植物小G 蛋白功能的研究进展
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胞吞是蛋白质和大分子跨膜运输的主要方
图 2 拟南芥、线虫和人类小 G 蛋白的系统发生树分析 Fig. 2 Phylogenetic star diagrams of small GTPase of A. thaliana, S. cerevisiae, and H. sapiens (Vernoud et al., 2003)
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22(1)
于异三聚体 G 蛋白，人们通常称之为小 G 蛋 白。小G蛋白家族成员都具有几个保守的结构 特征，包括四个鸟核苷酸结合区和一个效应 器分子结合区(图1 A)(Yang, 2002), 但是小G蛋 白在结构和功能方面也具有明显的多样性。 真核生物利用小G蛋白形式的多样性和其不同 鸟核苷酸结合态，调控着细胞许多重要的生 理过程(Takai et al., 2001)。在真核生物有机体 进化中，小 G 蛋白相当保守，这也体现出它 在细胞信号转导过程中的重要作用。小G蛋白 的同源序列在酵母、人类和植物中执行着相 关的生理功能。如果植物中存在着数量相对 动物较少的异三聚体 G 蛋白，那么小 G 蛋白 在植物信号转导中作为重要的分子开关就显而 易见了(Yang, 2002)。近年来，人们不断发现 植物中小 G 蛋白家族的新成员，也不断揭示小 G蛋白的新功能。许多植物特有的信号途径和功 能需要小 G 蛋白这个重要的分子开关来完成。
图 1 小 G 蛋白的保守结构区和调控过程 Fig. 1 Conserved structure and regulation of small GTPases (Yang, 2002)
2005
王 昕等: 植物小 G 蛋白功能的研究进展
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GDP+Pi；一种是通过它的另一附属蛋白来完 成，称为 GTPase 激活蛋白(GAPs)，它可以激 活小G蛋白的水解活性。通过上面所述的GTP 水解过程，小 G 蛋白转换为非活化态形式，开 始了又一周期的循环过程。除此之外，大多 数小G蛋白循环是在膜结合形式和胞质形式循 环中进行。由于只有膜结合形式的小G蛋白可 以被 GEF 激活，胞质形式的小 G 蛋白可以通 过鸟核苷酸解离抑制因子(GDI)结合，从而负 调控这些小G蛋白的GTPase活性(图1 B)(Yang, 2002)。这些小 G 蛋白复合体的调节方式和生 理作用在所有有机体包括植物中保守存在。
这些小 G 蛋白的“分子开关”是依靠它 的附属蛋白调控的，称之为鸟核苷酸交换因 子(guanine nucleotide exchange factors, GEFs)， 它可以催化小G蛋白转换为GTP结合形式，即 活化态。当小 G 蛋白处于活化态时，小 G 蛋 白就可以和不同的下游效应器分子相互作用， 进而执行不同的细胞生理功能。小G蛋白的非 活化态的形成有两种方式: 一种是它自身的水解 能力，即 GTPase 活性可以把 GTP 水解成
Abstract In recent years, small G proteins have become an intensively studied group of regulatory GTP hydrolyses involved in cell signaling. The small G-protein superfamily includes Ras, Rho, Rab, Arf and Ran homologs, which take part in numerous and diverse cellular processes, such as gene expression, cytoskeletal reorganization, microtubule organization, and vesicular and nuclear transport. These proteins, functioning as molecular switches, share a common structural core, described as the I-IV domain, and significant sequence similarity. The Arabidopsis genome contains 93 genes that encode small GTP-binding protein homologs. Phylogenetic analysis of these genes shows that plants contain Rab, Rho, Arf, and Ran GTPase but not Ras GTPase. In this paper, we review the known functions of individual members of these small GTPases in plants. Additionally, we describe the possible roles of these GTPases in relation to their similarity to orthologs with known functions in yeast or animal systems. Key words Small GTPase, Signal transduction, Gene superfamily
1 Rab GTPase
Rab 蛋白是小 G 蛋白家族最大的亚家族， 动物的体内体外实验都发现它在细胞内囊泡运 输中起着重要作用(Stenmark and Olkkonen, 2001)。通过拟南芥基因组预测，拟南芥有 57 个 Rab GTPase，命名为 AtRAB GTPase， 但人们对它们的功能了解甚少。根据人 类、酵母和拟南芥蛋白序列进化树分析， 拟南芥 Rab 还可细分为 8 个亚家族，命名 为 AtRAB(A~H)，还有许多其他植物的 R a b 基因也被克隆。 1.1 Rab GTPase参与细胞的胞吞运输途径
芥存在93个小G蛋白，包括57个Rab GTPase、 21个Arf GTPase、11个Rho GTPase和4个Ran GTPase，它们调节着细胞的不同生理过程。 有趣的是，从基因组预测分析，拟南芥没有 Ras GTPase, 也许在植物发育中还存在着特殊的 细胞信号调控机制(Vernoud et al., 2003)。
拟南芥有5个Rab GTPase与参与极性分泌 的酵母、哺乳动物的 Rab GTPase 有很高同源 性。植物中的Rab成员还可能参与细胞的细菌 病原反应。利用酵母双杂交系统发现番茄
新合成的蛋白质通过内质网进入到分泌途 径，接下来从内质网到高尔基体的转运过程 包括蛋白质运送到运输囊泡的中间结构。拟 南芥 AtRABD 亚家族有 5 个成员与哺乳动物 Rab1 和酵母 Ypt1p Rab GTPase 有很高的同源 性。在哺乳动物中，Rab1 定位于内质网、内 质网和高尔基体中间结构及高尔基体，并调 节着内质网 - 高尔基体膜运输过程(Nuoffer et al., 1994)。酵母 YPT1 是参与内质网到高尔基 体运输过程的必需基因(Segev et al., 1988)。植 物中，瞬时表达失活的 AtRABD2a 基因的突变 体可以导致分泌型绿色荧光标记蛋白在似内质 网胞内小室中积累，并且抑制高尔基复合体 沿着细胞骨架运动的过程(Batoko et al., 2000)。 1.3 Rab GTPase参与极性分泌过程
小 G蛋白家族至少分为5 个亚家族，Fra Baidu bibliotek括
Ras、Rho、Rab、Arf 和 Ran (Kahn et al., 1992)，每个亚家族在细胞中起着不同的作 用。Ras 家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分 化过程；Rho家族成员调控肌动蛋白重组过程 和参与 MAP 激酶的细胞信号转导过程；Rab 和Arf家族在膜转运过程中起着不同的重要作 用；而 Ran 家族在核孔位置调节着蛋白和 RNA 分子的运输过程。它们在细胞信号转导 过程的重要作用是和真核生物有机体进化过程 的保守性密切相关。
植物学通报 2005, 22 (1): 1￣10 Chinese Bulletin of Botany
特邀综述
植物小 G 蛋白功能的研究进展
王 昕 种 康①
(中国科学院植物研究所光合与分子生理学重点实验室, 分子与发育生物学研究中心 北京 100093)
摘要 近年来，小G蛋白的调控途径已经成为人们研究细胞信号转导过程的热点问题。小G蛋白家族 包括Ras、Rab、Rho、Arf和Ran亚家族，它们起着许多不同的重要细胞生理作用，例如基因表达、细 胞骨架重组装、微管的形成以及囊泡和核孔运输机制。这些小G蛋白作为重要的分子开关，具有一个非 常保守的功能区域，即I-IV结构区，它起着关键性作用。从拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组预测分析 得出，拟南芥含有93个小G蛋白同源序列，包含Rab、Rho、Arf和Ran亚家族，但没有Ras亚家族。本 文主要阐述了迄今在植物中研究小G蛋白各个亚家族功能的最新进展，并对植物、酵母和动物相关的同 源蛋白的生理功能进行比较和推测。 关键词 小G蛋白，信号转导，基因家族
Current Progress on the Small GTPase Gene Superfamily in Plants
WANG Xin CHONG Kang①
(Research Center for Molecular & Developmental Biology, Key Laboratory of Photosynthesis & Environment Molecular Physiology, Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093)
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式，细胞质膜区域与相关的物质大分子共同 凹陷，形成运输囊泡，然后与胞内小泡融 合，大多数蛋白质分子在内吞小泡中被分选 运送到溶酶体或液泡等不同的细胞器。与其 他真核生物的 Rab GTPase 相比，拟南芥 AtRABF的3个成员与人类Rab5和酵母Ypt51p 家族成员有非常高的相似性。在哺乳动物 中，Rab5 GTPase 定位于早期内吞小泡，调 控笼形蛋白包被的囊泡与早期内吞小泡的融合 (Bucci et al., 1992)。酵母 Ypt51p 家族成员同 样也通过液泡前体小泡调节着膜运输过程 (Singer-Krüger et al., 1995)。利用细胞吸收荧 光标记染料 F M 4 - 6 4 的定位实验发现， AtRABF2b定位于运输小泡(Ueda et al., 2001)。 植物中，液泡除了有消化作用，还有贮藏细 胞器的作用。一个细胞可以含有多个液泡类型 (Vitale and Raikhel, 1999)，这就增加了在植物 中研究庞大的Rab GTPase家族成员的复杂性。 1.2 Rab GTPase参与生物合成运输途径
每个小G蛋白亚家族成员之间的序列保守 性要高于每个亚家族间序列的保守性(Vernoud et al., 2003)。如图 2，分析酵母(Saccharomyces cerevisiae)、果蝇(Drosophila sechellia)、 线虫(S. cerevisiae)、拟南芥和人类(H. sapiens) 的基因组序列发现小G蛋白亚家族成员的保守 性很高，并且可以看出这些亚家族的进化和 分化方式。拟南芥基因组序列预测分析拟南
小G蛋白(small GTPases)家族成员是单体 蛋白，分子量较小，大约 20￣30 kD，区别
①通讯作者。Author for correspondence. E-mail: chongk@ibcas.ac.cn 收稿日期：2004-03-09 接受日期：2004-12-09 责任编辑：孙冬花
图 2 拟南芥、线虫和人类小 G 蛋白的系统发生树分析 Fig. 2 Phylogenetic star diagrams of small GTPase of A. thaliana, S. cerevisiae, and H. sapiens (Vernoud et al., 2003)
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于异三聚体 G 蛋白，人们通常称之为小 G 蛋 白。小G蛋白家族成员都具有几个保守的结构 特征，包括四个鸟核苷酸结合区和一个效应 器分子结合区(图1 A)(Yang, 2002), 但是小G蛋 白在结构和功能方面也具有明显的多样性。 真核生物利用小G蛋白形式的多样性和其不同 鸟核苷酸结合态，调控着细胞许多重要的生 理过程(Takai et al., 2001)。在真核生物有机体 进化中，小 G 蛋白相当保守，这也体现出它 在细胞信号转导过程中的重要作用。小G蛋白 的同源序列在酵母、人类和植物中执行着相 关的生理功能。如果植物中存在着数量相对 动物较少的异三聚体 G 蛋白，那么小 G 蛋白 在植物信号转导中作为重要的分子开关就显而 易见了(Yang, 2002)。近年来，人们不断发现 植物中小 G 蛋白家族的新成员，也不断揭示小 G蛋白的新功能。许多植物特有的信号途径和功 能需要小 G 蛋白这个重要的分子开关来完成。
图 1 小 G 蛋白的保守结构区和调控过程 Fig. 1 Conserved structure and regulation of small GTPases (Yang, 2002)
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王 昕等: 植物小 G 蛋白功能的研究进展
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GDP+Pi；一种是通过它的另一附属蛋白来完 成，称为 GTPase 激活蛋白(GAPs)，它可以激 活小G蛋白的水解活性。通过上面所述的GTP 水解过程，小 G 蛋白转换为非活化态形式，开 始了又一周期的循环过程。除此之外，大多 数小G蛋白循环是在膜结合形式和胞质形式循 环中进行。由于只有膜结合形式的小G蛋白可 以被 GEF 激活，胞质形式的小 G 蛋白可以通 过鸟核苷酸解离抑制因子(GDI)结合，从而负 调控这些小G蛋白的GTPase活性(图1 B)(Yang, 2002)。这些小 G 蛋白复合体的调节方式和生 理作用在所有有机体包括植物中保守存在。
这些小 G 蛋白的“分子开关”是依靠它 的附属蛋白调控的，称之为鸟核苷酸交换因 子(guanine nucleotide exchange factors, GEFs)， 它可以催化小G蛋白转换为GTP结合形式，即 活化态。当小 G 蛋白处于活化态时，小 G 蛋 白就可以和不同的下游效应器分子相互作用， 进而执行不同的细胞生理功能。小G蛋白的非 活化态的形成有两种方式: 一种是它自身的水解 能力，即 GTPase 活性可以把 GTP 水解成
Abstract In recent years, small G proteins have become an intensively studied group of regulatory GTP hydrolyses involved in cell signaling. The small G-protein superfamily includes Ras, Rho, Rab, Arf and Ran homologs, which take part in numerous and diverse cellular processes, such as gene expression, cytoskeletal reorganization, microtubule organization, and vesicular and nuclear transport. These proteins, functioning as molecular switches, share a common structural core, described as the I-IV domain, and significant sequence similarity. The Arabidopsis genome contains 93 genes that encode small GTP-binding protein homologs. Phylogenetic analysis of these genes shows that plants contain Rab, Rho, Arf, and Ran GTPase but not Ras GTPase. In this paper, we review the known functions of individual members of these small GTPases in plants. Additionally, we describe the possible roles of these GTPases in relation to their similarity to orthologs with known functions in yeast or animal systems. Key words Small GTPase, Signal transduction, Gene superfamily
1 Rab GTPase
Rab 蛋白是小 G 蛋白家族最大的亚家族， 动物的体内体外实验都发现它在细胞内囊泡运 输中起着重要作用(Stenmark and Olkkonen, 2001)。通过拟南芥基因组预测，拟南芥有 57 个 Rab GTPase，命名为 AtRAB GTPase， 但人们对它们的功能了解甚少。根据人 类、酵母和拟南芥蛋白序列进化树分析， 拟南芥 Rab 还可细分为 8 个亚家族，命名 为 AtRAB(A~H)，还有许多其他植物的 R a b 基因也被克隆。 1.1 Rab GTPase参与细胞的胞吞运输途径
芥存在93个小G蛋白，包括57个Rab GTPase、 21个Arf GTPase、11个Rho GTPase和4个Ran GTPase，它们调节着细胞的不同生理过程。 有趣的是，从基因组预测分析，拟南芥没有 Ras GTPase, 也许在植物发育中还存在着特殊的 细胞信号调控机制(Vernoud et al., 2003)。
拟南芥有5个Rab GTPase与参与极性分泌 的酵母、哺乳动物的 Rab GTPase 有很高同源 性。植物中的Rab成员还可能参与细胞的细菌 病原反应。利用酵母双杂交系统发现番茄
新合成的蛋白质通过内质网进入到分泌途 径，接下来从内质网到高尔基体的转运过程 包括蛋白质运送到运输囊泡的中间结构。拟 南芥 AtRABD 亚家族有 5 个成员与哺乳动物 Rab1 和酵母 Ypt1p Rab GTPase 有很高的同源 性。在哺乳动物中，Rab1 定位于内质网、内 质网和高尔基体中间结构及高尔基体，并调 节着内质网 - 高尔基体膜运输过程(Nuoffer et al., 1994)。酵母 YPT1 是参与内质网到高尔基 体运输过程的必需基因(Segev et al., 1988)。植 物中，瞬时表达失活的 AtRABD2a 基因的突变 体可以导致分泌型绿色荧光标记蛋白在似内质 网胞内小室中积累，并且抑制高尔基复合体 沿着细胞骨架运动的过程(Batoko et al., 2000)。 1.3 Rab GTPase参与极性分泌过程
小 G蛋白家族至少分为5 个亚家族，Fra Baidu bibliotek括
Ras、Rho、Rab、Arf 和 Ran (Kahn et al., 1992)，每个亚家族在细胞中起着不同的作 用。Ras 家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分 化过程；Rho家族成员调控肌动蛋白重组过程 和参与 MAP 激酶的细胞信号转导过程；Rab 和Arf家族在膜转运过程中起着不同的重要作 用；而 Ran 家族在核孔位置调节着蛋白和 RNA 分子的运输过程。它们在细胞信号转导 过程的重要作用是和真核生物有机体进化过程 的保守性密切相关。
植物学通报 2005, 22 (1): 1￣10 Chinese Bulletin of Botany
特邀综述
植物小 G 蛋白功能的研究进展
王 昕 种 康①
(中国科学院植物研究所光合与分子生理学重点实验室, 分子与发育生物学研究中心 北京 100093)
摘要 近年来，小G蛋白的调控途径已经成为人们研究细胞信号转导过程的热点问题。小G蛋白家族 包括Ras、Rab、Rho、Arf和Ran亚家族，它们起着许多不同的重要细胞生理作用，例如基因表达、细 胞骨架重组装、微管的形成以及囊泡和核孔运输机制。这些小G蛋白作为重要的分子开关，具有一个非 常保守的功能区域，即I-IV结构区，它起着关键性作用。从拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组预测分析 得出，拟南芥含有93个小G蛋白同源序列，包含Rab、Rho、Arf和Ran亚家族，但没有Ras亚家族。本 文主要阐述了迄今在植物中研究小G蛋白各个亚家族功能的最新进展，并对植物、酵母和动物相关的同 源蛋白的生理功能进行比较和推测。 关键词 小G蛋白，信号转导，基因家族
Current Progress on the Small GTPase Gene Superfamily in Plants
WANG Xin CHONG Kang①
(Research Center for Molecular & Developmental Biology, Key Laboratory of Photosynthesis & Environment Molecular Physiology, Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093)
4
22(1)
式，细胞质膜区域与相关的物质大分子共同 凹陷，形成运输囊泡，然后与胞内小泡融 合，大多数蛋白质分子在内吞小泡中被分选 运送到溶酶体或液泡等不同的细胞器。与其 他真核生物的 Rab GTPase 相比，拟南芥 AtRABF的3个成员与人类Rab5和酵母Ypt51p 家族成员有非常高的相似性。在哺乳动物 中，Rab5 GTPase 定位于早期内吞小泡，调 控笼形蛋白包被的囊泡与早期内吞小泡的融合 (Bucci et al., 1992)。酵母 Ypt51p 家族成员同 样也通过液泡前体小泡调节着膜运输过程 (Singer-Krüger et al., 1995)。利用细胞吸收荧 光标记染料 F M 4 - 6 4 的定位实验发现， AtRABF2b定位于运输小泡(Ueda et al., 2001)。 植物中，液泡除了有消化作用，还有贮藏细 胞器的作用。一个细胞可以含有多个液泡类型 (Vitale and Raikhel, 1999)，这就增加了在植物 中研究庞大的Rab GTPase家族成员的复杂性。 1.2 Rab GTPase参与生物合成运输途径
每个小G蛋白亚家族成员之间的序列保守 性要高于每个亚家族间序列的保守性(Vernoud et al., 2003)。如图 2，分析酵母(Saccharomyces cerevisiae)、果蝇(Drosophila sechellia)、 线虫(S. cerevisiae)、拟南芥和人类(H. sapiens) 的基因组序列发现小G蛋白亚家族成员的保守 性很高，并且可以看出这些亚家族的进化和 分化方式。拟南芥基因组序列预测分析拟南
小G蛋白(small GTPases)家族成员是单体 蛋白，分子量较小，大约 20￣30 kD，区别
①通讯作者。Author for correspondence. E-mail: chongk@ibcas.ac.cn 收稿日期：2004-03-09 接受日期：2004-12-09 责任编辑：孙冬花