全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (1): 18~261 8
收稿 2010-10-22 修定 　2010-12-28
资助 国家自然科学基金(30 8 70 1 3 7)。
* 通讯作者(E-mail: yurong@mail.cun.edu.cn; Tel: 010-
6 8 9 0 1 6 9 2 )。
植物微丝骨架动态变化的调节
陈琼 1, 黄善金 2, 于荣 1,*
1首都师范大学生命科学学院, 北京 100048; 2中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学重点实验室, 北京 100049
摘要: 由球形肌动蛋白聚合而成的微丝骨架, 又称肌动蛋白纤维, 它在细胞运动、细胞形态建成以及物质运输等诸多生命
活动中发挥重要作用。细胞内微丝的解聚和聚合动态特性是微丝骨架行使功能的重要基础, 并受到如微丝结合蛋白、金属
离子、小G蛋白等各种因素的严格控制。植物细胞微丝骨架的研究虽然晚于动物细胞, 但也取得了飞速发展。本文对植物
细胞内微丝骨架动态变化的作用机制及一些主要调节因子的最新研究进展做一介绍。
关键词: 微丝动态变化; 微丝结合蛋白; Ca2+; 小G蛋白; 肌醇磷脂
Regulation of Plant Actin Dynamics
CHEN Qiong1, HUANG Shan-Jin2, YU Rong1,*
1College of Life Sciences, Capital Normal University, Beijing 100048, China; 2Key Laboratory of Photosynthesis and Environmen-
tal Molecular Physiology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The actin cytoskeleton (microfilament, MF), also known as F-actin, is a filamentous polymer built
from globular monomers called G-actin. It plays an important role in cell motility, cell morphogenesis, intracel-
lular transport and many other life activities. It was found that the depolymerization and polymerization of actin
dynamics could very well contribute to these cellular functions, and were strictly regulated by actin-binding
proteins, metal ions, small G proteins, etc. It is now well agreed that following the numerous studies of animal
microfilaments, the understanding of plant actin dynamics also has made a rapid progress. In this review, the
regulating mechanism of plant actin dynamics would be discussed thoroughly.
Key words: actin dynamics; actin binding proteins; calcium ion; small G protein; phosphoinositide
1 微丝骨架(microfilament, MF)动态变化
微丝又称肌动蛋白纤维(filament actin, F-actin),
是细胞骨架的主要成员, 广泛存在于真核细胞中。
肌动蛋白单体(global actin, G-actin)是构成微丝的
基本单位, 多个G-actin按照一定方式聚合形成微
丝, 二者处于聚合和解聚的动态平衡过程中。植物
细胞内微丝骨架的功能是多种多样的, 在胞质环
流、花粉管萌发、气孔运动、物质运输、内吞
和外分泌等过程中均起着重要作用。微丝骨架解
聚和聚合的动态变化是实现这些功能的关键。
在体外, 肌动蛋白聚合成微丝的动力学过程可
以分为 3个阶段, 即成核期(nucleation phase)、生
长期(growth phase)及平衡期(equilibrium phase)。
肌动蛋白在成核期开始聚合, 该时期也是整个组装
过程的关键时期。起始时, G-actin缓慢聚合形成
一个较短的由3~4个亚基组成的寡聚体, 以此作为
微丝组装的 “种子 ”或 “核心 ” (nucleus), 进入快
速生长期。生长期肌动蛋白聚合成微丝片段时, 形
如箭头, 其一端被称为负端(pointed end), 另一端被
称为正端(barded end)。微丝正端的聚合速度明显
快于负端, 因为微丝的生长延长主要受ATP的调节,
一分子G-actin可结合一分子ATP, 形成ATP-actin,
它对微丝的正端有更高亲和力, 使正端生长聚合速
度快于负端。ATP-actin聚合到微丝纤维上, 成为
F-actin后, ATP随后水解为ADP, ADP-actin则容
易发生脱落、解聚。最终, 整个体系会达到一个
稳定状态, 即平衡期。此时, G-actin加到微丝上
的聚合速率与微丝解聚速率相等, 微丝的总长度维
持相对稳定。
肌动蛋白的解聚并不是简单的聚合的逆过程,
这是因为肌动蛋白不能简单地由ADP-actin结合Pi
转变成ATP-actin。取而代之的是, 游离的ADP-
陈琼等: 植物微丝骨架动态变化的调节 1 9
actin在溶液中将结合的ADP迅速交换成ATP, 而这
个过程可以由肌动蛋白结合蛋白(actin binding
proteins, ABPs) profilin加速其进行(Dos Remedios
等 2003)。很多ABPs对微丝的聚合和解聚过程有
着重要的调节作用。此外, 由于微丝的聚合需要在
高于一定的G-actin浓度(临界浓度)条件下才能发
生, 因此, 细胞中G-actin的浓度对于微丝骨架也有
一定作用。本文将从 ABPs、Ca2+、小 G蛋白及
磷酸肌醇信号分子等几方面进行具体论述。
2 微丝骨架动态变化的调节
2.1 ABPs
与肌动蛋白结合的大量蛋白统称为ABPs。微
丝骨架通过ABPs来调节其解聚和聚合的动态变化,
进而对胞内外信号做出快速反应, 参与细胞的许多
生理活动。
Dos Remedios等人(2003)报道了162种不同的
结合蛋白存在。根据ABPs的不同功能, 可以简单
将ABPs分为 7类: (1)单体结合蛋白, 隔离G-actin,
抑制微丝聚合, 如 thymosin β4和DNase I; (2)微丝
解聚蛋白, 诱导F-actin向G-actin转化, 如cofilin; (3)
微丝末端结合蛋白, 给微丝末端加帽, 阻止在微丝
负端和正端进行的单体交换, 如CapZ; (4)微丝切割
蛋白, 通过结合到 F-actin的一侧将其切割成两段,
减小微丝的平均长度, 如gelsolin和ADF/cofilin; (5)
交联蛋白, 包含至少两个与F-actin结合的位点, 更有
利于形成微丝束、分枝微丝和三维网络, 如Arp2/3;
(6)稳定蛋白, 结合到F-actin的侧面, 防止解聚的发
生, 如 tropomyosin; (7)马达蛋白, 以微丝为轨道, 在
微丝上面移动, 如myosin家族。ABPs不只限于一
种分类, 例如gelsolin具有切割微丝的功能, 同时也
具有给微丝正端加帽的能力; Arp2/3复合体可使微
丝成核、延伸, 并且也在肌动蛋白网络中建立分枝
点。在这里我们对其中 4个常见的结合蛋白进行
介绍。
2.1.1 profilin profilin是一种广泛存在于真核细胞
中的高度保守的肌动蛋白单体结合蛋白, 分子量为
12~15 kDa, 1991年 Valenta在研究赤杨(Betula
verrucosa)花粉的过敏源时首次在植物中发现。
高等植物中, profilin分为两类, I型与生殖相
关, II型与生长相关, 它们的氨基酸序列有 27%的
差异。采用 RNA分析、融合启动子及单克隆抗
体技术, 对拟南芥(Arabidopsis thaliana)生长及生殖
过程中profilin进行研究, 证明拟南芥中2种profilin
(PRF4和PRF5)主要在成熟花粉中表达, 而另外3种
profilin (PRF1、PRF2、PRF3)则在几乎所有器官
和组织中都表达(Kandasamy等 2002)。
在动物中的研究发现profilin具有两种不同功
能。在成核阶段, profilin通过结合G-actin单体阻
止肌动蛋白自发成核, 从而抑制微丝的聚合。延
伸阶段, 如果微丝正端被加帽蛋白(如 CapZ)加帽,
profilin仅有稳定游离G-actin单体库数量的作用; 如
微丝正端未被加帽, profilin则可促进G-actin上核苷
酸的交换, 结合ATP-actin的 profilin集中在微丝正
端聚合的区域, 促进单体结合到微丝上使微丝生长,
其聚合速率可达到每秒约 500个G-actin。
在植物方面, 1996年Christensen等和Karakes-
isoglou等分别发现, 拟南芥及玉米(Zea mays)花粉
的 profilin可对基因敲除的酵母(Saccharomyces
cerevisiae)及盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)
突变体进行功能互补, 表明虽然只有 25%~30%氨
基酸序列相同, 植物 profilin很可能也具有非植物
profilin (non-plant profilin)功能。与非植物系统相同
的是, 植物 profilin也具有抑制微丝聚合的作用, 它
与G-actin以1:1的比例形成复合体, 可封存G-actin,
从而抑制微丝的聚合。但是尚未发现植物 profilin
具有促进核苷酸ATP/ADP交换的功能。Perelroizen
等(1996)利用 PLP凝胶层析柱(poly-L-proline
sepharose column)纯化得到大肠杆菌(Escherichia
coli)中表达的拟南芥profilin蛋白, 该蛋白就不能促
进脊椎动物肌动蛋白核苷酸的交换。
除结合G-actin外, profilin也可与磷脂酰肌醇-
4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,
PIP2)及富含脯氨酸的蛋白结合, 它们都与信号转导
系统有关。这些细胞信号可影响 profilin对微丝骨
架的调节功能, 详见 2.2.3节。
另一方面, profilin除可继续调节肌动蛋白动态
变化外, 也有研究表明这类profilin还可以反馈调节
一些信号分子。2000年, Kovar等发现玉米的两类
植物生理学报2 0
profilin中, I型 profilin对于蚕豆(Vicia faba)质膜上
的磷脂酶 C (phospholipase C, PLC)有明显抑制作
用。除了肌醇磷脂外, 蛋白磷酸化可能是 profilin
的另一种调节方式。1999年Guillen和他的同事首
次证明 profilin在体外可发生磷酸化, 蚕豆幼苗
p r o f i l i n 的磷酸化主要发生在酪氨酸残基上。
Aparic io-Fabre等(2006)利用提取混合根瘤菌
(Rhizobia)培养的生长18 d的蚕豆幼苗profilin蛋白
进行体外结合实验, 结果表明, profilin分子中与富含
脯氨酸蛋白结合的结构域中, 酪氨酸残基的磷酸化状
态对 profilin与 III型磷酸肌醇3-激酶(phosphatidyl-
inositol 3-kinase, PI3K)能否形成复合体起决定作
用。而 III型 PI3K复合体是植物细胞膜泡运输过
程的调节因子, 因此通过形成profilin-PI3K复合体,
profilin将微丝骨架动态变化与内吞作用联系起来。
2.1.2 ADF/cofilin家族(actin-depolymerising fac-
tors/cofilin) ADF/cofilin是分子量为 15~22 kDa的
ABPs家族, 在所有真核细胞中都表达, 并且植物细
胞中含量更为丰富。拟南芥悬浮细胞中, ADF/
cofilin与肌动蛋白以 1:1比例存在, 叶片中则为 1:3
(Staiger和 Blanchoin 2006)。ADF/cofilin既可以结
合G-actin, 也可以结合F-actin, 具有解聚微丝负端、
切割微丝的功能。
ADF/cofilin可以加速微丝负端的解聚, 进而提
高微丝的周转速率。其原因是, 与ATP-actin相比,
ADF/cofilin更易结合ADP-actin, 因此ADF/cofilin并
不能结合在富集ATP-actin的生长活跃的正端, 只
有当ATP被水解、磷酸基团释放后, ADF/cofilin
才能与ADP-actin迅速结合。McCurdy等(2001)通
过电镜观察发现, ADF/cofilin可快速结合有ADP-
actin聚集的生长缓慢的微丝负端, 使微丝的每个肌
动蛋白单位均产生5°弯折的构象变化, 研究者推测
正是由于这一变化, 使ADF/cofilin具有解聚微丝负
端的能力。ADF/cofilin不仅可以促进ADP-actin单
体从微丝上解离下来, 还可结合到释放的ADP-actin
单体上, 抑制ADP与 ATP的交换。
ADF/cofilin的另一关键功能是切割微丝, 产生
新的开放末端, 被认为是形成微丝网络的原因; 当
然, 如果新的微丝末端被其他蛋白迅速加帽封住, 则
结果不同。除直接作用微丝骨架外, ADF/cofilin也
可以防止其他蛋白(如拟南芥中的成束蛋白VILLIN1)
结合、解聚微丝。2001年, Dong等人在拟南芥
中发现, 过量表达肌动蛋白解聚因子 1 (ADF1), 细
胞内微丝束长度以及数量减少, 植物生长受到抑
制。Augustine等(2008)利用RNAi技术在小立碗藓
(Physcomitrella patens)中发现, 缺失ADF同样会导
致植株顶端生长受抑制, 微丝骨架结构发生以下明
显变化: 野生型小立碗藓原丝体顶端表皮细胞中, 微
丝束相互平行, 构成精细的流苏状 “fringe”结构,
“fringe”之后, 微丝紧紧围绕叶绿体呈纵向排列; 而
突变体中未见到微丝呈 “fringe”组织排布, 取而代
之的是若干个由一点发出的辐射状 “star”结构, 以
及微丝横向贯穿细胞的现象。进而用野生型ADF
进行互补实验, 发现此时突变体可恢复微丝骨架正
常排布, 顶端生长也重新趋于正常, 证明ADF对调
节细胞内微丝的组织行为有着至关重要的作用。
ADF/cofilin调控受许多因素调节, 如蛋白磷酸
化、pH和磷酸肌醇。1993年, Morgan等研究发
现, N末端 Ser磷酸化使ADF/cofilin活性下降, 对
肌动蛋白的亲和性明显降低, 并且不再抑制G-actin
所结合的ATP/ADP的交换, 表明ADF/cofilin磷酸
化状态对胞内微丝骨架重组起重要调节作用。2008
年, Augustine等人对小立碗藓进行ADF磷酸化位
点点突变及互补实验时发现, 未发生磷酸化的突变
体(S6A)能够产生微丝结构正常的植株, 而发生磷酸
化的突变体(S6D)则出现极性消失且微丝排布紊乱
的植株。实验证明ADF 6位丝氨酸的磷酸化对其
行使功能, 与肌动蛋白共同调节植物顶端生长有重
要作用。
pH是影响ADF/cofilin与肌动蛋白结合的另一
因素。低pH值时, ADF/cofilin主要结合F-actin, 高
pH值则结合单体G-actin。如玉米根中的ZmADF3
提取物在 pH 6.0时仅结合 F-actin, pH 9.0时结合
G-actin (Gungabissoon等 1998)。此外, pH 6.0时,
拟南芥生长10 d的幼苗中ADF/cofilin结合F-actin;
pH高于 7.4时, 结合G-actin (Yi等 2005)。
PIP2与ADF/cofilin的相互影响表现在两个方
面, 详见 2.2.3。
陈琼等: 植物微丝骨架动态变化的调节 2 1
2.1.3 Arp2/3复合体 植物Arp2/3复合体是在对拟
南芥基因组分析时首次发现的, 是由 7个亚基组成
的蛋白复合物, 这7个亚基包括两种肌动蛋白相关
亚基Arp2、Arp3以及 5种其他小蛋白(Arc)亚基
ARPC1、ARPC2、ARPC3、ARPC4、ARPC5。
Arp2/3复合体在体内和体外都可以促使肌动蛋白成
核, 形成微丝侧枝, 进而连成微丝网络。
1997年Welch首先在李斯特菌(Listeria monocy-
togenes)中观察到由WASP (Wiskott-Aldrich syn-
drome protein)参与的 Arp2/3诱导微丝成核的过
程。胞外信号(如生长因子)通过G蛋白耦联受体激
活WASP, PIP2也可能参与其中。被激活的WASP
与G-actin及Arp2/3结合, Arp2/3相当于提供了一
个使微丝能够稳定生长的 “核 ”结构, 新生微丝以
此为生长点迅速聚合。此时至少有一个Arp亚基
改变构象协助子微丝结合到原微丝上, 形成微丝侧
枝。新的未被加帽蛋白加帽的子微丝负端与原微
丝呈 70°斜角结合, 留下生长的正端用来延伸, 这
样就构成了微丝网络结构(Mathur等2003; Volkmann
等 2001)。
在动物及真菌中, Arp2/3复合体受多种蛋白调
节, 如WAVE (Wiskott-Aldrich syndrome protein fam-
ily verprolin-homologous protein)/SCAR (suppressor
of cAMP receptor)家族都可激活Arp2/3。WAVE/
SCAR家族蛋白C端都包含VCA (verprolin, central,
acidic)结构域, 被小G蛋白(cdc42等)激活的WAVE/
SCAR可结合肌动蛋白单体(通过V域)及Arp2/3复
合体(通过CA域)共同构成一个三重复合体, 肌动蛋
白在此基础上生长成侧枝最终连成微丝网络
(Stradal和 Scita 2005)。VCA结构域的磷酸化状态
对其结合Arp2/3复合体有调节作用, 如VCA结构域
中的丝氨酸发生磷酸化则可加强对Arp2/3的亲和
性(Cory等 2003)。
目前由于尚未找到适合的纯化材料, 使得对植
物Arp2/3复合体的研究显得较为匮乏。利用动物
Arp2/3的同源物互补拟南芥突变体, 及植物Arp2/3
同源物互补酵母突变体发现, 动植物细胞中Arp2/3
的功能是高度保守的(Mathur 2005)。在植物中,
SCAR是目前唯一被证实的Arp2/3复合体的激活因
子(Uhrig等 2007)。2003年Mathur等人研究发现,
Wurm和Distorted1基因分别编码拟南芥Arp2和
Arp3蛋白, 这两个基因的突变会使植株出现叶表皮
细胞随机伸展、根毛细胞弯曲等生长异常现象。
玉米brk1突变体与之有相同的表型, 即叶表皮细胞
裂叶(lobe)形成减少, 气孔副卫细胞由三角形变为不
规则形态(Frank和Smith 2002)。El-Assal等人(2004)
在拟南芥 grl和 klk突变体中也发现与Arp2/3突变
体的表型相似的表皮毛弯曲现象, 由此推测这两个
基因产物参与Arp2/3复合体调节通路。2003年, Li
等用 T-DNA插入方法研究发现, 拟南芥Arp2/3通
过决定细胞极性、调节细胞极性生长来控制细胞
的形态发生, 其突变体叶表皮细胞及一些下胚轴表
皮细胞生长异常, 细胞微丝排布散乱, 产生微丝小
碎片段, 微丝横向连接增加, lobe生长受到抑制。
以上研究表明, Arp2/3通过影响微丝骨架排布, 在
维持植物细胞形态建成中有重要作用。
2.1.4 凝溶胶蛋白(gelsolin) gelsolin属于肌动蛋白
结合蛋白villin/gelsolin/fragmin超级家族, 该家族成
员具有微丝封端功能, 其中一些还具有切割微丝
(gelsolin、villin、fargmin)、促进微丝成束(villin)
或成核(gelsolin、villin、fargmin)的作用。gelsolin
是该家族第一个被鉴定的成员, 也是目前发现的唯
一对微摩尔浓度Ca2+依赖的ABPs, 其分子量为82~
84 kDa, 由 6个 gelsolin-like (G)同源的结构域构成
(G1~G6), 具有切割、封端、成核多种功能, 在
所有真核生物中均有表达。
已有大量文献报道动物gelsolin具有切割微丝的
功能。Huang等(2004)从虞美人(Papaver rhoeas)花粉
中分离得到80 kDa的肌动蛋白相关蛋白(PrABP80),
质谱分析、序列比对及功能分析结果显示无论是
分子量还是其所具有的功能, PrABP80均与动物
gelsolin一致, 属于植物中的 gelsolin。这是首次发
现植物中的gelsolin蛋白, 并证明该结合蛋白可以对
微丝进行有效切割。同时, gelsolin的切割功能受
Ca2+的调控, 当gelsolin结合Ca2+时, gelsolin切割微
丝的活性被激活, gelsolin G6结构域发生翻转, 打
破G4与G6的连接结构, 使得G4上的肌动蛋白结
合位点暴露出来, 从而进一步结合微丝, 进行切割
植物生理学报2 2
和封端(Robinson等 1999)。
并非所有人都认为gelsolin的主要功能是切割
微丝, Gremm和Wegner (2000)将 Ca2+浓度控制在
一定范围(0.05~1.5 μmol·L-1)内, 向 2 μmol·L-1的聚
合微丝中加入不同浓度(25~100 nmol·L-1)的gelsolin,
随着 gelsolin浓度的增加微丝发生解聚现象。这是
由于gelsolin可作为加帽蛋白结合在微丝的正端, 其
封端功能可以抑制微丝正端快速增长, 而此时微丝
负端的解聚继续进行, 结果导致微丝整体迅速崩
解。同时还发现 gelsolin在微丝正端的加帽速率与
游离 Ca2+浓度成比例, 随着 Ca2+浓度升高, 加帽速
率增加。Ca2+浓度为 0.095 μmol·L-1时, 加帽速率
常数(rate constant)为 5 000 m-1·s-1; Ca2+浓度为 0.26
μmol·L-1时, 加帽速率常数为 12 000 m-1·s-1; Ca2+浓
度为 1.33 μmol·L-1时, 加帽速率常数为 60 000 m-1·s-1。
由此研究者认为, 在微摩尔和亚微摩尔的Ca2+浓度
条件下, gelsolin的功能更像是一种受Ca2+调控的加
帽蛋白。当然, 微丝上 gelsolin加帽是可逆的, 可
以被移除, 在G1-G2结构域交界面的附近位点通过
gelsolin与多聚磷酸肌醇(polyphosphatidylinositol,
PPIs)间的相互作用能诱导gelsolin与微丝发生分离,
即从微丝上解离下 gelsolin, 使微丝正端暴露出来,
再次启动肌动蛋白的聚合(Su等 2007)。
除具有切割、封端功能外, gelsolin还具有成
核作用。微丝早期的研究结果显示 gelsolin可与两
分子的G-actin结合形成复合体, 该复合体可作为微
丝聚合所需的稳定的 “核 ”结构启动微丝的聚合。
gelsolin通过消除成核延迟期(lag phase)来发挥其成
核、聚合的作用, 高浓度的 gelsolin及微摩尔范围
内的 Ca 2+甚至可使成核延迟期消失(Yokota 等
2005)。
2.2 信号分子
2.2.1 Ca2+ 早在 1987年, Kohno和 Shimmen使用一
种Ca2+载体A23187处理麝香百合(Lilium longiflorum)
花粉管, 观察到微丝发生了明显断裂, 由此推测Ca2+
可能参与调节微丝骨架动态变化, 这是关于Ca2+对
微丝骨架调节的最早研究结果。直到 2 0 0 4 年
Huang等通过荧光显微镜直接观察到了罂粟花粉的
微丝结合蛋白PrABP80能够在1 μmol·L-1 Ca2+条件
下切断微丝, 首次证明了植物微丝结合蛋白可在体
外对F-actin进行有效切割, 并且活性受Ca2 +调节。
目前发现Ca2 +对微丝骨架动态分布的调控主
要有两种方式, 一种是直接作用于微丝结合蛋白, 如
profilin、gelsolin及成帽蛋白(capping protein)。当
Ca2+浓度升高时, profilin可以封存更多的G-actin单
体, 使得profilin-actin结合到微丝上的能力下降, 微
丝聚合减少。Ca2+浓度为 1 μmol·L-1时, gelsolin表
现出切割活性; 当Ca2+浓度为10~100 nmol·L-1时它
仅具有封闭微丝末端的功能。成帽蛋白则可在
Ca2+条件下发挥封端功能, 阻断微丝正端的聚合反
应, 其成核作用得到促进, 产生较多新的核来竞争
游离的单体(Huang等 2004)。
Ca2+调控的另一种方式是通过钙调素(CaM)作
用于微丝结合蛋白, 来实施对微丝骨架的调控。当
有Ca2+或Ca2+-CaM存在时, 百合花粉villins蛋白家
族中的P-135-ABP可以与G-actin形成复合体, 缩短
肌动蛋白单体起始聚合时的延迟期, 加速微丝聚合,
促进花粉管基部(basal)及中部区域(shank region)微
丝成束。但在花粉管顶端约 20 μm的区域内, 该
处具有相对高浓度的 Ca2+-CaM, 增强 villins解聚、
切割微丝的活性, 对顶端微丝产生抑制作用(Yokota
等 2005)。在应用外源 CaM诱导拟南芥气孔关闭
实验中, CaM使保卫细胞的微丝骨架由长而辐射状
分布的聚合态逐步发生解聚, 气孔关闭。外源
CaM能明显诱导保卫细胞Ca2+浓度增高, 用Ca2+螯
合剂EGTA将游离Ca2+螯合掉后, 外源CaM诱导的
气孔关闭作用被抑制。由此推测保卫细胞内游离
Ca2+可能是细胞外CaM调控微丝骨架解聚的信号
转导中的一个重要的上游组分。此外, 微丝解聚剂
细胞松弛素D (CD)和微丝骨架稳定剂phalloidin也
可影响外源CaM诱导气孔关闭过程。药理学实验
发现, 单独用20 μmol·L-1 CD和0.1 mmol·L-1 phalloi-
din处理拟南芥表皮条, 对气孔的开关运动没有明显
的影响; 但CD能明显促进10-9 mol·L-1外源CaM诱
导的气孔关闭, CD与CaM共同处理20 min时气孔
孔径下降了58%, 而仅用CaM处理的气孔孔径只下
降了22%; 同样, phalloidin与CaM共同处理叶片表
皮条 60 min时, 气孔孔径仅下降了 25%, 而对照
陈琼等: 植物微丝骨架动态变化的调节 2 3
(+CaM)此时的气孔孔径减少了 70%。表明保卫细
胞微丝骨架的解聚能明显地促进外源CaM诱导的
气孔关闭运动, 微丝的聚合则抑制这一过程(肖玉梅
等 2004)。
随着研究的逐步深入, 人们发现微丝骨架的动
态变化反过来也可调节胞内 Ca2+的浓度。利用一
种Ca2+荧光指示剂(Fluo 3-AM)研究肌动蛋白动力
学对蚕豆保卫细胞Ca2+浓度的影响时发现, 对照条
件下蚕豆原生质体荧光状态稳定, 加入20 μmol·L-1
CD处理 20 min使微丝发生解聚后, Ca2+浓度增加,
但加入100 μmol·L-1 Ca2+通道抑制因子(Gd3+)后, CD
引起的荧光增强被削弱, 显示微丝解聚可能会激活
质膜上的Ca2+通道, 引起Ca2+内流, 使胞内Ca2+浓
度增加, 荧光强度增大(Zhang等 2007)。
2.2.2 小G蛋白超家族 小G蛋白超家族是单体鸟
嘌呤核苷 GTP结合蛋白, 分子量较小, 为 20~30
kDa, 区别于异三聚体G蛋白, 人们通常称之为小
G蛋白。该家族成员都具有保守的结构特征, 包括
4个GTP结合域和一个效应器分子结合域。小G
蛋白家族至少分为 5个亚家族, 包括 Ras、Rho、
Rab、Arf和Ran, 每个亚家族在细胞中起着不同的
作用。其中, Rho家族成员被认为是小G蛋白家族
中调控微丝骨架及细胞极性生长的重要因子。根
据生理功能和序列同源性, Rho GTPase又主要分
为 3个亚家族: Rho、Rac (Ras-related C3 botuli-
num toxin substrate)和cdc42 (cell division cycle 42)。
Rho和 cdc42存在于酵母及多种动物中, Rac仅在
动物中发现。豌豆中首次鉴定出与Rho GTPase相
关的蛋白(Rho-related GTPases), 它们的氨基酸序
列与 Rho亚家族有 45%~64%的同源性, 与其他成
员有 30%相同。继此之后, Rho-related GTPases
已被证实在大量的植物中都存在, 它们其中的一个
主要生理功能便是调控微丝骨架的形成及细胞信号
转导。通过系统发生学分析(phylogenetic analysis)
证明这些由 Rho、Rac或 cdc42 GTPases进化而来
的Rho-related GTPases属于一个特定的家族, 因为
这类亚家族迄今只在植物中发现, 所以命名为ROP
(Rho-related GTPase from plants), 拟南芥中存在 11
个 ROP GTPase, 在玉米中则至少存在 9个(王昕和
种康 2005; Yang 2002)。
拟南芥 ROP1~ROP6在肌动蛋白动力学、极
性生长、根毛发育中发挥不同作用。其中 ROP1
和ROP5优先定位于花粉管顶端区域的质膜, 调控
花粉管顶端生长; ROP2和ROP4定位于伸长的根毛
尖端, 调节根毛生长; ROP1、ROP3和 ROP5在花
粉粒中表达, 在花粉管生长中起作用(Jones 2002;
Li等 1999)。最近研究结果表明, 激活的 ROPs可
以促进烟草(Nicotiana tabacum)花粉管顶端的微丝
动态组装及形成Ca2+浓度梯度, 而这两个过程对于
花粉管的生长至关重要。顶端肌动蛋白组装成微
丝纤维, 构成膜泡运输的轨道, 蛋白质、脂类等生
物大分子装载于膜泡中沿微丝轨道运送到生长位
点; 随后Ca2+的积累可调节膜泡与顶端的质膜发生
融合, 使生物大分子顺利从运输小泡中卸载于目的
地(Yang 2002)。Gu等(2005)对拟南芥控制花粉管
极性生长的两个 ROP受体 RIC3 (ROP-interactive
CRIB motif-containing protein 3)和 RIC4进行结构、
功能分析发现, ROP1可激活受体RIC3引起花粉管
顶端区域 Ca2+的积累, 激活 RIC4则引起微丝的聚
合。在根毛生长过程中, ROPs也以相同的调节方
式参与其中。
除通过信号转导通路调控微丝骨架外, ROPs
也可与微丝结合蛋白发生相互作用。由 ROP活
性增强引起的拟南芥花粉管去极性生长现象可被
提高的ADF水平所削弱。当ADF第 6位丝氨酸
突变为丙氨酸时, 其削弱ROPs的能力以及与肌动
蛋白结合的能力均增强, 但 phospho-mimicking突
变可抑制该情况的发生, 这说明ADF的磷酸化状
态在其与ROPs的相互作用中具有举足轻重的地
位(Nibau等 2006; Fu等 2005)。
2.2.3 肌醇磷脂信号系统 PIP2是肌醇磷脂信号系
统的重要组成成分之一, 在微丝骨架的动态调节方
面, PIP2主要是使微丝维持聚合状态, 参与微丝与
质膜的相互作用以及微丝骨架排布的重建。
PIP2可以多种方式促进微丝的聚合: (1)激活N-
WASP及Arp2/3。PIP2是N-WASP的激活因子, 在
PIP2作用下Arp2/3可与N-WASP C端VCA结构域
植物生理学报2 4
结合, 增加Arp2/3对微丝的亲和力并激活成核和分
枝活性, 促进微丝的聚合。N-WASP还可结合活化
态的小G蛋白Cdc42, 然后再由此促进Arp2/3调节
的微丝装配(Suetsugu等 2001)。(2)结合并削弱微
丝切割蛋白的活性。PIP2可与具有切割微丝功能
的微丝结合蛋白如 profilin、gelsolin、ADF/cofilin
结合, 抑制它们与肌动蛋白的结合, 削弱对微丝的
解聚能力。如结合PIP2后, profilin则不能与G-actin
结合, 这使得 profilin对微丝聚合的抑制作用下降。
PIP2与ADF/cofilin的相互影响表现在两个方面: 一
方面, 磷脂酰肌醇 -4-磷酸(phosphatidylinositol-4-
phosphate, PIP)及 PIP2可抑制ADF/cofilin活性, 玉
米 ZmADF3在有 PIP和 PIP2条件下, 活性降低
2%~17%; 另一方面, ZmADF3反过来可抑制催化
PIP2水解的 PLC的活性, 50 μmol·L-1 PIP2条件下,
蚕豆叶片质膜上 PLC的活性随ZmADF3浓度的升
高而下降, 当加入2 μmol·L-1 ZmADF3时, PLC活性
下降 50% (Gungabissoon等 1998)。(3)促进CapG等
加帽蛋白与G-actin解离, 保持微丝正端的开放状
态, 使单体不断装配到未被封闭的微丝末端, 微丝
迅速生长延伸(Logan和Mandato 2006)。
除影响微丝的聚合, PIP2还可以调节微丝与微
丝之间的连接以及微丝与质膜间的固着。例如,
PIP2既可提高交联蛋白 α-actinin与微丝的交联能
力, 在微丝之间形成横桥, 连接成束; 也可促进
vinculin、talin和ERM (ezrin/radixin/moesin)家族蛋
白发生构象变化, 以便将微丝骨架锚定在质膜上
(Sechi和Wehland 2000)。
信号分子PIP2在PLC作用下可被分解为1,4,5-
三磷酸肌醇(inositol 1,4,5-trisphosphate, IP3)及二
酰基甘油(diacylglycerol, DAG), 其分解产物也参与
微丝骨架的动态调节。一方面, P IP 2水解后使
profilin重新得到释放, 与G-actin结合的几率提高,
抑制G-actin单体聚合形成微丝。另一方面, IP3增
加胞内游离 Ca2+浓度, 当 Ca2+浓度升高时, profilin
可封存更多的 G-actin, 以及可激活切割蛋白(如
gelsolin和cofilin)的切割功能, 从多个途径来减少微
丝聚合, 使微丝网络结构发生解聚和片段化。反过
来, Ca2+在PLC水解PIP2的过程中也有一定的负调
控作用。在拟南芥种子萌发过程中, ABA 诱导
P L C - I P 3信号途径是一个对 C a 2 + 依赖的途径,
AtPLC1基因的表达需要胞质中Ca2+的增加来激活,
但Ca2+的浓度增至毫摩尔水平时, PLC的优先底物
则由 PIP2变为 PIP, 不再生成 IP3 (Saunders等
2002)。这种作用在对水稻(Oryza sativa)糊粉层细
胞研究中也得到证明(Kashem等2000)。DAG在膜
上可激活蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC), PKC
使既结合质膜又结合微丝的底物 M A R C K S
(myristoylated alanine-rich C-kinase substrate)发生磷
酸化, 磷酸化的MARCKS仍与微丝结合但脱离质
膜, 其结果是微丝骨架结构刚性下降; 反之, 去磷酸
化的 M AR C K S 可交联微丝, 将其固定于膜上
(McCurdy等 2001)。PKC通过磷酸化, 调节一系列
蛋白的活性, 如酶、受体、转运蛋白、细胞骨架
成分等。
3 结语
目前, 关于植物细胞微丝骨架动力学调控机制的
研究越来越细致, 其中, 诸如肌动蛋白结合蛋白、金
属离子、小G蛋白、磷酸肌醇等各种作用因子的
功能不断被挖掘, 但在细胞整个庞大而精密的调控网
络中, 必然存在许多未知。如紫露草(Tradescantia
virginiana)雄蕊毛细胞、拟南芥及玉米根毛细胞等
间期细胞核中均发现大量的微丝结合蛋白 profilin
的积累(Braun等 1999; Baluska等 2001; Valster等
2003), 那么它们与细胞质中的肌动蛋白是否存在联
系, 两者是否对微丝骨架的动态变化有一个协同作
用, 以及核中的profilin是否在基因表达调控及胞质
微丝的动态行为之间架起一个更快捷的信号通路,
这些都将是该领域的重要研究方向。此外, 微管骨
架作为植物细胞骨架系统中唯一的另一个组成成分
(目前植物中尚未发现中间纤维骨架成分), 2003年
Ketelaar等人已发现在拟南芥根毛生长的方向性及
立体空间定位上, 微管和微丝之间存在着一定的相
互作用。那么, 在微丝骨架动态变化的调节过程
中, 微管骨架是否能作为其上游信号通路的一个因
子参与其中呢？我们相信随着更多技术和新方法的
发展与应用, 植物微丝骨架的精细结构及其在生长
过程中的调节机制均会被剖析, 谜底将一一解开。
陈琼等: 植物微丝骨架动态变化的调节 2 5
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