全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第4期，2005年8月 537
植物中的核糖体失活蛋白及其抗病毒机制
张智 孙素荣 马纪 张富春*
新疆大学生命科学与技术学院分子生物重点实验室，新疆生物资源基因工程重点实验室，乌鲁木齐830046
The Ribosome-inactivating Proteins and Their Antiviral Mechanism in Plants
ZHANG Zhi, SUN Su-Rong, MA Ji, ZHANG Fu-Chun*
Key Laboratory of Molecular Biology, College of Life Science and Technology, Xinjiang University, Xinjiang Key Laboratory of
Biological Resources and Genetic Engineering, Urumqi 830046, China
提要 植物中的核糖体失活蛋白是一类分布于植物体内的毒蛋白，其作用于真核细胞大亚基 28S 导致核糖体失活，抑制
蛋白质的生物合成，从而对细胞产生毒害作用。文章简述了植物核糖体失活蛋白的酶活性和抗病毒的可能分子机制。
关键词 核糖体失活蛋白；酶活性；抗病毒；植物防御
收稿 2004-11-11 修定 　 2005-06-09
资助　 国家科技攻关西部科技行动项目(2001BA901A32)和浙
江大学思源天然药物与生物毒素研究基金。
*通讯作者(E-mail: zfc@xju.edu.cn, Tel: 0991-8583259)。
核糖体失活蛋白(ribosome-inactivating
proteins，RIPs)是一类主要分布于植物体内的毒
蛋白，具有RNA N-糖苷酶(RNA N-glycosidase)
活性。RIPs 作用于真核细胞大亚基28S导致核糖
体失活，抑制蛋白质的生物合成，从而对细胞产
生毒害作用。根据 RIPs 的一级结构和功能，可
以将 RIPs 分为三型。I 型 RIPs 为单链结构，具
有 RNA N- 糖苷酶活性，本身是活性链，分子量
约 30 kD，等电点在 8~10，大多为碱性糖蛋白，
比较稳定。其中，比较熟知的是天花粉毒蛋白
(trichosanthin,TCS)和商陆抗病毒毒蛋白(pokeweed
antiviral protein, PAP)等。II型RIPs则由2条多肽
链通过分子间的二硫键组成(分为A链和B链)，分
子量 60~65 kD。A 链具有 RNA N- 糖苷酶活性，
是活性链；而 B 链具有凝集素功能，能与细胞膜
上的特异性糖基发生结合作用[1]，促使活性链A链
进入到细胞内，对细胞造成毒性。在 II 型 RIPs
中研究较多的是蓖麻毒蛋白(ricin)[2]。III型RIPs
包括大麦JIP60和玉米RIP1(b-32)两种。JIP60分
子量为 60 kD，其氨基端表现 RNA N- 糖苷酶活
性，而羧基端功能还不清楚。玉米RIP1(b-32)以
没有活性的前体proRIP1存在，proRIP1经过蛋白
酶加工，去除掉其氨基端和羧基端及肽中部分氨
基酸残基后，才具有活性。
RIPs广泛分布于高等植物，在真菌和细菌中
也有发现。自蓖麻毒蛋白得到分离纯化以来，已
从50多种高等植物获得了RIPs[1]。分离的I型RIPs
来自 9 个科约 30 多种植物，广泛分布于葫芦科、
商陆科、大戟科、樟科等科；II 型 RIPs 较少，
主要分布在大戟科、石竹科、樟科、桑寄生科、
忍冬科、毛茛科、百合科等科。大戟科和樟科
植物同时存在I型和II型RIPs。各种RIPs一级结
构相关性在 17.5%~75% 之间，不同科属来源的
RIPs一级结构相关性较小，而同科属的RIPs一级
结构相关性较大；I型和II型的A链具有一定的相
关性，因此认为植物RIPs具有系统进化关系。研
究表明，RIPs 具有广谱的抗病毒活性[3]，有些
RIPs还表现出对真菌、昆虫等的抑杀作用。由于
RIPs在植物中表现抗病毒、抗真菌等病原入侵的
生理功能，因此在医学上用来开发免疫毒素[4]、
流产药物[5]、抗 AIDs[6]、抗肿瘤[7]等药物，在农
业生产中通过遗传转化已培育出转基因抗病毒植
物[8]。本文介绍RIPs的多种酶活性并探讨其在植
物抗病毒作用中的可能机制。
1 RIPs的酶学机制
1.1 RIPs的RNA N-糖苷酶活性 RIPs按作用方式
可以分为两类：RNA 水解酶(RNase)型和 RNA N-
糖苷酶型。RNA 水解酶型(如帚曲霉素)RIPs 专一
水解 28S rRNA 的 G4325~A4326 位间的磷酸二酯键，
在28S rRNA的3端切下一长约500个核苷酸片段，
从而使核糖体失活，抑制蛋白质的生物合成。本
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文所介绍的植物中的 RIPs 为 RNA N- 糖苷酶型，
专一水解真核细胞核糖体28S rRNA的A4324位腺苷
酸的糖苷键，释放出 1 个腺嘌呤碱基，阻断蛋白
合成延伸因子 EF-II[9]和真核生物翻译起始因子
eIF5B[10]与核糖体的结合，抑制蛋白质的生物合
成。两类 RIPs 在 rRNA 上的作用位点仅相差 1 个
核苷酸，这两个相邻的核苷酸位点位于一个富含
GAGA 高度保守序列的茎环结构之中，该区域称
为sarcin/ricin结构域(S/R结构域)。
Endo等[11,12]在研究II型RIPs蓖麻毒蛋白A链
的作用中，首次阐明了它的 RNA N- 糖苷酶的作
用机制。他们发现该蛋白的A链能特异性修饰28S
rRNA，导致 28S rRNA 对酸性苯胺表现极为敏感
而不稳定，释放一个近 500 bp 长的 RNA 片段，
该片段的 5 端是 G4325。同时，化学定量检测发
现，蓖麻毒蛋白A链能从l mol的 28S rRNA上释
放0.78~0.84 mol的腺嘌呤，从而推断蓖麻毒蛋白
A链是作用于28S rRNA第 A4324 位(大鼠)的 N-C糖
苷键，并释放出腺嘌呤，其后位于A4324 与 G4325 之
间的磷酸二酯键对酸性苯胺敏感发生水解作用，
导致核糖体失活。
Zhang和Liu [13]研究天花粉毒蛋白 TCS的分子
作用机制时，证实TCS具有Endo等[11,12]提出的 RNA
N- 糖苷酶作用机制。
1.2 RIPs的多核苷酸:腺苷糖苷酶(polynucleotide:
adenosine glycosidases, PAG)活性 随着对RIPs
研究的深入，人们发现RIPs 不仅能从核糖体RNA
的 A4324 位(大鼠)上释放腺嘌呤，而且能从核糖体
RNA 的多个位点和从不同来源的 RNA 或 DNA 核酸
分子上释放腺嘌呤，因此认为用 PAG 来描述可能
更合适些[14]。
Barbieri 等[15]的实验提示，肥皂草毒蛋白
(saporins)、PAP、栝楼毒蛋白(trichokirin)等能从
家蝇和大鼠核糖体上释放出比1 mol核糖体还多的
腺嘌呤，其中，肥皂草毒蛋白能从 1 mol 核糖体
上释放近33 mol 的腺嘌呤。因此认为RIPs 具有
从核糖体 RNA 多个腺嘌呤位点释放腺嘌呤的酶活
性。Barbieri等[14]研究52种RIPs(包括I型和II型
R I P s )对不同来源的 D N A 或 R N A [鲱鱼精细胞
DNA、大肠杆菌(Escherichia coli)的 Poly(A)和
rRNA、烟草花叶病毒(TMV)的基因组 RNA]酶活
性时发现，尽管不同的RIPs有不同的酶活力，但
是几乎所有的RIPs都能不同程度从hsDNA和rRNA
上释放腺嘌呤，肥皂草毒蛋白等RIPs还能从poly
(A)上释放腺嘌呤。后来，Barbieri等[16]还发现，
肥皂草毒蛋白L1能作用于来源于人外周血淋巴细
胞的核染色质 DNA 和线粒体 DNA，释放腺嘌呤；
商陆抗病毒蛋白(PAP-I、PAP-II、PAP-III)能作
用于 HIV-1、TMV、噬菌体 MS2 RNA 等病毒核
酸释放腺嘌呤[17]。Parikh等[18]和Vepachedu等[19]
的研究发现，PAP 和 ME1(从紫茉莉科紫茉莉属的
Mirabilis expansa中分离到的一种I型RIPs)等RIPs
还能通过脱去自身 mRNA 的腺嘌呤，而不是通过
作用于核糖体来调控自身水平的表达。
不同的RIPs作用的底物可能不一样，对同一
底物表现出的活性也可能不同，这可能与RIPs本
身蛋白质结构及RIPs识别的底物结构相关，具体
的分子机制有待深入研究。
1.3 RIPs的RNase和DNase酶活性 关于RIPs的
核酸酶活性尚未得出确定的结论。Li 等[20]发现
TCS 能切割超螺旋和环状 DNA(pBluescriptII、
SV40 等)形成线形的 DNA，因此他们认为 TCS 具
有 DNA 酶活性；Ling 等[21]发现，蓖麻毒蛋白、
丝瓜毒蛋白(luffin)、辛纳毒蛋白(cinnamomin)和
克木毒蛋白(camphorin)，在低浓度下可将超螺旋
DNA 切割形成有缺口的 DNA，在高浓度下能将超
螺旋 DNA 切割形成线形 DNA，而且蓖麻毒蛋白 A
链在煮沸后仍然保持切割超螺旋 DNA 的能力，表
现出 DNA 酶活性。但 Day 等[22]的实验显示，蓖
麻毒蛋白和 PAP 并没 DNase 活性，而且从大肠杆
菌纯化的重组蛋白蓖麻毒蛋白和 PAP 都未发现有
DNase 活性，因此认为一些RIPs的 DNase 活性是
由于核酸酶污染造成。Barbieri等[23]发现来源于4
个不同家族的4种RIPs[多花白树毒蛋白(gelonin)、
苦瓜毒蛋白I(momordin I)、PAP和肥皂草毒蛋白
S6(saporins-S6)]除了PAG活性外，并未表现出解
超螺旋 DNA 等 DNase活性。在研究RNase活性中，
Mock等[24]发现苦瓜毒蛋白II(momordin II)具有多
聚U特异的RNase活性，但Valbonesi等[25]得到的
高纯度苦瓜毒蛋白 II，表现 PAG 活性，但没有
RNase 活性。
近年来，关于RIPs的核酸酶活性再次得到Ng
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等[26]、Wang和 Tumer[27]及 He和 Liu等[28]的确认，
但RIPs是否有核酸酶活性还有待进一步确定。关
于RIPs核酸酶活性的争议，可能是实验技术条件
不同带来差异；另外，有些 R I P s 可能确实有
RNase 或 DNase 活性，但不能由此推论其它RIPs
也具有 RNase 或 DNase 活性。得到高纯度的无酶
污染的RIPs，则是研究RIPs是否具有核酸酶活性
及其它酶活性的前提。
1.4 RIPs的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，
SOD)活性 Sharma等[29]从烟草(Nicotiana tabacum)
叶子中分离纯化出一种核糖体失活蛋白(tobacco
RIP，TRIP)，其分子量为 26 kD。TRIP 内部含
有一个 1 5 个氨基酸肽序列，与从野生烟草
(Nicotiana plumbaginifolia)、拟南芥、马铃薯
(Solanum tuberosum)分离到的Fe-SOD内部一段氨
基酸序列同源。纯化的 TRIP 除了具有 RIPs 一般
酶活性外，还具有SOD活性，说明TRIP具有RIPs
和 Fe-SOD 双酶活性特征。这与Li等[30]报道的克
木毒蛋白具有SOD 和 RIPs 双酶活性的结果一致。
Sharma 等[29]认为，TRIP 根据于体内的需要，在
环境胁迫(如金属离子和代谢产物等)条件下表现为
SOD 酶活性，而在其它情况(如病原侵入等)下表
现为RIPs 活性，推测 TRIP 可能参与了烟草体内
多种防御生理功能。
2 植物中RIPs的抗病毒机制
RIPs 的酶学机理预示其抗病毒活性。自从
PAP 被确证为抗病毒的 RIP 以来，人们相继发现
RIPs 具有广谱的抗各种动植物RNA 和 DNA 病毒的
活性[3]。TCS[31]等10种RIPs在体外都有抑制HIV-
1 病毒复制的功能，目前 TCS 治疗艾滋病的研究
已进入临床III期。RIPs对病毒的抗性可能是植物
的一种防御策略[8]。Lodge等[32]将PAP基因转入烟
草，使转基因植物获得了抗多种病毒的性状。
Moon等[33]将编码核糖体失活蛋白PIP(Phytolacca
insularis antiviral protein)的cDNA转化马铃薯后，
转基因植物可抗马铃薯 X 病毒、马铃薯 Y 病毒和
马铃薯卷叶病毒。但植物如何通过在体内积累毒
蛋白，调控RIPs的酶活性以防御病毒等病原的侵
入，并且不造成自身毒害的机理仍不清楚。目前
认为RIPs在植物中抗病毒机制主要有以下两种方
式：
(1) RNA N-糖苷酶或PAG酶活性赋予RIPs使
核糖体失活的活性(ribosome inactivating activity，
RI)，抑制细胞核糖体对蛋白质的合成，导致细
胞死亡，抑制病毒在细胞内的复制和增殖。最有
代表性的是Ready等[34]的局部自杀(local suicide)学
说。他们用免疫电镜方法观察到 PAP 主要定位在
细胞膜与细胞壁之间，RIPs在内质网以前体的形
式合成，其 N 端有一段信号肽序列，运输到胞质
外形成区隔化后，经过切割和折叠形成成熟的
RIPs；当细胞遭受病毒感染或其它机械损害时，
细胞膜完整性受到破坏，RIPs即进入受感染的细
胞质中，引起核糖体失活从而阻断细胞蛋白质翻
译，导致细胞死亡，于是病毒不能在细胞内复制
和继续感染邻近的细胞。
随着转基因植物和基因突变的研究，人们对
RIPs的RI赋予植物抗病毒的机制有了更深刻的理
解。Lodge 等[32]将 PAP 的 cDNA 导入烟草和马铃
薯植物，转基因植物表现广谱的抗病毒活性，但
是高水平的 PAP 表达会影响转基因植物的正常生
长，如叶子带有杂斑，植株个体矮小等。H u r
等[35]在酵母中筛选出两种PAP的突变体HMNT123-2
和 HMNT124-3，其中，HMNT123-2 是在 PAP 酶
活性位点进行一个点突变(E176V)，而 HMNT124-
3 突变掉 C 端 2 5 个氨基酸。T u m e r 等[ 3 6 ]将
HMNT123-2 和 HMNT124-3 分别转入烟草中并得
到表达，在这两个 PAP 的突变体转基因烟草中都
没有检测到脱腺嘌呤作用，因此不会对转基因植
物产生毒性，但 HMNT124-3 PAP 转基因植株在
表达量低的情况下却表现出对 PVX 等病毒的高抗
性，而 HMNT123-2 PAP 转基因植株没有表现对
病毒的抗性，这一结果在体外实验中也得到了证
实，而野生型和其它突变体在体外和体内实验中
都表现出酶活性和毒性。从而证明 PAP 完整的酶
活性位点对维持 PAP 在体内、体外的所有酶活性
是必要的，以核糖体失活活性不足以解释 PAP 的
抗病毒的特性。因为HMNT124-3 突变体在体外实
验中表现出 R I，但在转基因烟草中并未表现出
RI，却成功赋予了抗病毒抗性，说明 PAP 赋予植
物抗病毒的特性与 PAP 的 RI 并没有直接关系。
RIPs抗动物病毒中也有相似的研究结果。过
去人们认为TCS的抗HIV-1活性，是因为它的RI，
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但Wang等[37]的研究发现，有两个保留了RI的TCS
突变体(TCSM C19aa、TCS KDEL)在体外均失去了抗
HIV-1活性，也再次证实用RI已不足以解释RIPs
的抗病毒机制。
(2) RIPs的 PAG活性直接作用于病毒的核酸
分子，从多位点释放腺嘌呤以抑制病毒复制。
RIPs能在体外攻击病毒核酸分子。MAP(Mirabilis
antiviral protein)[38]是一种I型RIPs，它不仅能脱去
rRNA 上的腺嘌呤抑制蛋白质合成，而且能脱去
D N A、多聚核苷酸、T M V 基因组 R N A 等的腺嘌
呤，破坏核酸分子。Hudak 等[39]发现 PAP 及其几
种突变体，虽然都不能作用于核糖体，但能够抑
制雀麦草花叶病毒(BMV)和马铃薯 X 病毒 RNA 的
翻译，而且它还能专一性地识别带 m7GpppG 的加
帽 mRNA 并从其上释放腺嘌呤，抑制蛋白质的合
成，但它对无帽或带 GpppG 或 GTP 的 mRNA 没
有作用。这表明 PAP 除了以 RNA N- 糖苷酶活性
抑制蛋白质的合成的机制外，而且还能专一识别
m7GpppG-mRNA 并释放其嘌呤碱基抑制蛋白质合
成的机制。Rajamohan等[17]和Park等[40]的研究也
证实，RIPs 可能是直接作用于病毒的核酸分子，
破坏病毒核酸分子而抑制病毒的。最近，
Vandenbussche等[41]利用接骨木RIPs基因转移导入
烟草，研究植物体内 RIPs 抗病毒活性，认为一
些RIPs可能直接作用于病毒核酸分子而具有抗病
毒特性。
当病毒突破细胞壁，RIPs可以直接破坏核酸
分子而抗病毒，但是RIPs并不直接作用于病毒颗
粒，只有当病毒颗粒解折叠并暴露它的核酸分子
时，RIPs才能显示它的酶活性，破坏病毒核酸分
子。因此，植物如何调控和起始 RIPs 酶活性的
机制以及RIPs与病毒核酸分子的相互识别作用的
分子机制，仍然是目前需要搞清楚的两个主要问
题。
3 结束语
RIPs 独特的生理功能受到人们的广泛关注。
RIPs是植物防御体系的一部分，对RIPs功能机制
的研究不仅有助于我们了解RIPs在植物防御中扮
演的角色，而且将来还可以很好地将RIPs应用于
农业、医学等领域。近年来，对 RIPs 的毒性和
生物酶功能的研究虽然有了一定的进展，但对
RIPs的抗病毒机制还不十分清楚。Hudak等[42]认
为，PAP 的核糖体脱嘌呤作用不足以解释 PAP 对
细胞造成的毒性。另外，PAP 赋予植物抗病毒的
特性与 PAP 的 RI 并没有直接关系，这些都暗示
RIPs可能存在另外的对细胞造成毒性和赋予植物
抗病毒特性的机制，这一机制尚需研究。总之，
随着PAP等一些RIPs基因克隆、蛋白纯化和蛋白
三维结构研究的深入，基因突变、转基因、基
因沉默等生物技术的应用，RIPs作用机制的研究
将会有所深入。
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