全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (11): 1138~11421138
收稿 2013-06-19　　修定 2013-07-18
资助 国家自然科学基金项目(31101553)、山东省优秀中青年
科学家科研奖励基金项目(BS2010SW027)、山东省良种
工程项目(2011lzgcshucaizy和2012lzgcshucaizy)和国家
“十二五” 863计划(2012AA100103009)。
* 同等贡献。
** 通讯作者(E-mail: jianweigao3@yahoo.com; Tel: 0531-
83179060)。
植物载脂蛋白研究进展
杨翠翠1,*, 王凤德2,*, 邱念伟1, 高建伟2,**
1曲阜师范大学生命科学学院, 山东曲阜273165; 2山东省农业科学院蔬菜花卉研究所, 山东省设施蔬菜生物学重点实验室,
国家蔬菜改良中心山东分中心, 济南250100
摘要: 载脂蛋白在动物和微生物中已被广泛深入地研究, 但在植物上的研究相对较少。自2002年人们从拟南芥和小麦中发
现真正的植物载脂蛋白基因以来, 其参与植物抗逆性方面的功能日益得到人们的重视。本文综合了近几年的研究结果, 对植
物载脂蛋白的结构、细胞定位、生物学功能及其起源进化作了简单综述, 以期为植物载脂蛋白的研究和利用提供参考。
关键词: 植物载脂蛋白; 结构; 细胞定位; 生物学功能; 起源进化
Reaserch Progress of Plant Lipocalins
YANG Cui-Cui1,*, WANG Feng-De2,*, QIU Nian-Wei1, GAO Jian-Wei2,**
1College of Life Science, Qufu Normal University, Qufu, Shandong 273165, China; 2Vegetable and Flower Research Institute,
Shandong Key Laboratory for Biology of Greenhouse Vegetables, Shandong Branch of National Vegetable Center, Shandong
Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China
Abstract: The lipocalins have been wildly studied in animal and microorganism, while very little is known
about plant lipocalins. Since the true plant lipocalin genes were characterized from Arabidopsis and wheat at
2002 year, more and more researchers focus on the study on the function of plant lipocalins involved in stress
resistance. In this review, the structure of plant lipocalins, cellular localization, biological functions, and
origination and evolution were summarized, which would be helps us to promote the related research.
Key words: plant lipocalins; structure; cellular localization; biological functions; origination and evolution
载脂蛋白(lipocalins)是一个古老的、功能多
样的蛋白家族, 在动物、植物以及微生物中广泛
存在。在动物、微生物中, 载脂蛋白的生物学功
能已被广泛深入地研究。除作为疏水小分子转运
载体外, 载脂蛋白还能与细胞表面的受体相互作
用, 在调控细胞生长和代谢、调节神经生长和再
生、调控免疫反应、接受气味、调控细胞膜的生
成和修复以及诱导细胞凋亡等过程中都具有重要
的作用(Akerstrom等2000; Bishop 2000; Rassart等
2000; Sánchez等2000, 2003)。
虽然科学家对植物载脂蛋白也作了大量的研
究, 但直到2002年, 才从小麦和拟南芥中分离鉴定
出第一个真正的植物载脂蛋白(Charron等2002)。
随后, 综合运用数据挖掘技术、生物信息学预测
技术等生物学方法, 鉴定出了其它植物载脂蛋白
(Charron等2005)。根据系统发生学分析可将植物
载脂蛋白分为3类: 温度诱导的载脂蛋白(tempera-
ture induced lipocalins, TILs)、叶绿体载脂蛋白
(schloroplastic lipocalins, CHL)以及类载脂蛋白
(violaxanthin de-epoxidases, VDEs和zeaxanthin
epoxidases, ZEPs)。本文就植物载脂蛋白的分子结
构、细胞定位、生物学功能以及起源进化等方面
的研究进展进行了综述, 旨在为进一步研究和利
用植物载脂蛋白提供参考。
1 植物载脂蛋白的分子结构
载脂蛋白家族成员多样, 功能多样, 但真正的
载脂蛋白都含有3个保守的SCR (structurally con-
served region)结构域以及由8条反向平行的折叠片
层形成的β桶状结构(Flower等2000)。
1.1 温度诱导的载脂蛋白
小麦TaTIL-1和拟南芥AtTIL分别由190和186
个氨基酸组成(Charron等2002)。其中SCRI结构域
杨翠翠等: 植物载脂蛋白研究进展 1139
分别位于TaTIL-1和AtTIL蛋白的15–31氨基酸
(GLDVARYMGRWYEIASF)和12–28氨基酸残基
(GLNVERYMGRWYELASF)处, 并且二者都包含
保守的G和W氨基酸残基。SCR2结构域为别位于
Ta T I L - 1和A t T I L蛋白C末端1 0 5 – 11 9氨基酸
( Y W V LY D D D Y Q YA LV )和1 0 1 – 11 5氨基酸
(YWVLYIDPDYQHALI)处。SCR3结构域分别位
于TaTIL-1和AtTIL蛋白C末端129–144氨基酸
( I L C R K T H I E E E V N Q L )和1 2 5 – 1 4 0氨基酸
(ILSRTAQMEEETYKQL)处。有趣的是, 动物及细
菌载脂蛋白的SCR2结构域通常含有一个TDY三联
体(Flower等1993; Flower 1996), 而TaTIL-1及
AtTIL的SCR2结构域只存在中间的天冬氨酸。另
外, TaTIL-1和AtTIL这两条序列中都含有特征性的
保守氨基酸精氨酸, 并且都存在N-糖基化位点。
通过靶向肽预测程序(DGPI、PSORT和SignalP)推
测TaTIL-1的C末端酶切位点位于172氨基酸处,
AtTIL的位于168氨基酸处。因此, 成熟的TaTIL-1
蛋白和AtTIL蛋白的分子量为20 kDa, 等电点为5.2
(Charron和Sarhan 2006)。
不同物种来源的载脂蛋白具有较高的一致性
和相似性。基因序列比对发现, 小麦TaTIL-1与苔
藓载脂蛋白的一致性为57%~59%, 相似性为
70%~72%; 与单子叶植物载脂蛋白的一致性为
64%~96%, 相似性为77%~97%; 与双子叶植物载脂
蛋白的一致性为67%~75%, 相似性为81%~86%
(Charron等2005)。
1.2 叶绿体载脂蛋白
叶绿体载脂蛋白序列与温度诱导的载脂蛋白
序列之间的一致性和相似性较低, 在已鉴定物种
的叶绿体载脂蛋白中与小麦TaTIL-1的序列一致性
为25%~29%, 相似性为34%~41% (Charron等
2005)。但叶绿体载脂蛋白序列与温度诱导的载脂
蛋白序列一样也含有保守的SCR1、SCR2和SCR3
结构域。其中AtCHL中与SCR1相应的一段16个氨
基酸区域与TIL高度相似。CHL蛋白也含有8个保
守的半胱氨酸残基, 并通过形成二硫键来维持蛋
白的三维结构。另外 , 像大多数载脂蛋白一样
CHL蛋白的SCR2结构域也位于蛋白的C端, 并且
具有保守的TDY三联体。同样, SCR3区域也位于
蛋白的C端并且含有表征此区域的保守的精氨酸
残基(Charron等2005)。
1.3 类载脂蛋白
由于VDEs和ZEPs的大小以及其基因内显子-
外显子结构与典型的载脂蛋白没有显著的相似性,
因此将其称为类载脂蛋白(Gutiérrez等2000; Salier
2000)。VDEs蛋白通常由446~478个氨基酸组成,
N-末端包含叶绿体靶向肽。此外, VDEs都含有保
守的N-糖基化位点以及14个保守的Cys残基。其
中的11个Cys残基形成富含Cys的N-末端区域。紧
接此区域的则是载脂蛋白的标志性结构域SCR1。
SCR3结构域与TIL一样也位于富含Glu氨基酸的
C-末端区域。VDEs缺少SCR2结构域(Charron等
2005)。
ZEPs蛋白通常由626~763个氨基酸组成, N-末
端也包含叶绿体靶向肽。虽然, ZEPs与VDEs类似
也含有保守的N-glycosylation位点, 但与VDEs区别
的是ZEPs仅含有2个保守的Cys残基。此外, ZEPs
分别在N-末端和C-末端各含有一个ADP结合结构
域和FAD结合结构域。另外 , ZEPs含有保守的
SCR1结构域, 但缺少SCR2和SCR3结构域(Charron
等2005)。
2 植物载脂蛋白的细胞定位
研究表明, 人载脂蛋白D (ApoD)、大肠杆菌
膜外载脂蛋白Blc以及美国蝗虫载脂蛋白Lazarillo
都定位于细胞质膜上(Bishop 2000)。将TaTIL-1、
AtTIL与GFP构建融合蛋白, 在洋葱表皮细胞中瞬
时表达后发现二者也都定位于质膜上。但与ApoD、
Blc以及Lazarillo不同的是, 在TaTIL-1及AtTIL蛋白
上并不存在指导该蛋白定位于质膜的靶向肽
(Charron等2005)。由于, Lazarillo蛋白的疏水C-末
端可协助Lazarillo蛋白获得GPI (glycosylphos-
phatidylinositol)锚(Ganfornina等1995), 而TaTIL-1
及AtTIL蛋白具有与有Lazarillo类似的疏水C-末
端。因此有学者认为, TaTIL-1及AtTIL蛋白锚定于
质膜上的原理可能是通过获得GPI锚实现的, 因为
GPI锚可以介导蛋白定位到细胞质膜的外表面
(Charron等2005)。另外, 有研究表明, 人类ApoD蛋
白可通过一个疏水的环状结构结合于膜的外表面
(Peitsch和Boguski 1990; Bishop等1995; Bishop
2000), 而TaTIL-1和AtTIL也具有一段由7个氨基酸
构成的疏水片段, 此片段嵌入一个位于2条β链之
植物生理学报1140
间的环上, 因此, TaTIL-1和AtTIL蛋白也可能是通
过这段疏水氨基酸片段结合到细胞质膜上(Charron
等2005)。但对于TaTIL-1和AtTIL定位于细胞质膜
的本质仍需要进一步的实验验证。
CHL、VDEs和ZEPs的N-末端都含有叶绿体
靶向肽(Charron等2005), 因此, 上述蛋白都定位于
叶绿体中, 并且细胞分离结果显示CHL定位于叶
绿体类囊体腔内(Levesque-Tremblay等2009)。
3 植物载脂蛋白的功能
3.1 温度诱导的载脂蛋白
载脂蛋白能结合各样的疏水性小分子, 其功
能与结合的配体有关。植物载脂蛋白与动物载脂
蛋白同源, 而动物载脂蛋白研究较为透彻, 因此,
熟悉动物载脂蛋白的功能, 有助于了解植物载脂
蛋白的功能。例如, 人泪液载脂蛋白结合细菌铁
载体, 而达到限制铁运输的目的, 从而抑制细菌的
滋生(Fluckinger等2004)。而某些引起脂氧化的生
化试剂同样能诱导泪液载脂蛋白的积累, 泪液载
脂蛋白能够结合脂质过氧化物, 从而清除潜在危
害性的亲脂分子(Lechner等2001)。大肠杆菌中, 当
细胞膜受到胁迫或需要修复时, 载脂蛋白Blc表达
水平升高(Bishop 2000)。进一步实验表明, Blc结
合分子量一定范围内的溶血磷脂, 起转运膜溶血
磷脂的作用(Campanacci等2006); 动物载脂蛋白D
及其同源蛋白lazarillo在老鼠、果蝇抵抗氧化胁迫
时也具有重要作用(Ganfornina等2008; Ruiz等
2012)。以上结果表明, 动物载脂蛋白参与调控细
胞膜的稳定性。因此, 我们推测, 植物载脂蛋白可
能与膜的稳定性有关。
第一个TIL是从冷冻处理的植物叶片中鉴定
出来, 因此命名为TIL (Charron等2002)。热激或低
温处理小麦和拟南芥, TIL1呈上调表达。尤其是
低温适应时, 拟南芥TIL1蛋白量显著增加(Kawa-
mura和Uemura 2003)。而小麦中, TIL1含量积累增
加, TIL2积累量基本无变化, 说明TIL2不响应温度
胁迫。最近研究发现: 基础耐热性植物与获得性
耐热植物Til基因敲除表现出严重的耐热缺陷, 但
TIL1的水平并不会影响诱导热激蛋白表达的临界
温度(Chi等2009)。植物的抗温度胁迫能力与膜结
构的稳定性密切相关(马德华和庞金安1998; 张宗
申等2001)。细胞膜系统是热损伤和抗热的中心,
细胞膜的热稳定性反应了植物耐热能力的大小(马
永战等1998)。有学者研究证实, TIL在植物获得性
抗冻性中通过稳定质膜发挥作用(Uemura等2006)。
固醇类能够增强膜的流动性和稳定性, TIL可能参
与运输这些分子到细胞膜上。另外, TIL在增强植
物抗氧化能力方面也具有重要作用 , 过量表达
AtTIL基因可明显提高转基因拟南芥对冷胁迫、百
草枯胁迫以及光胁迫的耐性; 相反, AtTIL基因敲除
突变体则表现出对上述胁迫处理更敏感(Charron
等2008)。
3.2 叶绿体载脂蛋白
AtCHL是一种类囊体腔内蛋白质。研究发现
缺失AtCHL同样影响拟南芥的耐热性(Levesque-
Tremblay等2009)。正常生长条件下, 无AtCHL积
累的植株与野生型相比, 表型无差异, 这说明此蛋
白对于植株的生长和发育并不是必需的。当植株
遭受脱水或氧化胁迫时, AtCHL的积累量与植物耐
受水平正相关。当拟南芥暴露于低温强光下时,
AtCHL缺失的影响比AtTIL大, 说明: 叶绿体内产
生的AtCHL对于耐受光氧化胁迫更必要。相反,
AtTIL能够增强拟南芥种子的抗寒能力。然而
AtCHL并无此功能, 这说明AtCHL与AtTIL对抗专
一的胁迫因子。有趣的是过量表达突变体中
AtCHL高水平的积累并没有改变正常生长条件下
的脂氧化水平。因此AtCHL只是保护植株免受氧
化胁迫而不参与细胞正常代谢。
研究发现, 小麦叶绿体载脂蛋白TaCHL可与
脂转移蛋白(LTP3)相互作用(Tardif等2007)。而
LTP蛋白家族参与膜之间的磷脂运输以及植物防
御(Boutrot等2008)。有学者提出, AtCHL或许能够
运输和传递脂抗氧化剂, 从而减少类囊体膜的光
氧化损伤(Levesque-Tremblay等2009)。总之, 叶绿
体载脂蛋白通过参与修复或阻止膜损伤来相应植
物逆境胁迫。
3.3 类载脂蛋白
类载脂蛋白的大小及其基因内显子-外显子结
构与典型的载脂蛋白没有显著的相似性, 如堇菜
黄质去环氧酶(VDEs)、玉米黄质环氧酶(ZEPs)和
番茄病毒抗性/敏感载脂蛋白(SlVRSLip)。系统发
生学认为他们来源于真正的载脂蛋白, 但在进化
的过程中, 获得了除非生物抗性外的新的功能。
杨翠翠等: 植物载脂蛋白研究进展 1141
在叶绿体内, VDEs和ZEPs可保护光合装置免
受光损伤(Havaux和Kloppstech 2001)。SlVRSLip
是发现的第一个抗植物病毒的类脂质蛋白, 它不
受温度和盐的调控。研究发现, 抗性番茄植株中
SlVRSLip基因沉默将导致植株失去病毒抗性并引
起由活性氧导致的茎杆和叶柄的坏死反应(Sade等
2012)。
4 植物载脂蛋白进化起源
为了追溯植物载脂蛋白的起源, 研究者研究
了古植物和藻类的同源序列。研究发现: 苔藓类,
松柏类, 买麻藤类以及苏铁类低等植物中具有TIL
和CHL的同源序列; 红藻中鉴定出了3个与植物载
脂蛋白相关的表达序列标签; 14种蓝藻基因组中,
只有Gloeobacter violaceus PCC7421具有一个载脂
蛋白基因; 31种真菌类基因组中只有酵母Debaryo-
myces hansenii CBS767和稻瘟病菌Magnaporthe
grisea 70-15中含有载脂蛋白同源基因(Charron等
2005)。系统进化分析认为, 植物和动物载脂蛋白
TIL的共同祖先可能来源于来源于细菌, 其机制可
能是细菌在动植物中寄生的过程中发生了基因的
插入或者重组(Sánchez等2003)。蓝藻是能够进行
光合放氧作用的单细胞有机体, 同时也被认为是
高等植物中叶绿体的起源(内共生学说) (Delwiche
等1995)。因此, 植物CHLs、VDEs和ZEPs可能起
源于蓝藻(Charron和Sarhan 2006)。另外, 基因的
复制和融合可能是造成某些种类植物中存在多个
载脂蛋白成员的重要原因。
5 结语
载脂蛋白家族成员多样, 功能多样, 在生物生
长发育, 抗逆胁迫中发挥重要作用。动物载脂蛋
白的研究成果能够指导并推进植物载脂蛋白的研
究, 但是对于植物载脂蛋白在植物生理中所起的
作用仍然知之甚少, 载脂蛋白具体作用机制更有
待深一步研究。植物载脂蛋白的抗氧化或许能提
供一种增强植物抗逆性的方法思路, 从而减少胁
迫损失。另外植物载脂蛋白的研究更能丰富载脂
蛋白家族的知识, 也会有助于动物载脂蛋白的研
究。总之, 植物载脂蛋白家族发现较晚, 研究成果
少, 但其作用不容小觑, 因此期待可以通过最新的
基因工程技术, 分子生化技术等加强对植物载脂
蛋白的研究、应用及推广。
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