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Recent Advances in Detection Techniques of Binding Plant Calcium-binding Proteins to Calcium Ions

植物钙结合蛋白与钙离子结合鉴定技术的研究进展



全 文 :植物科学学报  2014ꎬ 32(6): 661~670
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 11913 / PSJ􀆰 2095-0837􀆰 2014􀆰 60661
植物钙结合蛋白与钙离子结合鉴定技术的研究进展
邹娟子ꎬ 胡诗琦ꎬ 王碧莹ꎬ 景 沛ꎬ 杨 俊ꎬ 谢国生∗
(华中农业大学植物科学技术学院ꎬ 武汉 430070)
摘  要: Ca2+在植物生长发育和环境适应过程中发挥着中心调控作用ꎬ 钙信号是植物生长发育和逆境响应的主
要调控因子ꎬ 钙结合蛋白是植物钙信号传导途径的最重要组分之一ꎬ 然而植物钙结合蛋白在体内和体外与 Ca2+
结合的技术体系还有待完善和发展ꎮ 为了系统总结植物钙结合蛋白的鉴定方法与技术ꎬ 本文从定性结合、 定量
结合和结合方式等角度ꎬ 综述了植物钙结合蛋白在体内和体外条件下与 Ca2+结合的原理、 方法、 特点和应用前
景ꎬ 详细阐述了近年来的主要检测方法ꎬ 并对其今后的发展趋势作了展望ꎮ 本文将为植物钙结合蛋白的分离、
功能鉴定和作用机制的研究提供技术支撑ꎮ
关键词: 钙信号ꎻ 钙结合蛋白ꎻ 鉴定方法ꎻ 原理ꎻ 应用
中图分类号: Q945          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2014)06 ̄0661 ̄10
      收稿日期: 2014 ̄06 ̄24ꎬ 退修日期: 2014 ̄08 ̄12ꎮ
  基金项目: 国家自然科学基金项目(31371550)ꎻ 国家级大学生创新训练项目(201310504011)ꎻ 华中农业大学大学生科技创新基金
(SRF2012267)ꎮ
  作者简介: 邹娟子(1988-)ꎬ 女ꎬ 硕士研究生ꎬ 主要从事植物逆境信号传导和分子育种研究(E ̄mail: juanzi880806@163􀆰 com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: xiegsh@mail􀆰 hzau􀆰 edu􀆰 cn)ꎮ
Recent Advances in Detection Techniques of Binding Plant
Calcium ̄binding Proteins to Calcium Ions
ZOU Juan ̄Ziꎬ HU Shi ̄Qiꎬ WANG Bi ̄Yingꎬ JING Peiꎬ YANG Junꎬ XIE Guo ̄Sheng∗
(College of Plant Science and Technologyꎬ Huazhong Agricultural Universityꎬ Wuhan 430070ꎬ China)
Abstract: Calcium ions play a central role in regulating plant growthꎬ development and
adaptation to environmental stresses. Calcium signals are one of the main regulators of plant
growthꎬ development and stress responseꎬ and calcium ̄binding proteins have also been
identified as one of the most important components of calcium signal transduction pathways in
plants. Howeverꎬ the assay techniques of calcium ̄binding proteins binding to calcium ions
have not yet been evaluated in vitro and in vivo. Hereꎬ from the viewpoints of qualitative
bindingꎬ quantitative binding and binding patternsꎬ recent progresses in the principlesꎬ
techniquesꎬ characteristics and applications of in vitro and in vivo calcium ion binding assays
of calcium ̄binding proteins are reviewedꎬ and the main detection methods and development
trends in this field in recent years are also discussed in detail. Meanwhileꎬ this review provides
a new platform for isolationꎬ functional identification and regulation mechanism studies of plant
calcium ̄binding proteins in the future.
Key words: Calcium signalꎻ Calcium ̄binding proteinꎻ Detection methodsꎻ Principleꎻ Applica ̄
tion
    钙作为植物中必需的大量元素ꎬ 在植物生长发
育和环境适应过程中发挥着中心调控作用ꎬ 钙信号
是植物生长发育和逆境响应的主要调控因子[1-3]ꎮ
植物的成花诱导、 花芽分化及开花调控等过程都与
Ca2+密切相关ꎬ Ca2+还有助于增强植物茎杆的硬
度和植株挺立ꎬ 提高植物生物膜对离子的选择性吸
收能力、 防止早衰、 参与信息传递以及增强植物对
环境胁迫的抗性ꎮ 在植物组织中ꎬ Ca2+主要以果胶
酸钙、 钙调蛋白和肌醇六磷酸钙镁(植酸盐)等形
态存在[4]ꎬ 其含量大约为 0􀆰 1% ~ 5%ꎮ 在植物细
胞中ꎬ 液泡含有大量的草酸钙、 柠檬酸钙和苹果酸
钙等有机酸钙[5]ꎻ 细胞壁中 Ca2+含量也很高ꎬ 为
10 μmol / L ~ 10 mmol / Lꎮ 一般认为ꎬ 植物对外界
刺激的反应主要是通过细胞质中 Ca2+浓度的瞬间
变化来传递的ꎮ 在静息条件下ꎬ 细胞质中游离
Ca2+浓度较低(10 ~ 200 nmol / L)ꎬ 但这一极低浓
度的细胞质游离 Ca2+在植物生长发育过程中起重
要的调控作用ꎮ 在细胞质中ꎬ Ca2+主要通过与钙离
子靶蛋白质等大分子结合来避免 Ca2+与细胞质中
的无机磷酸盐形成沉淀而影响细胞正常的生理活
动ꎮ 当细胞受到外界刺激时ꎬ 细胞质中 Ca2+浓度
可升高到 1 μmol / L 左右ꎮ 而且ꎬ 不同种类的逆境
胁迫会引发细胞质中 Ca2+浓度在变化幅度、 时间
及空间分布等变化特征上有所不同ꎬ Ca2+浓度的这
种瞬间升高被称为 Ca2+瞬态 (Ca2+ transient)或
Ca2+波(Ca2+ wave)或 Ca2+振荡(Ca2+ oscillation)
或 Ca2+峰值(Ca2+ spiking)或 Ca2+指纹(Ca2+ sig ̄
nature) [2ꎬ 5]ꎬ 正是由于细胞内外 Ca2+浓度的巨大
差异才适合于钙信号传递功能的发生[6]ꎮ 细胞质
中 Ca2+浓度升高的瞬态出现后ꎬ 钙感受器蛋白
(calcium sensor)或钙信号解码器蛋白( calcium
signal decoding protein)或钙结合蛋白(calcium
binding protein)与 Ca2+结合ꎬ 导致这些钙感受器
蛋白疏水区外露并与生物膜或疏水性生物大分子结
合ꎬ 从而调节生物膜或这些靶蛋白的功能和酶促活
性ꎬ 即钙结合蛋白被激发而感受和传递钙信号ꎮ 目
前ꎬ 植物钙结合蛋白研究较多ꎬ 包括多种类型ꎬ 如
CaM (钙调素ꎬ calmodulin)、 CML (类钙调素ꎬ
calmodulin ̄like)、 CDPK(钙离子依赖的蛋白激酶ꎬ
calcium ̄dependent protein kinase)、 CBL (类钙
调磷酸酶 B 蛋白ꎬ calcineurin B ̄like proteins)和
含有 1 ~ 2个 EF手结构域(EF ̄hand motif)的钙结
合蛋白等ꎬ 而钙信号传导途径和过程取决于这些钙
结合蛋白与 Ca2+之间的亲和力、 结合速率、 结合程
度以及结合方式等因素的变化ꎬ 细胞内钙结合蛋白
与 Ca2+只有特异性、 亲和性结合后才能完成钙信号
的传递和信号放大过程ꎮ 因此ꎬ 探讨植物钙结合蛋
白在植物体内和体外条件下与 Ca2+结合的原理、 方
法、 特点和应用等ꎬ 对钙结合蛋白的分离、 功能鉴
定和作用机制研究具有重要的理论和应用意义ꎮ
2002年ꎬ Vogel主编出版了 2 本«钙结合蛋白
实验手册»ꎬ 总结了钙结合蛋白与 Ca2+结合的原理
和实验技术[7ꎬ8]ꎮ 随后ꎬ 许多学者创建和完善了在
植物体内和体外条件下高通量鉴定钙结合蛋白的技
术体系ꎬ 尤其是近 10 多年来该领域的研究进展很
快ꎮ 为此ꎬ 本文主要综述了植物钙结合蛋白与
Ca2+在结合原理、 结合强度、 结合速率和结合方式
等方面的研究进展ꎬ 提出了分离、 鉴定植物钙结合
蛋白的思路和方法ꎬ 本文将为加快植物钙结合蛋
白的分离和功能鉴定、 揭示钙信号调控途径在植
物生长发育和逆境适应性中的作用机制研究提供
技术支持ꎮ
1  检测方法的分类
在植物体外条件下ꎬ 钙结合蛋白与 Ca2+的结
合是一个涉及到生物化学和生物物理的动态过程ꎬ
它受到溶液的种类、 离子组成和离子强度的影响ꎮ
钙结合蛋白与 Ca2+结合后其构象、 生物物理或生
化活性发生改变ꎬ 从而促进或抑制下游靶蛋白的结
合和活性ꎮ 鉴定钙结合蛋白与 Ca2+的结合方式的
方法有两种ꎬ 一是生物化学方法ꎬ 包括电泳和酶促
动力学方法ꎻ 二是生物物理学方法ꎬ 如分光光度法
(紫外光谱法、 圆二色性法和荧光法)、 核磁共振
法、 热动力学(热量、 焓变测定)等ꎮ 依据这些检
测方法就可以鉴定植物钙结合蛋白与 Ca2+的结合
特性ꎮ
在植物体内ꎬ 对于某些难以诱导合成或纯化的
钙结合蛋白ꎬ 可以从组织中抽提后利用其结合 Ca2+
前后的蛋白质构象或生理活性发生改变的特性ꎬ 鉴
定这些钙结合蛋白的表达水平和性质的变化ꎮ
2  在植物体外检测钙结合蛋白与 Ca2+结合
的方法
2􀆰 1  定性测定钙结合蛋白与 Ca2+是否结合的方法
(1)电泳迁移率改变分析(electrophoresis mi ̄
gration shift assayꎬ EMSA)
266 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
利用钙结合蛋白与 Ca2+结合前后构象发生改
变进而影响蛋白质迁移率的特性ꎬ 可以直接利用
SDS ̄PAGE(sodium dodecyl sulfate ̄polyacrylam ̄
ide gel electrophoresis)或Native ̄PAGE 电泳分离
后对凝胶进行考马斯亮蓝 R-250 染色ꎬ 观察 Ca2+
结合或脱去后蛋白质电泳迁移率 Rf的改变ꎬ 判断
其与 Ca2+结合和结合强度的大小ꎮ EMSA 的主要
操作要点是在体外将纯化的钙结合蛋白与 Ca2+或
EGTA(ethylene glycol bis (2 ̄aminoethylether)  ̄
NꎬNꎬN􀆳ꎬN􀆳 ̄tetraacetic acid)温浴反应后进行电泳
观察ꎮ 利用该方法已检测了不同植物的钙结合蛋
白ꎬ 如 OsCaM1 ̄3 (Oryza sativa)、 OsCML1 / 3 /
4 / 5 / 8 / 9 / 11 / 13ꎬ 以及 MtCaMP1(Medicago trun ̄
catula)在体外与 Ca2+结合后电泳率的改变[9ꎬ10]ꎮ
目前ꎬ EMSA 已成为一种利用 SDS ̄PAGE 或Na ̄
tive ̄PAGE鉴定含有 2 个或 2 个以上 EF 手结构域
钙结合蛋白的经典方法ꎻ 此外ꎬ 由于含有 1 个 EF
手结构域的钙结合蛋白与 Ca2+结合前后的电泳迁
移率 Rf变化较小ꎬ Native ̄PAGE 较 SDS ̄PAGE 更
容易鉴定这类钙结合蛋白ꎮ
(2) 45Ca2+覆盖法( 45Ca2+ overlay method)
1984年 Maruyama等[11]最早提出了快速定性
检测钙结合蛋白或多肽是否与钙离子结合的钙离子
覆盖法ꎬ 它的主要操作步骤是先将钙结合蛋白转移
到 PVDF膜(polyvinylidene fluoride membrane)或
NC膜(nitrocellulose membrane)上ꎬ 再与 45Ca2+
温浴后利用放射自显影检测钙离子是否与钙结合蛋
白结合ꎮ 1996年 Frandsent 等[12]在水稻中分离了
一个钙结合蛋白 EFA27(EF ̄handꎬ abscisic acid
responsive protein with a molecular mass of
27􀆰 4 kD )ꎬ 并 将 MBP ̄EFA27 ( maltose ̄binding
protein)融合蛋白进行印迹后ꎬ 利用 45Ca2+覆盖法
证实了该蛋白在体外可以与 Ca2+结合ꎮ 随后ꎬ 该
方法在拟南芥钙结合蛋白的鉴定中应用最为广
泛[13ꎬ14]ꎮ 为了克服 45Ca2+覆盖法使用放射性同位素
的缺点ꎬ 1997 年 Tatsuimi 等[12]在 PVDF 转膜和
quin ̄2探针检测基础上ꎬ 建立了一种新的方法:
将钙结合蛋白直接点在 PVDF膜上ꎬ 并和钙离子荧
光探针 quin ̄2 杂交ꎬ 通过检测荧光强度快速检测
钙结合蛋白与 Ca2+的结合情况ꎬ 获得了较好的实
验效果ꎮ 该方法的优点是可以在 PVDF膜上利用荧
光强度的大小快速测定钙结合蛋白与钙离子结合强
度的大小ꎬ 特别适用于微量或难分离纯化的钙结合
蛋白质的检测ꎮ
(3) 荧光染色方法 ( fluorescence staining
method)
2000年ꎬ Takezawa 等[16]最早利用苯基琼脂
糖 4B(phenyl sepharose 4B)树脂分离纯化了小麦
的钙结合蛋白 TaCCD1 ( Tritium aestivum Ca2+ ̄
binding protein)ꎮ 发现该钙结合蛋白与树脂的疏
水性结合依赖于溶液中 Ca2+的存在与否ꎮ 钙结合
蛋白与钙离子结合后ꎬ 利用钙离子荧光探针就可以
检测钙结合蛋白光学特性的变化ꎬ 这是目前鉴定钙
结合蛋白最简便的方法之一ꎮ 为此ꎬ 华中农业大学
植物科学技术学院植物逆境分子生理实验室利用
Phenyl Sepharose 4B树脂与钙结合蛋白的结合特
性ꎬ 在含有相同浓度 Ca2+的 Phenyl sepharose 4B
树脂溶液中ꎬ 分别加入不同浓度的钙结合蛋白ꎻ 经
过一段时间后ꎬ 利用 Ca2+荧光指示剂 Fura ̄2测定
溶液中荧光强度的变化ꎬ 就可以检测溶液中游离
Ca2+浓度变化以及钙结合蛋白与 Ca2+的结合强度ꎬ
因此该方法可以在溶液中快速定性检测钙结合蛋白
与 Ca2+的结合情况ꎮ 目前ꎬ Ca2+的荧光染料已经
商品化生产ꎬ 非常容易买到ꎬ 价格也比较便宜ꎬ 表
1中列出了常用钙荧光探针的基本特征及应用实
例ꎮ 荧光染色方法在植物体外和活体内 Ca2+浓度
的测定和植物钙结合蛋白鉴定中的应用已非常广
泛[7ꎬ8ꎬ17]ꎮ
2􀆰 2  定量分析钙结合蛋白与 Ca2+结合强度的方法
(1)Ca2+选择电极法(calcium ion selective e ̄
lectrode method)
Ca2+选择电极对 Ca2+具有高度的选择性ꎬ 其
电极电位与 Ca2+活度的对数呈线性关系ꎬ 并遵循
能斯特方程ꎮ Ca2+选择电极法可以定量检测溶液中
Ca2+与钙结合蛋白结合前后 Ca2+的电位改变ꎬ 从
而直接测定溶液中游离 Ca2+的浓度ꎬ 进而判断与
钙结合蛋白结合的 Ca2+浓度及 Ca2+与钙结合蛋白
的结合平衡ꎬ 该方法还可以测定钙结合蛋白的浓
度ꎮ 肖凤娟等[27]测定了达到滴定终点时拟南芥叶
片中 Ca2+浓度为 82􀆰 5 μmol / Lꎬ 拟南芥钙调素蛋白
366  第 6期                    邹娟子等: 植物钙结合蛋白与钙离子结合鉴定技术的研究进展
表 1  钙离子荧光探针的特征和应用
Table 1  Characteristics and applications of calcium ion fluorescence probes
荧光探针
Fluorescence
probes
与钙离子的结合常数
Binding constant
with calcium ion
(nM)
激发光波长
Excitation
wavelength
(nm)
发射光波长
Emission
wavelength
(nm)
应用实例
Examples
Calcium Crimson 185 568 589 荧光共振能量转移成像[18]
Calcium green ̄1 190 480 520 测定桉树根毛细胞质中钙离子浓度[19]
Fluo ̄3 390 480 520 测定花粉管中钙离子浓度变化[20]
Fluo ̄4 345 480 520 测定拟南芥根毛细胞质和外质体中钙离子浓度[21]
Fura ̄2 145 340 500 测定保卫细胞细胞质中的钙离子浓度[22]
Indo ̄1 230 340 405 测定烟草 BY ̄2悬浮细胞中的钙离子浓度[23]
Oregon Green 170 488 520 测定细胞分裂期中的钙离子浓度[24]
Quin ̄2 115 340 490 测定拟南芥镉胁迫诱导 PCD时钙离子浓度[25]
Yellow Cameleon 2.1ꎬ
Yellow Cameleon 3.3ꎬ
Yellow Cameleon 3.6
250 440 480 / 530
利用 YFP和 CFP荧光强度的比值测定细胞内钙信
号变化[26]
    Notes: PCDꎬ Programmed cell deathꎻ YFPꎬ Yellow fluorescence proteinꎻ CFPꎬ Cyan fluorescence protein.
AtCaM的浓度为 20􀆰 6 μmol / Lꎮ 目前ꎬ 由于该方
法需要使用 Ca2+选择性电极而在鉴定植物钙结合
蛋白与 Ca2+的结合中应用还较少ꎮ
(2)平衡透析法(equilibrium dialysis)
该方法的原理是将钙结合蛋白加入到半透性纤
维素袋中ꎬ 然后将袋子放入含有 Ca2+的透析溶液
中最终达到化学和扩散平衡ꎻ 通过计算透析袋内侧
和外侧中 Ca2+的浓度ꎬ 就可以测定出 Ca2+与钙结
合蛋白的结合常数和解离常数ꎮ Yuasa & Mae ̄
shima[28]利用平衡透析法测定了萝卜液泡中的钙结
合蛋白 RVCaB在体外对钙离子的结合特性ꎬ 结果
表明该蛋白可以与 19个 Ca2+结合ꎬ 其与 Ca2+的解
离常数为 3􀆰 4 mMꎬ Mg2+和 K+两种离子对 Ca2+与
钙结合蛋白的结合影响较小ꎮ 总的来说ꎬ 平衡透析
法的优点是利用透析袋就可以很容易测定钙结合蛋
白与 Ca2+的结合特性ꎮ
(3)流动透析法( flow dialysis)
该方法的原理是将钙结合蛋白加入到一个小
室中ꎬ 同时将含有45Ca2+标记的溶液加入到另外
一个小室中ꎬ 两个小室被一层半透性纤维素膜隔
开ꎻ 当纤维素膜两侧达到扩散平衡时ꎬ 测定蛋白
质溶液中 Ca2+和透析溶液中 Ca2+的浓度的差异ꎬ
就可以检测出 Ca2+与钙结合蛋白的结合强度ꎮ
Yoshida等[29]在 100 mmol / L NaCl和 25℃条件下ꎬ
利用流动透析法测定了小麦钙调素蛋白 TaCaM
与 4个 Ca2+ 的结合常数 ( 0􀆰 20、 0􀆰 25、 0􀆰 025、
0􀆰 0024 μmol / L)ꎮ 由于流动透析法需要特殊的透
析仪而限制了它在植物钙结合蛋白鉴定中的应用ꎮ
(4)圆二色光谱法(circular dichroism spec ̄
troscopyꎬ CDS)
蛋白质是一种含有肽键的多聚物ꎬ 肽键中的亚
胺生色团分别在 190 nm和 220 nm处含有 π→π∗
和 n→π∗过渡态ꎬ 因此肽键的远紫外光圆二色光
谱反映了该蛋白质的二级构象ꎮ 但是ꎬ 在蛋白质中
只有 4个生色团ꎬ 如色氨酸(Trp)、 酪氨酸(Tyr)、
苯丙氨酸(Phe)、 半胱氨酸(Cys)的侧链基团ꎬ 可
以强烈吸收 255 ~ 340 nm 范围内的近紫外光ꎬ 这
些生色团的近 UV(ultra violet)圆二色光谱反映了
该蛋白质的三级和四级构象ꎻ Trp、 Tyr、 Phe、 组
氨酸(His)和蛋氨酸(Met)的侧链基团还可以有效
吸收波长小于 250 nn 的远紫外光ꎮ 这些生色团对
总吸光度的贡献决定于溶液的种类、 离子强度和温
度等条件ꎬ 吸光度 A 与摩尔吸光系数 εM、 光径 L
和蛋白浓度 C 有关ꎬ 且符合 Lambert ̄Beer 定律ꎬ
A = εM􀅰C􀅰L( εM: 摩尔吸光系数ꎬ C: 摩尔浓
度ꎬ L: 比色皿的光路长度)ꎬ 实验测定的参数是
左圆偏振光和右圆偏振光吸光度的差值ꎬ ΔA =
AL- AR = ΔεM􀅰C􀅰L(ΔεM: 摩尔吸光系数的差
值)ꎮ 虽然 CDS 只提供了低分辨率的蛋白质结构
信息ꎬ 但它具有二个显著的优点: 一是对蛋白质
466 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
的构象变化很敏感ꎻ 二是可以适用于多种不同的
低浓度蛋白质溶液ꎬ 因此它被广泛应用于蛋白质
结构的分析与研究中ꎮ 例如ꎬ 可以判断蛋白质中
二级结构的比例ꎻ 检测 pH、 盐和溶剂种类造成
的蛋白质构象变化ꎻ 检测加热和变性剂(脲、 盐
酸胍)等引起的蛋白质变性情况ꎻ 检测蛋白质与
蛋白质或多肽ꎬ 蛋白质与配体之间的互作以及蛋
白质亚基之间的缔合程度ꎻ 研究蛋白质变性和复
性的动力学过程等ꎮ
目前ꎬ CDS在钙结合蛋白与 Ca2+结合的定性
和定量鉴定中应用最为广泛ꎬ 已成为鉴定植物钙结
合蛋白的最普遍和通用的方法之一ꎮ Dobney
等[30]测定了拟南芥类钙调素蛋白 AtCML42在含有
5 mmol / L EGTA或 5 mmol / L CaCl2溶液中在波长
179􀆰 5 ~ 260 nm 范围内的近紫外光谱(图 1)ꎬ 发
现 AtCML2蛋白与 Ca2+结合之前ꎬ 在 190 nm处存
在 1个最大正峰、 208 nm 和 222 nm 处存在 2 个
最小峰ꎬ 表明该蛋白明显存在 α ̄螺旋结构ꎻ AtC ̄
ML2蛋白与 Ca2+结合后在 190 nm 处的摩尔椭圆
度下降ꎬ 205 ~ 230 nm 范围内的吸收峰增加ꎬ 表
明与 Ca2+结合后该蛋白的 α ̄螺旋比例减少ꎮ Chin ̄
pongpanich等[9]利用 CDS发现ꎬ 3个水稻钙调素
蛋白 OsCaM1、 2、 3和 8个钙调素类似蛋白 OsC ̄
ML1、 3、 4、 5、 8、 9、 11、 13 溶 液 在 加 入
1 mmol / L CaCl2或 1 mmol / L EGTA 后ꎬ 它们在
2 08nm和222nm处的摩尔椭圆度均存在2个最
30
20
10
0
-10
-20
180 200 220 240 260
!
"
#
$
%
Wavelength nm( )

]θ
(
)
de
g1
0
cm
dm
ol
-3
2
-1
&
粗实线表示加入 5 mmol / L CaCl2后的 CD 光谱ꎬ 细短线表示
加入 5 mmol / L EGTA的 CD光谱ꎮ
Thick solid line indicates CD spectrum after addition of
5 mmol / L CaCl2ꎬ and thin solid line denotes CD spectrum
after addition of 5 mmol / L EGTA.
图 1  钙离子诱导 AtCML42蛋白二级结构的改变[30]
Fig􀆰 1  Induced secondary structure of
AtCML42 by calcium ion[30]
小峰ꎬ 表明这些蛋白质均含有大量的 α ̄螺旋结构ꎻ
加入 1 mmol / L CaCl2后ꎬ 除了 OsCML1、 3、 9
外ꎬ 其它 8个类钙调素蛋白在 208 nm 和 222 nm
处的摩尔椭圆度变化明显ꎬ 说明这 8个类钙调素蛋
白与 Ca2+结合后其二级结构变化较大ꎬ 有利于钙
信号的向下传导ꎮ
(5) 差示扫描量热法 ( differential scanning
calorimetryꎬ DSC)
该方法的原理是蛋白质的折叠和去折叠反应伴
随着热效应ꎬ 在恒定压力条件下测定蛋白质去折叠
时的放热量就可以表示该过程的热焓变化[31]ꎬ 一
般可通过 DSC仪直接测定蛋白质去折叠过程中的
放热变化ꎮ 溶液中蛋白质的热效应(焓变)是温度
的函数ꎬ 即可通过测定溶液中蛋白质最大热容量时
的温度变化范围来比较溶液中复性和变性蛋白质热
容量时的温度差异ꎬ 从而测定蛋白质的构象变化ꎮ
另外ꎬ 还可以测定 2种不同对照溶液和蛋白质溶液
热容量的差异来评价蛋白质的热稳定性ꎮ 通过测定
热焓变化温度范围窄的原纤蛋白 Fibillin 时ꎬ 加热
速率宜为 10 ~ 20℃ / hꎬ 而对于其它蛋白质的加热
速率为 30 ~ 60℃ / hꎮ
差示扫描量热法也用于钙调素与 Ca2+结合的
检测与鉴定ꎮ Yamniuk等[32]利用 DSC测定钙调素
蛋白的热稳定性时发现ꎬ 钙调素蛋白的 N 端和 C
端结构域发生转变时的中点温度 Tm值分别为 60℃
和 48℃ꎬ 表明其 N 端结构域较 C 端结构域更稳
定ꎻ 而且不同的点突变对结构域的 Tm值和变性热
焓变化 ΔHd的影响存在明显差异ꎮ 在测定钙结合
蛋白与 Ca2+结合时ꎬ 利用 DSC仪测定温度升高过
程中钙结合蛋白与 Ca2+结合后蛋白质构象的热稳
定性ꎬ 可间接反映出钙结合蛋白与 Ca2+的结合强
度、 结合方式和结合位点ꎮ
(6) 等温滴定量热法( isothermal titration ca ̄
lorimetryꎬ ITC)
该方法的原理依赖于生物分子与配体之间互作
时伴随的热效应(即吸热或放热效应)ꎬ ITC的强度
取决于发生互作的生物分子结合常数和热焓的变
化ꎬ 因此结合曲线的形状和结合强度 C 等于分子
间结合时的平衡常数 Ka、 溶液中蛋白质的浓度
[P t]和结合计量 n的乘积ꎬ 即 C = Ka􀅰[P t]􀅰nꎮ
566  第 6期                    邹娟子等: 植物钙结合蛋白与钙离子结合鉴定技术的研究进展
通过高灵敏度、 高自动化的微量量热仪连续准确地
监测和记录一个化学变化过程的量热曲线ꎬ 从而能
原位、 在线和无损地同时提供热力学和动力学信
息ꎮ
等温注定量热法是测定生物大分子(蛋白质、
多肽、 DNA、 RNA)与配体(蛋白质、 核酸和 Ca2+
等)之间互作的最直接和最优化方法ꎬ 利用 ITC 法
可以直接、 准确地测定溶液中钙结合蛋白与 Ca2+
结合的热动力学关系ꎮ Jamshidiha 等[33]测定了水
稻类钙调素蛋白 OsCaM61 在 20 mmol / L HEPES
(hydroxyethyl piperazine ethanesulfonic acid)溶
液中分别与 4 个 Ca2+结合的结合常数 Ka(3􀆰 1×
104、 3􀆰 7×104、 1􀆰 1×103、 139 M-1)ꎮ 近年来ꎬ 等
温滴定量热法已发展成为一种研究生物大分子与配
体之间互作热力学和动力学的常用方法ꎮ
2􀆰 3  测定钙结合蛋白与 Ca2+结合方式的方法
(1) 稳态荧光光谱法 ( steady ̄state fluores ̄
cence spectroscopy)
该方法的基本原理是钙结合蛋白 Trp 和 Tyr 残
基中的芳香族基团具有荧光活性ꎬ 与 Ca2+结合后
钙结合蛋白中的这些芳香族基团周围的微环境发生
了改变ꎬ 从而引起其荧光光谱波长和荧光强度的改
变ꎬ 因此通过测定荧光光谱性质的变化就可以鉴定
与 Ca2+结合对其结合蛋白结构的影响ꎬ 以及钙结
合蛋白突变后对 Ca2+结合特性的影响ꎮ 蛋白质中
Trp残基的吲哚基团受某种波长的光子激发后产生
π∗高能激发态ꎬ 而电子回到低能量的基态时产生
荧光ꎬ 荧光的强度决定于蛋白质中荧光基团的多
少、 疏水性、 粘性和流动性ꎬ CaM 与 Ca2+结合前
后 CaM中 Tyr 残基表现出明显的荧光强度差异ꎮ
稳态荧光光谱法是测定钙离子与 CaM 结合强度的
主要方法之一ꎬ 它的主要优点是: 只需要低浓度的
蛋白质溶液ꎬ 蛋白质中存在 Trp 和 Tyr 荧光基团ꎬ
检测仪器简单ꎬ 荧光光谱范围较宽ꎮ 该方法还可以
用于研究溶液中蛋白质的构象变化、 蛋白质-蛋白
质互作、 蛋白质- Ca2+结合、 蛋白质的膜定位以及
动力学参数测定等ꎮ 目前ꎬ 荧光光谱法是最普遍应
用的测定蛋白质构象的生物物理方法ꎬ 也是最便
捷、 快速检测钙结合蛋白与钙离子结合方式的方法
之一ꎬ 即在蛋白质溶液中加入荧光探针 ANS(8 ̄
Anilino ̄1 ̄naphthalenesulfonate) 后ꎬ 再分别加入
CaCl2或 EGTAꎻ 随后利用荧光分光光度仪在
370 nm激发光下进行 400 ~ 650 nm 的发射光谱
扫描ꎬ 就可以检测加入钙离子后钙结合蛋白疏水结
构域的暴露情况[9ꎬ33]ꎮ
(2)核磁共振光谱法(NMR spectroscopy)
该方法的原理是利用43Ca2+具有四级( I = 7 /
2)的原子核特性ꎬ 它与蛋白质结合后可以产生较
宽的峰值ꎬ 但仅仅利用43 Ca2+不能测定单个 EF ̄
hand 结构域的作用ꎬ 需用更适合 NMR 的离子
(如113Cd或207Pb)同形置换钙离子后来测定钙结
合蛋白与 Ca2+的结合特性ꎮ 钙结合蛋白中的 EF手
结构域含有氧配体ꎬ 它们的 NMR 信号位于强磁场
谱区并能产生较大的化学位移ꎬ 利用 1D ̄NMR、
2D ̄NMR或 solid ̄state NMR 均可检测蛋白质中不
同 EF手结构域与 Ca2+的结合情况ꎮ 应用核磁共振
光谱法需要较高浓度的钙离子和钙结合蛋白ꎬ 而且
还需要昂贵的检测仪器和专业技术操作人员ꎬ 才能
测定钙结合蛋白 EF ̄hand 结构域与 Ca2+结合前后
的立体构象的精细变化ꎮ Dobney 等[30]利用15 N ̄
NMR测定拟南芥类钙调素蛋白 AtCML42 与 Ca2+
结合时ꎬ 发现钙离子诱导该蛋白的共振发生化学位
移ꎻ 当 Ca2+达到饱和浓度时出现第 3 个共振峰ꎬ
揭示类钙调素蛋白 AtCML42 至少存在 3 个 EF ̄
hand 结构域ꎮ Gifford 等[34] 利用 NMR 测定了
Mg2+对大豆 SCaM4 蛋白与 Ca2+结合时亲和力和
蛋白质构象的影响ꎮ
(3)表面等离子共振技术 ( surface plasmon
resonanceꎬ SPR)
该方法的基本原理是: 当光线通过 2个具有不
同折射率透明介质的界面时ꎬ 部分光线被发射ꎬ 部
分光线被折射ꎮ 当入射角大于临界入射角时ꎬ 所有
光线全部被反射而不会发生折射ꎻ 同时ꎬ 电磁场产
生的短暂光波射入到较低折射率的介质中ꎮ 当两介
质的界面镀有一层很薄的金属膜时ꎬ 就会产生与光
线传播方向平行的单色偏振光ꎬ 且在一定的入射角
范围内时就会导致发射光的强度明显降低ꎬ 这种现
象被称为 SPRꎮ SPR 角度的大小依赖于金属膜的
种类、 光学常数、 厚度和均一性、 入射光的波长、
金属膜两侧介质的折射率等ꎮ 将一个蛋白质固定在
666 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
sensor chip表面ꎬ 另一个蛋白质或配体存在于溶
液中ꎬ 则表面等离子共振反应的强度与蛋白质之间
互作后引起的 sensor chip 表面的折光率变化相
关ꎬ 也与两个蛋白质分子之间互作引起的浓度变化
有关ꎬ 因此实时测定 SPR 信号可以计算出蛋白质
分子之间的结合常数 Kon、 解离常数 Koff及蛋白质
之间的结合平衡常数 Ka = kon / koffꎮ
表面等离子共振技术主要利用 SPR 仪的 sen ̄
sor chip进行测定分析ꎮ 它含有一个在一侧镀有金
属膜的载玻片ꎬ 其中金属膜上覆盖了一层可以将蛋
白质等生物大分子固定的羧甲基葡聚糖(carboxy ̄
methylated dextran ) 介质ꎬ 且这种介质可以随着
不同生物分子的性质而改变ꎮ SPR 不能直接测定
Ca2+与蛋白质的结合强度ꎬ 但可以研究 Ca2+对生
物大分子之间互作的间接影响ꎮ Zhang 等[35]利用
SPR测定了水稻 Ca2+ / CaM 依赖蛋白激酶 OsCBK
与 CaM的解离常数ꎬ 证实它们之间的特异性和高
效性结合ꎮ 但是ꎬ 表面等离子共振技术需要借助昂
贵的 SPR 检测仪才能测定 Ca2+对钙结合蛋白结合
活性和构象的影响ꎮ
3  在活体内检测植物钙结合蛋白与 Ca2+结
合的方法
    (1)电泳迁移率改变分析(electrophoresis mi ̄
gration shift assayꎬ EMSA)
EMSA可以体外检测溶液中纯化钙结合蛋白与
钙离子的结合情况ꎬ 但在某些植物钙结合蛋白难以
在大肠杆菌体系中诱导合成时ꎬ 我们可以直接从植
物组织中提取膜蛋白ꎬ 再经过 EGTA和 CaCl2处理
后利用 SDS ̄PAGE 和 Western blot 检测ꎮ Zienk ̄
iewicz 等[36]检测了橄榄花药油体中钙结合蛋白
caleosin 对 Ca2+的结合效应ꎬ 发现 caleosin 与
Ca2+结合后的电泳迁移率变大ꎬ 证实 caleosin 是
一种植物钙结合蛋白(图 2)ꎮ
利用 EMSA进行体内检测的优点是不需要在
大肠杆菌体系中诱导和纯化植物钙结合蛋白ꎬ 而是
直接从植物组织中提取钙结合蛋白后ꎬ 利用 West ̄
ern blot检测 Ca2+对植物钙结合蛋白结合前后空间
构象的影响ꎬ 这也是测定植物钙结合蛋白最直接的
方法之一ꎮ
A
B
Ca2+
Ca2+
EGTA
EGTA
Ca +
EGTA
2+
Ca +
EGTA
2+
35 kD
35 kD
25 kD
25 kD
花药油体中钙结合蛋白 caleosin(A)和花药表皮中钙结合蛋白 ca ̄
leosin(B)提取和 EGTA 预处理后ꎬ 10 μg 蛋白分别与 CaCl2、
CaCl2 / EGTA或 CaCl2+ EGTA 温育一定时间ꎮ 利用全长 Clo3 抗
体和 Alexa633 交联的羊抗兔 IgG二抗ꎬ 测定 caleosin的电泳迁移
率变化ꎮ
Caleosin isolated from pollen OBs (A) and pollen coat (B) . Pro ̄
teins were extracted from pollen OBs and pollen coat and pre ̄
treated with EGTA. Proteins (10 μg) were incubated with CaCl2ꎬ
CaCl2 followed by EGTAꎬ or both CaCl2 and EGTA simultaneous ̄
ly. Immunoblots were probed with a FL anti ̄Clo3 Abꎬ followed by
an anti ̄rabbit IgG Alexa 633 ̄conjugated secondary antibody to
detect the electrophoretic mobility of caleosin.
图 2  Ca2+对橄榄花药油体中钙结合
蛋白 caleosin电泳迁移率的影响[36]
Fig􀆰 2  Effects of calcium ions on electrophoretic
mobility of caleosin isolated from pollen oil bodies[36]
    (2) 45Ca覆盖法( 45Ca overlay method)
该方法的原理是将植物钙结合蛋白与放射性标
记45Ca2+反应并进行 SDS ̄PAGE 电泳后ꎬ 利用放
射自显影直接检测凝胶上的标记强度ꎬ 就可以直接
检测出钙结合蛋白是否存在或与 Ca2+的结合强度ꎮ
1980 年 Schibeci 等[37] 最早利用 SDS ̄PAGE 和
45CaCl2标记反应的方法在凝胶上检测植物组织中
的钙结合蛋白ꎮ 1984 年 Anthony & Babitch[38]发
现ꎬ 改进该方法后检测钙结合蛋白的灵敏度提高了
40倍ꎬ 蛋白质的最少检测量为 0􀆰5 μgꎮ 随后ꎬ
Maruyama等[11]利用 Western blot 和45CaCl2标记
提出了检测植物钙结合蛋白与45Ca2+在 PVDF 膜上
结合的方法ꎮ 目前ꎬ45Ca覆盖法已经在大规模分离
和鉴定植物钙结合蛋白中被广泛应用ꎮ
(3)全染色染料染色方法( stains ̄all staining
method)
该方法的原理是: 在非变性条件下ꎬ Stains ̄all
染料与蛋白质结合前对可见光的最大吸收峰约为
525 nm且呈显红色ꎻ 而与蛋白质结合形成复合体
后对可见光的最大吸收峰为 600 nm 且呈显蓝色ꎬ
因此可利用 stains ̄all 染料在与钙结合蛋白结合前
766  第 6期                    邹娟子等: 植物钙结合蛋白与钙离子结合鉴定技术的研究进展
后其可见吸收光谱的变化ꎬ 在体外非变性电泳条件
下利用全染色染料染色快速、 定性鉴定钙结合蛋
白ꎮ 该方法特别适用于鉴定与 Ca2+结合力较强的
含有 2 ~ 6个 EF手结构域的钙结合蛋白ꎮ
1983年 Campbell 等[39]最早利用全染色染料
建立了这种鉴定钙结合蛋白的简便方法ꎮ 利用 2D ̄
PAGE分离植物细胞膜、 细胞质或细胞器中的总蛋
白后ꎬ 在非变性条件下进行 Stains ̄all 染色就可以
快速检测植株细胞中 Ca2+结合能力强的含有多个
EF手结构域的钙结合蛋白ꎬ 因此该方法在植物钙
结合蛋白大规模鉴定中的应用潜力较大ꎬ 值得进一
步推广和应用ꎮ
(4)双向 -十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺电泳
法(2D SDS ̄PAGE)
该方法的基本原理与 EMSA 类似ꎬ 主要是利
用钙结合蛋白与 Ca2+结合前后构象变化导致的电
泳迁移率 Rf发生变化特性ꎮ 2D SDS ̄PAGE 的实验
过程为: 先在第一向分离胶中加入 EGTA 进行电
泳ꎬ 然后切下小胶条带并利用平衡液处理ꎻ 再在第
二向分离胶中加入 CaCl2进行电泳ꎬ 然后对凝胶采
用考马斯亮蓝(CBB)染色或银染ꎬ 并观察不在对
角线上的蛋白质点谱带ꎬ 就可以获知植物组织中钙
结合蛋白情况ꎮ 因这些植物钙结合蛋白的构象在结
合 Ca2+前后发生了改变ꎬ 导致其在双向电泳中的
蛋白质点谱带不在电泳的对角线上ꎮ
1997年 Kameshita等[40]最早提出了 2D SDS ̄
PAG鉴定植物钙结合蛋白的方法ꎬ 并测定了 CaM
在 2D ̄PAGE 中的迁移率变化ꎮ 从图 3 中可以看
出ꎬ 在 EGTA或 EDTA(ethylenediamine tetraace ̄
tic acid)处理下 CaM 的电泳迁移率没有改变ꎬ 但
经过 CaCl2或 EGTA / EDTA先后处理后其电泳迁移
率发生了位移ꎮ 2D SDS ̄PAG 的优点是先从植物
组织中分离总蛋白ꎬ 再利用其与 Ca2+的结合特性
鉴定植物钙结合蛋白ꎻ 此外ꎬ 该方法操作比较简
单、 易行ꎬ 且不需要特殊的仪器设备ꎮ 因此ꎬ 2D
SDS ̄PAG是一种高通量快速分离和鉴定在不同生
长发育阶段和逆境处理条件下差异表达的植物钙结
合蛋白的好方法ꎬ 在植物逆境分子生物学领域将具
有很大的潜在应用价值ꎮ 目前ꎬ 作者所在课题组正
在从事这方面的相关研究ꎮ
4  展望
Ca2+是植物中主要的第二信使之一ꎬ 钙信号
传导途径是植物生长发育和逆境信号传导的主要
途径之一ꎬ 对植物钙信号传导途径的解析主要依
赖于植物钙结合蛋白的分离和鉴定ꎮ 植物钙信号
蛋白基因家族较为复杂ꎬ 主要包括 CaM、 CML、
CDPK、 CBL / CIPK等ꎬ 而且还可能包括含有 EF
手结构域的植物类受体蛋白激酶、 蛋白激酶、 磷
酸酶、 膜蛋白、 通道蛋白、 转录因子和酶蛋白ꎮ
因此ꎬ 利用生物化学和生物物理学方法鉴定植物
钙结合蛋白成为植物钙信号传导分子机制的主要
研究内容之一[1-3ꎬ7ꎬ8ꎬ17ꎬ40] ꎮ
本文综述了10多种植物钙结合蛋白的测定技
A B CkD
66
45
36
29
20
14
2􀆰 4 μg纯化 CaM在第一向和第二向介质均含有不同变性剂条件下进行 12% 2D SDS ̄PAGE 后考马斯亮蓝(CBB)的
染色结果: (A) 第一向和第二向介质均含有 EGTA / EDTAꎻ (B)第一向介质含有 CaCl2ꎬ 第二向介质含有 EGTA / ED ̄
TAꎻ (C)第一向介质含有 EGTA / EDTAꎬ 第二向介质含有 CaCl2ꎮ
Coomassie blue staining results of 2􀆰 4 μg of purified calmodulin subjected to 2D SDS ̄PAGEꎬ on 12% gels contai ̄
ning EGTA / EDTA in both the first and second dimensions (A)ꎬ on a gel containing CaCl2 in the first dimension and
a gel containing EGTA / EDTA in the second dimension (B)ꎬ and on a gel containing EGTA / EDTA in the first di ̄
mension and a gel containing CaCl2 in the second dimension (C) .
图 3  2D SDS ̄PAGE检测 CaM的电泳迁移率变化[40]
Fig􀆰 3  Analysis of calmodulin by 2D SDS ̄PAGE[40]
866 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
术和方法ꎬ 主要反映了钙结合蛋白与 Ca2+结合对
其蛋白质空间构象、 物理性质和化学性质的影响ꎮ
根据研究目的的不同ꎬ 可从定性结合、 定量检测和
结合方式等方面ꎬ 测定钙结合蛋白与 Ca2+的结合
情况ꎻ 还可将多种实验技术体系相结合检测植物钙
结合蛋白在体外和体内与 Ca2+结合后的生物物理
和生物化学的动态变化过程ꎮ
特别是在植物生长发育不同时期和不同组织中
先提取不同生物逆境或非生物逆境处理下植物组织
中的总蛋白ꎬ 再高通量测定植物钙结合候选蛋白
后ꎬ 进一步利用蛋白质组学和反向遗传学的方法鉴
定这些植物钙结合蛋白的生物学功能ꎬ 从而创建植
物钙信号传导的新途径和调控网络ꎮ 随着实验技术
体系的不断完善与成熟ꎬ 植物钙信号感应器蛋白结
构和功能的解析将会大大加速ꎬ 植物钙结合蛋白的
鉴定技术平台也将为植物钙信号传导的分子生物学
机制研究提供越来越多的技术支持ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
076 植 物 科 学 学 报 第 32卷