全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (1): 94–106, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00094
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收稿日期: 2012-04-17; 接受日期: 2012-08-30
基金项目: 国家自然科学基金(No. 91117010)
* 通讯作者。E-mail: xuwzh@ibcas.ac.cn
拟南芥中myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号
吴俐1, 2, 王若仲1, 徐文忠2*
1湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室, 长沙 410128
2中国科学院植物研究所资源植物研发重点实验室, 北京 100093
摘要 在酵母、真菌、动物和植物等真核生物中, 以myo-肌醇为基石通过不同位点的磷酸化形成各种myo-肌醇-多磷酸及
其衍生物。过去10年的研究发现这些肌醇多磷酸参与了膜脂定向转运、蛋白结构稳定、离子通道调控、RNA转运以及DNA
修复和染色质重塑等细胞生物学的基本进程。近些年在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的研究中, 许多调控植物生
长发育和环境胁迫应答的重要基因被发现, 并证实这些基因参与myo-肌醇-多磷酸的合成与代谢。该文概述了拟南芥中
myo-肌醇-多磷酸合成与代谢的基因调控机理, 综述了不同肌醇多磷酸作为信号分子的功能, 提出肌醇多磷酸如同一类信
息代码传递着植物细胞有序进程的基本指令。
关键词 拟南芥, myo-肌醇, myo-肌醇-多磷酸, 磷脂酰肌醇, 植酸
吴俐, 王若仲, 徐文忠 (2013). 拟南芥中myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号. 植物学报 48, 94–106.
Myo-肌醇(Ins)是一种环多醇, 由6个碳原子组成
的环连接1个直立羟基(C-2)和5个平伏羟基构成的环
己六醇(图1)。Myo-肌醇上的羟基都可被磷酸化, 理论
上能够形成至少 64种不同的肌醇 -磷酸衍生物
(InsPs)(York, 2006), 此外还可以进一步磷脂酰化或
焦磷酸化形成磷脂酰肌醇-多磷酸(PtdInsPs)或myo-
肌醇-焦磷酸(InsPPs)。这些肌醇-磷酸化或磷脂化衍
生物被广泛发现于生物体中, 并且有多种作为信号分
子参与细胞的功能调控。如第二信使myo-肌醇-1,4,5-
三磷酸(Ins(1,4,5)P3)调控胞内Ca2+的释放; 磷脂酰肌
醇-4,5-二磷酸(PtdIns(4,5)P2)调控质膜的内吞、外排
以及质膜与细胞骨架蛋白微丝的整合等。Myo-肌醇上
的6个羟基全都被磷酸化后形成肌醇-1,2,3,4,5,6-六
磷酸(InsP6), 是目前已知细胞中含量最丰富的一种
肌醇-磷酸衍生物。InsP6最先在植物种子中被大量发
现, 因而俗称植酸(phytic acid或phytate)。由于1个
InsP6分子带有6个磷原子, 因此一直认为InsP6的主
要作用是在植物种子中存储磷。当种子萌发时, InsP6
会被水解并释放出磷和肌醇及其结合的矿质元素(如
Ca2+、K+、Mg2+等)(Cosgrove, 1980)。同时, 种子中
的InsP6又难以被单胃动物(monogastrics)和人类所
消化 , 以致大约80%的磷不能被吸收利用 (Raboy,
2003)。长期以来, 培育和获取低InsP6积累的小麦
(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea
mays)等粮食作物一直作为一个重要的研究方向。然
而, 直到20世纪80–90年代才发现真核生物中普遍存
在InsP6(Sasakawa et al., 1995)。尤其最近10年, 在
酵母和动物细胞中发现InsP6及其进一步磷酸化的衍
生物(如InsP7或InsP8)也是细胞基本进程的重要信号
调控分子。如InsP6参与RNA的核质转运、DNA修复、
染色质重塑、端粒维持等过程, 而肌醇-焦磷酸可以像
ATP一样参与能量代谢并调控后者的含量, 及维持线
粒体的正常运转(Monserrate and York, 2010; Szi-
jgyarto et al., 2011)。虽然尚未在植物中揭示出InsP6
及其肌醇-焦磷酸具有调控核酸及能量代谢等细胞基
本进程的功能, 但近年来有研究表明InsP6直接参与
调控植物对干旱、盐、病害等逆境胁迫的抗性和细胞
内Ca2+含量(Gillaspy, 2011)。另外, 还发现InsP6和
InsP5是一些植物激素受体的共因子 (Tan et al.,
2007; Sheard et al., 2010)。表明从酵母细胞到动物
以及植物, myo-肌醇-多磷酸在细胞功能上所发挥的
重要作用既具有进化上的高度保守性, 又存在明显的
特异性。
尽管在植物中关于myo-肌醇-多磷酸功能的研究
·专题论坛·
吴俐等: 拟南芥中 myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号 95


图1 拟南芥中myo-肌醇多磷酸结构及其合成途径

Figure 1 The myo-inositol polyphosphate structures and biosynthesis pathways in Arabidopsis

96 植物学报 48(1) 2013
才刚刚开始, 但近几年在模式植物拟南芥中利用反向
遗传学方法鉴定出许多myo-肌醇-多磷酸合成和代谢
有关的基因, 并发现这些基因在植物的生长发育以及
植物对环境胁迫应答调控中起着重要作用。本文结合
现有的文献报道, 以拟南芥中肌醇多磷酸的合成和代
谢途径为主线, 详细介绍多种myo-肌醇-多磷酸作为
信号分子在植物中的功能, 并提出未来的研究方向。
1 Myo-肌醇-多磷酸的磷酸化合成
Myo-肌醇-多磷酸的合成起始于葡萄糖-6-磷酸(glu-
cose 6-phosphate, G-6-P), 在myo-肌醇-磷酸合酶
(MIPS)作用下将葡萄糖-6-磷酸转化为肌醇-3-磷酸
[Ins(3)P](图1)。这一过程在所有生物细胞中都很保守
(Torabinejad and Gillaspy, 2006)。拟南芥(Arabid-
opsis thaliana)中有3个MIPS同源基因 (MIPS1、
MIPS2和MIPS3)(表1), 它们有着不同的表达模式。
其中MIPS1单基因缺失就可影响叶片发育和对病原
菌的抗性以及加速细胞坏死(Murphy et al., 2008;
Donahue et al., 2010), 而双基因缺失(mips1 mips2)
或三基因缺失(mips1 mips2 mips3)都导致胚胎致死
(Luo et al., 2011)。在植物中, Ins(3)P可以进一步通过
2条途径经一系列磷酸化合成InsP6, 即肌醇-脂类依赖
途径(inositol lipid-depen- dent pathway)和肌醇-脂类
非依赖途径(inositol lipid-independent pathway)。
1.1 肌醇-脂类依赖途径
肌醇-脂类依赖途径最明显的特征是有膜脂的参与。
其中Ins(3)P先经肌醇-单磷酸酯酶(IMP)去磷酸化产
生重要的中间产物myo-肌醇 (Ins), 在磷脂酰合酶
(PIS)作用下将游离的Ins转移至甘油磷脂(glycerol-
phospholipid)上形成磷脂酰肌醇(PtdIns), 再经过磷
脂酰肌醇-磷酸中间物 , 如PtdIns(4)P和PtdIns(4,5)
P2, 在磷脂酰肌醇特异性的磷脂酶C(PLC)作用下水
解出myo-肌醇-(1,4)-二磷酸[Ins(1,4)P2]和myo-肌醇
-(1,4,5)-三磷酸[Ins(1,4,5)P3], 进一步通过一系列磷
酸化合成各种myo-肌醇 -多磷酸 (InsP4、 InsP5、
InsP6)(图1)。这条途径所产生的多种磷脂酰肌醇-多磷
酸具有信号分子作用, 同时也是在酵母和动物细胞中
合成InsP6的最主要途径。
在拟南芥中至少有3个IMP基因(VTC4、IMPL1
和IMPL2)。这些IMP似乎又是多功能酶。如VTC4不
仅可以使Ins(3)P去磷酸化, 而且可以水解半乳糖-1-
磷酸(Gal-1-P)用于抗坏血酸的合成(Torabinejad et
al., 2009)。而IMPL2还具有组氨醇-1-磷酸的磷酸酶活
性, 该基因缺失突变(impl2)能影响组氨酸合成并导
致胚胎致死(Petersen et al., 2010)。尽管PtdIns的合
成是磷脂酰肌醇-多磷酸的必经途径, 但拟南芥中只
有2个磷脂酰合酶(PIS)基因, 即PIS1和PIS2。 体外
表达实验证实PIS1和PIS2都可以合成PtdIns, 然而
这2个基因超表达转基因拟南芥中脂肪酸和磷脂酰肌
醇代谢产物存在明显的差异(Xue et al., 2000; Löfke
et al., 2008)。这表明它们在生物学功能上可能有区
别。PtdIns上有5个自由羟基基团, 其中第3位(D-3)、
第4位(D-4)和第5位(D-5)羟基可以在相应的磷脂酰肌
醇激酶作用下被磷酸化, 共可产生7种磷脂酰肌醇-多
磷酸(PtdInsPs)。而这些PtdInsPs中有几种是脂膜上
非常重要的信号分子, 如PtdIns(3)P、PtdIns(3,5) P2、
PtdIns(4)P 、 PtdIns(4,5)P2(Thole and Nielsen,
2008)。虽然PtdIns(3,4,5)P3也是动物细胞中的一个
重要信号分子, 但目前在植物中并没有被检测到。
磷脂酰肌醇的磷酸化由磷脂酰肌醇激酶完成, 由
作用底物的磷酸化位点决定激酶的特异性及其种类。
磷脂酰肌醇-4-激酶(PI4Ks)可以将底物PtdIns磷酸化
为PtdIns(4)P, 在动植物和酵母中均发现有两类主要
的PI4Ks, 称为II-型激酶蛋白(55 kDa)和III-型激酶蛋
白(100–230 kDa)。在拟南芥基因组中有12个编码磷
脂酰肌醇-4-激酶的基因(PI4Kα1–2、β1–2、γ1–8), 根
据蛋白质结构特点将III-型激酶又分为α和β两种, 而γ
属于II-型(Thole and Nielsen, 2008)。2个β PI4K激酶
基因(PI4Kβ1和PI4Kβ2)的缺失突变会使细胞内高尔
基体反面网络结构与质膜间的正常膜转运受阻, 导致
根毛失去极性生长, 并影响细胞分裂和伸展。PI4Kβs
可 以 与 反 面 高 尔 基 体 网 上 的 标 志 蛋 白 R a b
GTPase(RabA4b)特异性互作, 可能通过这种蛋白间
相互作用实现其在亚细胞上的精确定位并调控胞内
特定区域中PtdIns(4)P的含量变化, 进而参与膜脂的
定向转运(Mueller-Roeber and Pical, 2002; Preuss
et al., 2006; Galvão et al., 2008; Thole and Nielsen,
2008)。PtdIns(4)P在磷脂酰肌醇-4-磷酸-5-激酶
(PIP5K)的作用下可以进一步合成PtdIns(4,5)P2。拟
南芥中有11个基因编码PIP5Ks蛋白, 其中亚家族B
吴俐等: 拟南芥中 myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号 97
表1 拟南芥中myo-肌醇多磷酸合成与代谢相关的酶
Table 1 The enzymes involved in myo-inositol polyphosphate metabolism in Arabidopsis
酶[基因ID号] 底物
Myo-肌醇-1-磷酸合酶(myo-inositol 1-phosphate synthase, MIPS)
MIPS1[At4g39800]; MIPS2[At2g22240]; MIPS3[At5g10170] Glucose-6-phosphate
肌醇单磷酸酶(inositol monophosphatase, IMP)
VTC4[At3g02870]; IMPL1[At1g31190]; IMPL2[At4g39120] Ins3P
磷脂酰肌醇合酶(phosphatidylinositol synthase, PIS)
PIS1[At1g68000]; PIS2[At4g38570] myo-Ins
磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)
VPS34/PI3K[At1g60490] PtdIns
磷脂酰-3-磷酸-5-激酶(PtdIns3P 5-kinase, PI3P5K)
Fab1a[At4g33240]; Fab1b[At3g14270]; Fab1c[At1g71010]; Fab1d[At1g34260] PtdIns3P
磷脂酰肌醇-4-激酶(phosphatidylinositol 4-kinase, PI4K)
PI4Kα1[At1g49340]; PI4Kα2[At1g51040]; PI4Kβ1[At5g64070]; PI4Kβ2[At5g09350];
PI4Kγ1[At2g40850]; PI4Kγ2[At1g64460/At1g64470]; PI4Kγ3[At5g24240];
PI4Kγ4[At2g46500]; PI4Kγ8[At3g56600]
PtdIns
磷脂酰基因-5-激酶(phosphatidylinositol 5-kinase, PIP5K)
PIP5K1[At1g21980]; PIP5K2[At1g77740]; PIP5K3[At2g26420]; PIP5K4[At3g56960];
PIP5K5[At2g41210]; PIP5K6[At3g07960]; PIP5K7[At1g10900]; PIP5K8[At1g60890];
PIP5K9[At3g09920]; PIP5K10[At1g01460]; PIP5K11[At4g01190]
PtdIns4P
磷脂酶C(phospholipase C, PLC)
PLC1[At5g58670]; PLC2[At3g08510]; PLC3[At4g38530]; PLC4[At5g58700]; PLC5[At5g-
58690]; PLC6[At2g40116]; PLC7[At3g55940]; PLC8[At3g47290]; PLC9[At3g47220]
PtdIns4P/PtdIns(1,4)P2/PtdIns
(4,5)P2
肌醇多磷酸激酶-2(inositol polyphosphate kinase 2, IPK2)或InsP3/InsP4 6-/3-kinase
IPK2α[AT5G07370]; IPK2β[AT5G61760] 见图1
肌醇-1,3,4-三磷酸-5/6-激酶(inositol(1,3,4)P3 5/6-kinase, ITPKs)
ITPK1[At5g16760]; ITPK2[At4g08170]; ITPK3[At4g33770]; ITPK4[At2g43980] 见图1
肌醇多磷酸激酶-1(inositol polyphosphate kinase 1, IPK1)或InsP5 2-kinase
IPK1[At5g42810]; [At5g59900] 见图1
磷脂酰肌醇-3-磷酸酶(phosphoinositide 3-phosphatases, 3PTase)
PEN1[At5G39400]; PEN2[At3G19420]; PEN3[At3G50110] PtdIns(3,4,5)P3/PtdIns(3,4)P2/
PtdIns3P
MTM1[At3g10550]; MTM2[At5g04540] PtdIns(3,5)P2/PtdIns(3)P
磷脂酰肌醇-4-磷酸酶(phosphoinositide 4-phosphatases, 4PTase)
SAC6[At5g66020]; RHD4/SAC7[At3g51460]; SAC8[At3g51830] PtdIns4P
肌醇多磷酸-1-磷酸酶(inositol polyphosphate 1-phosphatase, 1PTase)
SAL1/Fiery[At5g63980]; SAL2[At5g64000]; AHL[At5g54390] Ins(1,4)P2/Ins (1,3,4)P3
肌醇多磷酸-5-磷酸酶(inositol polyphosphate 5-phosphatase, 5PTase)
5PTase1[At1g34120]; 5PTase2[At4g18010]; 5PTase3[At1g71710]; 5PTase4[At3g63240];
MRH3/5PTase5[At5g65090]; CVP2/5PTase6[At1g05470]; CVL1/5PTase7[At2g32010];
5PTase8[At2g37440]; 5PTase9[At2g01900]; 5PTase10[At5g04980]
Ins(1,4,5)P3 /Ins(1,3,4,5)P4/
PtdIns(4,5)P2/PtdIns(3,4,5)P3/
PtdIns(3,5)P2
5PTase11[At1g47510] PtdIns(3,4,5)P3/PtdIns(4,5)P2/
PtdIns(3,5)P2
5PTase12[At2g43900]; 5PTase13[At1g05630]; 5PTase14[At2g31830]; FRA3[At1g65580] Ins(1,4,5)P3/PtdIns(4,5)P2
FRA7/SAC1[At1g22620]; SAC2[At3g14205]; SAC3[At3g43220]; SAC4[At5g20840];
SAC5[At1g17340]
PtdIns(3,5)P2
SAC9[At3g59770] PtdIns(4,5)P2
植酸酶(phytase)
PAP15[At3g07130] InsP6

98 植物学报 48(1) 2013
蛋白(PIP5K1–9)除了具有二聚化和催化结构域以外,
还在N端带有一个重复的MORN模序 (membrane
occupation and recognition nexus motif)(Takeshima
et al., 2000)。现已证实PIP5K3、PIP5K4和PIP5K9
分别参与了根毛和花粉管的极性生长以及蔗糖信号
转导等, 表明PIP5Ks催化产物PtdIns(4,5)P2可能调
控囊泡转运、细胞骨架结构或膜的再循环(Lou et al.,
2007; Kusano et al., 2008; Stenzel et al., 2008;
Sousa et al., 2008)。磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3Ks)称为
I-型激酶 , PI3K可将PtdIns的D-3位羟基磷酸化为
PtdIns(3)P。目前在拟南芥基因组中只发现1个基因编
码磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K), 该激酶与酵母液泡分
选蛋白Vps34同源, 亦称为AtVPS34。遗传和生化分
析发现, AtVPS34在蛋白分选和向液泡中转运蛋白方
面也是必需的, 并影响花粉管的发育, 而且该基因缺
失突变是致死突变(Lee et al., 2008b)。AtVPS34互作
蛋白AtVPS15基因的缺失同样会使花粉萌发及其生
长受影响(Xu et al., 2011; Wang et al., 2012a)。另一
种磷酸化磷脂酰肌醇D-5位羟基的激酶与酵母Fab1p
蛋白同源 , 以PtdIns(3)P为底物合成PtdIns(3,5)P2,
在拟南芥中有4个编码基因(Fab1a–d), 这些基因可
能参与内膜系统的稳定调控 (Thole and Nielsen,
2008; Hirano et al., 2010)。以上研究表明, 细胞内
各种膜系统之间的转运受到不同的磷脂酰肌醇多磷
酸调控, 并取决于磷脂酰肌醇激酶的表达及其功能的
特异性。
PLC将肌醇-多磷酸从脂膜上水解下来, 产生传
统上认为的第二信使 Ins(1,4,5)P3 和二脂酰甘油
(DAG)。在动物细胞中, Ins(1,4,5)P3结合其内质网膜
上的受体蛋白IP3R调控Ca2+的释放, 而DAG可以激
活膜上的蛋白激酶C(PKC)。然而, 在植物体中目前还
没有发现Ins(1,4,5)P3的受体蛋白IP3R, 也没有发现
编码类似PKC的基因, 但是在生理作用上Ins(1,4,5)
P3似乎可以诱导胞质中Ca2+的释放, 同时DAG可以
被DAG激酶磷酸化为另一种第二信使磷脂酸(PtdOH
或PA)(Arisz et al., 2009; Gillaspy, 2011)。PtdOH可
能通过与一些特定靶蛋白结合调节囊泡转运
(vesicular trafficking), 参与植物对干旱、低温以及病
原菌等胁迫响应调控(Testerink and Munnik, 2011)。
作为将肌醇-多磷酸从膜上解离出来的关键酶, PLC在
真核细胞中可以分为6个亚家族(PLCβ、PLCγ、PLCδ、
PLCε、PLCη和PLCζ)。哺乳动物细胞中包含了所有6
种PLC, 然而植物中只发现PLCζ亚家族(Munnik and
Testerink, 2009)。拟南芥基因组中有9个PLC基因,
然而不是所有的PLC都以PtdIns(4,5)P2为主要水解
底物。实际上在植物中PtdIns(4,5)P2含量很低, 而且
PtdIns(4,5)P2和PtdIns4P含量比为1:10以上, 远低于
动物中1:1的比例, 但体内和体外实验均证实PtdIns-
4P可以很好地被PLC水解(Munnik and Testerink,
2009)。最近研究发现, AtPLC9参与热耐受性的Ca2+
信号调控, atplc9突变体中胞内Ca2+受热激诱导的程
度降低, 而且突变体表现出热敏感性。这可能是PLC
脂酶通过水解作用促进Ins(1,4,5)P3产物积累, 进而
影响Ca2+信号的缘故(Zheng et al., 2011)。
PtdIns4P和PtdIns(4,5)P2分别经PLC水解而成
水溶性的Ins(1,4)P2和Ins(1,4,5)P3, 在一系列磷酸激
酶作用下进一步合成InsP4、InsP5以及InsP6(图1)。
完成这一系列的磷酸化过程至少有3种重要的激酶参
与: 肌醇-磷酸多重激酶或肌醇多磷酸激酶-2(IPK2)、
Ins(1,3,4)P3-5/6-激酶或肌醇-三磷酸激酶(IP56K或
ITPK)和肌醇多磷酸激酶-1(IPK1)。其中ITPK更多地
参与肌醇-脂类非依赖途径(详见后文介绍)。
拟南芥中有2个IPK2同源基因(IPK2α和IPK2β),
这2个IPK2激酶都可以将Ins(1,4,5)P3通过中间产物
Ins(1,4,5,6)P4 经二步磷酸化合成 Ins(1,3,4,5,6)P5,
因而IPK2α和IPK2β具有InsP3/InsP4-6/3-激酶功能的
活性 (Stevenson-Paulik et al., 2002; Xia et al.,
2003)。除了具有磷酸化肌醇环上D-6和D-3位羟基的
功能外, IPK2还具有磷酸化D-5位羟基的功能(Steven-
son-Paulik et al., 2002)。
InsP6形成的最后一步反应就是实现肌醇环上
D-2位羟基的磷酸化 , 该反应由肌醇磷酸激酶 -1
(IPK1)催化完成。同源性分析比较结果表明, 拟南芥
中有4个基因编码IPK1, 但只有2个基因(At5g42810
和At5g59900)表达, 其中At5g42810的表达量远远高
于At5g59900。At5g42810基因的T-DNA插入突变体
ipk1-1(基因表达没有完全敲除)的种子和植株中植酸
含量分别降低了70%和90%以上。并且, IPK1可以特
异性地将不同种类肌醇-多磷酸(如 InsP3、 InsP4和
InsP5)上D-2位羟基磷酸化。体外实验也证实IPK1连
同 IPK2和 ITPK可将前体 Ins(1,4,5)P3磷酸化 (转移
ATP上的磷酸基团)合成InsP6(Stevenson-Paulik et
吴俐等: 拟南芥中 myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号 99
al., 2005)。
1.2 肌醇-脂类非依赖途径
相对肌醇-脂类依赖途径, 肌醇-脂类非依赖途径是在
可溶性环境中进行的。也就是经MIPS合成的Ins3P可
以直接被磷酸化为Ins(3,4)P2, 并进一步依次被磷酸
化 为 Ins(3,4,6)P3→Ins(3,4,5,6)P4→Ins(1,3,4,5,6)P5
→InsP6(图1)。尽管目前并不清楚哪种激酶可以磷酸
化 Ins3P, 但在其它肌醇多磷酸的磷酸化过程中 ,
ITPK和IPK2与IPK1都可能参与。作为一类多功能肌
醇激酶, 最早在哺乳动物中发现ITPK具有Ins(1,3,4)
P3-5/6-激酶的功能, 并以此命名。后来发现在植物中
也存在ITPK, 并以多种肌醇-多磷酸为底物进一步磷
酸 化 , 如 以 Ins(1,3,4)P3 为 底 物 可 以 分 别 合 成
Ins(1,3,4,5)P4和 Ins(1,3,4,6)P4, 也可将 Ins(3,4,5,6)
P4磷酸化成 Ins(1,3,4,5,6)P5, 以及 Ins(3,4)P2→Ins
(3,4,6)P3、 Ins(3,4,6)P3→Ins(1,3,4,6)P4、 Ins(3,4,5)
P3→Ins(3,4,5,6)P4、Ins(1,4,6)P3→Ins(1,3,4,6)P4 (Sw-
eetman et al., 2007; Stevenson-Paulik and Phil-
lippy, 2010)。尤其比较特别的是ITPK更易于以InsP4
为 底 物 , 而 且 可 以 使 Ins(3,4,5,6)P4 和 Ins(1,3,4,
5,6)P5之间实现一种可逆的转换。这可能对具有信号
分子作用的 Ins(3,4,5,6)P4 有着重要的调控功能
(Zonia et al., 2002)。在拟南芥中ITPK有4个表达基因
(ITPK1、ITPK2、ITPK3和ITPK4), 并都能以Ins(3,4,6)
P3为底物, 而且除ITPK4外其它ITPKs还具有Ins(3,4,
5,6)P4激酶活性(Sweetman et al., 2007)。可见不同
的ITPK激酶还存在差异, 并可能在组织表达特异性
方面不同。但作为一类多功能肌醇激酶, ITPK的生物
学功能并不清楚, 可能在肌醇-脂类非依赖性的植酸
(InsP6)合成过程中起着很重要的作用, 如促进种子
等贮藏器官中InsP6的积累。
虽然植物能合成积累大量的InsP6, 并且远高于
酵母和动物, 但也明显存在组织器官特异性。植物体
中InsP6的大量合成和积累主要发生在贮藏器官(如种
子)中, 而与生长相关的根、茎、叶等器官中InsP6含
量并不高, 这些组织细胞中的InsP6含量与酵母和动
物细胞相近 (<100 μmol·L–1) (Irvine and Schell,
2001; Bentsink et al., 2003)。尤其值得关注的是,
InsP6合成的肌醇-脂类非依赖途径主要发生在贮藏器
官中(Suzuki et al., 2007); 而肌醇-脂类依赖途径则
主要在生长迅速的器官细胞内, 并且这一途径也是动
物和酵母细胞中InsP6合成的主要途径。因而通过肌
醇-脂类依赖途径合成InsP6的过程中同时产生的多种
参与细胞进程调控的重要信号分子, 在植物细胞中也
同样发挥着相似的功能。
2 Myo-肌醇-多磷酸的去磷酸化
在2条肌醇多磷酸合成途径中, myo-肌醇环上的羟基
可以在不同激酶的作用下合成各种肌醇多磷酸(包括
位于膜上的磷脂酰肌醇-多磷酸和溶质中的肌醇-多磷
酸)以至植酸, 同时这些相应的磷酸基团也可在特定
的磷酸酶作用下去磷酸化, 实现不同种类肌醇多磷酸
之间相互转换和含量的调控(Clarke et al., 2007)。多
种肌醇多磷酸作为重要的信号分子参与不同的细胞
基本进程和植物的生长发育调控, 意味着特定位点上
的磷酸基团包含了不同的信息, 通过对这些磷酸基团
的改变实现细胞内的信号转导(Gillaspy, 2010)。在这
里将肌醇磷酸酶概括为两大类: 一类是特定位点去磷
酸化的磷酸酶; 另一类是多位点去磷酸化的植酸酶。
其中前一类基于特定位点不同的磷酸酶又可进一步分
为肌醇多磷酸 -1-磷酸酶或磷脂酰肌醇 -1-磷酸酶
(1PTase)、肌醇多磷酸-3-磷酸酶或磷脂酰肌醇-3-磷酸
酶(3PTase)、肌醇多磷酸-4-磷酸酶(4PTase)和肌醇多
磷酸-5-磷酸酶(5PTase)等(Gillaspy, 2010; Zhang et
al., 2011)。植酸酶的分类有多种方式, 而基于结构和催
化机理可将植酸酶分为组氨酸磷酸酶(histidine acid
phosphatase, HAP)、β-螺旋桨植酸酶(β-propeller
phytase, BPP)、半胱氨酸磷酸酶 (cysteine phos-
phatase, CP)和紫色酸磷酸酶 (purple acid phos-
phatase, PAP)(Mullaney and UIIah, 2007)。
近年来, 关于植物肌醇多磷酸磷酸酶的研究取得
了一定的进展, 发现了一些磷酸酶基因表达具有重要
的生物学功能。磷酸酶不仅具有位点去磷酸化特异性,
而且还存在底物特异性。目前已在拟南芥中发现多种
3PTase基因, 如前面提到的编码肌醇单磷酸酶基因
(VTC4、IMPL1和IMPL2)是以Ins3P为底物, 而以磷
脂 酰 肌 醇 - 多 磷 酸 为 底 物 的 3PTase 有 PTENs
(PTEN1 、 PTEN2a 和 PTEN2b) 和 MTM(MTM1 和
MTM2)。PTENs可以将PtdIns3P、PtdIns(3,4)P2和
PtdIns(3,5)P2上的D-3位磷酸基团水解。不过体外实
100 植物学报 48(1) 2013
验还表明, PTENs具有蛋白酪氨酸磷酸酶(tyrosine
phosphatase)活性, 尤其最近发现PTEN2a与磷脂酸
(PtdOH或PA)有很强的结合能力(Gupta et al., 2002;
Pribat et al., 2012)。MTM1和MTM2也具有PtdIns3P
和PtdIns(3,5)P2 的D-3位去磷酸化水解功能 , 以
PtdIns(3,5)P2 为底物时水解更容易 (Ding et al.,
2012)。
在植酸合成途径中, 形成多种具有信号分子功能
的 肌 醇 多 磷 酸 , 如 PtdIns4P 、 PtdIns(4,5)P2 和
Ins(1,4,5)P3等中间产物, 若对它们D-4位、D-5位或
D-1位磷酸基团进行水解调控, 则可直接影响或改变
其相应的信号转导, 因而这些位点的去磷酸化对植物
生长发育具有重要影响。在植物中也确实存在众多的
编码4PTase、5PTase和1PTase的基因。如SAC6、
SAC7(RHD4)和SAC8可能都以PtdIns4P为底物, 水
解D-4位磷酸基团, 属于4PTase。由于这些基因转录
和表达的组织特异性, 使得它们对植物生长发育的影
响各不相同。如SAC7(RHD4)是这3个基因中唯一在
根毛中表达的4PTase基因, rhd4突变后影响根毛的
正常发育(Zhong and Ye, 2003; Thole et al., 2008)。
拟南芥中表达磷酸酶5PTase的基因最多, 并且
有多种底物, 包括膜上的磷脂酰肌醇-多磷酸和可溶
性的肌醇-多磷酸。根据底物的类别和酶的结构特点,
可将拟南芥中已知的5PTase分为3组(表1)。第1组包
括以 Ins(1,4,5)P3、 Ins(1,3,4,5)P4、PtdIns(4,5)P2和
PtdIns(3,4,5)P3为底物的10个 5PTases(5PTase1–
10)以及只有磷脂酰肌醇-多磷酸PtdIns(3,4,5)P3、
PtdIns(4,5)P2和PtdIns(3,5)P2为底物的5PTase11。
第 2组包括 5PTase12、 5PTase13、 5PTase14和
FRA3, 它们都以Ins(1,4,5)P3和PtdIns(4,5)P2为底物,
在蛋白结构上这4个磷酸酶还有另一个共同特征, 即
它们的N端都有5–7个重复的WD40结构域。第3组具
有SacI同源结构 , 包括SAC1–5和SAC9, 与前面
4PTases(SAC6–8)有不同的水解位点和底物, 其中
SAC1–5可能以PtdIns(3,5)P2为底物, 而SAC9可能
以PtdIns(4,5)P2为底物, 分别水解D-5位的磷酸基团
(Gillaspy, 2010)。虽然这些众多的5PTases具有水解
类似底物的功能, 并都能对D-5位磷酸基团进行去磷
酸化, 但是特定基因突变丧失功能后, 不仅导致相应
肌醇多磷酸的组成和含量上发生变化, 而且更突出表
现为植株发生了不同性状的表型变异。mrh3(5P-
Tase6)突变影响了根毛细胞的发生和生长 , 而
cvp2(5PTase5)则改变了子叶中维管束的分布模式,
基因表达显示MRH3和CVP2分别在根毛细胞和维管
束发育细胞中高度特异性表达(Carland and Nelson,
2004; Jones et al., 2006)。更有特点的是第2组
5PTases, 其N端的WD40是一个与其它特定蛋白互
作的结构域, 如5PTase13可以与SnRK1激酶(一个
与糖信号、碳代谢、逆境胁迫和发育相关的关键性调
控因子)结合, 阻止SnRK1被降解(Ananieva et al.,
2008, Ananieva and Gillaspy, 2009)。但这种蛋白互
作是否同时又受到肌醇多磷酸(该磷酸酶的水解底物
或产物)的影响或调控, 并不清楚。另外, 最近的研究
还发现, 5PTase13也通过调节囊泡极性运输参与根
的向重力性生长, 而且5PTase12和5PTase13还通
过调控Ins(1,4,5)P3/Ca2+浓度维持花粉的休眠和萌发
(Wang et al., 2009, 2012b)。SAC同源结构域的命名
来源于微丝抑制因子(suppressor of actin), 表明这
类磷酸酶参与了细胞骨架蛋白微丝及其极性的调控。
无论属于5PTase还是4PTase, SAC磷酸酶底物都是
定位于膜上的磷脂酰肌醇-多磷酸, 说明PtdInsPs对
微丝和囊泡的极性运动起着非常重要的作用(Zhong
and Ye, 2003)。
对植物中 1PTase的了解主要来源于拟南芥
SAL1基因(At5G63980)的功能。SAL1是一个双功能
酶, 具有3’(2’),5’-双磷酸核酶和肌醇多磷酸-1-磷酸酶
(1PTase)2种酶的活性, 由于通过不同途径克隆到此
基因 , 因而该基因还有其它多个名字 , 如FRY1/H-
OS2/ALX8/RON1/SUPO1等。表明SAL1通过调控底
物代谢影响了多种生理功能, 如低温抗性、ABA响应、
盐胁迫、干旱脱水、miRNA降解、生长素极性转运以
及光依赖的下胚轴抑制和开花时间等(Xiong et al.,
2001, 2004; Gy et al., 2007; Wilson et al., 2009;
Robles et al., 2010; Zhang et al., 2011)。在该基因
缺失突变体sal1/fry1中, Ins(1,4,5)P3含量增加, 然而
去磷酸化酶促水解分析发现, Ins(1,4)P2和Ins(1,3,4)
P3是SAL1的主要底物, 对Ins(1,4,5)P3的作用却很弱,
表明Ins(1,4,5)P3的积累并非是SAL1直接作用的结果
(Xiong et al., 2001)。即使最近研究中发现因SAL1缺
失导致Ins(1,4,5)P3含量的增加可以影响Ca2+对生长
素的转运调控和PIN蛋白的极性分布(Zhang et al.,
2011), 但也仅仅是SAL1缺失所引起众多表型和功能
吴俐等: 拟南芥中 myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号 101
改变的一个方面。说明Ins(1,4,5)P3的积累并非是唯一
因SAL1缺失突变而受影响的肌醇多磷酸信号分子。
在拟南芥中还有其它几个与SAL1同源性较高的基因,
它们是否也同样具有1PTase功能目前尚不清楚。
植酸酶是以InsP6(植酸)为底物, 不断将磷酸基
团从肌醇环上水解掉, 产生多种水溶性的肌醇-多磷
酸甚至myo-肌醇。在拟南芥中, 目前还只发现一个紫
色酸磷酸酶(PAP15)具有植酸酶功能, PAP15可将植
酸水解成磷酸(Pi)和myo-肌醇, 该基因缺失突变体可
以导致 InsP6的积累(增加15%–20%)(Zhang et al.,
2008; Kuang et al., 2009)。拟南芥基因组中很可能还
存在其它的植酸酶基因, 尤其在种子和根、叶等生长
器官中InsP6的含量差异极大。而且InsP6不仅作为磷
的存储物质, 更为重要的是InsP6在植物中同样也是
一种非常重要的信号分子, 很可能还是其它肌醇多磷
酸信号分子的直接来源。然而有关根、叶细胞中调控
InsP6动态平衡的植酸酶基因的研究尚未见报道。
3 PtdInsPs功能
磷脂酰肌醇-多磷酸(PtdInsPs)是细胞膜的组成成分,
虽然所占比例较少, 但具有很重要的功能, 如参与细
胞骨架固定、离子通道以及决定细胞极性生长位点,
并且调控囊泡的定向转运。根据磷脂酰肌醇上3个可
被磷酸化位点 (D-3、D-4和D-5), 一共可形成7种
PtdInsPs。目前在植物中只发现了其中5种: PtdIns-
4P 、 PtdIns(4,5)P2 、 PtdIns3P 、 PtdIns(3,5)P2 和
PtdIns5P。前2种(PtdIns4P和PtdIns(4,5)P2)还参与了
水溶性肌醇-多磷酸的合成(Thole and Nielsen, 2008;
Munnik and Testerink, 2009; Michell, 2011)。关于
PtdInsPs功能的研究主要是基于相应的磷酸激酶和
磷酸酶的功能分析, 通过底物特异性的激酶或磷酸酶
的活性改变或缺失会导致植物器官组织或细胞表型
变化, 从而获得细胞中相应PtdInsPs特有功能的信
息。虽然这种方法有助于我们揭示PtdInsPs的作用,
但一种肌醇多磷酸的变化往往也同时会引起其它种
类的肌醇多磷酸(前体或代谢产物等)改变, 因而某些
表型变化有时也很难确定具体是哪种肌醇多磷酸发
挥功能所致。
PtdIns4P的功能主要是通过研究PI4K激酶得来。
PI4K是以PtdIns为底物磷酸化合成PtdIns4P。前面提
到拟南芥中含有12个基因编码3类磷脂酰肌醇-4-激
酶(α、β、γ)。PI4Kβ1和PI4Kβ2双缺失突变体中根毛
生长异常(泡状), 而且这类激酶定位在反面高尔基体
囊泡上(trans-golgi vesicles)(Preuss et al., 2006)。在
酵母细胞中这类激酶(Pik1p)也表现出相似的功能特
征 , 它们是高尔基体向质膜转运所必需的。而且
PtdIns4P含量增加会导致细胞通过胞吐方式过量外
排几丁质合酶(Chs3p), 使细胞壁合成受阻(Audhya
et al., 2000; Schorr et al., 2001)。这些研究表明,
PtdIns4P具有在高尔基体和质膜间调控分泌型囊泡
的外排转运功能。
虽 然 在 植物 中 PtdIns(4,5)P2 的 含量 远 低 于
PtdIns4P, 然而PtdIns(4,5)P2不仅是第二信使 Ins
(1,4,5)P3的前体, 而且在动物细胞中PtdIns(4,5)P2同
样作为一种第二信使直接参与微丝骨架蛋白的动态
平衡调控(Mueller-Roeber and Pical, 2002; Zhang et
al., 2012)。PtdIns(4,5)P2可以与多种微丝结合蛋白结
合, 促进细胞骨架微丝聚合以及维持质膜与微丝之间
的联系和互作, 并且可激活Rho家族的GTPase激酶
(DerMardirossian and Bokoch, 2005; Mao and Yin,
2007)。虽然在植物中与PtdIns(4,5)P2直接互作的微
丝结合蛋白还没有被发现, 但是PtdIns(4,5)P2可以通
过调控GTPase信号影响花粉管极性和生长(Ische-
beck et al., 2008, 2011)。此外 , 还有研究表明 ,
PtdIns(4,5)P2可以影响离子通道, 如可以激活人体细
胞中的内向整流钾通道和神经元电位控制钾通道
(Hilgemann and Ball, 1996; Delmas and Brown,
2005)。但在植物中有关这方面的研究还比较少, 目
前已发现烟草(Nicotiana tabacum)细胞中外向整流
钾通道可能受PtdIns(4,5)P2调控(Ma et al., 2009)。
在植物中 PtdIns3P→PtdIns(3,5)P2→PtdIns5P
的合成似乎成为一条独立分支途径, 这些成分更多地
与渗透胁迫相关。PtdIns3P一般在初级内体和次级内
体膜上合成, 可能与一些蛋白的FYVE和PX结构域结
合, 参与内体囊泡的转运和融合(Lindmo and Sten-
mark, 2006), 如VPS34/PI3K作为植物中已知的
PtdIns3P合成关键酶 , 影响根毛和花粉管的伸长
(Lee et al., 2008a), 这可能与内体囊泡向液泡转运
以及液泡形成调控有关。PtdIns(3,5)P2是酵母细胞将
内吞物通过次级内体囊泡向液泡转运所需要的, 并可
能在PROPPIN和Epsin-like等靶蛋白结合上起作用
102 植物学报 48(1) 2013
(Dove et al., 2009)。而植物中相关的功能还并不清
楚。PtdIns5P则可以与含PDH结构域的蛋白结合, 在
拟南芥脱水胁迫过程中PtdIns5P含量会增加, 并与
ATX1(染色质三甲基化修饰因子)上的PDH结构域结
合, 使ATX1滞留于细胞质中并失活, 从而降低靶基
因WRKY70的表达(Ndamukong et al., 2010)。
4 InsPs功能
Ins(1,4,5)P3一直以来被作为一种第二信使。在动物细
胞中 Ins(1,4,5)P3可以与内质网上的受体 InsR结合 ,
调节细胞质中Ca2+的浓度。在植物中, 植物激素ABA
可以促进保卫细胞内Ca2+的释放进而使得气孔关闭,
而 Ins(1,4,5)P3也可以促进Ca2+的释放和气孔关闭 ,
同时ABA也诱导细胞内Ins(1,4,5)P3的迅速增加, 并
且依赖于磷脂酶PLC的活性(Lee et al., 1996; Staxén
et al., 1999; DeWald et al., 2001; Meimoun et al.,
2009)。然而InsP6也同样迅速受ABA的诱导, 并且
InsP6促进胞内Ca2+释放的能力比Ins(1,4,5)P3强100
倍 (Lemtiri-Chlieh, 2003; Munnik and Testerink,
2009)。联想到Ins(1,4,5)P3可以经过磷酸激酶(IPK2
和 IPK1) 合 成 InsP6, 鉴 于 目 前 在 植 物 中 关 于
Ins(1,4,5)P3和InsP6的膜受体还一直没有被发现, 这
2种肌醇-多磷酸是否都可以直接调控胞内Ca2+的释
放或其中一种只是间接作用, 尚待进一步研究。最近
的报道还显示 , SAL1缺失突变使得 Ins(1,4,5)P3和
Ca2+的积累增加, 并调控PIN蛋白的极性分布和生长
素的转运, 而且外源Ins(1,4,5)P3处理也同样诱导胞
质中Ca2+增加和生长素的转运变化(Zhang et al.,
2011)。因而, Ins(1,4,5)P3和InsP6都可能作为一种信
号调控胞内Ca2+变化, 当然也不能排除InsP6通过去
磷酸化转变为Ins(1,4,5)P3而起作用的信号转导途径。
更为有趣的是, 近年来发现肌醇多磷酸InsP6和
Ins(1,2,4,5,6)P5(InsP5)分别作为共因子与植物激素
生长素受体TIR1和茉莉酸受体COI1紧密结合(Tan et
al., 2007; Sheard et al., 2010)。TIR1和COI1同属一
类F-box蛋白家族, 并定位在细胞核内, 意味着InsP5
和InsP6可以进入细胞核或在细胞核中直接合成, 而
且还可能与其它的蛋白结合。在ipk1-1突变体中InsP6
含量降低, 而Ins(1,2,4,5,6)P5发生了积累, 该突变体
表现出对茉莉酸更敏感, 表明多磷酸肌醇参与了茉莉
酸与受体识别的信号调控(Mosblech et al., 2011)。不
过, InsP6是否也直接参与生长素与受体的互作或信
号调控, 以及InsP6的生物学功能, 目前尚不清楚。此
外, 如前文所提到肌醇多磷酸近年来受到关注的一个
重要原因在于InsP6及其衍生物对核酸分子的调控,
以及肌醇-焦磷酸还可以直接作为磷酸基团的供体参
与能量代谢, 而目前尚未见在植物中有这方面功能的
报道, 但理论上应该存在。如通过相似的作用模式与
某些结合蛋白互作, 来调控核酸分子和染色质的结构
等, 参与植物细胞的基本进程。
5 研究展望
近年来, 在植物中关于myo-肌醇多磷酸的合成、代谢
及其各衍生物功能的研究, 虽然已取得了一定的进
展, 尤其是基于模式植物拟南芥的基因功能分析, 让
我们认识到肌醇多磷酸作为信号分子可能通过分子
互作影响和调控植物从细胞、组织、器官到个体生长
发育以及环境应答的整个过程。然而, 无论肌醇多磷
酸合成的激酶还是去磷酸化的磷酸酶, 不仅具有基因
表达的组织器官特异性, 而且还存在表达蛋白的亚细
胞定位特异性。如核和质膜区定位的IPK2、核周和胞
质定位的IPK1、内质网和高尔基体定位的PIS、高尔
基反面囊泡定位的PI4Kβ、核周定位的PI4Kα以及内
质网定位的SAC6等, 使得细胞的亚细胞区域以及细
胞器中都存在不同种类的肌醇多磷酸合成和去磷酸
化代谢的调控。让我们感觉到不同功能的肌醇多磷酸
如同一类信息代码或语言, 在细胞中各个功能区域或
网络间传递着生命有序进程的基本指令。而这一功能
在酵母、动物和植物等真核细胞生物中既高度保守又
不断进化, 实现不同生物从细胞到整个个体完成其正
常生长发育和各种环境应答的生命历程。但对它们的
功能以及作用机制和分子机理的研究才刚刚开始。
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Myo-inositol Polyphosphate Metabolism and Signaling
in Arabidopsis
Li Wu1, 2, Ruozhong Wang1, Wenzhong Xu2*
1Hunan Provincial Key Laboratory of Phytohormones, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2Key Laboratory of Plant Resources, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
Abstract In eukaryotes, including yeasts, fungi, animals and plants, myo-inositol is used as a building block to generate
derivatives by attaching multiple combinations of mono- and pyrophosphate groups to each of the hydroxyl moieties.
During the past decade, genetic and cell biological advances have indicated that these inositol polyphosphates are in-
volved in regulating fundamental cellular processes such as directed membrane trafficking, protein structure mainte-
nance, ion channel regulation, mRNA transportation, DNA repair, and chromatin remodeling. In recent years, many genes
involved in inositol phosphate metabolism have been identified to play important roles in Arabidopsis development and
stress responses. This review describes the known Arabidopsis inositol polyphosphate kinases and phosphatases, the
emerging roles of these small molecules as signaling codes to regulate the fundamental cellular processes in plants, and
the research trends.
Key words Arabidopsis, myo-inositol, myo-inositol polyphosphate, phosphoinositide, phytic acid
Wu L, Wang RZ, Xu WZ (2013). Myo-inositol polyphosphate metabolism and signaling in Arabidopsis. Chin Bull Bot 48,
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* Author for correspondence. E-mail: xuwzh@ibcas.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)