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Annexins: multi-functional complex in the process of plant growth

膜联蛋白: 植物生长过程中的多功能复合物



全 文 :广 西 植 物 Guihaia Sept.2013,33 (5):703-709       http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.3969/j.issn.1000-3142.2013.05.022
钱学磊,韩志颖,刘瑞齐,等.膜联蛋白:植物生长过程中的多功能复合物 [J].广西植物,2013,33 (5):703-709
Qian XL,Han ZY,Liu RQ,et al.Annexins:multi-functional complex in the process of plant growth[J].Guihaia,2013,33 (5):703-709
膜联蛋白:植物生长过程中的多功能复合物
钱学磊,韩志颖,刘瑞齐,于昌龙,闫海芳*,李玉花
(东北林业大学 生命科学院,哈尔滨150040)
摘 要:该文介绍了植物膜联蛋白 (annexins)以及在生长过程中不同生理活动所扮演的角色,如钙离子通
道的形成、膜融合、囊泡运输、信号转导和细胞骨架蛋白间的相互作用,以及可以结合F-肌动蛋白,具有
过氧化物酶、离子通道,使ATP和GTP水解的功能。
关键词:膜联蛋白;Ca2+;肌动蛋白;ATP酶;胁迫力
中图分类号:Q945.31  文献标识码:A  文章编号:1000-3142(2013)05-0703-07
Annexins:multi-functional complex in the
process of plant growth
QIAN Xue-Lei,HAN Zhi-Ying,LIU Riu-Qi,YU Chang-Long,
YAN Hai-Fang*,LI Yu-Hua
(College of Life Sciences,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)
Abstract:Annexins is a set of calcium dependent phospholipids binding proteins with multi-functions which are
widely distributed in the entire life cycle of animals and plants.This article reviews the functions of annexins in dif-
ferent physiological processes such as Ca2+channel,membrane fusion,vacuole transport,signal transduction and
interactions between cel skeleton proteins.At the same time,some members of this multigene family can be com-
bined with F-actin protein,and have the functions of peroxidase,ion channels,ATP and GTP hydrolysis.
Key words:annexins;Ca2+;actin protein;ATP;stress force
  膜联蛋白 (annexins)是20世纪70年代末发
现的一类新的膜结合蛋白,是一种普遍存在的可溶
性蛋白,普遍存在于动物、植物及菌类多种生物体
内,几乎所有这些物种器官中均有表达。是进化上
保守并依赖Ca2+与磷脂、膜可逆结合的蛋白家族,
这些多功能蛋白广泛分布于植物体。
1 植物界膜联蛋白的概述
膜联蛋白是一个多基因、分布广泛、种类繁多
的可溶性多功能蛋白家族。在植物、真菌、原生生
物、高等脊椎动物和一个近代原核生物的65种以
上物种中,现已发现并报道有超过200个膜联蛋白
序列 (Morgan et al.,2006)。膜联蛋白分布广
泛,其家族成员有500多种,共分为五类,脊椎动
物膜联蛋白属于A类,已被命名的有膜联蛋白A1
~A13;无脊椎动物膜联蛋白被归为B类;真菌和
一些单细胞真核生物属于C类;植物膜联蛋白属
于D类;原核生物被归入E类。植物中膜联蛋白
除主要定位于细胞质,还可导致脂质体和分泌囊泡
聚集,表明它们存在于膜组织上 (Blackbourn &
Battey,1993),还位于各种外膜系统 (Mortimer
收稿日期:2012-11-17  修回日期:2013-02-28
基金项目:中央高校基本科研业务费专项 (DL12CA10;DL09BA09);国家自然科学基金重点项目 (30730078)
作者简介:钱学磊 (1986-),女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要从事植物基因研究,(E-mail)ivycanwin@126.com。
*通讯作者:闫海芳,博士,副教授,主要从事植物育种研究,(E-mail)icyhf@yahoo.com。
et al.,2008),如离散的分布于 ER 上 (Lee et
al.,2004),游离的植物膜联蛋白可与各种膜 (包
括分泌囊泡、细胞膜)和内膜系统、ATP/GTP以
及肌动蛋白结合。植物膜联蛋白还可定位在植物液
泡膜 (Carter et al.,2004)、高尔基体和衍生的
囊泡上等。在拟南芥叶绿体中还发现AnxAt1。我
们所知道的大部分膜联蛋白研究来自于哺乳动物,
而植物膜联蛋白的研究相对较少。在单子叶和双子
叶植物中发现了膜联蛋白 (Hofmann,2004),包
括模式植物拟南芥和豆科苜蓿等 (Clark et al.,
2001),其中拟南芥的7个膜联蛋白基因和水稻的
9个膜联蛋白基因的基因组测序已完成 (Cantero
et al.,2006)。植物膜联蛋白中这种小分子 (32~
43kD)蛋白含量在植物细胞总蛋白含量中的比例
为0.5%~2% (Mortimer et al.,2008)。在细
胞中主要是参与膜转运及膜表面依赖于钙调蛋白等
一系列活动,如囊泡运输、胞吐作用中的膜融合、
DNA复制、信号传导、细胞增殖、凋亡以及离子
通道的形成。膜联蛋白的表达几乎存在于整个植物
生长过程中,在胚芽、种子、根、块茎、茎、下胚
轴、胚芽鞘、子叶、叶片、花序、果实、维管组织
中都有发现 (Cantero et al.,2006)。迄今为止,
植物膜联蛋白主要集中在结构和蛋白质功能的研
究,这些研究揭示了膜联蛋白的多功能性以及在体
内可能的作用位点。
2 植物膜联蛋白与动物膜联蛋白
的区别
植物细胞中的膜联蛋白分子量一般在32~42
kDa之间,从氨基酸序列来说,植物膜联蛋白与动
物膜联蛋白具有较大的相似性 (Clark et al.,
2001)。在进化上属于高度保守的多基因家族。膜
联蛋白各成员之间一级结构非常相似,几乎所有膜
联蛋白都具有两大基本特征。 (一)结构特征:C
端是保守的核心区域,包含4个结构和序列高度相
似的结构域,称之为 “Annexins repeat”;N端为
高度可变区域,是区分不同家族的主要依据。(二)
生物学特征:膜联蛋白最重要的生物学特征是
Ca2+依赖性磷脂结合活性,即膜联蛋白与磷脂的
结合具有两个特点,一是对Ca2+的依赖性,只有
在Ca2+存在的情况下才结合;二是这种结合是可
逆的,去除Ca2+后膜联蛋白与磷脂分开。每个植
物膜联蛋白蛋白包含2个主要区域,即多样性的N
端和保守的C端。N端结构域也称尾区,包括蛋
白水解位点、磷酸化位点以及与其他蛋白结合位
点,是膜联蛋白分子的功能调节区;保守的C末
端一般具有4个膜联蛋白重复序列 (膜联蛋白 A6
含有8个),每一重复序列由大约70个高度保守的
氨基酸残基构成,每一重复序列形成5个螺旋结
构,它们堆叠成致密的圆盘状,含有保守的内联蛋
白折叠区 (K-G-X-G-T- {38}-D/E),能够可逆地
结合Ca2+。此结构域先与带负电荷的磷脂分子极
性头部结合,再与细胞质内其它蛋白质和分子相互
作用 (Gerke & Moss,2002)。
尽管植物膜联蛋白和动物膜联蛋白都是由同一
种类进化而来并具有相似性,但植物和动物膜联蛋
白的结构还是有所不同。植物的膜联蛋白具有4个
区域,第一和第四个重叠区域具有特有的内联蛋白
序列 (Hofmann et al.,2003)。植物膜联蛋白的
N端区域比较短,约10个氨基酸序列。胡椒膜联
蛋白的晶体结构显示,这个较短的 N端区域与中
心区域相联系,对膜联蛋白的功能具有调节作用
(Mortimer et al.,2008)。例如辣椒的膜联蛋白
24具有膜联蛋白家族共有的特征,但其核心区与
非植物膜联蛋白结构有所不同,尤其在第一和第三
重复区域其N端由大约20个氨基酸组成,并且通
过氢键与核心区相连,这是在其它物种膜联蛋白结
构中没有发现 (Hofmann et al.,2000)。哺乳动
物膜联蛋白功能与其结构也紧密相关,其N端区域在
序列和长度上具有多样性,能够根据所结合的蛋白质
不同改变结构,来调节膜联蛋白与膜的结合,这对于
哺乳动物膜联蛋白起到调节功能多样性的作用
(Gerke &Moss,2002),还有一些次要修饰,包括磷
酸化、亚硝基化、谷胱甘肽化和N-肉豆蔻酰化,分别
由不同的信号通路调控 (Gerke et al.,2005)。由此
可以看出,植物和动物膜联蛋白在进化上相对保守,
但又因为物种本身对环境和生存的适应有所改变。
3 膜联蛋白参与生理活动
3.1膜联蛋白介导的信号转导
膜联蛋白是Ca2+信号转导途径中的重要组分,
与Ca2+结合是膜联蛋白的一个重要特点,哺乳动
物AnxA6已被证明是作为 Ca2+ 传感器,AnxA6
通过控制单体 GTP酶从而调控 GTP蛋白酶激活
(GAP)与膜结合 (Grewal et al.,2005)。除了通
407 广 西 植 物                  33卷
过调解酶的活性,三磷酸腺苷、鸟苷酸、环磷酸腺
苷、过氧化氢和pH值等也是膜联蛋白调节通道活
性的因素。植物膜联蛋白还可调节血浆内膜Ca2+
传导 和 放 大 通 道 信 号 的 能 力 (White et al.,
2002),动物膜联蛋白本身还可形成Ca2+通道来介
导信号转导过程 (Gerke et al.,2005),许多膜联
蛋白可以形成离子通道,但其功能 (特别是选择
性)有所不同,例如AnxA2参与氯离子通道的形
成,通过N端和S100A10蛋白结合,把离子通道
元件转运并定位 到 细 胞 膜 上 (Zhang et al.,
2012),膜联蛋白形成的通道对生长和信号传导有
重要作用。动物膜联蛋白通道活性的机制已提出,
因为动物膜联蛋白太大以至于无法跨越膜形成的离
子通道。在酸性pH值时,单体端螺旋插入形成较
长的螺旋,使其可以跨越膜。通过冷冻-断裂电镜
观察发现膜蛋白AnxB12图像在pH为4时是完整
的构象,而在pH 值大于4时其构象发生变化
(Hegde et al.,2006)。已在无脊椎动物观察到
AnxB12插入膜,而导致膜构象变化的现象 (Isas
et al.,2000)。已经发现拟南芥形成双层膜的K+
渗透通道,同时发现AnxAt1也是在低pH值情况
下有利于通道的形成 (Gorecka et al.,2007)。同
时还发现人类AnxA5形成的通道区包含两个假定
的盐桥 (Asp92-Arg117与 Glu112-Arg271),对
电压、Ca2+浓度和通道开放都起到调节作用 (Lie-
mann et al.,1996),这两种盐桥在植物膜联蛋白
也是很保守的序列,玉米膜联蛋白 AnxZm33/35
也包含这种假定的盐桥,并形成一个Ca2+渗透脂
质双层通道 (Nichols et al.,2005),作为Ca2+在
不利的 (极化)膜电压时渗透细胞膜的通道,调解
Ca2+进出细胞 (White et al.,2002)。
综上所述,膜联蛋白可以通过对Ca2+、酶活
性、电压等的调节从而介导信号转导的过程,在发
挥功能的过程中pH值、Ca2+浓度以及本身构象等
都起到至关重要的作用。例如,膜联蛋白与Ca2+
的可逆结合使得带负电荷的磷脂分子结合也是可逆
的,并且这种结合在酸性环境中会被削弱。同时膜
联蛋白与Ca2+结合不仅参与了信号转导过程也在
膜结合过程中起到了重要作用。
3.2Ca2+在膜联蛋白与膜结合的作用
无论是植物还是动物膜联蛋白都可与微摩尔形
式的Ca2+结合,并负调控磷脂的活性使磷脂转化
为磷脂酸 (Balasubramanian et al.,2001),此时
增加Ca2+螯合剂可使结合逆转。膜联蛋白可能是
依赖 [Ca2+]cyt、pH 值、脂质组成的一种膜相
关的插入蛋白 (Gerke & Moss,2002)。
哺乳动物膜联蛋白序列揭示了与磷脂结合的位
点,而植物膜联蛋白的此序列是不完全保守的
(Hofmann et al.2000),虽然在氨基酸序列存在
差异,但都有对磷脂结合的活性。例如玉米、甜
椒、棉花等一些植物膜联蛋白与磷脂结合区的序列
不同但都具有同样的活性 (Dabitz et al.,2005)。
由此可见,保守的序列似乎不是膜结合功能所必须
的,观察发现植物和动物膜联蛋白除了与磷脂外带
负电荷的磷脂酰丝氨酸结合,还与磷脂酰肌醇、磷
脂 酸 和 丙 二 醛 偶 联 脂 质 等 相 结 合
(Balasubramanian et al.,2001),同时发现疏水
作用也参与了膜联蛋白与膜的结合,例如 Anx-
Ca32复合体与膜结合涉及到多个氨基酸残基通过
氢键与膜上磷脂分子头部以及甘油主键的相互作用
(Dabitz et al.,2005)。膜联蛋白在中性pH 值的
环境下与膜结合需要Ca2+参与,但在酸性pH 值
(pH值<6.0)的环境中某些膜联蛋白结合到细
胞膜却不需要Ca2+ (Golczak et al.,2004),在中
性pH 值的条件下20% 膜联蛋白 (AnxGh1和
AnxCa32)在Ca2+不存在的情况下依然可以结合
脂质囊泡,加入去污剂后膜联蛋白被释放 (Dabitz
et al.2005),这一现象并不是膜结合不需要
Ca2+,可能是整个群体中已有一定比例的膜联蛋
白插入膜,因此在加入去垢剂后蛋白质被释放出
来。总而言之,植物膜联蛋白在酸性pH值与膜结
合时对 Ca2+ 的依赖性有所降低 (Blackbourn et
al.,1993)。植物膜联蛋白与膜结合不需要Ca2+
的机制目前还不完全清楚,但已知有一对保守的色
氨酸参与其中 (Dabitz et al.,2005),此外还有人
解释与膜结合不需要Ca2+是因为膜联蛋白与膜结
合整体依赖Ca2+的一个平台,因为膜联蛋白依赖
Ca2+的结合与不依赖Ca2+的结合之间存在着连续
性和相互性,所以与膜结合的这两种模式可能存在
着紧密的联系。在耐寒型小麦中发现了4种膜联蛋
白,其中2种是可溶性蛋白,分子量分别为34
kDa和36kDa,它与以前在植物中发现的二聚体
相似,另外2种是从微粒体分离出来的,分子量分
别为39kDa(P39)和22.5kDa(P22.5)。生化
分析表明P39和P22.5都是胞内蛋白,它与其他
植物膜联蛋白不同的是,这两种微粒与膜的解离不
依赖于Ca2+,这是首次报道植物体内有对EGTA
有抗性的膜联蛋白。免疫印迹分析表明,小麦低温
5075期         钱学磊等:膜联蛋白植物生长过程中的多功能复合物
处理1d后P39和P22.5含量达最高,并聚集在
质膜上,这种快速而大量的积累表明它们可能与低
温信号转导的早期事件有关 (Breton et al.,
2000)。其中大多数的植物膜联蛋白在细胞质中被
发现,但同时也结合或插入在质膜和内膜上。
可见膜联蛋白结合膜是顺应环境动态变化的,
这与他们参与信号传递和对环境的适应性是相互协
调的。此外多种胁迫反应涉及膜联蛋白的表达量和
定位的变化,这意味着膜联蛋白可能是胁迫反应中
的信号转导因子 (Lee et al.,2004)。
3.3膜联蛋白在非生物胁迫中发挥功能
膜联蛋白的表达还受到各种非生物胁迫调控,
这意味着某些膜联蛋白的表达调控与植物对非生物
胁迫耐受是相关的,膜联蛋白具有酶的功能,它可
能直 接 参 与 胁 迫 过 程 中 信 号 转 导 的 调 控
(Konopka-Postupolska et al.,2009)。关于膜联
蛋白参与植物应对胁迫反应的第一例报道是对蒺藜
苜蓿 (Medicago sativa)渗透、ABA、干旱胁迫
均能使膜联蛋白 (AnxMs2)的表达上调 (Kovacs
et al.,1998)。小麦遭受冷害胁迫后,膜联蛋白
P39和膜联蛋白P22.5表达量增加并插入到质膜
中,调节信号传导中 Ca2+ 或细胞质中游离的
Ca2+,以应对非生物胁迫 (Breton et al.,2000),
对火炬松 (Pinus taeda)干旱胁迫,膜联蛋白的
表 达 量 也 上 调 (Laohavisit et al.,2009)。
Cantero et al. (2006)发现,拟南芥中8个 An-
nexins基因在干旱和盐胁迫等不同的胁迫诱导下
都不同程度地发生变化,盐和干旱胁迫拟南芥发现
AnnAt1和AnnAt4在拟南芥种子萌发中起重要作
用。AnnAt1和AnnAt4有可能是在ER上形成离
子通道,或者与ER上的Ca2+通道相互作用从而
调控通道的开启,介导Ca2+释放到细胞质中达到
信号转导的作用。AnnAt1和 AnnAt4依赖光和
Ca2+,是渗透胁迫和ABA信号转导中的重要组分
(Huh et al.,2010)。其中AnnAt1是迄今为止研
究最为充分的膜联蛋白,这可能拟南芥中AnnAt1
的含量丰富相关。AnnAt1有两个保守的II型
Ca2+结合位点。拟南芥中 AnnAT1的含量在氧化
胁迫、ABA、干旱、冷害和盐胁迫下表达上调
(Cantero et al.,2006)。AnnAt1还可氧化修饰,
如谷胱甘肽化 (S-glutathionylation),形成寡聚
物,导致AnnAt1对Ca2+的亲和力降低,氧化还
原反应形成AnnAt1的聚合物可能会引起AnnAt1
的失活 (Konopka-Postupolska et al.,2009)。某
些膜联蛋白的蛋白甚至参与了植物应对胁迫的过
程,如ABA处理、渗透胁迫、干旱胁迫时膜联蛋
白表达量上调,通过转录组学的研究证实拟南芥在
应对各种非生物胁迫中,膜联蛋白的表达量发生了
一定的变化 (Vandeputte et al.,2007)。其中机
械胁迫使细胞质中的Ca2+浓度增加,这可能与细
胞膜中的膜联蛋白相关联,从机械胁迫的结果看,
它们可能作为生长调节物质支配径向的膨胀,从而
进一步调节质膜的应激反应。寒冷胁迫下,杨树叶
的膜联蛋白表达量增加 (Renault et al.,2006),
在病原体侵入时拟南芥 AnxAt4、番茄 AnxLe34
和烟草 AnxNt12表达量都有所增加 (Truman et
al.,2007;Vandeputte et al.,2007)。此外磷酸
盐和过氧化氢等都会对相应植物产生非生物胁迫,
致使膜联蛋白的含量发生改变,膜联蛋白的表达受
到各种非生物胁迫调控,这意味着某些膜联蛋白的
表达调控与植物对非生物胁迫耐受是相关的,并且
膜联蛋白具有酶的功能很有可能直接参与胁迫下信
号转导的调控,但在具体过程中所发挥的功能还有
待于进一步的研究,膜联蛋白不仅在非生物胁迫过
程中起到相关作用,还与肌动蛋白相互作用。
3.4膜联蛋白与肌动蛋白相互作用
丝状肌动蛋白对细胞的外形起到了支撑的作
用,尤其是在植物细胞某些组织的发育和信号传导
中起重要作用 (Drobak et al.,2004)。有少量的
动物膜联蛋白可与肌动蛋白结合,总体上来说肌动
蛋白与膜联蛋白的相互作用几乎仅限于动物膜联蛋
白 (Hayes et al.,2004),这种现象在植物膜联蛋
白中很少见 (Konopka-Postupolska,2007)。对于
膜联蛋白与肌动蛋白结合作用机制还知之甚少,但
似乎与其C-末端序列相关联。对植物膜联蛋白与
肌动蛋白结合的证据说法各异。一些膜联蛋白,如
A1、A2、A5和 A6,无论是在体内还是体外,都
能与微丝结合,这种结合是Ca2+依赖性的,与微
丝的结合受膜联蛋白蛋白翻译后修饰的影响,比如
磷酸化。膜联蛋白A1和 A2在体外不仅能结合到
微丝上,还能促进微丝成束。除了结合微丝之外,
一些特异的膜联蛋白还能结合到一些与微丝相关的
蛋白上,间接地影响微丝的动态活动。其中番茄和
含羞草的膜联蛋白在体外都可通过对Ca2+依赖性
与F-肌动蛋白结合 (Hoshino et al.,2004)。一
系列在脊椎动物细胞的体内实验证实膜联蛋白与肌
动蛋白的相互作用几乎都发生在膜表面,膜联蛋白
定位在膜的某些区域与肌动蛋白相连接,类似于细
607 广 西 植 物                  33卷
胞核与细胞膜之间的接触。从西葫芦衍生的F-肌
动蛋白,有两个与膜联蛋白相关的蛋白与细胞膜结
合 (Hu et al.,2000)。膜联蛋白还可以和细胞骨
架相互作用,其中膜联蛋白 A1和profilin蛋白结
合有b调节肌动蛋白聚合的作用,磷酸化膜联蛋白
A1能使肌动蛋白大量聚合从而抑制肾上腺皮脂激
素分泌。膜联蛋白A2直接结合F-肌动蛋白从而建
立和稳定生物膜的结构和结构域 (黄逸群等,
2012)。棉花、甜椒、玉米的膜联蛋白都已广泛的
研究,无论是否缺乏钙都有与肌动蛋白的亲和作用
(Hoshino et al.,2004)。研究最多的两个物种拟
南芥和苜蓿的膜联蛋白,其中拟南芥序列包含一个
完整或部分保守的F-肌动蛋白结合基序,但尚未
对F-肌动蛋白结合研究透彻。膜联蛋白与肌动蛋
白相互作用的功能意义目前尚不清楚,但猜想膜联
蛋白与肌动蛋白的相互作用参与了胞外分泌和信号
传导 (Konopka-Postupolska,2007)。
3.5膜联蛋白在胞外分泌、生长和发育中的作用
植物和动物膜联蛋白在膜运输和信号转导过程
中都起到重要的作用。动物膜联蛋白针对特定的蛋
白质膜位点显示参与了分泌和内吞作用 (Gerke et
al.,2005)。植物膜联蛋白在细胞高分裂率的质膜
中含量丰富,特别是在伸长细胞中的含量很高,如
根毛 发、花 粉 管、蕨 类 假 根 (Blackbourn &
Battey 1993)。在拟南芥和玉米的根伸长区检测到
膜联蛋白的存在 (Bassani et al.,2004;Clark et
al.,2005a,b),膜联蛋白可能与根毛伸长初期生
长有关,具体研究拟南芥膜联蛋白 (AnxAt2)发
现它参与了侧根的发展 (Clark et al.,2005a)。最
近在水霉的研究中发现膜联蛋白具有激发 (1-3)-
BD-葡聚糖合成酶活性的能力,这意味着膜联蛋白
在细胞壁合成过程中起到调节作用 (Bouzenenza et
al.,2006)。相对于棉花的膜联蛋白 (AnxGh1)
的抑制作用,说明不同膜联蛋白在不同物种具有不
同的调节作用 (Andrawis et al.,1993)。用氧化
脂质诱导处理拟南芥,AnxAt7表达上调对胼胝质
的形成和对波浪状根、侧根的生成产生抑制作用
(Velosilo et al.,2007)。除了在胞吐和细胞壁合
成的作用,个别膜联蛋白可以充当Ca2+或GTP传
感器来协调表达。例如1998年Carrol等的实验显
示膜联蛋白可以影响分泌泡的融合。它们把从玉米
胚芽中纯化出来的膜联蛋白 (P33,P35)加入到玉
米根冠外部,然后在根冠部位外加钙离子以活化膜
联蛋白,使胞吐过程受到显著的促进;当Ca2+为
40mmol·L-1 时达到饱和,继续增加钙离子浓度
则胞吐作用不再增强;外加灭活的膜联蛋白时,对
于胞吐作用没有刺激作用;生化实验结果显示植物
膜联蛋白能够引起囊泡的钙依赖性聚集。以上结果
表明,植物膜联蛋白参与了胞吐过程。膜联蛋白的
家族成员还参与生物体组织癌变的生理过程,例如
ANXA2作为蛋白酶和细胞外基质蛋白的受体能够
激活蛋白酶并启动蛋白水解级联反应,选择性降解
细胞外基质蛋白和基底膜,从而导致肿瘤细胞的黏
附、浸润和转移等 (张海健等,2012)。
4 膜联蛋白的生物活性作用
4.1膜联蛋白的过氧化物酶活性
植物体各种生理功能大多依赖于 ROS以及
[Ca2+]cyt的调节。膜联蛋白是小分子Ca2+依赖的膜
结合蛋白,也能够插入到膜中,他们特有的结构域
不仅具有过氧化物酶活性还能够作为Ca2+的运输蛋
白 (Laohavisit et al.,2009),因此膜联蛋白的过氧
化物酶活性可能与信号转导有相应关系。活性氧生
成量与植物 (热带)的生长和发育有关,在一定情
况下活性氧控制细胞质中的Ca2+浓度 (Gapper &
Dolan 2006)。膜联蛋白已被确定为M.truncatula质
膜脂质筏上具有传递信号和氧化还原功能的一种蛋
白质。在动物体内过氧化氢量增加Annexins与膜结
合量增加,并诱导膜通道的形成 (Balasubramanian
et al.,2001)。有几种确定的植物细胞中活性氧可
以激活植物膜联蛋白通道的形成 (Foreman et al.,
2003),它 们 通 常 锚 定 在 肌 红 蛋 白 的 骨 架 上
(Konopka-Postupolska et al.,2009)。另外与脂质筏
相关的膜联蛋白可以作为过氧化物酶在局部活性氧
信号 “中心”起作用。作为过氧化酶,膜联蛋白可
以通过跨细胞的信使或氧化生成过氧化物传递/终止
信号调节过氧化物,可知膜联蛋白具有保护作用,
在应激条件下 (如病原体侵入、干旱、盐碱、寒冷、
缺氧、营养匮乏)导致活性氧的产生,同时膜联蛋
白积累或迁移到膜。但目前还不清楚是否是活性氧
升高改变细胞质的Ca2+浓度而触发膜联蛋白一系列
的反应。
4.2ATP酶和GTP酶的活性
与ATP和 GTP结合是动物膜联蛋白的一个
共性,核苷酸结合序列被认为是FXXKYD/EKSL
(Bandorowicz-Pikula et al.,2003),植物膜联蛋
白不仅结合嘌呤核苷酸,而且能将它们水解 (Shin
7075期         钱学磊等:膜联蛋白植物生长过程中的多功能复合物
书&Brown,1999)。相对植物而言,动物膜联蛋白
结合和水解核苷酸可能取决于 Walker的一个基序
(GXXXXGKT/S)和一个 GTP酶家族 GTP结合
的基序 (DXXG)。这些基序已在AnxGh1f第四重
复区域中被发现,C-末端缺失和失去了第四重复区
域导致 GTP酶失活 (Shin &Brown,1999)。在
拟南芥AnxAt2和AnxAt7的第四重复区域有极大
的相似性 (Clark et al.,2001)。在番茄膜联蛋白
与肌动蛋白结合后 GTPase活 性 仍 然 起 作 用
(Calvert et al.1996),这表明膜联蛋白与细胞骨
架的关联可能具体定位在细胞的GTP酶功能。棉
花的膜联蛋白在Ca2+存在时对GTP酶的活性具有
抑制效果,但对玉米膜联蛋白 (AnxZm33/35)
ATP酶和GTP酶的活性却没有抑制作用,对棉花
膜 联 蛋 白 (AnxAt2) 和 玉 米 膜 联 蛋 白
(AnxZm33/35)的主要序列比对,发现GTP结合
的序列与Ca2+结合区域的第四内联蛋白基序重叠
(Shin & Brown,1999),这样Ca2+ 和 GTP可能
竞争与其结合。现已证明番茄中,膜联蛋白在
Ca2+介导的与磷脂结合过程中,抑制了GTPase活
性,表明膜联蛋白与膜的结合阻止了GTP到达其
催化位点 (calvert et al.,1996)。总体而言,膜
联蛋白通过Ca2+和膜结合调节酶的活性,可能是
在时间和空间上的共同作用效果,尽管催化相
同的反应,番茄、玉米、棉花的膜联蛋白却有
不同的作用,这说明不同的植物膜联蛋白履行
不同的角色。
5 展望
膜联蛋白参与许多重要的细胞活动,膜联蛋白
常与质膜、内膜、细胞骨架蛋白等相联系,具有十
分广泛而重要的生理功能,比如参与细胞的胞吞和
分泌、形成膜离子通道、囊泡运输、膜运输、质膜
融合、膜重组、离子交换等。膜联蛋白还参与到细
胞膜结构域的建立及稳定性的维持、离子跨膜的调
节、具有过氧化物酶的活性、Ca2+在细胞中的浓
度、编程性细胞凋亡的调节等。但大多数植物膜联
蛋白的生理功能仍尚未完全知道,已引起人们的关
注。目前对植物膜联蛋白的研究集中于传感相关作
用、参与骨架调节、信号通道作用、过氧化物酶等
方面,可见植物膜联蛋白是体内潜在的多功能蛋白
质。随着生物技术的不断发展,更多膜联蛋白将会
被研究,同时运用功能基因组学、遗传、生化等方
法进一步证实新膜联蛋白功能,将有利于进一步探
讨或阐明植物应答各种逆境胁迫的生理 (或病理)
机制和生长机制等。
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