E3泛素连接酶调控植物抗病分子机理研究进展

E3泛素连接酶调控植物抗病分子机理研究进展作者：杨玖霞张浩王志龙王旭丽王国梁来源：《植物保护》2015年第04期摘要生物胁迫是影响我国农作物生产的重要因素，也是当前植物界研究方向涉及最为广泛的领域之一。

由泛素介导的降解途径是生物体内最为精细的调控体系，涉及对生物体的生长发育以及生物体对周围环境适应的调控等过程。

E3泛素连接酶因对底物有特异性识别作用，被认为是泛素化过程中最重要的组成部分。

依据其结构和功能的不同可以将E3泛素连接酶分为4个家族。

越来越多的研究表明这些不同的E3家族成员可以参与植物抗病免疫反应的各个过程。

本文在简要概括E3泛素连接酶分类的基础上综述了目前E3泛素连接酶参与调控植物抗病害方面研究进展，并对今后研究方向进行了展望，以期对抗病机理解析及抗病品种研发提供新思路。

关键词UPS；泛素化；E3泛素连接酶；PTI；ETI中图分类号：S 432.1文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.05291542.2015.04.001Recent progresses in the regulation mechanism ofE3 ligases in plant disease resistanceYang Jiuxia1，2，Zhang Hao1，2，Wang Zhilong1，Wang Xuli2，Wang Guoliang1，2（1. College of Agronomy， Hunan Agriculture University， Changsha410128， China； 2. State KeyLaboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests， Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing100193， China）AbstractBiotic stress is an important factor that affects crop production in China. It is also one of the most widely studied areas in plant sciences. Degradation mediated by the ubiquitin proteasome system （UPS） is one of the most sophisticated regulation systems in eukaryotes， which is involved in plant growth and development and in response to abiotic and biotic stresses. E3 ligase is considered as a key enzyme in the UPS due to its specific interactions with its substrates. Based on the differences in structure and function， E3 ligases can be divided into four main classes. In this paper， we review the recent progresses in the regulation mechanism of E3 ligases in plant disease resistance and propose new research directions.Key wordsUPS；ubiquitination；E3 ligase；PTI；ETI植物与病原物在长期相互作用过程中协同进化。

寄主针对病原菌相关分子模式（pathogenassociated molecule pattern， PAMP）包括模式识别受体（pattern recognition receptor， PRR），诱导的免疫反应PTI （PAMPtriggered immunity）[1]阻止病原物的侵染。

为了抵御寄主的PTI，病菌进一步分泌特异性的效应蛋白分子（effector），而植物则进化出专一的抗病（resistance， R）蛋白直接或间接识别病原菌特异拥有的效应蛋白，产生效应蛋白激活的免疫反应（effectortriggered immunity， ETI）[2]，以抵御病原物的侵袭，其中过敏反应（hypersensitive response， HR）是最典型的一种表现[3]。

植物PTI和ETI免疫反应中存在很多交叉相似的信号途径，比如蛋白质的翻译后修饰作用，JA（jasmonic acid）、SA（salicylic acid）、ET（ethylene）等信号分子的产生，活性氧和抗病相关基因的诱导。

植物激素是系统性信号的重要组分，并且对植物防御病原物的抗性水平有极其重要的影响，植物与病原物相互作用的同时常伴随着一些激素水平的明显变化，已有大量试验数据表明，这些变化及其相互之间的影响对植物抵抗生物胁迫至关重要[4]。

泛素/26S蛋白酶体（ubiquitin26S proteasome system， UPS）途径是真核生物细胞中一种重要的蛋白质翻译后修饰作用，涉及对生物体的生长发育以及生物体对周围环境适应性的精细调控[510]。

该过程首先是靶蛋白被泛素分子（76个氨基酸所组成的多肽）修饰标记，然后被蛋白酶体识别和降解。

其中，泛素对靶蛋白的修饰过程是由泛素活化酶（ubiquitinactivating enzyme， E1）、泛素结合酶（ubiquitinconjugating enzyme， E2）和泛素连接酶（ubiquitinligating enzyme，E3）3个酶所介导的级联反应共同催化完成[11]。

E3泛素连接酶是一个种类繁多的大家族，主要负责对靶蛋白的特异性识别，进而对其进行泛素化修饰。

近几年，越来越多的研究证据表明E3泛素连接酶参与了各种抗病信号反应途径的调控。

本文综述了E3泛素连接酶在植物免疫反应从最初病原物的识别到下游信号途径等各个过程中所发挥的正调控或负调控作用。

通过概括其参与植物抗病反应的分子机理，增加对病原菌与植物分子互作机理的认识，为重要农作物分子育种提供新思路。

1E3泛素连接酶分类UPS是植物细胞内蛋白质降解的主要途径，参与细胞内80%以上蛋白质的降解，与各种应激反应都有关联[9，12]。

Lee[13]和Mazzucotelli[14]等研究发现拟南芥中超过1 600个基因可以编码UPS（Ub/26S proteasome system）相关功能蛋白（超过全基因组总数的6%），其中有多于1 400个基因编码E3泛素连接酶；水稻中E3泛素连接酶基因也有1 300多个[15]，这些庞大的数字说明了E3泛素连接酶在植物生命周期中的重要性。

E3泛素连接酶根据结构的不同大致可以分为两大类：单亚基类型和多亚基类型。

其中前者又可分为HECT型（homologous to E6associated protein Cterminus）、Ubox型和RING型（really interesting new gene）；常见的多亚基CRL复合体（CullinRING ligase）如SCF（Skp1， Cullin， Fbox）类型连接酶[5，9，16]。

HECT类型蛋白C端含有一个约350个氨基酸残基结构域，此结构域包含有UbE2复合体的结合位点，其中保守的半胱氨酸位点可以用于接受Ub分子，在将底物泛素化之前首先以E3Ub中间体形式存在[17]。

而RING和Ubox蛋白在结构上是十分相似的单一多肽，他们可以通过锌螯合物和氢键或者盐桥将泛素分子（Ub）从UbE2中间复合物转移到靶标蛋白上[1819]。

RING结构域主要包括两种构型，由半胱氨酸（C）和组氨酸（H）组成的8个氨基酸与锌离子螯合而成的RINGH2和RINGHC构型；这种类型的泛素连接酶除了独立发挥作用以外，还可以CRL复合体的一个多亚基单位来行使功能。

CRL形式的E3泛素连接酶是指由Cullin、RINGbox和靶标蛋白识别元件共同组成的一个复合体[9]，常见的有SCF（Skp1， Cullin， Fbox），BTB（bricabractramtrackbroad complex），DDB（DNA damagebinding）[9]。

其中DDB复合体可以调节DNA的修复、DNA 复制以及转录，它可以被病毒所破坏。

常见CRL复合体中，对底物的特异识别依赖于Fbox蛋白，RING蛋白则与E2结合在一起[20]。

这些不同类别的E3连接酶家族成员都先后被报道参与植物免疫反应过程。

比如，通过细胞膜上的模式识别分子（PRR）调控植物对病原分子相关分子模式的识别，并调节细胞内的核苷酸绑定亮氨酸富集的免疫受体积累；另外E3泛素连接酶还可以一些囊泡运输成分或核转录因子为靶蛋白来调控病原菌识别免疫反应下游的各种信号途径。

2E3泛素连接酶和植物的抗病性2.1E3泛素连接酶调控植物PTI免疫过程目前，已有不少例证发现E3泛素连接酶可作为调节子参与植物细胞质膜PRRs （patternrecognition receptors）识别病原菌PAMPs所介导的PTI免疫反应过程（表1）。

其中研究较为深入的有，Lu等在研究拟南芥PRR蛋白FLS2（flagellinsensing 2）识别PAMP因子flg22所诱导的抗病信号反应过程中发现，在由受体蛋白FLS2和协同受体BAK1（brassinosteroid insensitive 1associated kinase 1）形成复合体这一复杂的信号通路中，受flg22结合FLS2的诱导，Ubox泛素连接酶PUB12和PUB13（plant Ubox）可被协同受体BAK1磷酸化，进而引起PUB12和PUB13直接泛素化FLS2以促进其降解，从而负调控FLS2介导的PTI免疫反应，抑制过量或持续的免疫反应激活对植物所造成的伤害[21]。

另一例发现为拟南芥中3个E3泛素连接酶PUB22、PUB23和PUB24的表达量受PAMP因子flg22和chitin以及病菌侵染的诱导表达，同时， Pseudomonas syringae pv. tomato经pub22/pub23/pub24突变体接种后，表现为对病菌的抗性增强、ROS含量增多、参与ROS形成相关基因RbohD表达量上调[2223]，以上结果表明这3个E3泛素连接酶负调控PAMPs诱导的PTI反应。