全 文 ：植物生理学通讯 第 41卷 第 1期，2005年 2月90
花粉特异F-box基因及其表达产物可能参与的SCF途径
成建红 李天忠* 韩振海 许雪峰
中国农业大学园艺植物研究所，北京 100094
Pollen Specific F-box Gene and Its Expressed Product Involved in Putative
SCF Pathway
CHENG Jian-Hong, LI Tian-Zhong*, HAN Zhen-Hai, XU Xue-Feng
Institute of Horticultural Plants, China Agricultural University, Beijing 100094
提要 泛素蛋白体目标性降解蛋白途径是许多细胞学过程的重要调节体系，底物蛋白泛素化涉及3 个酶激反应，其中，作
为 E3 连接酶的 SCF 复合体对底物的识别是通过亚体 F-box 蛋白 C 末端的特异性结构实现的。利用染色体步移等方法，最
近在一些配子体型自交不亲和植物S-RNase基因近旁相继发现了一类花粉特异性表达的F-box基因，从而预示泛素介导的
SCF 蛋白降解途径可能参与配子体自交不亲和反应。
关键词 泛素蛋白体降解途径；SCF 复合体；自交不亲和性；F-box 蛋白质；花粉 S 基因
收稿 2004-06-14 修定 　 2004-11-02
资助　 北京市重点实验室“果树逆境生理与分子生物学实验
室”项目。
*通讯作者(E-mail: litianzhong1535@163.com, Tel: 010-
62732853)。
细胞蛋白的表达和功能行为在部分程度上能
通过翻译后的降解来互补调控，有目标地降解细
胞内蛋白是许多细胞程序调控的重要模式。真核
细胞中目标蛋白的周转主要由保守的泛素
(ubiquitin)途径介导，它催化一个多泛素链共价连
接到靶蛋白，泛素链作为一个降解标记，使得靶
蛋白最终被26S蛋白体(proteasome)降解[1]。泛素
途径包括 3 个阶段性酶激反应：在 ATP 作用下，
泛素首先被泛素活化酶(ubiquitin-activating enzyme)
E1激活，E1的一个保守的半胱氨酸与泛素C末端
形成巯酯键；随后泛素分子被转移到泛素结合酶
(ubiquitin-conjugating enzyme)E2，与E2的半胱氨
酸再次形成一个巯酯键；接下来泛素连接酶
(ubiquitin ligase enzyme)E3促进泛素C末端和底物
蛋白异肽键的形成，泛素的赖氨酸残基继续连接
其他泛素分子形成一个多泛素链。多泛素化的底
物蛋白为 26S 蛋白体迅速识别完成降解过程，泛
素单体此后又被循环利用[2]，相关步骤见图 1。
真核生物体中包含少量的无明显特异性的类
E1 的异构重组体，E2 量较大，一些还具有特化
的细胞功能。E3 的结构复杂，对泛素途径特异
性底物的识别发挥关键性的作用。目前已发现的
E3 分子根据组成成分的不同分为 4 类：HE C T、
RING/U-box、APC 复合体和 SCF 复合体。HECT
和 RING/U-box 各由一个多肽组成，APC 和 SCF
复合体为一个多亚体结构[1,4]。
1 SCF复合体的结构与功能
SCF复合体为E3的一个主要类型。研究人员
根据酵母双杂交、三杂交、免疫共沉淀、晶体
构造研究等实验结果发现，SCF 为一类环状结构
的 E3[5]，一般由 4 个亚体构成：Cullin(酵母为
Cdc53)、Skp1、Rbx1(亦指 ROC1 和 HRT1)和一
个F-box蛋白质(F-box protein, FBP)[1,2]。其可能
的结构模型为前3个蛋白构成一个一般性骨架(图
1): Cullin亚体作为一个大的骨架蛋白确保为E2展
图1 SCF E3连接酶介导的多泛素化途径的几个关键环节[3]
底物蛋白在该途径中被泛素标识，最终在 26S 蛋白体作用
下降解。
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示最佳的底物形式；Skp1 与 FBP N 末端的 F-box
域紧密连接，并促进Cullin N末端和FBP的相互
作用；Rbx1是一种小的环蛋白(ring protein)，它
可能介导E2与Cullin蛋白C端区域的互作，推进
泛素从E2 到靶蛋白的转移[3]。F-box 蛋白质是一
类含有F-box结构域(F-box motif)的蛋白家族成
员，其基因大小为430~2 000 bp残基[6]。Bai等[7]
根据细胞周期蛋白 F 的 N 末端存在的一段同源序
列，揭示这一区域是在蛋白 - 蛋白互作中广泛存
在的必需结构，并将其命名为 F-box 结构域。F-
box域大约由40~50个氨基酸组成，一般位于蛋白
的N 端，是与 SCF 复合体中 Skp1 或 Skp1 类似蛋
白的结合区域，C 端往往还存在一些与蛋白相互
作用密切相关的二级结构，如 L L R 、W D 4 0 、
Kelch 重复、亮氨酸拉链、锌指结构等，可特异
性的结合磷酸化的底物[5,8,9]。
通过悬滴漫射等方法，Zheng等[5]分析了融合
蛋白反应产物Cul1-Rbx1-Skp1-F-boxSkp2 SCF复合体
的晶体结构(图 2) ：Cul1 是一个拉长蛋白，它由
一个长柄和一个球状区构成。C 端球状区通过一
个分子内的 b- 折叠与指环蛋白 Rbx1 结合，形成
一个双亚体的催化核心，以便将泛素结合酶E2引
入 SCF复合体。长柄由3个重复部分组成(repeat
1、2、3)，每个重复包括 5 个螺旋状的结构域
(A、B、C、D、E)。Cul1 的 N 端长柄顶部与底
物识别复合体蛋白Skp1-F-boxSkp2结合。Cul1构型
跨度110 Å，将Skp1-F-boxSkp2和Rbx1亚体固定在
一起，该模型得到了Cul1消除固定骨架突变体的
实验验证。
SCF 途径最早是在出芽酵母(Sacharomyces
cerevisiae)细胞周期G1~S期转变过程中发现的，
酵母中只有当G1后期抑制子Sicl被降解后，DNA
才得以起始复制，而Sicl在磷酸化后的降解是经
SCF 复合体(Skp1、Cdc53、Rbx1 及 F-box 蛋白
质 Cdc4)识别继续完成泛素化降解途径的[10]。哺
乳动物中也存在 SCF 途径，类似于酵母的细胞周
期调控机制。人类F-box蛋白 SKP2特异性识别磷
酸化的细胞色素依赖性激酶(CDK)抑制子 p27 蛋
白，p27 蛋白选择性降解是通过一个 SCFSKP2 复合
体催化完成的[11]。在拟南芥、水稻等植物赤霉素
(GA)信号途径的研究中发现，泛素化能够通过蛋
白酶体的蛋白水解信号激活转录因子[12]。SCF 识
别底物的先决条件是靶蛋白的磷酸化，GA通过未
能鉴定的蛋白激酶引发转录因子 D E L L A 蛋白
AtRGA/OsSLR1 的磷酸化，磷酸化的 DELLA 被
SCF 复合体识别，导致 26S 蛋白体对其的降解反
应。RGA 和 OsSLR1 的降解解除了茎伸长生长的
抑制，植物从而获得生长，而在缺乏 G A 时，
AtRGA 和 OsSLR1 抑制 GA 反应[3]。新近在水稻中
发现了一个重要的F-box蛋白——GID2参与GA介
导的 D E L L A 蛋白( S L R 1 )的降解。研究表明，
GI D 2 的表达优先发生在水稻 G A 的活跃合成之
前，酵母双杂交和免疫沉淀证明 GID2 是 SCF 复
合体的一个组分，与水稻 ASK1 同源体 OsSKP15
互作。活体pull-down 测定显示GID2 与 SLR1 特
异性互作，推断磷酸化的 SLR1 通过与 GID2 的互
作亲和力被SCFGID2 复合体捕获，从而为泛素途径
介导 SLR1 的降解提供了进一步的实验证据[13]。
真核生物中SCF 途径参与涉及细胞循环、信
号转导、转录等细胞蛋白的泛素化过程[2]。这些
众多的细胞程序反应主要通过 SCF 组成亚体的多
样性实现的。水稻基因组编码至少14个参与 SCF
复合体组成的类Skp1蛋白，拟南芥基因组包含至
少21个 Skp1同源体、11个 Cullin 同源物、2个
Rbx1 同源物和694 个可能的F-box 蛋白[3]。在对
拟南芥突变体分析时发现有9个F-box蛋白基因有
以下的作用：UFO 与花的形成有关，TIR1 与生
长素反应有关，COI1 参与调控茉莉酸信号转导，
FKF1和 LKP2参与昼夜节律的调控， EID1对光敏
图2 Cul1-Rbx1-Skp1-F-boxSkp2四合体的整体结构[5]
自左至右 Skp1、F-boxSkp2、Cul1 和 Rbx1 分别被标记为深
浅不同的颜色。Repeat 2示组成Cullin重复结构域的5个螺旋
( A 、B、C、D、E ) 。
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色素一特异性光信号转导具有重要作用，OR E 9
调控叶的衰老，M A X 2 参与选择性抑制副芽形
成，SON1 调控对病原体的防卫反应[14]，ZTL 除
调控昼夜节律外在光形态建成的控制中又有新的开
拓性发现[15]。
到目前为止，还未在植物中找到 SCF E3 连
接酶与底物相互作用的直接证据，这将是今后泛
素蛋白降解途径研究的重要内容之一。
2 配子体自交不亲和花粉F-box基因
广泛存在于显花植物的自交不亲和性(SI)，
是植物克服遗传相关近缘体自身繁殖，促进种内
基因交流的一种进化机制。大部分植物的自交不
亲和性受复等位基因的单一位点或基因座S 位点控
制。配子体自交不亲和(GSI)植物已知的S位点花
柱基因编码产物是一系列由引导组织分泌的 S -
RNase[16]，在雌蕊拒斥花粉中起着类似于细胞毒
素的作用[17,18]。抑制机制是长期以来植物自交不
亲和性研究的中心议题，这一问题迫切需要通过
克隆和分离花粉 S 基因得到解决。
根据预测的GSI花粉S基因可能的几个特征：
与S-RNase 基因连锁遗传、配子体特异表达、具
有S等位基因多态性的特点，Lai等[19]采用S位点
内染色体步移法，于2002年从金鱼草(Antirrhinum)
S2S4的BAC(bacterial artificial chromosome)文库中
筛选得到了一个含S2-RNase全长基因的64 kb的S
位点 BAC 克隆，并从中首次获得了一个S2 位点内
花粉和花药特异性表达的编码 F-box 蛋白的新基
因——AhSLF-S2。该基因全长1 986 bp，其蛋白
N端有一个保守的F-box 结构域，距S2-RNase 基
因只有9 kb，是一个S位点内具有配子体特异性
表达模式的多态性基因。推断该基因可能就是金
鱼草中介导GSI反应的花粉S基因(Sp)。此结果在
自交不亲和研究领域引起了广泛关注。
2003年，Ushijima等[20]在分析蔷薇科植物扁
桃(Prunus dulcis)S位点的70 kb片段时，也发现
了2 个花粉表达的 F-box 基因，其中 SFB 表现出
S单元型特异的多态性，物理位置与S-RNase基因
相距30 kb 以内，并与之连锁遗传，且不发生重
组，具有花粉 S 基因特征。初步研究表明 SFB 与
GSI系统中蛋白酶体水解途径有关。同年，Entani
等[21]对蔷薇科植物梅(Prunus mume)构建的包含
S1、S7 的 S位点 DNA 片段的 cosmid 文库克隆进行
了序列测定，开放式阅读框(ORF)预示其中有4个
基因编码43~49 kD的 N末端具有保守的F-box结
构域的蛋白。这些基因与AhSLF-S2 有微弱的同源
性(大约 25% 氨基酸同源)，而其中只有 PmSLF-
S1、PmSLF-S7 的 C 末端区含有几个被富含装载蛋
白和半胱氨酸的保守序列包围的高变的短域，
PmSLF 在 S1、S7 等位基因间具有较高的序列多态
性(81.3% 氨基酸同源)，并在花粉中特异性表达。
推测 SLF 为最有可能的参与梅自交不亲和识别反
应的花粉 S 基因。随后，Yamane 等[22]在比较自
交不亲和甜樱桃种(Prunus avium)和一个自交亲和
酸樱桃种(P. cerasu)的S单元型时，发现了一个新
的N端具有F-box 域的蛋白基因PaSFB6。它十分
靠近S6-RNase基因(相距约380 bp)，并在花粉中
特异表达。
蔷薇科多个花粉S基因的发现使GSI花粉S基
因的研究掀起了一个高潮，这是SI研究中的一项
重大突破。特别重要的是，这些多态性基因编码
的F-box 蛋白有可能参与构建了 SCF 复合体，这
将预示泛素介导的蛋白降解途径可能参与了自交不
亲和反应中一些重要蛋白的降解，导致识别反应
的发生。图 3 列举了新近在金鱼草、扁桃、樱
桃中发现的几个花粉F-box基因推测的F-box 域的
氨基酸序列，并同拟南芥AtTIR1进行了比较。在
这6个F-box的结构域(motif)结构中，第27、29
氨基酸残基具有一致的赖氨酸(K)和色氨酸(W); 相
比之下，前5个花粉特异表达的F-box基因具有更
高的相似性，第 10、1 1、1 8、1 9、2 1、2 2、
2 7、2 9、3 2、3 3、3 5、3 8、4 2、4 3 氨基酸
图3 几个F-box蛋白F-box结构域序列的比较
氨基酸序列注册号分别为 PaSFB3: BAC81148.1, PaSFB6:
BAC81149.1, PdSFBa: AB092966, PdSFBb: AB092967, AhSLF-
S2: AJ297974, AtTIR1: AF327430。
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残基位置(PdSFBa第34个处缺失)完全一致，占到
了该序列氨基酸总数的32.79%。而蔷薇科的4个
序列完全一致的氨基酸残基达到了 72.09%(31
个)，6 个序列中仅第 30 个残基差异最大。
3 花粉F-box基因的功能预测
配子体自交不亲和植物中，含有雌蕊 S 基因
型之一的花粉在柱头萌发后，花粉管在花柱中的
生长受到抑制，不能正常到达子房室完成受精。
抑制剂模型认为花柱中由两个等位基因产生的S-
RNase 都会进入花粉管，而花粉 S 基因产物会抑
制外源S-RNase 的作用，同源的S-RNase 保留下
来最终导致自花花粉管内RNA 的降解[23,24]。花粉
特异性表达的 F-box 蛋白基因的发现，使得 SCF
途径介入配子体自交不亲和反应成为新一轮自交不
亲和研究的一个重要起点。研究预测自交不亲和
反应中 S C F 的底物蛋白可能是雌蕊表达的 S -
RNase。SCF 组成之一的花粉S基因产物F-box 蛋
白特异性识别异源 S-RNase，将其捕获并标记泛
素使其降解，而同源 S-RNase 被保留下来，作为
细胞毒素分解自花花粉管内的 RNA[25]，自花的花
粉管在花柱内发生生理变化而停长，异花的花粉
管则继续伸长，最终完成双受精。Qiao等[26]应用
免疫共沉淀、酵母双杂交等技术分析了金鱼草花
粉F-box基因 AhSLF-S2 表达产物与S-RNase间的
互作反应，发现AhSLF-S2 蛋白与 S-RNase及两个
已知的SCF亚体——Cullin1(CUL1)-like和Ask1-like
有着物理互作，在亲和授粉中 S-RNase 被泛素 /
26S 蛋白体蛋白降解途径抑制，而不亲和反应的
S-RNase活性可能通过泛素/26S蛋白体蛋白降解途
径保留下来。进一步的转基因研究表明：AhSLF-
S2 和 AhS2-RNase 在自交不亲和矮牵牛(Petunia
h y b r i d a )花柱和花粉中正常表达；带有番茄
(Lycopersicon esculentum)花粉特异启动子LAT52的
AhSLF-S2 在自交不亲和矮牵牛花粉中并不影响内
源SLF或 SLF-like的表达。几个独立转基因材料
传粉实验均表现出自交亲和性，推测是由于两个
不同花粉 S 等位基因的竞争性互作的结果[2 7 ]。
Ushijima 等[28]在对人工突变自交亲和型甜樱桃
(Prunus avium)S4’基因和自然突变自交亲和型梅
(P. mume)S f的核苷酸序列分析表明，亲和突变是
由于花粉特异性F-box基因 SFB4’ 部分缺失或SFBf
具插入片段导致两个表达蛋白 C 端高变区缺失，
从而表现出自交亲和性。这些结果为证明 AhSLF
和 S F B 控制花粉自交不亲和功能提供了直接证
据，为进一步对 GSI 基因座表达产物的功能研究
做了有意义的探索。
GSI反应的机制随着花粉特异性表达的F-box
基因的发现而变得日趋明朗，但是还需要大量实
验为F-box基因表达产物可能参与的SCF复合体与
底物蛋白的互作反应提供实验证据。自交不亲和
识别过程可能涉及不止一条途径，相信经过科研
人员的不断努力，植物自交不亲和性的研究工作
将在不久的将来得到预期的令人振奋的发现。
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