乙烯信号转导通路研究

顶 端 弯 钩 加 剧 （ １ 。科 学 家 通 过 基 于 “ 重 反 应 ” 行 图 ） 三 进
的 ｃ末 端 与 已知 蛋 白没 有 任何 同源性 ， 是 如果 在拟 南 但
三 重 反应
遗传筛选的方法 ， 过 去的近 ２ 在 ０年 中找 到 一 系 列 拟 南 芥 的 乙烯 突变 体 （ ２ 。这 些 突变 体 可 以被 分 为 ３种 类 图 ）
上 与 Ｒａ 蛋 白激 酶 的相 似 性 ， 们 很 容 易 联 想 到 ＣＴ ｆ 人 Ｒ１
在 乙烯 信 号 通 路 中是 否 作 为 一 种 ＭＡＰ ＫＫ 通 过 介 导 Ｋ
一
条 ＭＡＰ 级 联 反应 而激 活 下 游 乙 烯信 号 。虽 然 生化 Ｋ
结构相 似 性 被 分 为 两 大类 ， 类 受 体 包 括 Ｅ 一 ＴＲ１和 Ｅ １ 另 一类 受 体 包 括 Ｅ ＲＳ ， ＴＲ２ ＥＲＳ ， ２和 ＥＩ Ｅｌ 。研 Ｎ４ 。２ 究表明， 乙烯受 体 的 Ｎ 端 涉 及 受 体 的 膜 定 位 、 乙烯 结 合
以及 受体 的二 聚化 等 基本 功 能 ， 此 ５个 乙烯 受 体 在 Ｎ 因 端 具 有较 高 的 相 似性 Ｅ － ］ 乙烯 受 体 的 Ｃ 端则 是 类 似 ２２ 。 ５６
通 路 。 在 模 式 植 物 拟 南 芥 中 ， 条 通 路 的 最 上 游 是 由 一 个 多 基 因 家 族 编 码 的 乙 烯 的 ５个 受 体 Ｅ Ｒ１ Ｔ ，Ｅ １ 这 Ｔ ，Ｅ Ｒ２ ＲＳ ， Ｅ ２和 Ｅ Ｎ４ 与 之 相 结 合 并 共 同 定 位 于 内质 网 上 的 是 一 个 类 似 Ｒａ ＲＳ Ｉ 。 ｆ的 蛋 白 激 酶 ＣＴ 。 在 没 有 乙 烯 存 在 的 条 件 Ｒ１ 下 。 体 和 ＣＴ 受 Ｒ１的 结 合 能 够 协 同 抑 制 下 游 乙 烯 信 号 。 在 这 两 类 负 调 控 因 子 的 下 游 是 乙 烯 信 号 的 正 调 控 因 子 Ｅ Ｎ２ Ｉ 。 如 果 ＥＩ Ｎ２基 因 突 变 。 使 有 高 浓 度 乙 烯 存 在 ， 物 黄 化 苗 也 将 表 现 出 完 全 的 乙 烯 不 敏 感 表 型 ， 示 出 Ｅ Ｎ２在 乙 烯 即 植 显 Ｉ
型 ： 乙烯 过 表 达 突 变 体 ， ｅｏ ，ｅｏ ，ｅｏ ； 组 成 ① 如 ｔ１ ｔ２ ｔ３ ② 型 乙烯 反 应 突 变 体 ，如 ｃｒ ； 乙烯 不 敏 感 突 变 体 ， ｔ１ ③ 如
ｅ ｒ ，ｅ ｒ ，ｅｎ２ ｅｎ ， ｅｎ ， ｅｎ 以 及 ｅｎ Ｅ一 。 ｔ１ ｔ２ ｉ ， ｉ ３ ｉ ４ ｉ ５ ｉ６ ， ２
类 似于 哺 乳动 物 Ｒａ ｆ家 族 的 丝 氨 酸 ／ 氨 酸 蛋 白激 酶 。 苏 Ｃ ＴＲ１通 过其 氨基 端 与 内质 网 上 的乙烯 受 体 的羧 基端 相 结合 而 被 间 接 锚 定 在 内 质 网 膜 上 ， 而 形 成 受 体 一 从 Ｃ ＴＲ１复合 体 ， 且 ＣＴ 而 Ｒ１对 下 游 乙烯 信 号 的负 调 控 功
信 号 通 路 中 的核 心地 位 。在 ＥＩ Ｎ２的 下游 是 乙烯 信 号 的转 录 因子 家 族 Ｅ Ｎ３以及 Ｅ Ｌ ， Ｉ ｌ ｓ 它们 在 响 应 乙 烯信 号 之后 会 起 始 乙烯相 关 基 因 的表 达 。研 究还 发 现 ， 乙烯 的 转 录 因子 受 泛素 化 降解 途 径调 控 ， 责识 别 及结 合 ＥＩ 负 Ｎ３等转 录 因子 的 Ｆ ｂ ｘ蛋 白是 Ｅ Ｆ ．ｏ Ｂ １和 Ｅ Ｆ 。Ｅ Ｎ５是 一 种 ５ 一 ３ 外切 核 酸酶 ， 能够 通 过 促进 Ｅ Ｆ１和 Ｅ Ｆ２的 ｍＲＮＡ的 降解 Ｂ ２ Ｉ ’ ’ 它 Ｂ Ｂ
通 过 对 这些 拟 南芥 突变 体 的 深 入研 究 ， 学 家 逐 渐 描 绘 科 出一 条 近似 线 性 的 乙 烯 信 号 转 导 通 路 （ ３ 。首 先 ， 图 ） 在
上 游 对 乙烯 分 子 的感 知 是 通 过 一 个 与 内 质 网膜 相 结 合 的受 体 家 族 来 完 成 的 ， 中包 括 Ｅ 其 ＴＲ１ ＴＲ２ ＥＲＳ ， ，Ｅ ， １
在 更 为 精 细 的调 节过 程 ［ 引。
在 至少 ３类保 守 的结 构域 ： 端 是 一 个 在 铜 离 子 协 助下 Ｎ
与 乙烯结 合 的 跨膜 结 构域 ； 间是 一 个 负 责不 同 受体 问 中 相 互 作 用 的 ＧＡＦ结 构 域 ； 端 是 一 个 能 与 下 游 组 分 Ｃ ＣＴ Ｒ１相互 作 用 的激 酶 结 构域 。乙烯 ５个 受体 可 根 据 其
关键词
植 物 激 素 乙 烯
信 号转 导
作 为 ５大 类 植物 激 素 之 一的 乙烯 一 直 是科 学 家关 注和 研 究 的焦 点 。虽 然 结构 简 单 。 是 气态 激 素 乙烯 在 植 物 的 但 生长 发 育 以及 胁 迫反 应 中具 有 重 要 的作 用 。通 过 近 ２ ０年 的 研 究 ， 学 家 已 经 描 绘 出一 条 近 似 线 性 的 乙 烯信 号转 导 科
行 更 为深 入 的研 究 。
虽然 乙烯是 一 种 结构 非 常简 单 的气 体 植 物激 素 ， 但
是 它 对植 物 发育 以及 适应 性 反 应 起 着 非 常 重要 的 作 用 。
种 子 萌发 、 花 、 片 衰 老 、 实 成 熟 、 片 剪 切 、 瘤 、 开 叶 果 叶 根
２ Ｃ Ｒ 激 酶及 其 可 能 介导 的 ＭＡ Ｋ 途 径 Ｔ １ Ｐ
与 乙烯受 体 结 合 并 协 同抑 制 下 游 乙烯 反 应 的 是 另
一
个 负调 节 因子 Ｃ ＴＲ１蛋 白 。ｃｒ ｔ１突 变 体 会 表 现 出组
成 型 的 乙烯 反 应 表 型 ［ 。序 列 分 析 显 示 Ｃ ＴＲ１蛋 白是
来 拮 抗 这 两 个 Ｆ ｂ ｘ蛋 白 对 ＥＩ －ｏ Ｎ３的 负 反 馈 调 控 。 最 近 ， 研 究 表 明 ＥＩ 有 Ｎ２同 样 是 一 个 半 衰 期 很 短 并 经 由 泛 素 化 降 解
途 径 调控 的蛋 白 ， 而执 行调 控 Ｅ Ｎ２任 务 的 是 另外 两 个 Ｆ ｂ ｘ蛋 白 Ｅ １和 Ｅ Ｐ 。 虽然 人 们对 于 乙烯 信 号 转 导通 路 Ｉ —ｏ ＴＰ Ｔ ２ 的认 识取 得 了巨大 进 步 ， 是 该信 号通 路 的精 细 调 节机 制 以及 乙烯信 号 与 其他 植 物 激 素信 号之 问的 交 叉 反应 还 需 进 但
自然 杂 志 第３ ４卷第 ４ 期
科 技 进 展
乙烯 信 号 转 导 通 路 研 究
张存 立① 郭红 卫 ②
① 博 士 研 究 生 ， 教 授 ， 京 大 学 生 命 科 学 学 院蛋 白 质 与植 物 基 因 研 究 国家 重 点 实 验 室 ，Ｅ １０ ７ ② 北 ｊ京 ０ ８ １
能是 依 赖 于 这 一 蛋 白 相 互 作 用 的［ ０ ｓ 。 研 究 表 明 ， Ｃ ＴＲ１的羧 基端 具 有 丝氨 酸 ／ 氨 酸 蛋 白激 酶活 性 ， 苏 而激
于 组 蛋 白激 酶 的结 构 域 。但 是 ， 外 激 酶 活性 实 验 表 明 体
仅有 Ｅ ＴＲ１ ，ＥＲＳ １具 有 组 蛋 白 激 酶 活 性 ； 他 受 体 其 Ｅ ＴＲ２ ，ＥＲＳ ２和 Ｅ Ｎ４则 由于 缺 少组 蛋 白激 酶 活 性 所 必 Ｉ 需 的氨基 酸残 基 而可 能 作 为 丝 氨 酸 ／ 氨 酸 蛋 白激 酶来 苏 起 作 用［ ２］ ｜ 。 ８ 由于 乙烯 结 合 能 力 发 生 突 变 而 产 生 的 受 体 功 能 获 得 型 突变 体 将 会 导致 组 成 型 乙 烯不 敏感 表 型 的 出 现 ， 表
Ｅ Ｓ ，Ｉ４ Ｒ ２ Ｅ Ｎ 。这 些 乙烯 受体 在 序 列 上 具有 相 似 性 ， 且 并
在 结 构上 都 与 细 菌 双 组 分 组 蛋 白激 酶 相 类 似 Ｅ，６ 。 与 ３５ Ｉ －
－
Ｃ２ Ｈ４
＋Ｃ２ Ｈ４
图 １ 拟 南 芥 黄 化 苗 生 长 在 乙烯 中 （ ３天 ） “ 重 反 应 ” 型 的 三 表
酶 失 活 的 ｃｒ ｔ１突 变 体 将 会 表 现 出 组 成 型 乙 烯 反 应 表
型 ［７ｌ ３ 。
ＣＴ Ｒ１的 功能 依 赖于 其 与 乙烯 受体 的结合 。研究 发
现， 由于氨 基端 发 生 错义 突 变 而 破 坏 了 与 受 体结 合 能力 的 ＣＴ Ｒ１即便 其 羧基 端 激 酶 活性 不 受 影 响 ， 仍然 不 能再
乙烯 受体 相 结 合 并 协 同 抑 制 下 游 乙 烯 信 号 的是 一 个 属 于 Ｒａ ｆ蛋 白激 酶家 族 的 负调 节 因子 Ｃ ＴＲ１ 白Ｅ８ 。遗 蛋 ７］ － 传上位于 Ｃ ＴＲ１下 游 的正 调 控 因子 ＥＩ Ｎ２是一 个 定位 于 内质 网膜 上 的大 的跨 膜 蛋 白 。ＥＩ Ｎ２的 Ｎ 端 与 哺乳 动 物 金 属 离子 通 道 蛋 白 ＮＲＡＭＰ家族 有 一 定 的 相似 性 ； 其 而 ｃ末 端 是 一个 亲 水 的功 能 未知 的 组 分 。研 究 发 现 ， Ｎ２ ＥＩ
细 胞程 序 性 死 亡 以及 对 非 生 物 胁 迫 和 病 原 体 入 侵 的反
应 等生 理 过程 都 与 乙烯 密 切 相关 ［３ 。鉴定 乙烯 反 应 的 １］ － 特 征性 实 验是 观 察 生 长 在 暗 处 并 经 乙 烯 处 理 之 后 植 物 黄 化苗 的 “ 重 反 应 ” 三 。所 谓 “ 重 反 应 ” 指 黄 化 苗 受 三 是 乙 烯处 理 后下 胚 轴 和根 的伸 长 被 抑 制 、 胚 轴 变 粗 以及 下
白激 酶［＿ ２ 。通 过 比较 其 结 构 特 征 ， 现 乙 烯 受 体 存 ｓ＿３ ６ ＿ ３ 发
的 蛋 白 是 一 个 具 有 Ｐ ｔｐ — ｅ ＡＴＰ ｓ ｙ ａ ｅ活 性 的 Ｒ ＡＮ１ 蛋
白［２。ＲＴＥ １ｌ １是 另 一类 进 化 上非 常 保守 的膜结 合 蛋 白 ， 其 转 录 活性 受 乙烯 调 控 ， 且 ＲＴ 并 Ｅ１通 过 与 乙烯 受 体 相 互 作 用 而 负调 控 乙烯 反 应 ， 暗示 乙烯 信 号 的感 知 可 能 存
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自 然 杂 志 第 ３ 卷第 ４ ４ 期
科 技 进 展
的参 与 ， 而在 此 过程 中负责 铜 离 子 转 运 和 浓 度 梯 度 维 持
１ 乙烯 受 体 及 其 对 乙烯 信 号 的感 知
植 物 细胞 通 过 定 位 于 内 质 网上 的 受 体 感 知 乙 烯 信 号 。在 拟 南 芥 中共 有 由 一 个 多 基 因家 族 编 码 的 ５个 乙 烯 受体 ， 别 是 ＥＴ ，Ｅ 分 Ｒ１ ＴＲ２ ，ＥＲＳ ，Ｅ ２和 Ｅ Ｎ４ １ ＲＳ Ｉ 。 它 们在 结 构 上 类 似 于 细 菌 和 真 菌 中 存 在 的 双 组 分 组 蛋
对 下游 乙烯信 号 产 生 抑 制作 用［ 。基 于 Ｃ ＴＲ１在序 列
明 乙 烯 受 体 作 为 乙 烯 信 号 的 负 调 控 因 子 而 存
在 ［， ， － ］ ６２ ２ ３ 。同 时 ， 烯 的 ５个 受 体 存 在 功 能 上 的 冗 ３ ９０ 乙 余， 因为单 个 受 体 的功 能 缺失 型 突 变 体 表 型 与 野 生 型 类 似 ， 多 重功 能 缺失 突 变 体 则具 有 组 成 型 的 乙 烯 反 应 表 但 型［ 。进 一 步 研究 发 现 ， 基 因表达 类 型 Ｉ受 体 Ｅ 。 转 ＴＲ１ 或 ＥＲＳ １能够 回复 功 能 缺 失 型 双 突 变 体 ｅｒ ／ ｒ １的组 ｔ１ ｅｓ 成 型 乙 烯 反 应 表 型 ； 基 因 表 达 类 型 Ⅱ受 体 Ｅ 转 ＴＲ２ ，