全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (4): 479–491, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.04.012

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收稿日期: 2009-08-03; 接受日期: 2010-01-14
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30840002, No.30970223)、黑龙江省留学归国人员科学基金(No. LC08C03)、黑龙江省留学人员科技
活动项目择优资助(2009HLJLixinLi)、东北林业大学引进人才科研启动金(No.015-602042)、中国博士后科学基金(No. 200902365)和中
央高校基本科研业务费专项资金(No.DL09DA02)
* 通讯作者。E-mail: lixinli1@gmail.com
拟南芥SNARE因子在膜泡运输中的功能
金红敏, 李立新*
东北林业大学东北油田盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室, 哈尔滨 150040
摘要 高等植物细胞含有复杂的内膜系统, 通过其特有的膜泡运输机制来完成细胞内和细胞间的物质交流。膜泡运输主要
包括运输囊泡的出芽、定向移动、拴留和膜融合4个过程。这4个过程受到许多因子的调控, 如Coat、SM、Tether、SNARE
和Rab蛋白等, 其中SNARE因子在膜融合过程中发挥重要功能。SNARE因子是小分子跨膜蛋白, 分为定位于运输囊泡上的
v-SNARE和定位于靶位膜上的t-SNARE, 两类SNARE结合形成SNARE复合体, 促进膜融合的发生。SNARE蛋白在调控植
物体生长发育以及对外界环境响应等生理过程中起重要作用。该文对模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)SNARE因子的
最新细胞内定位和功能分析等研究进展进行了概述。
关键词 拟南芥, SNARE蛋白, 膜泡运输
金红敏, 李立新 (2010). 拟南芥SNARE因子在膜泡运输中的功能. 植物学报 45, 479–491.
植物本身无法主动逃避不利环境, 为适应各种外
来以及内在胁迫, 植物细胞不断调整并最终形成了特
有的内膜系统和膜泡运输机制以完成细胞内和细胞
间的物质交流(Staehelin, 1997)。膜泡运输过程分为4
个步骤 : 运输囊泡的出芽 (budding)、定向移动
(transport)、拴留(tether)和膜融合(fusion)(Cai et al.,
2007)。此过程主要包括货物在供体膜特定区域的募
集、运输囊泡的形成、沿着细胞骨架的移动以及最终
与受体膜融合并释放囊泡内含物质。整个过程受到许
多因子的调控, 如Coat、Tether、Rab、SM、SNARE
等。其中, SNARE(soluble N-ethyl-maleimide sen-
sitive factor attachment protein receptor)蛋白定位
于运输囊泡与靶位膜上 , 分为Vesicle-membrane
SNARE(v-SNARE) 和 Target-membrane SNARE
(t-SNARE), v-SNARE与t-SNARE之间的特异性识别
与SNARE复合体的形成诱导膜融合。有关动物和酵
母的膜泡运输机制已有深入的研究, 而植物方面的研
究起步较晚。模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)
细胞内膜系统中存在大量的SNARE蛋白, 根据氨基
酸序列特征, 人们对它们进行了分类, 并通过与动物
和酵母基因组序列比对, 推测出其细胞内定位、相互
作用关系和功能, 但是多数还没得到生物学验证。本
文总结了拟南芥SNARE蛋白的细胞内定位和功能分
析等最新研究进展, 并探讨了此研究领域存在的问题
与发展前景。
1 SNARE蛋白的结构和分类
SNARE蛋白是由100－300个氨基酸残基组成的小分
子量蛋白质, 在动物、植物和酵母间高度保守。其结
构比较简单 , 通常含有C末端结构域 (domain)、
SNARE基序(motif)和N末端结构域(Hong, 2005)。
多数SNARE蛋白的C末端含有单个跨膜结构域
(transmembrane domain, TMD)。TMD的功能是将
SNARE蛋白锚定在膜上, 其胞质侧连接SNARE基序
(Jahn and Scheller, 2006)。一些没有TMD结构的
SNARE蛋白通过自己独特的方式来完成与膜表面的
附着。如Ykt6的TMD被一个法尼基化(farnesylation)
的CAAX-box所替代; SNAP25和Syntaxin11主要通
过一个十六烷酰化(palmitoylation)结构域实现与膜的
结合(Hong, 2005; Jahn and Scheller, 2006)。
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480 植物学报 45(4) 2010
SNARE蛋白的中心位置含有1个在进化上高度
保守的结构域, 称为SNARE基序, 是由大约60个氨
基酸形成的螺旋结构(Weimbs et al., 1997)。大部分
SNARE蛋白只含有1个SNARE基序, 但SNAP25类
蛋白包含2个串联的SNARE基序 (Hong, 2005)。
SNARE复合体中各亚基的SNARE基序相互作用形
成四螺旋结构(Hong, 2005)。人们根据SNARE基序的
氨基酸序列特征 , 把SNARE蛋白分为Q-SNARE和
R-SNARE (Fasshauer et al., 1998)。
与SNARE基序的高度保守性相反, N末端结构域
类型多样, 主要与一些调节因子, 如SM蛋白相互作
用调节SNARE复合体的形成 (Jahn and Scheller,
2006)。一部分SNARE蛋白的N末端包含3个反向平行
螺旋束(Ha、Hb和Hc, 图3), 通过一个灵活的连接序
列与SNARE基序相连接。有些Q-SNARE(如Syn1和
Syn7)的Habc结构可以与自身的SNARE基序相结合
形成闭合构象 , 防止SNARE复合体形成 (Hong,
2005; Jahn and Scheller, 2006)。根据N末端结构域
长度R-SNARE蛋白可分为2种 : Brevin和Longin。
Brevin较短, 序列有多变性; Longin较长, 含有一段
保守序列, 称为Longin domain (Rossi et al., 2004)。
植物体中绝大多数 R-SNARE属于 Longin蛋白
(Sanderfoot, 2007)。另外, Sec20和Slt1等的N末端结
构域不具有明显特征(Dilcher et al., 2003; Nakajima
et al., 2004)。
SNARE的分类方法主要有2种。1993年, Söllner
等(1993)首次从动物神经元细胞中分离得到VAMP/
synaptobrevin、SNAP-25和Syntaxin形成的复合体,
并将定位在运输囊泡上的VAMP/synaptobrevin定义
为 v-SNARE, 定 位 在 靶 位 膜 上 的 SNAP-25 和
Syntaxin定义为t-SNARE。近年来, 有人提出酵母中
Syntaxin之外的SNARE蛋白都有可能是v-SNARE蛋
白, 而且证实Sec22p在内质网(endoplasmic reticu-
lum, ER)到高尔基体(Golgi)的双向运输途径中分别
作为 v-SNARE和 t-SNARE发挥功能 (Jahn and
Scheller, 2006)。因此认为将一个特定的SNARE蛋白
单纯地定义为t-SNARE或v-SNARE是不够确切的。
Sutton等(1998)首次得到SNARE复合体的高分辨率
晶体结构, 揭示了复合体中各SNARE蛋白相互作用
形成的核心结构。在此基础上, Fasshauer等(1998)
把在SNARE复合体核心结构中含有1个保守的谷氨
酰胺的亚基称为Q-SNARE, 含有1个保守的精氨酸
的亚基称为R-SNARE。SNARE复合体中一般含有3
个Q-SNARE和1个R-SNARE, Q-SNARE分为Qa-
SNARE/syntaxin、Qb-SNARE(SNAP-25 N- terminal
SNARE基序 )和 Qc-SNARE(SNAP-25 C-terminal
SNARE基序)。在分类地位上 , Q-SNARE相当于t-
SNARE, R-SNARE相当于v-SNARE (Fasshauer et
al., 1998)。然而, v-、t-SNARE的分类方法一直沿用
了下来, 因为它能够更加清楚地说明各个SNARE蛋
白在运输中的地位与功能。根据氨基酸序列推测, 拟
南芥至少有 63种 SNARE基因 , 其中包括 19种
Qa-SNARE、12种Qb-SNARE、12种Qc-SNARE、
17种R-SNARE及3种SNAP25类蛋白(Sanderfoot et
al., 2000; Uemura et al., 2004; Sanderfoot, 2007)。
2 SNARE复合体的形成方式
膜融合过程中, 首先, 运输囊泡上的Rab GTPase与
靶位膜上的Tethering complex/factor相互作用, 接
着, v-、t-SNARE形成trans-SNARE复合体促进膜融
合发生, 囊泡内物质释放, trans-SNARE复合体变为
cis-SNARE复合体(Hong, 2005)。膜融合过程完成之
后 , α-SNAP (soluble N-ethylmaleimide-sensitive
factor attachment protein)和 NSF(N-ethylmaleim-
ide-sensitive factor)与cis-SNARE复合体结合, 促使
复合体解聚, SNARE蛋白循环进入下一个膜泡运输
过程(Hong, 2005)。
常见的SNARE复合体形成方式主要有3种(图1)。
经典的方式是Syn1复合体方式——Qa-SNARE
(syntaxin1)和Qb, Qc-SNARE(SNAP-25)通过N末端
的SNARE基序形成临时的Q-SNARE复合体, 然后再
与R-SNARE(VAMP-2)结合形成复合体(Sanderfoot
et al., 2000)。第2种是Syn18复合体方式——首先,
Qa-SNARE(syntaxin18)与R-SNARE (Sec22b)结合,
构象发生变化 , 暴露出Qb-SNARE (BNIP1)和
Qc-SNARE(p31)的高度亲和性结合位点, 然后与二
者结合形成完整复合体(Aoki et al., 2009)。第3种也
是最简单的方式 , 即Syn7复合体方式——在4个
SNARE蛋白同时存在的前提下, 共同形成SNARE复
合体(Aoki et al., 2008)。除了上述3种常见的复合体
形成方式 , 还有QabR/QacR三元复合体方式 , 如
金红敏等: 拟南芥 SNARE因子在膜泡运输中的功能 481


图1 SNARE复合体形成方式 (Zwilling et al., 2007; Aoki et
al., 2008 )

Figure 1 Diversity of SNARE complex assemble (Zwilling et
al., 2007; Aoki et al., 2008 )

Syn13复合体 , 它不仅能形成经典的四元结构 ,
Syn13还能够与VAMP4和Syn 6(Vti1a)形成三元复合
体(图1)(Chen et al., 2005; Zwilling et al., 2007)。
3 拟南芥SNARE蛋白的功能分工
3.1 拟南芥SNARE蛋白的分布
据推测, 拟南芥中至少含有63种SNARE蛋白, 远远
大于酵母和动物体中的SNARE蛋白数量(Sanderfoot
et al., 2000; Sanderfoot, 2007)。Uemura等(2004)利
用瞬时表达等方法观察了其中一些SNARE蛋白的定
位。图2总结了拟南芥SNARE蛋白的分布情况。图2
显示, 大多数的细胞器上均含有Qa-、Qb-、Qc-和
R-SNARE因子 , 但是有的细胞器 (如早期内体 )的
SNARE因子还没有被完全预测出来。这些SNARE因
子在各自的位置上发挥功能, 使细胞内膜系统通过物
质交换形成协同一致的整体。其中一部分SNARE因
子(如SYP71/72/73、SYP21/22等)可能分布在多种细
胞器上, 暗示了其功能的多样性。
3.2 SNARE蛋白在细胞内物质运输中的分工
3.2.1 内质网和高尔基体间的物质运输
目前已知, AtUfe1/SYP81和AtSec20分别是唯一定位
于内质网膜的Qa-和Qb-SNARE, 其酵母和动物同源
蛋白Ufe1p和Syn18、Sec20p和BNIP1调控高尔基体
到内质网的逆行运输(Lewis et al., 1997; Sanderfoot
et al., 2000; Nakajima et al., 2004; Sanderfoot,
2007)。Li等(2006)研究发现, AtUfe1和AtSec20能与
内质网膜定位的Tethering factor MAIGO2相互作用,
在种子贮藏蛋白质从内质网到液泡的运输中起重要
调控作用, 这个结果从侧面说明了AtUfe1和AtSec20
在膜泡运输途径中的地位。Bubeck等(2008)研究发
现, AtUfe1不仅定位于内质网, 在cis-Golgi上也有分
布。AtUfe1的过表达会抑制内质网和高尔基体之间的
双向运输, 使内质网的跨膜蛋白异常蓄积并引起内质
网形态的变化。目前, 关于AtUfe1和AtSec20功能的
遗传学分析尚未见报道。内质网Qc-SNARE有5个候
选基因: SYP71、72、73和AtUSE11、12。Uemura
等 (2004)认为SYP7家族是定位于内质网的Qc-
SNARE蛋白, 而Suwastika等(2008)发现SYP71除内
质网外还分布在质膜上。因此, SYP7家族可能是有定
位的双重性。由于 AtUSE1的酵母同源蛋白
Use1p/Slt1p在内质网上与Ufe1p、Sec20p和Sec22p
形成SNARE复合体, 介导高尔基体到内质网的逆行
运输中的膜融合(Burri et al., 2003; Dilcher et al.,
2003), 所以, AtUSE1家族也是Qc-SNARE的有力候
补。内质网Qc-SNARE蛋白的确定还需要遗传学、细
胞生物学等方面的证据。
定位在高尔基体上的Syntaxin蛋白属于SYP3家
族, 包括AtSYP31和AtSYP32 (Sanderfoot et al.,
2000; Uemura et al., 2004; Bassham et al., 2008)。
SYP3家族的酵母和哺乳动物同源蛋白分别为Sed5p
和Syntaxin5, 都参与调控由内质网形成的运输囊泡
与高尔基体的融合过程(Bassham et al., 2008)。
SYP31主要定位于高尔基体, 在细胞分裂间期调控
分泌途径上游的膜泡运输, 而在细胞分裂期参与细胞
板处的膜融合过程(Rancour et al., 2002; Bubeck et
al., 2008)。高尔基体Qb-SNARE有2类, 一类是分布
在cis-Golgi上的MEMB11/12, 另一类是分布在trans-
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图2 拟南芥SNARE因子在细胞内的分布 (Uemura et al., 2004; Sanderfoot, 2007; Bassham et al., 2008)

Figure 2 Intracellular localization of Arabidopsis SNARE proteins (Uemura et al., 2004; Sanderfoot, 2007; Bassham et al.,
2008)


Golgi上的 GOS11/12 (Uemura et al., 2004)。
MEMB11在烟草(Nicotiana tabacum)叶片表皮细胞
中作为R-SNARE参与ER-Golgi的顺行运输(Chatre
et al., 2005)。GOS1家族的酵母同源蛋白Gos1p可能
参与内质网到高尔基体的顺行运输和(或)高尔基体层
板间的物质交换(McNew et al., 1998); GOS1家族哺
乳类同源蛋白GS28与高尔基体 Syntaxin5形成
SNARE复合体 , 参与内质网到高尔基体的运输
(Subramaniam et al., 1995, 1996, 1997)。但是目前
还没有关于拟南芥GOS1家族功能的报道。高尔基体
Qc-SNARE蛋白包括2类: BET1/Bs14和类BET1蛋白
SFT1(Sanderfoot et al., 2000; Tai and Banfield,
2001; Uemura et al., 2004; Sanderfoot, 2007)。
BET1包括BET11/Bs14a和BET12/Bs14b, 其酵母同
源蛋白Bet1p参与内质网和高尔基体间的膜泡运输
(Newman et al., 1990; Parlati et al., 2000)。拟南芥
SFT1包括SFT11和SFT12, 是绿色植物特有的一个
分 支 (Sanderfoot et al., 2000; Hong, 2005;
Sanderfoot, 2007)。拟南芥内质网与高尔基体间运输
途径中的R-SNARE蛋白可能是AtSec22 (Uemura et
al., 2004; Chatre et al., 2005; Sanderfoot, 2007)。此
外 , AtVAMP723 和 AtVAMP714 也 是 候 补 基 因
(Uemura et al., 2004)。这些都有待进一步的证实。

3.2.2 TGN和PVC/液泡间的物质运输
蛋白质在反式高尔基体网状结构(trans-Golgi net-
work, TGN)接受分选进入特定的运输囊泡之后, 一
部分经液泡前体(prevacuolar compartment, PVC)运
输到液泡 , 另一部分运输到质膜或分泌到细胞外
(Lam et al., 2007)。
定位于TGN的Qa-SNARE是SYP4/AtTLG2蛋白
家族(Bassham et al., 2000; Uemura et al., 2004),
包括SYP41/AtTLG2a和SYP42/AtTLG2b, 主要参与
运输囊泡与TGN的膜融合过程 (Bassham et al.,
金红敏等: 拟南芥 SNARE因子在膜泡运输中的功能 483
2000; Sanderfoot et al., 2001b; Chen et al., 2005)。
SYP41和SYP42分别定位于TGN上的不同区域, 各
自形成不同的SNARE复合体。SYP41和SYP42基因
缺失突变体的配子体纯合致死, 说明它们之间功能不
能互补, 证明了SYP4家族在植物发育过程中的重要
性(Bassham et al., 2000; Sanderfoot et al., 2001a,
2001b; Chen et al., 2005)。TGN的Qb-SNARE是
VTI12, 在vti12突变体的发育种子细胞中, 贮藏蛋白
质运输受阻、前体蓄积、蛋白质贮藏型液泡比野生型
的小而且少, 说明VTI12基因的缺失影响贮藏蛋白质
的运输与沉积(Sanmartín et al., 2007)。另外, VTI12
基因还与植物细胞饥饿状态下的自食作用有关
(Surpin et al., 2003)。TGN上的Qc-SNARE为SYP61,
它是SYP6家族中的唯一成员, 与哺乳动物的Syn6和
Syn10具同源性(Sanderfoot et al., 2000)。研究表明,
SYP61与SYP41/42共定位在TGN上(Sanderfoot et
al., 2001b), SYP61和SYP41可以分别与VTI12和
YKT61/62(R-SNARE)形成三元SNARE复合体(Chen
et al., 2005)。关于SYP61的功能还有待进一步研究。
PVC上的 SNARE复合体主要包括 SYP21/
PEP12 (Qa)、VTI11(Qb)和SYP51(Qc), 液泡膜上的
SNARE 复 合 体 主 要 包 括 SYP22/VAM3(Qa) 、
VTI11(Qb)和 SYP51(Qc)(Bassham et al., 2000;
Sanderfoot et al., 2001a)。SYP21在液泡膜上也有分
布(Uemura et al., 2004), 其功能缺失突变体花粉败
育 , 配子体纯合致死(Sanderfoot et al., 2001a)。
SYP21基因过表达阻碍PVC到溶解型液泡的运输
(Foresti et al., 2006)。SYP22/VAM3(Qa)主要分布在
液泡膜上, PVC上也有分布(Sato et al., 1997; San-
derfoot and Raikhel, 1999)。SYP22基因缺失影响花
序和叶片的伸长 , 导致植株矮小 , 叶片呈波浪形
(Ohtomo et al., 2005)。SYP23可以弥补syp22的表型
缺陷, 说明二者有功能上的相似性。SYP22的过表达
没有出现与SYP21过表达同样的表型, 而且SYP22
无法弥补syp21突变体的表型 , 说明二者功能不同
(Sanderfoot et al., 2001a; Foresti et al., 2006)。
Qb-SNARE VTI11参与TGN到溶解型液泡的运输。
vti11突变体又称为zigzag突变体, 其重力屈向异常,
生长素运输受阻 , 导致植物体畸形 (Kato et al.,
2002)。Qc-SNARE SYP5家族包括SYP51和SYP52,
与动物Syn8同源, SYP51和SYP52分别与VTI11和
SYP21或SYP22相互作用参与TGN到PVC的运输。
此外, SYP51还能与SYP61相互作用, 可能和VTI12
一起参与 TGN上的膜泡运输 (Sanderfoot et al.,
2001b)。
高尔基体和液泡间的R-SNARE包括YKT6、
VAMP727和VAMP711/712/713等 (Uemura et al.,
2004; Chen et al., 2005; Ebine et al., 2008)。YKT6
家族在动物和酵母中的同源蛋白参与多种细胞器的
膜融合过程: 在高尔基体上与Sed5、Gos1和Sft1形成
复合体; 在内涵体上与Pep12、Vti1和Syn8形成复合
体; 在液泡膜上与Vam3、Vti1和Vam7形成复合体,
分别介导这些细胞器上的膜融合过程(McNew et al.,
1997; Ungermann et al., 1999; Dilcher et al., 2001;
Kweon et al., 2003)。2005年, Chen等(2005)发现拟
南芥YKT61和YKT62与TGN的t-SNARE形成复合体
介导膜融合过程。但是关于拟南芥YKT6家族是否具
有功能多样性还不清楚。定位于内涵体上的
R-SNARE VAMP727能与SYP22、VTI11和SYP51
形成复合体, 参与PVC与液泡之间的膜融合过程, 调
控贮藏蛋白质的运输、液泡发生以及种子成熟(Ebine
et al., 2008)。而定位于液泡膜上的R-SNARE
VAMP711/712/713可能与SYP22、SYP51和VTI11
一起参与同型液泡的融合, 对液泡发生起重要作用
(Uemura et al., 2004; Carter et al., 2004; Ebine et
al., 2008)。

3.2.3 TGN和质膜间的物质运输
质膜上有9个Qa-SNARE, 都属于SYP1家族成员 ,
Uemura等(2004)通过瞬时表达证实了这些蛋白质的
定位。根据参与膜泡运输方式的不同, SYP1家族分为
4组: KNOLLE/SYP111组(与胞质分裂相关)、PEN1/
SYP121组(与防御相关) 、SYP13组(与分泌相关)和
SYP124组(功能未知)(Sanderfoot, 2007)。KNOLLE/
SYP111基因是由Lukowitz等(1996)首次发现的, 只
在细胞分裂期表达, 参与细胞板形成过程中的物质运
输 , 对胞质分裂的最终完成起重要作用(Lauber et
al., 1997; Völker et al., 2001)。后来人们相继发现了
与KNOLLE有相互作用的Qbc-SNARE SNAP33、
Qc-SNARE NPSN11和SM蛋白KEULE, 它们共同参
与胞质分裂过程(Heese et al., 2001; Assaad et al.,
2001; Zheng et al., 2002)。SYP112只在拟南芥和杨
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树 (poplar)中被发现 , 其功能未知 (Muller et al.,
2003)。SYP121/PEN1不仅在膜泡运输过程中发挥功
能, 还参与植物防御性免疫。当有病原体侵染时, 细
胞内膜泡运输活跃, 大量抵御性物质运往感染部位,
PEN1/SYP121和SYP122的表达都有所上调。PEN1
参与病原体侵染处乳头(papilla)形成时的极性运输,
即病灶部位的运输囊泡与质膜的融合; SYP122发生
钙离子依存性磷酸化 , 可能也参与上调膜泡运输
(Kargul et al., 2001; Collins et al., 2003; Assaad et
al., 2004)。pen1 syp122双突变体表现为植株矮小,
生长过程中出现组织坏死, 说明2个基因有相似的功
能, 二者同时缺失对细胞乃至植物整体的影响较大
(Assaad et al., 2004)。Kwon等(2008)报道, PEN1能
与SNAP33和VAMP721/722形成复合体, 共同调控
病原体侵染时的细胞分泌。SYP13是在进化上比较保
守的基因家族 , 主要在细胞分泌途径中发挥功能
(Kalde et al., 2007)。Enami等(2009)对整个SYP1家
族成员的时空表达做了全面的分析。在该家族的9个
成员中 , 多数都有自身特异的组织表达特性。
SYP111在分生组织中高度表达, 如根尖、芽尖组织
和果荚中。和它同源的SYP112在植物整个发育过程
中的表达量都较低。SYP121和SYP122在根和莲座
叶中都有所表达, 但是SYP121在花序轴中也有所表
达, 并且SYP121在侧根根冠中的表达量较SYP122
稍高一些。SYP131主要在花粉中大量表达, SYP132
在整个植物发育过程中都有所表达。SYP123主要在
根中表达, 包括伸长区、根毛区和侧根; 而SYP124
和SYP125则只在花粉中表达。综上所述 , 质膜的
Syntaxin蛋白分布于拟南芥各个不同的器官, 在植物
体生长发育过程中发挥各自的功能。
NPSN1是第1个在植物中被鉴定出来的质膜
Qb-SNARE蛋白(Sanderfoot et al., 2000), 后来在动
物和真菌以外的许多真核生物中也发现了其同源蛋
白(Sanderfoot, 2007)。NPSN1在内涵体运输及分泌
途径中起一定的作用 , 同时还与胞质分裂有关
(Zheng et al., 2002; Uemura et al., 2004)。Qbc-
SNARE AtSNAP33是第 1个被鉴定出来的植物
SNAP25类蛋白, 在抵御病原体入侵时和PEN1共同
参与膜融合过程, 并且和KNOLLE一起在胞质分裂过
程中发挥作用(Sanderfoot et al., 2000; Heese et al.,
2001; Collins et al., 2003)。
质膜Qc-SNARE SYP7家族是植物特有的 ,
SYP7家族还分布于内质网上, 可能具有定位的双重
性(Suwastika et al., 2008)。关于SYP7家族的功能还
有待进一步分析。
质膜R-SNARE蛋白包括植物特有的VAMP72家族
的部分成员 : VAMP721/22/24/25/26(Uemura et al.,
2004; Sanderfoot, 2007)。VAMP721/22与PEN1和
SNAP33形成复合体参与病原体侵染时的细胞分泌
(Kwon et al., 2008)。VAMP724/25/26的功能尚不清楚。
3.3 SNARE蛋白的生理学意义
3.3.1 调控物质运输
细胞内膜系统间以及细胞间的物质交流依赖于膜泡
运输。蛋白质、脂质和信号分子通过膜泡运输到达各
细胞器、质膜或细胞外空间(张国增等, 2005; Saraste
and Goud, 2007)。各种贮藏性和功能性物质的合成
与运输保证了组织细胞保持其特异性并维持正常生
命活动, SNARE蛋白在其中发挥重要作用。
物质从质膜或内质网到液泡的运输途径是细胞
内膜泡运输的一条重要通路, 与液泡的发生和功能相
关的重要物质的运输有密切关系。PVC的Qb-SNARE
蛋白VTI11缺失突变体中, 液泡水解酶AtALEU由于
不能正确地运输到液泡而弥散在细胞质中, 使液泡无
法正常发挥功能(Sanmartín et al., 2007)。PVC的
Qa-SNARE蛋白SYP21的过表达会阻碍物质从PVC
运输到溶解型液泡 , 致使细胞质内积累大量的
PVC(Foresti et al., 2006)。植物分泌蛋白通过囊泡被
有组织地运送到质膜上, 参与细胞壁的构建或运输到
细胞外发挥信号分子的功能, 定位于质膜上的SYP1
家族蛋白在分泌蛋白的运输中起重要作用。如在
SYP111缺失突变体中, 由于运输囊泡在细胞板处的
囊泡融合过程无法完成, 使细胞壁的形成受阻, 胞质
分裂无法完成(Lukowitz et al., 1996; Lauber et al.,
1997); 而SYP132的RNAi植株中, 与抗病菌相关的
分泌蛋白在细胞壁处的蓄积量明显减少(Kalde et al.,
2007)。这些都说明SNARE因子在调控细胞生命活动
中起重要作用。
种子贮藏蛋白质为种子发芽和植物初期生长提
供重要的营养来源。贮藏蛋白质从合成场所内质网运
输到蛋白质贮藏型液泡的过程涉及各种SNARE因
子。如上所述, VAMP727、SYP22、VTI11和SYP51
金红敏等: 拟南芥 SNARE因子在膜泡运输中的功能 485
形成的复合体及VTI12、SYP4/SYP6和YKT6形成的
复合体在贮藏蛋白质的运输中起重要作用, 当其中一
个(或多个)缺失时, 贮藏蛋白质的运输受阻, 种子蛋
白的品质和含量也会受到影响 (Sanmartín et al.,
2007; Ebine et al., 2008)。

3.3.2 参与胞质分裂
细胞分裂是植物体生长发育和繁殖过程中的一项重
要生命活动。KNOLLE(KN)、SNAP33和NPSN11等
相互作用, 共同调控胞质分裂。kn突变体细胞的运输
囊泡能够到达细胞板处, 但是无法完成膜融合过程,
使细胞不能形成完整的细胞板, 最终产生体积增大的
多核细胞 (Lukowitz et al., 1996; Lauber et al.,
1997)。Völker等(2001)在KNOLLE的胞质分裂调控机
制的研究中发现, 有丝分裂M期KNOLLE的高表达能
够有效促进这个时期的膜融合过程。snap33突变体细
胞的细胞壁不完整 , 且在幼苗期出现组织坏死。
snap33 kn双突变体胚致死, 说明了二者功能的一致
性(Heese et al., 2001)。然而, npsn11突变体没有明
显的表型 , 可能是其同源基因NPSN12弥补了
NPSN11缺失造成的缺陷 (Zheng et al., 2002)。
NPSN1家族的功能还有待进一步研究。
SYP31也调节植物细胞板形成及胞质分裂, 与
KNOLLE不同, SYP31在整个细胞周期中都有表达, 在
细胞分裂期定位于细胞板上参与膜融合过程
(Rancour et al., 2002)。与SYP31协同工作的是
AtCDC48, 其在酵母和动物中的同源基因Cdc48p/p97
也在胞质分裂过程中发挥功能(Moir et al., 1982)。
AtCDC48、SYP31、KNOLLE均在胞质分裂期定位于
细胞板, 但是AtCDC48只与SYP31相互作用。

3.3.3 对环境因素的响应
植物体由于本身不能移动, 因此在进化过程中形成其
特有的响应外界环境变化的机制, 如对干旱、低温和
离子胁迫等逆境条件的响应机制。脱落酸(abscisic
acid, ABA)是一种重要的植物激素, 对非生物因素胁
迫条件下植物的信号转导起重要作用。ABA通过调节
保卫细胞质膜上的K＋和Cl－通道控制气孔的关闭, 减
少干旱条件下植物体内水分的蒸发。Syntaxin SYP12
的同源基因烟草NtSyr1调控K+通道蛋白的胞内运输,
NtSyr1缺失影响K+通道蛋白在质膜上的正确定位 ,
抑制离子通道对ABA的响应(Leyman et al., 1999,
2000)。Sokolovski等(2008)指出, 植物的SNARE蛋
白可能通过调节Ca2+信号途径, 间接地影响ABA信号
对K+和Cl–通道的调控作用。
在盐胁迫相关基因的研究中, Zhu等(2002)筛选
出对盐胁迫和渗透胁迫敏感的osm1突变体, 发现其缺
失TGN的Qc-SNARE基因AtSYP61, 并提出AtSYP61
参与调控植物体对渗透胁迫的耐性和ABA对气孔关闭
的调节过程。另一种SNARE蛋白AtVAMP71也与植物
的抗盐性有关, AtVAMP71缺失抑制了盐胁迫时产生
的含有H2O2的运输囊泡与液泡膜的融合, 减少了H2O2
对植物细胞的毒害, 从而提高植物对盐胁迫的抗性
(Leshem et al., 2006)。除了SNARE蛋白外, 一些膜
泡运输的调节基因也参与植物对环境胁迫因素的响
应, 如AtRabG3e参与盐胁迫和渗透胁迫下的膜运输
(Mazel et al., 2004)。总之, 膜泡运输不仅负责最基本
的物质运输, 对于植物抵御环境胁迫也十分重要, 其
分子机制还有待进一步的研究。
4 膜泡运输过程中SNARE蛋白的相互
作用因子
膜泡运输过程中, 除了SNARE蛋白之外还有其它一
些调节因子发挥着重要功能, 例如Coat、SM、Tether、
Rab蛋白等(Cai et al., 2007)。Coat、Rab、SM和
Tether因子主要参与蛋白质分选与囊泡的拴留过程
(Cai et al., 2007; Bassham et al., 2008); SM和
Tether通过与SNARE相互作用, 调节和促进膜融合
(Whyte and Munro, 2002; Toonen and Verhage,
2003; Bassham et al., 2008)。
4.1 SM (Sec1/Munc18)蛋白
SNARE复合体形成过程中, SM蛋白起到重要的调节
作用。酵母细胞中有4种SM蛋白, 分别为Sec1p、
VPS45p、Sly1p和VPS33p。根据氨基酸序列推测, 拟
南芥中含有6种SM蛋白, 分别为 KEULE、AtSEC1a、
AtSEC1b、AtVPS45、AtSLY1和AtVPS33 (San-
derfoot et al., 2000)。其中KEULE、AtSEC1a和
AtSEC1b属于Sec1家族成员。
SM蛋白与SNARE蛋白的结合主要有3种方式
(图3)。第1种是SM蛋白与Syntaxin蛋白N末端保守区
486 植物学报 45(4) 2010


图3 SM蛋白与SNARE蛋白的结合方式 (Toonen and Verhage, 2003)
Figure 3 Different binding models of SM proteins and SNARE proteins (Toonen and Verhage, 2003)


域相结合 (图 3A), 如酵母 Sly1p分别与Ufe1p和
Sed5p、动物Sly1分别与Syntaxin18和Syntaxin5的N
末端保守区域结合, 促进SNARE蛋白之间的特异性
结合(Peng and Gallwitz, 2002; Yamaguchi et al.,
2002)。根据同源蛋白功能推测, 拟南芥中AtSly1可能
分别与AtUfe1和SYP3家族成员结合。第2种是SM蛋
白与Syntaxin蛋白的闭合构象相结合 (图3B), 如
Munc18-1与Syntaxin1的闭合构象结合并使其稳定,
同时Munc18-1作为负调节因子阻止SNARE复合体
的形成; Munc18-1还可能使Syntaxin的闭合构象失
稳 , 促进复合体的形成 (Toonen and Verhage,
2003)。第3种是SM蛋白与SNARE复合体结合(图3C),
如酵母Sec1p与Sso1p单体不直接结合 , 而是与
Sso1p复合体相结合, 这种结合可能阻止膜融合之前
SNARE复合体的解离(Carr et al., 1999; Togneri et
al., 2006)。但是, Sec1p究竟是与trans-SNARE(图3C
左)还是cis-SNARE(图3C右)结合还不清楚。除了上述
3种结合方式之外 , SM蛋白还能够作为Tethering
complex成员与SNARE蛋白相结合, 如酵母Vps33p
作为C-Vps复合体成员与Vam3p相互作用, 参与高尔
基体到液泡的运输(Darsow et al., 1997; Sato et al.,
2000)。目前, 关于拟南芥SM因子的报道还很少。
4.2 Tethering factor/complex
Tethering factor/complex是运输囊泡与靶位膜之间
的桥梁, 其功能是使运输囊泡和靶位膜发生最初的接
合。Tethering factor定位于靶位膜上, 能够与运输囊
泡上的Coat蛋白相互作用, 促进SNARE复合体的形
成(Cai et al., 2007)。人们对酵母和哺乳动物中的
Tethering factor的分类、定位及其作用机理有了一定
的了解, 但对拟南芥Tethering的研究还只是处于起
步阶段。Li等 (2006)发现了定位于ER上的拟南芥
Tethering factor MAIGO2蛋白, 它与内质网SYP81
(Qa)和Sec20(Qb)蛋白直接作用, 调控内质网和高尔
基体间的膜泡运输。Lee等(2006)鉴定出对热和水胁
迫敏感的hit1突变体的基因HIT1, 发现HIT1是酵母高
尔基体的Tethering factor VPS53p的同源蛋白, 此蛋
白在一定程度上能互补酵母 vps53⊿突变体。
MAIGO2和HIT1的发现开启了拟南芥Tethering fac-
tor的研究进程。
5 问题与展望
植物SNARE蛋白的研究还处于起步阶段, 虽然通过
基因组序列的比对和分析发现了许多酵母SNARE的
同源基因 , 但其中得到生物学验证的屈指可数。
SNARE蛋白较高的保守性及其在酵母中比较全面的
解析为拟南芥SNARE蛋白研究提供了良好的理论依
据。到目前为止, 拟南芥中发现了至少63种SNARE
蛋白 , 远远大于酵母和哺乳动物中的数量(Sande-
rfoot et al., 2000; Sanderfoot, 2007)。这说明, 植物
金红敏等: 拟南芥 SNARE因子在膜泡运输中的功能 487
体并不是简单的“绿色酵母”, 它在漫长的进化过程
中形成了复杂的内膜系统, 同时, 也形成了庞大的
SNARE体系。其中一些基因是植物体所特有的, 如
SYP7家族、VAMP72家族和KNOLLE等。随着拟南
芥SNARE蛋白功能的逐步解析, 发现一些拟南芥基
因与其酵母或哺乳动物的同源基因的功能存在很大
差异, 如某些SNARE基因的缺失对酵母生长发育没
有明显影响, 但对拟南芥来说, 影响其正常细胞生命
活动。例如, SYP21和SYP42等缺失造成拟南芥花粉
败育, 致使突变体配子体纯合致死。另外, 拟南芥中
同一基因家族的蛋白质虽然在氨基酸序列上有一定
的同源性, 但在功能上存在很大差异, 如SYP41和
SYP42、SYP21和SYP22之间就不能功能互补, 单突
变体就可造成胚胎致死 (Bassham et al., 2000;
Sanderfoot et al., 2001a, 2001b; Chen et al., 2005)。
随着SNARE蛋白功能的逐步解析及实验方法和
技术的逐步完善, 一些打破常规的实验方法和思路会
带来突破性研究进展。比如, 通常的遗传学和反向遗
传学方法是通过对基因功能缺失突变体的观察来分
析基因的功能。而对于一些至关细胞存活的重要基因,
如Syntaxin基因来说, 当其过表达时, 对细胞的影响
与其缺失造成的影响几乎相同 (Phillipson et al.,
2001; Geelen et al., 2002), 所以, 在一些Syntaxin
蛋白的研究中通常利用过表达植株进行功能分析
(Geelen et al., 2002; Bubeck et al., 2008), 这也成
为研究Syntaxin功能的手段之一。
植物细胞中一些SNARE因子的定位呈现多样性,
功能也可能有多样性, 如Sec22、YKT6等可能在双向
运输途径中均发挥功能, 但是由于目前还没有找到适
当的Marker进行标记以便进行更加具体的分析, 这
些基因在2种细胞器间物质运输过程中功能的深入研
究进展缓慢, 所以迫切需要找到适当的Marker和成
熟的研究方法来解决这一问题。
膜泡运输过程在外界环境变化时也发生一系列
相应的变化。尤其在干旱、低温、贫瘠、高盐碱等胁
迫条件下, 膜泡运输可为细胞乃至植物个体提高适应
环境变化的能力提供物质基础。由于SNARE因子在
膜泡运输中起重要的调控作用, 在外界环境发生变化
时, SNARE如何协同其它因子共同调控膜泡运输使
细胞适应极端条件, 并通过信号转导使植物整体形成
协调性, 使植物体在极端环境条件下继续生存下去并
繁殖后代？这是一个极富动态性的过程, 如何抓住着
眼点并揭示其分子机制, 是一个具有吸引力和挑战性
的课题。
利用拟南芥进行SNARE基因功能分析与酵母和
动物培养细胞中的研究相比, 有其不可替代的优点。
如用酵母细胞和动物培养细胞作为实验材料研究基
因功能, 有周期短、基因沉默株系制作容易、转染简
单快速等优点, 但只是处于单细胞水平。而拟南芥植
物体作为一个多细胞整体, 对SNARE基因突变和基
因沉默可以从一个完整的多细胞生命体水平上、在各
个生长发育时期作出反应, 产生一系列表型。所以,
其研究结果可以为遗传疾病的研究提供重要依据。而
且, 相对于动物基因敲除个体制作难度大、成本高、
周期长等特点, 拟南芥具有突变体和转基因植物比较
容易获得且能稳定遗传等优点, 所以, 利用拟南芥进
行SNARE基因功能研究具有不可替代的优势。
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Role of Arabidopsis SNARE Proteins in Vesicle Trafficking
Hongmin Jin, Lixin Li*
Key Laboratory of Saline-alkali Vegetation Ecology Restoration in Oil Field (SAVER), Ministry of Education, Northeast For-
estry University, Harbin 150040, China
Abstract Higher plant cells contain a complicated endomembrane system to complete material communication through
its characteristic vesicle trafficking mechanism. Vesicle trafficking includes four steps: budding, transport, tethering, and
fusion. These four steps are regulated by many factors, such as Coat, SM, Tether, SNARE, and Rab proteins. SNARE
proteins play an essential role in fusion. SNARE proteins are small transmembrane proteins and can be grouped into
vesicle SNAREs (v-SNAREs), which are localized on transport vesicles, and target SNAREs (t-SNAREs), which are lo-
calized on the target membrane. t- and v-SNAREs form a complex to facilitate membrane fusion. SNARE proteins play an
essential role in plant growth and development and response to environments. Here, we summarize the research ad-
vances into the intracellular distribution and function of SNAREs in the model plant Arabidopsis thaliana.
Key words Arabidopsis, SNARE proteins, vesicle trafficking
Jin HM, Li LX (2010). Role of Arabidopsis SNARE proteins in vesicle trafficking. Chin Bull Bot 45, 479–491.
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* Author for correspondence. E-mail: lixinli1@gmail.com
(责任编辑: 白羽红)