PG酶

提要概述了植物多聚半乳糖醛酸酶（PG）的作用方式、组织定位、序列结构及其功能等。对PG同工酶、序列差异性及功能多样性进行了讨论。

关键词植物；多聚半乳糖醛酸酶；功能；综述

Structure and Function of Plant Polygalacturonases-A Review

Lu Shengmin，Xi Yufang，Jin Yongfeng，and Zhang Yaozhou

(Biochemistry Institute，Food Science and Technology Departme nt，Zhejiang University，Hangzhou 310029)

Abstract The action mode，localization，sequence structure and function of plant polygalac-turonases were summarized，and their iso-enzymes，sequence difference and function multiformity were also discussed.

Key words Plant；Polygalacturonase；Function；Review

果胶是植物细胞壁的主要成分之一，与半纤维素一起组成共同伸展的网络状结构，纤维素微纤丝镶嵌在其中，这是Carpita等提出的植物初生壁模型〔1〕。果胶类分子的主要特征是由α-(1→4) 连接的D-半乳糖醛酸线状链，其中有些半乳糖醛酸的羧基发生了甲基酯化，有的在线状主链上插入了一些鼠李糖单位，这些鼠李糖残基上常带有富含阿拉伯聚糖和半乳糖的侧链。果胶结构通过二价阳离子交联及与其它细胞壁聚体共价结合而加强。植物细胞分化和形状巨变时，果胶网络结构发生系统性的分解，因此，果胶代谢在植物发育过程中具有重要的作用。

许多酶与催化果胶降解有关。外切和内切多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶裂解酶、果胶甲基酯酶和β-半乳糖苷酶通过作用于中性支链残基而使果胶聚合体的分子量降低〔2〕。此外，还有可能存在至今未发现的酶在裂解果胶与细胞壁其它结构网络间的共价键上起作用。人们对PG调节果胶降解已有广泛研究，本文综述植物PG的结构与功能研究进展。

1 PG的作用方式和组织定位

早在1965年，Hobson〔3〕用细胞壁蛋白粗提液体外降解纯化果胶的方法发现了果实软化与PG活性的相关性，并将PG按作用方式分为内切多聚半乳糖醛酸酶（endo-PG）、外切多聚半乳糖醛酸酶（exo-PG）和寡聚半乳糖醛酸酶（oligo-PG）。前者以内切方式水解断裂多聚半乳糖醛酸链，后二者以外切方式依次

从半乳糖醛酸多聚链或寡聚链的非还原端释放出一个单体或一个二聚体。endo-PG对底物的特异性较强，exo-PG则较弱。

Tieman〔4〕应用免疫定位法检测整个番茄果实中的PG蛋白，发现PG的积累首先出现于心皮到果实中柱的这部分组织中，其次出现于果皮组织和其辐射状细胞的细胞壁中，在时间上PG的积累和茄红素的积累同步，PG蛋白大多存在于细胞壁间层或初生壁，少量定位于细胞质膜上。Pear用趋于成熟的番茄果皮为材料，应用PG-cDNA探针进行分子杂交，发现PGmRNA在果皮外层细胞和维管区细胞内含量较高〔5〕。

另外，PG也在果实、叶和花脱落区，豆荚、花药、花粉粒、花粉管及快速生长组织中被检出，表明PG参与植物发育的许多过程。

2 PG同工酶

Tucker等〔6〕研究番茄PG时发现共有2种同工酶，分别是PG1和PG2。PG1分子量较大，等电点为8.6，热稳定性较好，出现于果实成熟的早期阶段。Brady等〔7〕又发现，随着果实的成熟出现2种分子量较小的同工酶，即PG2A和PG2B，分子量分别为42kD和46kD，其等电点均为 9.4。以后的研究证实PG2A 和PG2B是同一基因的产物，其差异只在于糖苷化的程度不同〔8〕。这3种同工酶均为糖蛋白。PG蛋白的SDS变性及蛋白酶消化反应〔6〕，免疫交叉反应〔9〕表明了PG1是PG2A或PG2B与其它亚单位的非共价复合体。Giovannoni等证明了这2种同工酶在DNA 水平上源自于同一PG基因组〔10〕。Pressey纯化出了这种能将纯化的PG2A和PG2B转换成PG1的因子，将其命名为PG转化子〔11〕，这是一个约为100kD 的糖蛋白，对蛋白酶敏感，但具有很高的热稳定性。由于PG转化子能在未成熟组织中被检出和某些抽提条件下只能得到PG2同工酶，所以Pressey〔12〕认为PG1只是抽提过程中所得的假象，并不一定存在于果实中。Knegt等〔13〕发现纯化的PG转化子与PG2形成相似于PG1的产物，将其命名为PGx，同时将纯化的PG1加热产生了类似于与PG2形成PGx的转化活性，且发现未反应的PG转化子定位于植物细胞壁。因此他们提出PG转化子的功能是负责PG或其它蛋白结合于植物细胞壁，PG1可能是成熟过程中具生理活性的PG形式。

3 PG结构及序列的差异性

目前已被克隆的果实PG基因大约有8kb的转录单位，编码区序列一般为4kb 左右，被8个大小不一的内含子打断，每个基因组中可能只含一个PG基因拷贝。花粉专一的PG基因内含子数量较少，只有3～4个〔14〕。根据cDNA序列推导出的初生肽与成熟PG 蛋白进行的比较，发现PG蛋白在翻译时或翻译后进行了一系列的加工。PG-cDNA初生肽N-末端部位有一典型的疏水信号序列，引导PG蛋白进入内质网腔和定位于细胞壁。PG-cDNA初生肽有4个潜在的糖苷化位置，至今还不清楚这些位点的功能，但可以解释按

cDNA推算的PG分子量和SDS-PAGE电泳之后的蛋白分子量之间的差异。在PG加工过程中，前导肽和羧基端13 个氨基酸被剪切，最终形成一个成熟的PG蛋白〔25〕。

将所有真核和原核PG蛋白序列排列分析表明有4个保守结构域存在，其中结构域Ⅲ中的H残基被认为与催化反应有关〔15〕。在所有真菌和植物PG中，半胱氨酸残基的位置均有较好的保守性。果实成熟和花粉专一的PG排列有以下不同：①果实成熟的PG有一相当长的氨基端结构域。②在这一结构域内，大约在105位的保守的天冬氨酸残基处有一保守的小区F-G -A-〔KR〕-G-D-G，而在花粉PG中则无；这个Asp （D）残基及相应的118位的Cys残基在大多数PG中是保守的。③335位的Cys残基只局限在花粉专一的PG中。除了这些差异之外，花粉与果实成熟有关的PG显示了较高的序列同源性。

植物发育不同阶段的PG活性是由多基因家族编码的，并受到时空的差异表达。不同PG基因家族成员编码的氨基酸序列差异较大。例如，番茄果实成熟有关的PG序列与1个番茄脱落区的 PG只有41%的同源性，而却与1个瓜果PG基因（MPG3）有60%的同源性，这表明PG基因家族成员序列的差异先于主要的被子植物家族的差异的出现。

尽管许多PG序列在总长上显示了相对高的差异，但仍有一些高度保守的区域存在，尤其是在酶的羧基端，该部分的一些高度保守的残基与催化功能有关〔16，17〕。这些保守序列区已用于设计简并寡核苷酸引物通过RT-PCR方法克隆基因家族成员，其中包括至今克隆的所有PG的高度保守的区域GHGISIGS，该区域可用来鉴定序列是否编码PG蛋白〔18～20 〕。

Hadfield等对众多的已克隆植物PG的氨基酸序列进行分析，将PG分成三大分化单位〔20 〕，即分化单位A（果实和脱落区，无预期的前序列），分化单位B（果实和脱落区，具预期的前序列），分化单位C（花粉区，无前序列的外切PG）。分化单位A由非花粉组织中表达的基因组成，编码缺乏一段预期的前序列的蛋白；分化单位B由所有的克隆编码具前序列的PG基因组成（包括番茄成熟PG）；分化单位C

完全由花粉表达的基因组成，编码外切PG，反映了PG的一种功能上的差异。然而多数的已克隆PG的生化作用方式仍不清楚，有可能在分化单位A和B中的成员也含exo-PG。

N端的一段前序列只在PG的某一分化单位存在，这种前序列的功能至今不明，但可能以一种非活性状态在蛋白向最终定位运送过程中起作用，也有可能将蛋白定位在细胞壁的某一专门的位置上〔8〕。由于将删除前序列部分长度的序列重新排列可产生1个具同样3种分化单位的种系发生树，这表明前序列并不是序列分类的依据。至今将PG分成三大分化单位的功能意义仍不清楚。

4 PG功能的多样性

PG蛋白于35年前被首次分离并被认为参与植物发育许多阶段的果胶降解，尤其是那些需要细胞分化的阶段。例如，PG活性与器官脱落〔21〕，豆荚和花药裂开〔22〕，花粉粒成熟和花粉管生长有关〔23〕。