全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (3): 218~222218
收稿 2010-10-25　　修定 2011-02-25
资助 国家自然科学基金(30970233)。
* 通讯作者(E-mail: ljlsd2002@gmail.com; Tel: 0531-
86180797)。
核苷酸转换因子的特性及其在植物中的研究现状
张景霞, 杨颖, 张权, 夏广亮, 刘箭*
山东师范大学生命科学学院, 济南250014
摘要: 热激蛋白HSP70是一类细胞必需的具有ATPase活性的分子伴侣。ADP的脱离是HSP70分子伴侣体系能够完成其功
能循环的限速步骤, 该反应步骤由核苷酸交换因子(NEFs)加速, 因此, NEFs是HSP70分子伴侣体系中的一类关键辅助因
子。本文总结了有关NEFs的研究成果以及植物NEFs的最新研究进展。
关键词: HSP70; ATPase循环; 分子伴侣; NEFs
Characteristic of the Nucleotide Exchange Factors and Recent Studies in
Plants
ZHANG Jing-Xia, YANG Ying, ZHANG Quan, XIA Guang-Liang, LIU Jian∗
College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
Abstract: Heat shock protein 70 (HSP70) is a class of essential molecular chaperone and possesses ATPase ac-
tivity. The release of ADP from HSP70 is the speed limit step of the function cycle of HSP70 molecular chaper-
one system, and is accelerated by nucleotide exchange factors (NEFs). Therefore, NEFs are the key co-chaper-
ones in HSP70 molecular chaperone system. This review summarizes the previous achievements in knowledge
on the NEFs as well as the current studies in plant NEFs.
Key words: HSP70; ATPase cycles; molecular chaperone; NEFs
热激蛋白HSP70是进化上高度保守且具备
ATPase活性的分子伴侣, 其结构包括两个主要的
功能区: N端的核苷酸结合区(nucleotide binding
domain, NBD)和C端的多肽结合区(peptide-binding
domain, PBD)。NBD由lobe I和lobe II两个球形亚
结构组成, 每个亚结构又分为A、B两区。ATP结
合在lobe I、lobe II形成的深沟底部, 可被HSP70水
解成ADP。PBD由β-PBD区和α-PBD区组成(May-
er和Bukau 2005), 底物结合在β-PBD区形成的 “口
袋” 中, α-PBD作为 “盖子” , 控制底物的结合与释
放。在 J-蛋白(HSP70的辅助分子伴侣)和底物的刺
激下, HSP70将ATP水解为ADP, α-PBD “盖子” 闭
合, 底物牢固的结合在HSP70上(Harrison等1997);
随后, 在核苷酸转换因子(nucleotide exchange fac-
tors, NEFs)的协助下, ADP脱离HSP70, 体内高浓度
的ATP (相对于ADP浓度)又重新结合在HSP70上,
完成HSP70·ADP向HSP70·ATP的转换, α-PBD “盖
子” 打开, 修复的底物脱离HSP70, 完成ATPase的
一个循环(图1)。
图1 HSP70的ATPase循环示意图(Wright 2007)
Fig.1 The cycle of HSP70 ATPase
综　述 Reviews
在生物体内, ADP的脱离是HSP70完成ATPase
张景霞等: 核苷酸转换因子的特性及其在植物中的研究现状 219
循环、发挥其分子伴侣功能的限速步骤。在HSP70
复合物中, J-蛋白和底物刺激HSP70的ATPase活性,
将ATP水解成为ADP, 而ADP脱离HSP70则需要
NEFs的协助。大肠杆菌缺失其NEF (GrpE), 导致
HSP70的ATPase循环停止在HSP70·ADP的状态,
不能进入下一轮循环, HSP70的分子伴侣功能被抑
制, 并导致细胞代谢异常; 再如, 酵母缺失胞质
HSP70的NEF (Fes1p), 导致酵母在高温下不能存
活(Raviol等2006); 人类细胞缺失SIL1 (内质网
HSP70的NEF)则会导致神经退行性疾病(Senderek
等2005)。根据NEFs与HSP70的结合方式以及促进
ADP脱离的方式不同, 可将NEFs分为4类, 它们是
原核细胞中的GrpE (GroP-like gene E) (Liberek等
1991)、真核细胞中的BAG (Bcl-2-associated atha-
nogene)蛋白(Xu等2008; Gassler等2001)、HspBP1
(HSP70-binding protein 1) (Kabani等2002)和
HSP110 (heat shock protein 110) (Dragovic等
2006a)。本文将对NEFs的特性以及植物NEFs的研
究进展作一概述。
1 GrpE
GrpE是最早被发现具有NEF活性的辅助分子
伴侣蛋白(Harrison 2003)。大肠杆菌GrpE受胁迫
诱导表达 , 且是耐受高温胁迫所必需的蛋白。
GrpE由位于N端的无序片段区、螺旋发夹区(包括
一个长α-螺旋和一个短α-螺旋)和C端的β-折叠区
组成 , 以同型二聚体的形式存在 ( H a r r i s o n等
1997)。在进行核苷酸转换的过程中, DnaK (大肠
杆菌HSP70)与GrpE的一个单体结合, 该单体的β-
折叠区通过疏水作用与DnaK的核苷酸深沟结合使
NBD区形成开放构象, 降低ADP与深沟的亲和力
(Harrison等1997), 导致ADP脱离DnaK, 同时也促
进底物脱离DnaK (图2)。当温度升高时, GrpE螺旋
发夹区的长α-螺旋(形成GrpE二聚体的重要结构)
的结构变得松散, 导致其NEF活性降低, 延长了底
物结合在ADP·DnaK复合物上的时间, GrpE可将温
度信息传递到DnaK上, 因此, GrpE也被称为DnaK/
DnaJ/GrpE分子伴侣系统的 “感温器” (thermosen-
sor) (Gelinas等2003)。
2 BAG蛋白
BAG蛋白是一类保守性较高的多功能蛋白家
族, 典型代表是Bag-1。Bag-1是抗细胞凋亡蛋白
Bcl-2的结合蛋白, 它是BAG蛋白家族中最早被发
现的成员(Takayama等1995)。在Bag-1的C末端含
有BAG功能区, 此功能区由110~124个氨基酸残基
组成, 形成3个反向平行的螺旋结构(Schuermann等
2008)。借助BAG功能区的螺旋1的稳定作用, 螺旋
2和3通过静电力结合在HSC70 (组成型表达的
HSP70)上, 使lobe IIb向外翻转14o (图2), NBD区的
核苷酸结合位点被破坏, 导致ADP与HSC70的亲和
力降低, 促使ADP脱离。虽然Bag-1与GrpE无同源
性, 但它们都是利用将lobe IIb旋转打开, 从而促进
ADP 脱离的方式完成核苷酸的转换。除具NEF功
能外, Bag-1还有调节Raf-1 (rapidly growing fibro-
sarcoma kinase 1)活性(Song等2001)、调节男性激
素受体的活性(Froesch等1998)、解除Siah介导的
细胞生长抑制、调节神经元细胞的生长和分化以
及在蛋白降解中起重要作用(Alberti等2002; Luders
等2000)等。
Bag-2是BAG家族中具有NEF功能的另一成
员。与Bag-1的BAG区不同, Bag-2具有新型BAG
图2 核苷酸转换方式示意图(Bukau等2006)
Fig.2 Schematic models of the nucleotide exchange mechanisms
Ia、Ib、IIa、IIb: HSP70的NBD区; GrpE2: GrpE二聚体; Arm1~4: HspBP1的ARM功能区。
植物生理学报220
区——BNB (brand new bag)区(Xu等2008)。BNB
区由两个反向平行的长α-螺旋和连接它们的linker
(包括一环状结构和一个短螺旋)组成。Bag-2通过
linker与HSC70的lobe Ib和lobe IIb结合, 使lobe II作
为一个整体旋转10o打开, 促进ADP脱离HSC70
(Xu等2008)。除具有NEF功能外, Bag-2还具有抑
制CHIP (carboxy terminus of Hsp70-interacting pro-
tein)的泛素连接酶活性、促进CFTR (cystic fibrosis
transmembrane conductance regulator)成熟(Arndt等
2005)等作用。
3 HspBP1
HspBP1是真核生物的另一类NEF。HspBP1
的核心功能区为ARM功能区(armadillo repeat do-
mains), 是由4个约含有40个氨基酸残基的ARM基
序(arm repeats)串联组成的超螺旋结构。ARM功
能区形成的凹陷的表面从一侧将NBD的lobe IIb包
裹起来, 使整个lobe II与lobe I分离, 并将lobe IIb稳
定在向外翻转的开放状态, 从而促进核苷酸脱离
(Shomura等2005); 而GrpE、BAG蛋白则与NBD的
lobe Ib、lobe IIb同时结合, 但仅使lobe II的b区(即
lobe IIb)的构象发生变化(图2), 因此HspBP1促进
ADP脱离的方式与GrpE、BAG蛋白不同。Fes1p
是酵母中的HspBP1的同系物, 也具有ARM功能区,
与HSP70的结合方式可能与HspBP1/HSP70的结合
方式相同(Dragovic等2006b; Shomura等2005)。除
NEF功能外, Fes1p与RAC (ribosome-associated
complex)竞争结合Ssb1p, 说明Fes1p在Ssb1p参与
的蛋白质翻译过程中也有重要作用(Dragovic等
2006b)。
4 HSP110
HSP110是在真核细胞胞质中新发现的NEF
(Dragovic等2006a)。HSP110属于HSP70超家族
(Morano 2007), 同样具有NBD和PBD功能区(Shan-
er和Morano 2007)。与DnaK的α-PBD覆盖在
β -PBD上形成“盖子”的构象不同 , HSP110的
α-PBD、β-PBD区逆向分布在NBD两侧(Polier等
2008)。Sse1p是酵母中HSP110的同系物, 其lobe
Ia、Ib、IIa、IIb分别与HSP70的IIa、IIb、Ia、Ib
结合, Sse1p的α-PBD区紧密结合HSP70的lobe IIb
一侧, 使lobe IIb旋转27o打开, 破坏核苷酸结合位
点, 导致ADP脱离(Polier等2008)。在促进核苷酸
转换的方式上, HSP110与GrpE、BAG蛋白类似,
都是使HSP70的lobe IIb发生旋转形成开放的构象,
只是HSP110使lobe IIb翻转的开角更大一些。除
NEF活性外, HSP110可将变性蛋白维持在可折叠
状态, 参与细胞抗热(Oh等1997), 以及帮助蛋白底
物脱离HSP70 (Polier等2008)等。
5 植物NEFs的研究现状
迄今, NEFs的研究多集中在原核生物、酵母
和动物中, 关于植物NEFs的报道并不多。已有研
究表明, 植物细胞中存在上述NEFs的同源物, 它们
能够结合HSP70, 可能具有NEF活性, 并对HSP70
功能进行调控。
植物线粒体和叶绿体中存在大肠杆菌GrpE的
同源蛋白。Padidam等(1999)首次报道了烟草线粒
体中存在GrpE的同源蛋白——NtmGrpE, Nt-
mGrpE可与线粒体mHSP70结合, ATP对结合有抑
制作用。此外, 分子进化数据表明, GrpE的同源蛋
白还存在于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和烟草
(Nicotiana tabacum) (Padidam等1999)等物种中。
叶绿体中的GrpE同源物为CGE1, 它存在于豌豆
(Pisum sativum) (Schlicher和Soll 1997)、小立碗藓
(Physcomitrella patens) (Hofmann和Theg 2004)和
衣藻(Chlamydomonas) (Schroda等2001)等物种
中。衣藻中的C G E 1具有与G r p E相似的功能
(Schroda等2001), 是热诱导表达蛋白, 在没有ATP
的条件下, 衣藻CGE1可与叶绿体基质中的HSP70B
或大肠杆菌DnaK结合, 形成复合物。在大肠杆菌
grpe突变体中过量表达衣藻CGE1蛋白, 大肠杆菌
grpe突变体的热敏感表型可以被修复, 表明衣藻
CGE1跟大肠杆菌GrpE在功能上是互补的。
BAG基因存在于辣椒(Capsicum annuum)、小
麦(Triticum aestivum)、大麦(Hordeum vulgare)、
高粱(Sorghum bicolor)、苜蓿(Medicago sativa)、
大豆(Glycine max) (Kabbage和Dickman 2008)和拟
南芥(Doukhanina等2006)等植物中。拟南芥BAG
基因家族(AtBag)共有7个基因(Doukhanina等2006),
AtBag1~4定位在细胞质中, AtBag6、7定位于细胞
核中, AtBag5定位于线粒体中。拟南芥BAG蛋白
的C端都含有BAG功能区。Doukhanina等(2006)将
AtBAG、哺乳动物BAG蛋白的BAG功能区的序列进
行比对发现, 它们与HSP70结合的关键氨基酸残基
张景霞等: 核苷酸转换因子的特性及其在植物中的研究现状 221
具保守性, 表明AtBAG蛋白结合HSP70的方式可能
与哺乳动物BAG蛋白类似, Pull-down和酵母双杂
交证实了AtBag4可以与AtHSP70结合, 并可能调控
AtHSP70的功能。但AtBag是否具有NEF功能还没
有实验证据。
本实验室对拟南芥中酵母Fes1p的同系物, 即
AtFes1A进行了研究(Zhang等2010), 发现AtFes1A
定位在细胞质中, 受高温诱导表达, Pull-down和免
疫共沉淀证明, AtFes1A可与胞质型HSC70特异结
合, ADP可以促进这种结合, 而ATP则具有抑制作
用, AtFes1A对核苷酸种类的依赖性与酵母Fes1p以
及动物HspBP1一致; 在缺失Fes1p的酵母突变体中
表达AtFes1A基因, 突变酵母株系的高温敏感性得
到修复, 说明AtFes1A蛋白与酵母Fes1p蛋白在功
能上互补(Zhang等2010); T-DNA插入失活的atfe-
s1a突变体发育正常, 但呈现对高温敏感的表型
(Zhang等2010), 将萤光酶基因转入突变体atfes1a
和野生型拟南芥中, 高温处理后atfes1a突变体内萤
光酶更易被高温灭活, 复性速度更慢, 表明缺失At-
Fes1A后, 拟南芥的分子伴侣系统受损。以上结果
均暗示, AtFes1A可能是拟南芥细胞质HSC70的
NEF。
拟南芥基因组中, 有4个编码HSP110蛋白的基
因(Lin等2001)。HSP110在常温下有表达, 受高温
上调明显。在获得耐热性实验中, 拟南芥hsp110突
变体表现出明显的敏感表型, 说明在拟南芥耐热
过程中HSP110具有重要作用(Larkindale和Vierling
2008)。但拟南芥HSP110是否具有NEF活性尚未
见报道。
6 结语
相对于原核生物、酵母和动物HSP70的NEFs
研究, 植物NEFs相关的报道很少。我们认为植物
NEFs的研究面临以下两个难题: 首先, 许多研究小
组尝试植物HSP70的原核表达, 但均没有成功, 如
果从植物组织中纯化植物HSP70, 又无法得到有活
性的、高纯度的、单一亚型的HSP70, 这无疑增加
了鉴定胞质HSP70的NEFs的难度 ; 其次 , 植物
HSP70的ATPase循环除J-蛋白和NEFs外, 可能还依
赖于某种未知的植物特异性的辅助因子, 在植物
HSP70的NEFs体外分析体系中, 由于缺乏此类因
子, 导致检测不到NEF活性。随着植物分子生物学
方法的快速发展和新基因功能的不断发现, 植物
NEFs的研究定将取得突破性的研究成果。
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