氨基酸，这些
都说明 ARC1基因存在基因多态性现象，它在属间
的保守性明显高于种间的保守性，从功能上说这种
差异也是ARC1参与自交不亲和信号传导中SRK底
物蛋白特异性的基础。
RNA印迹和定量RT-PCR分析表明[12, 16]，ARC1
转录本只在雌蕊的柱头中特异表达，与植物表达 SI
反应的时间相偶联，而在根、茎、叶、花瓣、花
药和子房中均不能检测到 ARC1转录本的存在，这
充分说明了 ARC1是一个柱头特异性表达基因，而
柱头恰恰是 SI反应发生的部位[10]。这支持了它在授
粉过程中起 SI信号传导的作用。DNA印迹分析表
明，ARC 1 在基因组中为单拷贝。
2　ARC1蛋白的结构特征
对油菜中ARC1的661个氨基酸进行序列分析发
现，该蛋白质主要由 3种结构域组成[2,17](图 1): (1)
在蛋白质的 N端有一个亮氨酸拉链结构域(leucine
zipper domain)和卷曲螺旋结构域(coiled-coil domain);
(2)中间有一个U-box结构域；(3) C端为臂重复(arm
repeat)结构域；(4)另外还包含 1个核定位信号(nuclear
localization signal, NLS)和 2个核输出信号(nuclear
export signal, NES)。其中臂重复结构域和U-box结构
域在ARC1参与的 SI反应信号传导中起重要作用。
2.1　ARC1蛋白的臂重复结构域　蛋白质的臂重复
结构域最早是在Armadillo蛋白中发现的一种功能
域，由 42个亲水性氨基酸构成，参与蛋白质 - 蛋
白质之间的相互作用[12]，现在发现许多结构蛋白和
信号传导分子中都存在，也是在ARC1中最早发现
的一种结构域。序列比较分析表明，ARC1蛋白 C
端的臂重复结构域与Armadillo蛋白家族的臂重复结
构域同源性为 25%[12,18]，其中ARC1的臂重复 R1、
R2和 R5与Armadillo蛋白的臂重复 R12、R2和 R10的
同源性分别为29%、19%和24%，R3和R4与Armadillo
蛋白的臂重复 R6的同源性分别为 33%和 29%[12, 16]。
为了研究ARC1蛋白C末端臂重复结构域在 SI反应
中的功能，G u 等 [ 12 ]做了体外结合实验，实验表
明，ARC1的 C末端臂重复结构域能够依赖磷酸化
的方式特异性的与SRK910和SRKA14激酶域结合，导
致ARC1的磷酸化，启动信号传递，而不与拟南芥
的类受体 RLK4和 RLK5的激酶域相互作用，说明
了ARC1中C端的臂重复结构域决定了与SRK激酶
域结合的特异性。
2.2　ARC1蛋白的U-box结构域　U-box结构域位于
ARC1蛋白的 286— 347位氨基酸，是在ARC1蛋白
中发现的第二种重要的功能域。研究发现，U-box
结构域是一种被修饰过的环指结构[19](r ing finger
domain)，在动物、植物和真菌中都是非常保守的，
图1　ARC1蛋白的氨基酸序列结构
方框代表各种结构域; 数字表示氨基酸位点; 1: 亮氨酸拉链结构域; 2: 卷曲螺旋结构域; 3: 核定位信号NLS ；4和 6: 核输出信
号NES；5: U-box结构; R1— R5，臂重复结构域
8 8 生命科学 第19卷
它的三维结构类似于E3泛素连接酶的环指结构，并
且是E3泛素连接酶活性所必需的[20-21]。因此推测认
为U-box结构域赋予了ARC1 E3泛素连接酶活性，
使得ARC1能够调控柱头乳突细胞中某一完全未知
的自交不亲和信号传导元件泛素化并降解。蛋白质
泛素化是一个或多个泛素(ubiqintin, Ub)分子在E1泛
素激活酶、E2泛素结合酶和 E3泛素连接酶的作用
下与其他蛋白质分子共价结合，带有多聚泛素的蛋
白质通常被含有多种蛋白酶的 26S蛋白酶体所识别
和降解[21]。研究表明，泛素蛋白酶体途径是目前所
有真核生物中具有高度选择性的最重要的蛋白质降
解途径，它对于降解植物生长发育过程中一些短命
功能蛋白具有重要作用[20]。
为了检测ARC1具有E3泛素连接酶活性，Stone
等[17]做了体外蛋白质泛素化实验。他们将酵母中的
E1泛素激活酶、拟南芥中的E2泛素结合酶和GST-
ARC1一起对大肠杆菌中的蛋白质底物进行泛素化，
结果检测到了泛素化底物蛋白的存在；如果删除
ARC1中的U-box结构或突变U-box结构中保守的
Pro，都不能检测到泛素化底物蛋白。所以，Stone
等[17]第一次提供了直接证据表明ARC1具有E3泛素
连接酶活性，并且U-box结构是ARC1具有E3连接
酶活性所必需的。ARC1和 E1泛素激活酶、E2泛
素结合酶参与的泛素化反应过程如下：
[ ] [ ]
1 1
1 2 2 1
2 1 2 1
Ub COOH E SH E S CO Ub
E S CO Ub E E S CO Ub E
E S CO Ub ARC P E ARC P Ub
− + − → − − −
− − − + → − − − +
− − − + − − → − − − −底物 底物
26S蛋白酶体/CSN(COP9 Signalosome)能够依赖
ATP特异的识别和降解细胞质和细胞核中泛素标记
的蛋白，是泛素化蛋白质降解的主要位点，因此具
有E3泛素连接酶活性的ARC1进行泛素化蛋白质降
解必须在 26S蛋白酶体 /CSN上完成[22]。实验表明，
当转化myc-ARC1和GST-SRK到悬浮培养的烟草
BY-2细胞共表达时，ARC1能够在细胞核、细胞质
基质和 26S蛋白酶体 /CSN之间穿梭；但是当删除
全部或部分U-box结构、或将U-box结构中保守的
Pro残基替换成Ala残基时，都不能使ARC1定位到
26S蛋白酶体 /CSN上，说明U-box结构对于ARC1
定位到26S蛋白酶体 / CSN是必需的，但这需要SRK
激酶对它的磷酸化[17,22]。ARC1定位到26S蛋白酶体 /
CSN上为泛素化蛋白降解提供了保证，也说明泛素
蛋白酶体途径参与了 SI反应。
2.3　ARC1蛋白其他结构域　ARC1的C端臂重复结
构域能够依赖磷酸化的方式与 SRK的激酶域结合，
导致ARC1的磷酸化，磷酸化的ARC1可通过其N
末端的亮氨酸拉链结构域和卷曲螺旋结构域与细胞
核、细胞质基质中的信号传导元件或从内质网(ER)
中输出的信号传导元件结合[17]。结合信号传导元件
的ARC1通过U-box结构与连接泛素Ub的E2泛素结
合酶作用，使该信号传导元件泛素化，并共同运输
到 26S蛋白酶体 /CSN上，泛素化的信号传导元件
被降解，导致自交不亲和反应的发生。核定位信号
与核输出信号的存在使得ARC1能够在细胞核和细胞
质基质中穿梭，但主要位于细胞质基质中[22]。
3　ARC1在 SI反应中的生物学功能
随着S位点组分的阐明和SI反应相关蛋白研究
的不断深入，基本上构成一个完整的SI反应信号传
导途径。ARC1是 SI反应信号传导途径下游组分中
一个非常重要的功能分子，它在SI反应中扮演了重
要功能。
转基因实验是证明ARC1功能的有效方法。Stone
等[23]用全长的ARC1 cDNA在油菜中进行有义和反义
转基因实验，并通过 RNA杂交分析表明，在有义
转基因植株中检测到 ARC1转录本，且其表达量增
加了 3倍，植株仍为 SI表型；而在反义转基因植株
中，ARC1的mRNA表达量减少了约 90%，植株打
破了 SI，表现自交亲和，并获得自交种，这充分
说明了ARC1参与了SI反应，并且是SI反应所必需
的。
为了进一步阐明ARC1在SI反应中的生物学功
能，Goring领导的研究小组分别对野生型和ARC1
反义抑制的油菜进行了授粉分析[17]。结果表明，用
不亲和花粉对野生型油菜的柱头授粉后，发现泛素
化蛋白特异性增加，而ARC1反义抑制的油菜柱头
自花授粉后其泛素化蛋白却没有变化，这种现象恰
好说明了ARC1作为泛素连接酶E3参与SI反应。更
为重要的证据是，当用 26S蛋白酶体抑制剂处理柱
头后，进行不亲和授粉，发现能够打破 SI，有大
量的花粉粒黏附到柱头表面，并且50%— 60%的花
粉粒能够萌发产生花粉管穿入柱头；而未用 26S蛋
白酶体抑制剂处理的柱头，进行不亲和授粉后，几
乎没有花粉粒黏附到柱头表面。授粉实验表明了 SI
反应需要 26S蛋白酶体介导的蛋白降解过程，抑制
26S蛋白酶体的水解活性会干扰 SI反应[17]，而蛋白
酶体降解这一未知的信号传导元件恰恰需要ARC1
的参与。但是，目前与ARC1结合的信号传导元件
8 9第1期 王茂广：孢子体型自交不亲和反应臂重复蛋白 ARC1
还不清楚，推测认为它们应该是促进花粉水合、萌
发和花粉管生长的雌蕊亲和因子[17,22,24]。
4　研究展望
对ARC1的研究将是今后一段时间分子生物学
家们关注的热点，可从以下两个方面进行：(1)从
更多的自交不亲和植物中分离出ARC1，研究ARC1
之间以及ARC1与其他E3泛素连接酶之间的结构与
功能差异；(2)利用酵母双杂交途径筛选ARC1作用
的信号传导元件，研究ARC1如何与该元件结合以
及它们的复合物对于 SI的调控机理。随着对ARC1
研究的深入，自交不亲和反应通路将会更加完整。
[参　考　文　献]
[1] Nasrallah J B. Cell-cell signaling in the self-incompatibility
response. Curr Opin Plant Biol, 2000, 3(5): 368-373
[2] Silva N F, Goring D R. Mechanism of self-incompatibility
in flowering plants. Cell Mol Life Sci, 2001, 58(14): 1988-
2007
[3] Schopfer C R, Nasrallah M E, Nasrallah J B. The male deter-
minant of self-incompatibility in Brassica. Science, 1999,
286(5445): 1697-1700
[4] Suzuki G, Kai N, Hirose T, et al. Genomic organization of
the S locus: identification and characterization of in SLG/SRK
region of S9 haplotype of Brassica campestris (syn. rapa).
Genetics, 1999, 153: 391-400
[5] Takayama S, Shiba H, Iwano M, et al. The pollen determi-
nant of self-incompatibility in Brassica campestris. Proc
Natl Acad Sci USA, 2000, 97(4): 1920-1925
[6] Nasrallah J B, Kao T H, Goldberg M L, et al. A cDNA clone
encoding an S-locus-specific glycoprotein from Brassica
olereacea. Nature, 1985, 318: 263-267
[7] Delorme V, Giranton J L, Hatzfeld Y, et al. Characterization
of the S locus genes, SLG and SRK, of the Brassica S3
haplotype: identification of a membrane-localized protein
encoded by the S locus receptor kinase gene. Plant J, 1995,
7(3): 429-440
[8] Stein J C, Howlett B, Boyes D C, et al. Molecular cloning of
a putative receptor protein kinase gene encoded at the self-
incompatibility locus of Brassica olereacea. Proc Natl Acad
Sci USA, 1991, 88(19): 8816-8820
[9] Takasaki T, Hatakeyama K, Suzuki G, et al. The S receptor
kinase determines self-incompatibility in Brassica stigma.
Nature, 2000, 403(6772): 913-916
[10] Franklin-tong V E. Receptor-ligand interaction demonstrated
in Brassica self-incompatibility. Trends Genet, 2002, 18(3):
113-115
[11] Stein J C, Dixit R, Nasrallah M E, et al. SRK, the stigma-
specific S locus receptor kinase of Brassica, is targeted to the
plasma membrane in transgenic tobacco. Plant Cell, 1996, 8
(3): 429-445
[12] Gu T, Mazzurco M, Sulaman W, et al. Binding of an arm
repeat protein to the kinase domain of the S-locus receptor
kinase. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95(1): 382-387
[13] Mazzurco M, Sulaman W, Elina H, et al. Further analysis of
the interactions between the Brassica S receptor kinase and
three interacting proteins (ARC1, THL1 and THL2 ) in the
yeast two-hybrid system. Plant Mol Biol, 2001, 45(3): 365-
376
[14] Bower M S, Matias D D , Fernandes-Carvalho E, et al. Two
members of the thioredoxin-h family interact with the ki-
nase domain of a Brassica S locus receptor kinase. Plant Cell,
1996, 8(9): 1641-1650
[15] Lu Y, Li Y H. Signal transduction of self-incompatibility in
Brassica. Plant Physiol Commun, 2005, 41(4): 547-552
[16] Liu D, Zhu L Q, Wang X J. Cloning and characterization of
encoding sequence of SRK-binding protein ARC1 from
Brassica olereacea L in self-incompatibility signaling process.
Acta Agrono Sin, 2004, 30(5): 427-431
[17] Stone S L, Anderdon E M, Mullen R T, et al. ARC1 is an E3
ubiquitin ligase and promotes the ubiquitination of proteins
during the rejection of self-incompatibility Brassica pollen.
Plant Cell, 2003, 15(4): 885-898
[18] Stone S L, Goring D R. The molecular biology of self-incom-
patibility systems in flowering plants. Plant Cell, 2001, 67:
93-114
[19] Wu H J, Zhang Z G. Ubiquitin-proteasome pathway and its
significance. J Inter Path Clin Med, 2006, 26(1): 7-10
[20] Moon J, Parry G, Estelle M. The ubiquitin-proteasome
pathway and plant development. Plant Cell, 2004, 16: 3181-
3195
[21] Yang D Y, Liu K Y, Yu Z H. Ubiquitin ligase E3. Chn J Cell
Biol, 2005, 27(3): 281-285
[22] Yu X M, Lan X G, Li Y H. The Ub/26S proteasome path-
way and self-incompatible response in flowering plant. Chn
Bull Bot, 2006, 23(2): 197-206
[23] Stone S L, Arnoldo M, Goring D R. A breakdown of self-
incompatibility in ARC1 antisense transgenic plants. Science,
1999, 286(5445): 1729-1731
[24] Wu H Q, Zhang S L, Wang H T, et al. Self-pollen recognition
and rejection in flowering plants. Acta Bot Boreal-Occident
Sin, 2005, 25(3): 593-606