全 文 ：植物生理学通讯 第 45 卷 第 3 期，2009 年 3 月 291
收稿 2008-11-21 修定 　2009-01-19
资助 国家自然科学基金( 3 0 8 0 0 0 5 4 )、辽宁省教育厅基金
(2008656)、植物生理与生物化学国家重点实验室开放
课题(PPB0800 2)、沈阳农业大学青年基金(200 7)和沈
阳农业大学大学生创新设计(2 0 0 8 )。
* 通讯作者(E-mail: wangwangche@163.com; Tel: 024-
8 8 4 8 7 1 6 3 )。
植物微管结合蛋白
张少斌, 刘曦, 张立军, 汪澈 *, 洪丽华
沈阳农业大学生物科学技术学院, 沈阳 110161
Plant Microtubule-Associated Proteins
ZHANG Shao-Bin, LIU Xi, ZHANG Li-Jun, WANG Che*, HONG Li-Hua
Biological Science and Technology College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China
提要: 本文介绍了植物微管结合蛋白MAP65家族的各个成员WVD2、SPR1、EB1、MOR1、MAP200/TMBP200、AtMAP18、
PLD、MAP190和 SB401的研究进展。
关键词: 微管; 植物微管结合蛋白
微管(microtubule, MT)是由 α、β- 微管蛋白
异二聚体通过非共价键形成的管状结构。它与微
丝(microfilament)、中间纤维(intermediate filament)
共同构成真核生物的细胞骨架(cytoskeleton)。在
许多生理活动中, 微管通过微管结合蛋白调节自身
的动态变化和不同细胞时期的列阵, 如维持细胞形
态与结构、参与胞质流动、调节细胞有丝分裂、
控制细胞极性生长、细胞壁构建、细胞分化调
控、信号转导等等(Cyr 和 Palevitz 1995; Lloyd
1994; Gundersen 和 Cook 1999; Hashimoto 2003;
Mineyuki 2007)。因此微管结合蛋白对微管的调控
机制一直受到广泛的关注, 也是当今的研究热点之
一。与动物相比, 植物中微管结合蛋白的研究起步
较晚。直到 20 世纪 80年代, 人们才发现一些植物
微管结合蛋白, 并对其化学结构及其在细胞中的功
能进行了分析。近 2年来, 又发表了多篇关于新的
植物微管结合蛋白以及植物微管结合蛋白的新功能
的研究报道。这些研究结果表明, 植物微管结合蛋
白可以调控植物微管骨架的动态和组织, 以及微管
与其他细胞结构间的连接, 从而在植物细胞的形
态、分化和植物的生长、发育、适应逆境等生
理过程中起作用(Yuan 等 1994; Bibikova 等 1999;
Whittington等2001; Chan等2003b; Müller 等2004;
Wang 等 2007a; Caillaud 等 2008)。本文介绍近几
年有关植物微管结合蛋白的研究进展。
1 植物微管结合蛋白
经典的微管结合蛋白定义是指在体外能通过
数次聚合－解聚循环而富集到微管上, 并且能够与
微管共纯化(co-purified)的蛋白(Hussey 等 2002;
Hamada 2007)。近年来, 随着研究技术的发展, 人
们发现了越来越多的微管结合蛋白, 扩大了微管结
合蛋白的内涵。现在的概念是指可以直接与微管
结合, 对微管具有调控作用的一类蛋白(Hamada
2007)。由于这些蛋白影响并调控着微管的动态生
长和组装, 因此称之为 microtubule-associated pro-
teins (MAPs)。
按照功能划分, 有的植物微管结合蛋白对微管
的稳定、成束(bindling)、交联(cross-link)等起作
用, 调控了微管不同时期的列阵; 有的则负责微管
的剪切(severing)、解聚、聚合, 调控微管的动态
(depolymerization); 有的则参与微管与其他细胞结
构的连接(图 1)。
2 调节微管列阵的植物微管结合蛋白
在细胞中微管总是有规律地组合在一起, 形成
独特的排列, 即微管列阵(array)。在植物细胞周期
中, 不同时期的细胞具有不同的微管列阵, 一般包
括 4 种列阵, 间期周质列阵(cortical array)、早前
期微管带(preprophase band, PPB)、纺锤体列阵
(spindle array)和成膜体列阵(phragmoplast array)
专题介绍 Special Topics
植物生理学通讯 第 45 卷 第 3 期，2009 年 3 月292
(Husse等 2002)。各微管列阵随着细胞周期依次自
然转化, 执行相应的功能, 早前期微管带预示着细
胞分裂的位置, 纺锤体担负着染色体运动的功能, 成
膜体参与新壁的建成, 周质微管的排列方向相对于
细胞长轴而言, 有横向、纵向和斜向, 其不同的
取向与细胞的伸长生长有密切关系(Hardham和
Gunning 1978; Yuan 等 1994; Nakajima 等 2004)。
微管列阵的形成需要不同蛋白的协助。迄今发现
的一些植物微管结合蛋白都能够在微管之间形成横
桥结构, 促进微管成束, 帮助微管形成不同列阵, 其
中MAP65蛋白家族是目前研究最深入的一类植物
微管结合蛋白。
植物中MAP65家族是与酵母中的Ase1家族和
脊椎动物中的PRC1家族同源的一类微管结合蛋白
(Chan等2003b; Smertenko等2004)。Jiang和Sonobe
(1993)用生化方法从烟草(Nicotiana tabacum)悬浮
细胞BY-2中分离到了促微管成束的蛋白因子, 电泳
分析发现这些组分中含有3个分子量为60~65 kDa
蛋白以及一个分子量为 100 kDa 的蛋白, 其中分子
量为 65 kDa 的蛋白组分可以促微管成束, 是一类
新的植物微管结合蛋白, 被命名为 MAP65。Chan
等(1999)从胡萝卜(Daucus carota var. sativa )悬浮
细胞中用微管垂钓方法得到与烟草BY-2中类似的
3 个 MAP65 蛋白。体外实验表明, 它们可以促微
管成束, 电镜观察结果表明它们在微管之间可以形
成直径为 25~30 nm均匀分布的横桥结构。Hussey
等(2002)通过序列比对推测在拟南芥(Arabidopsis
thaliana)中MAP65家族有9个成员, 分子量为54~80
kDa。到目前为止, 人们对 MAP65 家族的各成员
进行了深入研究。
2.1 MAP65-1 MAP65-1 是最早发现, 也是目前研
究最广泛的MAP65家族成员。Smertenko等(2000)
在烟草悬浮细胞中发现了 NtMAP65-1a、NtM-
AP65-1b 和 NtMAP65-1c 这 3 个 MAP65 蛋白家族
成员, 它们的基因同源性约为 85%。体外实验表
明, NtMAP65-1a可以沿微管富集并促进微管聚合,
但是不能促微管成束。体内免疫荧光标记的实验
结果表明, NtMAP65-1a 可以和周质微管、早前期
微管、纺锤体和成膜体的中间交叠区微管(反向平
行的微管交叠处)结合( S me r t e n k o 等 2 0 0 0 )。
NtMAP65-1b在体外可以结合微管并促微管成束, 但
不促进微管聚合, 所以推测在烟草中 NtMAP65-1b
可能是维持反向平行微管束的调节因子(Wicker-
Planquart 等 2004)。
Smertenko 等(2004)的研究表明, 在拟南芥中
AtMAP65-1 在体外具有结合微管和促微管成束的
功能, 并且 AtMAP65-1 的二聚体在微管间形成 25
nm 的横桥。Mao 等(2005)得到了同样的结果。
AtMAP65-1蛋白功能域的研究表明, 该蛋白的C端
是微管结合域, 但是单独的 C 端不能促微管成束。
进一步研究表明, C端 1~494氨基酸序列可以结合
微管, 但是不结合微管蛋白, 也没有促进微管聚合
的效应。C 端的 495~587 氨基酸序列可以促进
微管聚合, 其功能与全长的蛋白相似(Li 等 2007)。
AtMAP65-1 蛋白的 N 端 1~339 氨基酸序列既不结
合微管也不结合微管蛋白, 也不影响微管的动态, 但
是能够帮助 AtM AP6 5 -1 蛋白形成同源二聚体
(Smertenko 等 2004)。以上的研究结果说明, 在
AtMAP65-1氨基酸序列中, C端495~587氨基酸序
列是结合微管蛋白、促微管聚合的主要功能域, N
端的主要功能为形成同源二聚体, AtMAP65-1二聚
体对微管成束和微管蛋白横桥结构的形成有重要作
用(Smertenko 等 2004; Smertenko 等 2006)。
At MAP6 5- 1 蛋白的表达模式的研究结果表明,
AtMAP65-1蛋白在整个细胞周期中均表达, 在细胞
间期和周质微管中共定位, 分裂期定位于纺锤体中
心区和成膜体微管的中间反向平行重叠区(Mao等
2005; Smertenko等 2004; Smertenko等 2006), 这种
定位与它的同源蛋白 Ase1 和 PRC1 相同。在拟南
芥中, AtMAP65-1蛋白在除花药和萼片之外的其他
植物器官中表达(Smertenko等 2004)。MAP65-1蛋
白作用机制的研究结果表明, NtMAP65-1a 有磷酸
图 1 植物微管结合蛋白的功能 (Lloyd 和
Chan 2004, 略有改动)
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化位点, 可以被CDKs和NRK1磷酸化。进一步的
研究还发现, NRK1磷酸化会消弱NtMAP65-1a聚合
微管的活性(Sasabe 等 2006)。Smertenko 等(2006)
的分析发现AtMAP65-1上有9个磷酸化位点, 并且
证明了激酶磷酸化AtMAP65-1蛋白的过程对该蛋
白与微管的结合有调节作用(Smertenko 等 2006)。
2.2 MAP65-3 Müller等(2004)在研究一个拟南芥胞
质分裂异常的突变体时发现了MAP65-3, 研究的结
果表明, AtMAP65-3基因的C端突变导致该蛋白不
能正常表达、不能结合微管, 因此引起了胞质分裂
异常的表型(Müller 等 2004)。Atmap65-3突变体的
根生长异常, 与野生型的根相比, 突变体的根更短、
更粗。进一步观察发现, 突变体根部的细胞多为
大而不规则的膨胀细胞, 细胞内有多个已复制的核,
成膜体微管的中间区域不正常地变宽, 这些结果说
明在细胞周期中, AtMAP65-3蛋白功能的缺失虽然
没有影响细胞核的复制, 却影响了胞质的正常分
裂。免疫荧光定位显示, AtMAP65-3 蛋白在间期
不结合周质微管, 在分裂期特异结合早前期带, 在
分裂后期结合纺锤体和成膜体中间部位。免疫荧
光定位实验发现, 在间期的细胞中没有检测到
AtMAP65-3, 说明AtMAP65-3蛋白在植物细胞间期
没有表达(Müller 等 2004)。Van Damme 等(2004)
通过GFP融合蛋白标记以及免疫荧光定位均发现,
AtMAP65-3 在细胞分裂后期纺锤体以及成膜体上
有分布, 而在中期纺锤体上没有检测到AtMAP65-3
的定位。因此AtMAP65-3可能参与成膜体微管中
间区域的反向平行微管之间的连接, 并且辅助微管
正端聚合, 维持成膜体中空区域的适当宽度(Mülle
等 2004)。Caillaud等(2008)发现 AtMAP65-3 在线
虫引起寄主巨大细胞的发生过程中起作用。他们
通过研究Atmap65-3基因突变体发现, AtMAP65-3
通过影响细胞分裂早期和晚期的微管列阵, 参与调
控了巨大细胞形成细胞板的过程, 因此AtMAP65-3
蛋白功能缺失后, 巨大细胞虽然能够形成, 但是不
能分化, 最终死亡。
2.3 MAP65家族的其他蛋白 Van Damme等(2004)
将拟南芥 MAP65 家族成员中的 1、3、4、5 和
8分别与GFP构建形成融合基因并在悬浮细胞中表
达, 融合蛋白细胞定位的观察发现, 在 4 个微管列
阵中, 不同成员有各自特异性的分布。AtMAP65-4
在细胞间期不能与周质微管结合, 分布在核周围, 随
着纺锤体的形成, 出现在纺锤体的两端。AtMAP65-5
的体内定位与 AtMAP65-1 相似, 但是 AtMAP65-5
过表达植株细胞中的微管对微管特异性解聚药剂
oryzalin有一定的抗性。AtMAP65-8同样和周质微
管结合 , 但不是以连续状态而是以点状分布。
AtMAP65-8也出现在纺锤体的两极, 故推测该蛋白
是一个结合微管负端的蛋白(Van Damme等 2004)。
Mao 等(2005)研究 AtMAP65-6 时发现, 虽然
AtMAP65-6和AtMAP65-1的同源性很高, 但在功能
和定位上都表现出了各自的特异性。在体外
AtMAP65-6不能促进微管聚合, 不能形成较大的微
管束, 也没有在低温下稳定微管的功能。但是,
AtMAP65-6能够使微管形成网络状结构, 这一结构
中的微管大部分都是以单根状态存在的, 仅在交界
处形成少量的小微管束, 微管间的横桥仅有 1 0
n m 。盐处理时 , 这种微管结构的稳定性比
AtMAP65-1 形成的微管束更强。免疫荧光染色结
果表明, 该蛋白在细胞间期定位在线粒体上, 因此
推测植物细胞中线粒体可能通过微管结合蛋白与微
管联系(Mao 等 2005)。
总之, 作为植物中一类重要的微管结合蛋白,
MAP65 家族功能的研究结果表明, 植物中 MAP65
家族的不同成员定位在不同的微管列阵, 行使不同
的功能(Wasteneys 和 Yang 2004)。
2.4 WVD2 (WAVE-DAMPENED2) WVD2是一个
保守的、分子量为23 kDa的高度亲水性蛋白(Yuen
等 2003)。虽然序列分析表明 WVD2 没有明显的
微管结合域, 但体外试验表明WVD2可以与微管结
合, 促微管成束。由于 WVD2 的分子量较小, 因此
它的成束方式即连接微管的方式可能与AtMAP65-1
不同。WVD2 过量表达植株的根和黄化下胚轴以
右手螺旋方式生长, 莲座叶叶柄以左手螺旋方式生
长, 这些表型说明它与细胞的极性生长有关(Yuen
等 2003)。
2.5 SPR1 (SPIRAL1)和EB1 SPR1和EB1都是微
管正端结合蛋白。SPR1是植物特有的一类微管结
合蛋白, 分子量为 12 kDa。拟南芥中有 6 个 SPR1
同源蛋白(Nakajima 等 2006)。Furutani 等(2000)最
先发现, SPR1 突变体的根和黄化下胚轴扭曲生长,
进一步研究发现, 该表型是由于皮层和内皮层细胞
极性生长受阻引起的, SPR1突变体的周质微管排列
异常。Sedbrook等(2004)分离得到 SPR1 的等位基
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因, 命名为 Sku6。试验证明, 在微管生长时 Sku6/
SPR1与微管的正端结合, 微管解聚时从微管正端脱
落。同年, Nakajima 等(2004)证实, SPR1 与周质微
管共定位, 在快速伸长细胞中表达水平高。这些结
果表明, SPR1能够调控植物周质微管, 并且影响植
物细胞生长方向(Nakajima 等 2004; Sedbrook 等
2004; Nakajima 等 2006)。
EB1首先在动物中发现, 是一个微管正端结合
蛋白, 在植物中也存在它的同源蛋白。Chan 等
(2003a)用GFP标记AtEB1, 发现在拟南芥悬浮细胞
中 AtEB1 定位在成膜体列阵、纺锤体列阵和周质
微管列阵上。在纺锤体列阵中 AtEB1 分布在微管
的负端, 在周质微管列阵中集中分布在微管的正端
或以点状结构分布在微管生长的初始端或缩短的末
端方向, 这种点状结构可能代表微管的成核位置, 表
明微管的成核位点具有流动性。同年, Mathur 等
(2003)的实验结果表明AtEB1-GFP融合蛋白的拟南
芥转基因植株中, AtEB1主要分布在微管的正端, 并
且在内质网上分布, 因此AtEB1可能参与调控了内
质网结构的变化, 从而影响了细胞极性生长。这两
个实验室不同的研究结果可能由于使用了不同表达
体系, 也显示了EB1功能的复杂性(Hamada 2007)。
3 调节微管动态变化的微管结合蛋白
微管骨架是一种具有极性的蛋白结构。由于
微管两端存在着不同的极性, 因此两端的生长速率
不同, 在细胞中微管始终处于高度的动态变化之
中。这种动态变化是微管最重要的特性之一, 也是
微管行使功能所必需的。随着对微管动态特性研
究的不断深入, 已发现了一些调节微管聚合和解聚
的植物微管结合蛋白。
3.1 促进微管聚合因子 植物中促进微管聚合的微
管结合蛋白主要有拟南芥中的 MOR1 和烟草中
MAP200/TMBP200, 这两种蛋白都与动物中的微管
结合蛋白MAP215蛋白家族高度同源。在MAP215
家族中, 不但动植物中的蛋白成员序列具有高度同
源性(Gard等1987; Hamada 2007), 它们的生化特性
也类似, 因此认为它们可能对微管的调节机制是相
同的。
3.1.1 MOR1 (microtubule organization 1) 拟南芥
中的MOR1与爪蟾卵的微管结合蛋白XMAP215是
同源蛋白, 属于同一家族(Whittington等 2001)。该
蛋白的分子量约为 217 kDa (Whittington等 2001)。
Whittington等(2001)发现拟南芥 mor1 突变体与野
生型相比, 对温度更敏感。蛋白序列比对表明, 该
蛋白也是动物微管结合蛋白MAP215的同源蛋白。
mor1 突变体微管列阵的观察结果表明, 在 21 ℃下
mor1突变体的周质微管的状态与野生型没有区别,
但是将突变体转移到 29 ℃下以后, 该突变体与野
生型相比, 其周质微管逐渐变成短小、无规律的片
断, 丧失了微管规则的横向平行排列结构。免疫荧
光染色发现, 该蛋白可以与细胞周期中各微管列阵
共定位。Kawamura 等(2006)进一步研究 mor1 突
变体的细胞分裂时发现, 突变体细胞的染色体分离
和胞质分裂延迟, 纺锤体以及成膜体的结构异常, 但
是纺锤体与成膜体中的微管没有严重的片断化
(Twell 等 2002; Kawamura 等 2006)。因此认为该
蛋白可能调控了植物细胞周质微管的稳定性。
3.1.2 MAP200/TMBP200 烟草中的MAP200也是
爪蟾卵的微管结合蛋白 X MAP2 15 的同源蛋白
(Hamada 等 2004)。该蛋白是 Hamada 等(2004)用
生化方法纯化出来的一个新的微管结合蛋白, 通过
序列比对发现它的部分氨基酸序列与 M O R 1 /
XMAP215 同源。在整个细胞周期中, MAP200 能
够与各时期的微管列阵结合。体外实验发现 ,
MAP200不仅能够促进微管聚合, 而且能够增加微
管的数目, 实验体系中微管数量与MAP200浓度正
相关(Hamada 等 2004)。体内实验表明, 除了
MAP200, 还有一些蛋白与细胞质中的非聚合状态
的微管蛋白结合, 与体外实验结果一致。Hamada
等(2004)认为MAP200通过结合微管蛋白的寡聚体
在微管聚合初期作为微管聚合的种子, 在微管进入
伸长期后它又作为一个运输载体将微管蛋白寡聚体
运送到微管的正端并与微管结合, 从而促进了微管
的聚合。在烟草中另一个微管结合蛋白TMBP200
的特异性抗体可以识别 M A P 2 0 0 , 因此认为
TMBP200 和 MAP200 是同一基因的产物, 也属于
MAP215 家族蛋白(Hamada 等 2004)。它们之间的
区别在于, MAP200 是从在间期细胞中纯化的, 而
T M B P 2 0 0 是从分裂末期的细胞中分离到的 ,
TMBP200 可以促微管成束, 在成束的微管间形成
15 nm的横桥结构(Yasuhara 等 2002)。
3.2 微管去稳定因子 动物中有多个微管去稳定因
子, 如剑蛋白(Katanin)、Op18和MACK/Kin I Kinesin
蛋白家族。这些蛋白对微管的调控主要是改变微
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管端部结构使微管去稳定或者直接将微管切割成较
小的片断而使微管去稳定。拟南芥中已发现了
Katanin 的同源蛋白 (Hamada 2007)。
3.2.1 剑蛋白(Katanin) Katanin是最初在动物中发
现的一种能够切割微管的蛋白, 被命名为剑蛋白
(McNally 和 Vale 1993; Burk 等 2001)。该蛋白由
一个 60 kDa 的亚基(p60)和一个 80 kDa (p80)的亚
基组成, p60 属于 ATPase 家族, 具有切割微管的作
用, p80 负责连接微管组织中心, 调节 p60 的活性
(McNally和Vale 1993; Burk等2001)。Burk等(2001)
从拟南芥基因组中克隆到一个基因, 编码的蛋白命
名为AtKTN1, 与动物中Katanin p60亚基同源。拟
南芥野生型植株G1期的细胞中微管从细胞核上脱
离并迅速解聚, 而在 Atktn1 缺失突变体的 G1 期细
胞中, 微管从细胞核上脱离下来后可以存在很长时
间(Burk等2001)。进一步研究发现, 该蛋白在体外
能够与微管结合, 并且在ATP存在的条件下能够切
割微管。AtKTN1 切割微管的活性与体系中微管
蛋白的比例相关, 在体系中AtKTN1与微管蛋白比
例较低的情况下, AtKTN1的ATPase活性会大幅增
加, 因此切割微管的活性增强; 而当体系中AtKTN1
与微管蛋白比例较高的情况下, AtKTN1的ATPase
活性会受到明显抑制, 同时切割微管的活性减弱
(Stoppin-Mellet 等 2002)。在体内 AtKTN1 具有切
割微管的作用, 使微管去稳定。另外, AtKTN1 在
体内能够影响细胞壁物质的合成, 并在许多植物生
长发育的过程中起作用, 如细胞极性生长、激素
的信号传递和根毛的发育等(Burk等 2001; Burk和
Ye 2002; Lloyd和Chan 2004; Stoppin-Mellet等2006;
Brodersen等 2008)。AtKTN1是植物中发现的第一
个使微管片段化的蛋白。
3.2.2 AtMAP18 Wang等(2007b)在拟南芥中发现
了一种新的植物微管结合蛋白, 能够使微管去稳定,
被命名为 AtMAP18。在拟南芥中, AtMAP18 是通
过动物微管结合蛋白 MAP1B (Noble 等 1989)的微
管结合域VVEKKEE不完全重复序列比对发现的。
AtMAP18的分子量为18.5 kDa, 在168个氨基酸中,
有8个MAP1B微管结合域V-V-E-K-K-N/E-E的不
完全特征重复序列。体内实验证实, AtMAP18 蛋
白在微管上呈点状分布, 说明AtMAP18蛋白可能只
与微管某些部位结合。浊度法实验表明, AtMAP18
的浓度越高, 抑制微管聚合的作用越明显。荧光观
察的结果与浊度法的实验结果一致。AtMAP18的
多克隆抗体分析和GUS活性均显示AtMAP18蛋白
在花和根器官中分布。在AtMAP18过表达的纯合
转基因植株中, 大部分细胞的形态均发生异常, 如
子叶的砌砖式细胞(pavement cell)、根表皮细胞、
下胚轴表皮细胞和皮层细胞。这些细胞形态的改
变都与细胞极性生长相关(图 2)。AtMAP18 过表
达植株和 RNAi 突变体的微管药理学研究表明, 与
野生型相比, 过表达植株对微管解聚药剂更敏感,
RNAi突变体对微管解聚药剂则表现出一定的抗性。
这些结果证明了AtMAP18蛋白是植物细胞内的一
种新的微管去稳定因子(Wang 等 2007b)。
3.3 负责微管与其他细胞结构间连接的微管结合
蛋白 微管通过与其他细胞结构连接在植物形态建
成、植物信号转导等过程中起作用。已有研究证
实, 周质微管与质膜间有桥联结构存在(Hardham和
Gunning 1978; Marc 等 1996)。在许多情况下, 微
管与微丝相互协作发挥生理作用。因此微管与质
膜、微丝之间的连接蛋白也是一类非常重要的植
物微管结合蛋白。
3.3.1 周质微管与质膜的连接蛋白-磷脂酶D (PLD)
Marc 等(1996)从烟草悬浮细胞 BY-2 中用微管蛋
白亲和柱分离到一个 90 kDa 的蛋白, 在体内与周
质微管共定位。Gardiner 等(2001)进一步研究发
现, 该蛋白具有一个钙依赖的脂质结合域, 具有磷
脂酶 D 活性, 因此确定这个蛋白为一种磷脂酶 D
(PLD), 并且证明该蛋白在体内可以同时结合周质
微管和质膜, 因此该蛋白可能是周质微管和质膜之
间的桥梁(Marc 等 1996; Gardiner 等 2001)。在拟
南芥基因组中有12个PLD基因, 经比对发现, 该蛋
白与拟南芥中的 PLDδ 为同源蛋白(Gardiner 等
2001; Wang 2002)。PLD 水解质膜上的脂类, 产生
磷脂酸(phosphatidic acid, PA)。而 PA 是信号转导
和骨架重排等生理过程的中间调节物质( k e y
mediator), 因此推测PLD具有将激素以及体外环境
信号传递给微管并引起微管结构变化的功能(Marc
等 1996; Gardiner 等 2001; Wang 2002)。体内 PLD
可被正丁醇(1-butanol)激活, 并产生不具活性的磷脂
酰正丁醇(phosphatidybutyanol), 但不产生 PA。
Gardiner等(2003)用正丁醇处理拟南芥, 发现周质微
管列阵被破坏, 根和子叶形态异常。Dhonukshe 等
(2003)用正丁醇处理烟草悬浮细胞BY-2, 发现周质
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微管从质膜上掉下来, 并且部分解聚。这些结果
表明, 正丁醇破坏了PLD与微管之间的连接并引起
列周质微管列阵重组, 周质微管结合到质膜的过程
是通过 PLD-PA 复合体介导的。PLD 是目前公认
的微管与质膜间的连接蛋白(Wang 2002)。
3.3.2 微管、微丝间连接蛋白 在细胞中, 微管骨
架和微丝骨架的关系非常密切。例如在微管的 4
个列阵中都有微丝骨架的参与, 同时微丝还参与了
微管列阵的形成过程(Wastneys 和Yang 2004)。花
粉管生长过程和拟南芥子叶砌砖式细胞的形态构成
等(Anderhag 等 2000; Fu 等 2005)。在动物中已报
道了很多同时连接微丝、微管的蛋白, 如 MAP1B、
MAP2、Tau 蛋白、MACF 等 10 种蛋白因子都对
微管、微丝骨架系统有调节作用( Wa st neys 和
Yang 2004)。植物中相关的报道较少, MAP190 和
SB401这两个植物微管结合蛋白可以同时作用于微
丝和微管, 并且将这两种骨架联系在一起。
3.3.2.1 MAP190 MAP190是从BY-2细胞中分离得
到的(Igarashi等2000), 它既可以结合微管也可以结
合微丝, 在体外有促微管、微丝成束的功能。体
内免疫荧光显示MAP190蛋白定位在核上, 在细胞
分裂过程中结合到纺锤体和成膜体上(Igarashi 等
2000)。Hussey等(2002)发现 MAP190 蛋白 C 端有
一个内质网定位信号, N端有一个类钙调蛋白的结
构域(calmodulin like domain)。因此 MAP190 可能
在细胞分裂过程中以钙依赖的方式将微丝、微管
和内质网连接在一起。另外, 通过序列比对还发现
拟南芥中存在一个MAP190的同源蛋白(Hussey等
2002)。
3.3.2.2 SB401 SB401 是 Liu 等(1997)从萌发的马
铃薯(Solanum tuberosum L.)花粉cDNA文库中分离
得到的。SB401 蛋白的氨基酸序列中包含 6 个 V-
V-E-K-K-N/E-E的不完全重复序列, 这些重复序列
与动物神经细胞中微管结合蛋白MAP1B的微管结
合域的核心特征序列(K-K-E/N-E)高度保守, 因此
SB401 蛋白可能是一种新的植物微管结合蛋白。
通过微管共沉淀实验以及体外和体内 SB401 与微
管共定位的实验, SB401被证明是一种新的植物微
管结合蛋白, 可以调节微管聚合和微管结构。进一
步研究的结果表明, SB401蛋白还可以结合微丝, 促
微丝成束。由于 SB401 蛋白在体外可以结合微管
和微丝, 并促使两者成束。因此在分析该蛋白与微
图 2 AtMAP18 蛋白对植物细胞异向性生长的影响(Wang 等 2007b)
左边起, 第一、四列为野生型, 第二、五列为 AtMAP1 8 过表达植株, 第三、六列为 AtMAP1 8 RNAi 植株。第一行为植物根
及根细胞形态, 第二行为植物下胚轴及其细胞形态, 第三行为下胚轴细胞的横切和纵切, 第四行为植物子叶砌砖式细胞形态。
植物生理学通讯 第 45 卷 第 3 期，2009 年 3 月 297
管、微丝的结合能力时发现, 当实验体系中SB401
浓度较低时, SB401 优先结合微管, 当 SB401 浓度
较高时, 它可以将微管和微丝连接到一起, 形成“微
管 -微丝束”复合结构(Huang等2007)。因此SB401
是一种新的连接微管和微丝的植物微管结合蛋白。
4 结束语
植物微管骨架的发现已经有 40 多年, 随着植
物微管结合蛋白研究的深入, 人们对微管的动态、
组织有了更加深刻的认识。尤其是近几年植物微
管结合蛋白的研究得到了快速发展, 2007 年继
Katanin 蛋白(Burk 等 2001)之后又发现了拟南芥
AtMAP18 是一个新的微管去稳定因子(Wang 等
2007b), 继MAP190 (Hussey等2002)之后又证明了
SB401 是一个新的微管、微丝结合蛋白等(Huang
等 2007)。2008年发现微管可以参与microRNA的
活动(Caillaud等2008), 参与线虫引起寄主巨大细胞
发生的过程等。这些研究结果表明微管可能还有
其他的功能。相信不久的将来, 植物微管结合蛋白
的研究会有更多、更新的发现。
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