LEA蛋白研究进展

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生物技术通报 B iotechnology Bulletin
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2009 年第 9期
列富含高比例的带电荷氨基酸和甘氨酸 。第 2 组 LEA 蛋白也称为脱水素, 其一级结构特征: 在 C-末端 或附近具有富含赖氨酸基元序列, 也称 K-片段, 在高 等和低等植物中高度保守, 大约有 15 个氨基酸残基 ( EKKG I M DK I KEKLPG)组成 , 它的主要功能是作 为分子伴侣。第 3组 LEA 蛋白通常含有多拷贝的 11 个氨 基 酸组 成 的 基元 序 列 ( TAQAAKEKAGE )
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通过凝胶法和斑点杂交法的限制性片段多态性 [ 20] 证明陆地棉 ( G. hirsu tum ) LEA 基 因是 单拷 贝 。 插入外源基因 的拷贝数低 ( 1 或 2 个 ) 能较 好的表 达, 插入的拷贝数多则会导致表达的不稳定甚至基 因沉默现象。因此, 外源 LEA 基因可以较好的在转 基因植物中表达。 11 2 LEA 蛋白的结构 1985 年, M cCubb in 等最早研究了小麦 ( T riticum aestivum ) 第 1 组 LEA 蛋白基因 Em 的结构特征, 发 现该蛋白的结构比一般的球蛋白更疏松易变, 且处 于无规则结构状态, 例如 , A -螺旋、 B折叠或者自由
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卷曲等结构。他们认为这种结构的形成是由于该氨 基酸组成中富含甘氨酸 , 谷氨酸和谷氨酰胺残基等 亲水基团造成的。这些是最早发现的 LEA 蛋白的 典型特 征。菜豆 ( P isu m sa tivum ) 中 的第一 组 LEA 蛋白 P11只有 2% 折叠成 A -螺旋 , 使得该蛋白在 80b C 水浴 中也 能处于 溶解状 态, 从而有 利于脱 水应 激
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以进行亚组分类, 但是它们的功能和结构特征与已知 LEA 蛋白的关联性不大。 LEA 蛋白相对分子质量大小各异 , 例如 , 阔叶 香蒲 ( T ypha latif olia ) 的第 3组 LEA 蛋白是 8 kD, 而 线虫 ( C. elegans )中的编码 Ce- lea - 1 的第 3 组 LEA 蛋白是 77 kD, 而且它们的等电点也不相同。其显 著的理化特性是具有很高的亲水性和热稳定性, 即 使在煮沸条件下也能保持水溶状态 。 LEA 蛋白 的高度亲水性有利于 LEA 蛋白在植物受到干旱失 水时把足够的水分捕获到细胞内 , 从而保护细胞免 受水分胁迫的伤害
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在干旱状态下都
形成了高级结构。 11 3 LEA 蛋白的亚细胞定位 通过计算机软件 TMHMM v . 2
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预测和试验研
。
究, 证明了 LEA 蛋白不是跨膜蛋白 , 而是定位在包括 叶绿素、 线粒体、 细胞核和细胞质等亚细胞中 ( 表 1)。 [ 36] 研究报道 , N末端的信号肽证明了 3 组蛋白的两 个密切联系的蛋白定位在内质网膜 ( ER )上。当信号 肽被清除后该蛋白的含量也就急剧下降了。其他一 些信号也可以控制蛋白定位在线粒体和质粒中。例 如, 玉米中的第 2 组 LEA 蛋白 DHN1 /Rab17 的定位 取决于该蛋白的丝氨酸是否磷酸化, 当去磷酸化后该 蛋白就可以在细胞质之中定位 。应用生物信息学 的方法预测了一些 LEA 蛋白的定位 (表 2), 认为第 1 组 LEA 蛋白是定位于细胞核中, 而线虫中的第 3 组 LEA 蛋白均匀的分布在细胞质中
该蛋白的编码基因在植物种子胚胎发育晚期表达量丰富 , 而且在环境胁迫如干旱 、 低温 、 盐胁迫 、 A BA、 紫外 辐射和 N a HCO3 等 条件下 LEA 基因的 mRNA 也会大量累积 。 LEA 蛋白显著的理化特性是 具有很 高的亲 水性和 热稳定 性 , 即 使在煮 沸条件 下也 能保持水溶状态 。 LEA 蛋白在细胞中可以 稳定细胞膜结构 , 作为分 子伴侣 , 具 有结合 离子和防 止氧化 等作用 , 被 认为是 在胁 迫过程中对植物起保护作用的物质之一 。 针对这些重要特性 , 分别综 述了 LEA 蛋白的 分类 、 结构 、 编码基 因和表 达调节 方式 及其在植物生长过程中的作用 。 关键词 : LEA 蛋白 基因表达和调节 逆境胁迫
生物技术通报
# 综述与专论 #
B IOTECHNOLOGY BULLETIN
2009 年第 9期
LEA 蛋白研究进展
白永琴
摘 要:
杨青川
( 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 , 北京 100193)
LEA 蛋白 ( late embr iogenesis abundant prote in, LEA ) 是生 物体中 广泛存 在的一 类与渗 透调节有 关的家 族蛋白 ,
Study of Late Embriogenesis Abundant Protein
Ba iY ongq in Y ang Q ingchuan
( Institute of A nim al Science, CAAS, Beijing 100193) Abstrac: t
L ate e m bryogenesis abundant protein( LEA ) are a su ite o f i m po rtant fa m ily prote ins found in organ ism s , which are gen -
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条件下 LEA 蛋白 mRNA 也会大量累积 , 被认为 是在胁迫过 程中对 植物 起保护 作用 的物 质之 一。 LEA 蛋白在细胞中分 布广泛, 起 稳定细胞膜、 分子 [ 5] 屏障、 离子结合和 防止氧化等作用 , 这些 保护作 用对于植物在极端压力条件下存活是必需的。
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的 LEA 蛋白 EM B - 1 没有二级结构和三级结构 。 截形苜蓿 (M edicago truncula ta ) 中的第 1 组 LEA 蛋 白 M tEm 6 的 50 % 没有蛋白结构 , 尽管有 37 % A 螺 旋和 10 %是 B -折叠
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。
。同样, 也有报道胡萝卜 ( Daucus carota ) 中
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Dure 等 在 1993 年提出了根据棉花种子的原型进 行 LEA 蛋白的命名方法, 例如, D- 19第 1组, D- 11第 2组, D- 7 第 3 组 , 但是后来研究者们都直接用第 1 组, 第 2组, 第 3组。尽管大多数 LEA 蛋白被分为 3 大类之中, 但是还有报道根据序列的相似性和特征序 列分出了更小组别 : 第 4 组 ( D- 113), 第 5 组 ( D- 29) 和第 6组 ( D- 34)
收稿日期 : 2009 - 04 - 14 基金项目 : 国家科技 / 十一五 0支撑计划国家现代农 业产业 技术体 系建设 专项资 金资助 , 中部 温带地 区优质 高产、 抗 逆新品 种选 育的产 业化 示范 作者简介 : 白永琴 ( 1985-) , 女 , 在读硕士研究生 , 从事牧草生物技术研究 ; E-m ai:l baiyongq -03@ 163 . com 通讯作者 : 杨青川, E -ma i:l qchyang66@ yahoo. com. cn , Te: l 010-62815996
研究表明该组蛋白比球蛋白能结合更多的水分 。 第 3 组 LEA 蛋白也是同样 , 如线虫 ( Aphelenchus avenae)
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和大豆 ( soy bean )
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。有很多学者认为第 3
。第 1组和第 3 组 LEA 蛋白也可
组Hale Waihona Puke BaiduLEA 蛋白的结构是 A -螺旋的 , 其实不然, 它们主 要由球蛋白组成 , 在亲水力的作用下它们围绕亲 [ 30] 水核进行折叠 , 在结合了分子伴侣或者离子时也 会进行非天然折叠
erally invo lved in os m oregu lation . T hese genes encod ing prote ins are expressed abundantly at the late stage embryon ic developm ent o f plant seeds , or subjected to env ironm enta l stress such as drought , low temperature , salt stress, ABA, u ltrav io let radiation and sa line -al ka liza tion stress. Sign ificant phy sica l and chem ical prope rties o f LEA pro te in feature high hydrophilic and ther m al stab ility , even under condition o f bo iling w ate r they canm a inta in w ate r - solub le state . LEA prote ins can stab ilize the cellmembrane structure , and as mo lec ular chaperones , can comb ine ions and preven t ox ida tion . T he c lassifica tion and structure of LEA pro te in, encod ing genes , the ir ex pression and regulation and the ir ro les in different physio log ica l processes w ere summ a rized in th is paper .
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。环境条件的改变也可以改
变它们的折叠情况, 阔叶香蒲 ( T ypha latifo lia ) 中的 第 3 组 LEA 蛋白 ( 8 kD ) 在快速干旱条件下形成高 [ 32 ] 度 A 螺旋 , 同样, 线 虫的第 3 组 LEA 蛋白 Aav LEA1
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和豌豆线粒体的 LEAM
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, 第 2 组 LEA 蛋白也有相似
的结构特 征 , 比 如 在 玉 米 ( Z ea m ays ) , 复 活 植物 ( C raterostigm a p lantag ineum ), 柑橘 (C itrus ) 和拟南 芥 (A rabidop sis ) 中具有非常显著的非折叠结构
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以及 Lea5( D- 73) 和 Lea14( D-
。
95) 。W ise 利用生物信息学 ( POPP ) 技术分析 定义了 LEA 蛋白的超家族 ( SF s), 而每个主要组是由 一个或多个亚组 SF s组成, 比如第 2组 LEA 蛋白又可 以分为 2a和 2b
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1 LEA 蛋白概述
11 1 LEA 蛋白的分类和特点 1981年 Dure 等 在胚胎发育后期的棉花子叶 中首先发现了 LEA 蛋白的存在。后来 , 在包括大麦、 小麦、 水稻、 玉米、 葡萄种子和大豆在内的 20 种高等 植物中也发现了 LEA 蛋白。由于 LEA 基因序列的多 [ 7] [ 8] 样性 , 除了在高等植物体内, 在线虫 , 苔藓 中也发 现了 LEA 蛋白的存在, 使得 LEA 蛋白的分类从发现 以来一直是充满分歧。最早, 根据它们普遍存在的特 [ 9] 殊氨基酸序列, LEA 蛋白被分为 3组 。第 1 组 LEA 蛋白具有多拷贝串连的 20 个亲水氨基酸序列 , 该序
Key w ords :
L ate e m briogenesis abundant prote in G ene expression and regulation Env ironm enta l stress
晚期胚胎发生丰富蛋白 ( LEA) 是生物体中广泛 存在的一类与渗透调节有关的家族蛋白。研究发现 在植物胚胎发育晚期 , LEA 蛋 白表达量十分丰 富, 在成熟的棉花胚细胞中 , D7LEA 蛋白占非细胞器胞 质蛋白质的 4 % (约 0134 mM ) , 而且在环境胁迫 如干旱、 低温、 盐胁迫、 ABA、 紫外辐射和 NaHCO3 等