钙依赖蛋白激酶(CDPKs)在植物钙信号转导中的作用

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（ -!###"!!R""） 和国家自然科学基金资助项目 （["!R""PP） 。 "国家重点基础研究发展规划项目 !通讯作者。 W.C3AB HAB DABB:)=A0E:0D:F 51@/8>：D3:0;/X =.G>8DF GC/F 0:C F D0F 作者简介： 刘贯山， 男， 中国农业大学生物学院生化及分子生物学系博士生， 现主要从事钙依赖蛋白激酶 !#YQ 年生，百度文库中国农业大学生物学院生化及分子生物学系教授、 博士生导师， 主要从事植物膜 功能的研究。陈珈， 女， !#$Z 年生， 蛋白在逆境胁迫信号转导中作用的研究。 收稿日期： 接受日期： 责任编辑： 崔郁英 Q""Q1"Y1"[ Q""Q1"P1Q"
9:%45+,4 %&’() =>/? 8@=ABC/0C BA>:) 80 C3: =>/0C D/>D8.@ )8<0/> CB/0)E.DC8A0 F 9/):E A0 =>/0C D/>1 D8.@ )8<0/> CB/0)E.DC8A0，/0E )CB.DC.B: /0E G8AD3:@8D/> =BA=:BC8:) AH %&’()，=AC:0C8/> B:<.>/CAB? BA>:) AH %&’() 80 <:0: :I=B:))8A0，@:C/GA>8)@，CB/HH8D AH 8A0) /0E J/C:B /DBA)) @:@GB/0:)，C3: E?1 0/@8D) AH C3: D?CA)K:>:CA0，)CA@/C/> @AL:@:0C，/) J:>> /) <BAJC3 /0E E:L:>A=@:0C J:B: ).@@/1 B8M:E F N:DA<08C8A0) /0E D3/>>:0<:) 80 %&’( )C.E8:) J:B: />)A =.C HABJ/BE F ， $); <’51% %/>D8.@1E:=:0E:0C =BAC:80 K80/):（ %&’(） ’>/0C D/>D8.@ )8<0/> CB/0)E.DC8A0 （ D/>D8.@1E:=:0E:0C /0E D/>@AE.>801801 %&’() 全称为钙依赖的钙调素不依赖的蛋白激酶 ） ， 或称类似钙调素结构域的蛋白激酶 （ D/>@AE.>801>8K: EA@/80 =BAC:80 E:=:0E:0C =BAC:80 K80/):) 。 %&’() 是在豌豆中首先报道的 （ 4:C3:B80<CA0 /0E OB:J/L/)，!#PQ） ， 并在大豆中第 K80/):)） 一次得到纯化和鉴定 （4/B@A0 $" #- ，!#PR） ， 它不同于动物细胞中的蛋白激酶 % 和依赖于 藻类及部分原生动物中均有存在， 但在细菌、 真 %/Q S T %/U 的蛋白激酶。 %&’() 在植物、 菌、 酵母、 线虫和动物中尚未发现。 %&’() 在植物体内分布广泛： 在器官水平上， 根、 茎、 叶、 花、 果实和种子中无处不在； 在细胞水平上， 分生细胞、 木质部细胞、 花粉细胞、 保卫细 胞和胚细胞中均有发现 （ *8 $" #- ，!##P；V/3/>A@ $" #- ，!##P；68)38?/@/ $" #- ，!###） ； 在亚 细胞水平上， 质膜、 液泡膜 （ %3:0 $" #- ，Q""Q） 、 线粒体外膜、 叶绿体类囊体膜、 内质网膜 （ *. 等膜系统和胞质、 核质中均有踪迹。 %&’() 在植物钙信号转导过程中具 /0E 4B/G/K，Q""Q）
!5 、 、 4&! 5 浓度也不同。大豆 4678 " " S ;、 $ 磷酸化 9K*I3B0R! 所需 4& 的 8" S G 分别为 " S "T、 # !5 。因此， 不同的 46789 可能转导不同的 4& 信号。 +S"! ()1 E F（ F00 !" #$ ，+,,-）
由于 46789 没有跨膜区， 因而 46789 与膜结合的机制一直受到关注。 D 末端的豆蔻 酰化是膜定位所必需的 （ <&’I3* &*B UV9Q)*3，!"""） 。许多 46789 的 D 端都有豆蔻酰化位 点 （ %&’()* !" #$ ， ； 西葫芦 （ &+,+-./"# 0!01 ） （ =11&’BRWX0K !" #$ ， !"""） 4678 在体内被豆蔻酰化 。另外， （<&’I3* &*B UV9Q)*3，!"""） 。 +,,,） 46789 的棕榈酰化也是与膜充分结合所必需的 自身磷酸化对 46789 的激活作用尚无定论。许多 46789 同系物在自抑制区都有潜 在的自身磷酸化位点 （赖氨酸R谷氨酰胺R苯丙氨酸R丝氨酸） 。落花生 （ 2-#,3/4 35016!# ） 但这种作用只出现在钙浓度低的时候， 因而在体内可 4678 的活性需要自身磷酸化作用， 能没有调节作用 （ 4@&VB@V’3 !" #$ ，+,,,） 。从菠菜中纯化的 4678 在有利于磷酸化条件下 温育或用磷酸酶处理， 其活性没有变化 （6)VA1&9 !" #$ ，+,,-） 。 有几个 46789 可结合 +;R$R$ 蛋白， 其中至少有一个 4678 的活性是通过结合 +;R$R$ 蛋白被激活的 （ 4&()*3 !" #$ ，+,,-L；<))’@0&B !" #$ ，+,,,） 。 Y)’)90’ 等 （+,,-） 认为， +;R$R$ 蛋白可能将两步连续代谢中所涉及的酶锚定在一起。
+T!
植物学通报
!" 卷
催化区的同源性较高。 连接区由 !" # $" 个氨基酸残基组成， 在各类功能区中最为保守， 富含碱性氨基酸， 紧 靠催化区而以拟底物的方式与催化区结合起自抑制作用 （ %&’()* !" #$ ，+,-.；/01230 !" !5 ， 所以该区又称自抑制区。在无 4& 存在时， #$ ，!"""） 46789 催化区可能与连接区结合， 使其激酶活性被抑制。连接区的突变能产生不依赖 4&! 5 的组成型有活性的激酶 （ %&’:0’ 。 !" #$ ，+,,;） 调控区是钙结合区， 也是 46789 有别于其他类型激酶的特有区域， 保守性最差。调 控区有一段结构和功能类似于 4&< 的氨基酸序列， 共有 ; 个与 4&! 5 结合的 => 手性结构， 古老的 46789 这是 46789 对 4&! 5 高度亲和而不依赖于 4&< 的原因。在分子进化角度上， 基因可能来自于蛋白激酶和 4&< 基因的融合 （ ?@&*A &*B 4@)3，!""+） 。 ! " ! 生化性质 因为 46789 不同的同系物间 D 端可变区氨基酸残 46789 分子量一般为 ;" # ," C6， 基数目不同。酶活性的最适 :% 值为 . 左右。 纯化的 46789 在 (()1 E F 级 <A! 5 存在下， 受! ()1 E F 级 4&! 5 的激活而使活性提高 G" 连接区 # +"" 倍， !! ()1 E F 级 4&! 5 就可使酶活性达到最高值的一半。当钙激活 46789 时， 与 4 末端的 4&< 样结构域的相互作用非常重要， 可能形成 4&< 样结构域与连接区的分子 内复合物， 以解除催化区的抑制作用， 从而激活 46789 活性 （/01230 !" #$ ，!"""） 。 在拟南芥基因组中存在 $; 种 4678 基因， 分布于所有 G 条 46789 的基因同系物很多， 。 4678 基因的不同同系物可能与某些基因在特殊组织、 生 染色体上 （ 4@0*A !" #$ ，!""!） 理条件或发育阶段的表达相关 （ H11&*&I &*B J&K&L&9C&’&*，!""!） ； 水稻的两个 4678 同系物 （M94678! 和 M94678++） 在叶片对光的反应中具有不同的功能 （ >’&II3*3 !" #$ ，+,,,） ； 烟草 （ %"&’()* ） 的 转 录 本 存 在 于 根、 茎 和 花 中， 但叶片中几乎没有 （ N))* !" #$ ， 4678 基 因 ； 马铃薯 4678 （ OI4678+） 是受发育调控的， 在块茎形成开始时被诱导 （ P&3Q09 !" #$ ， +,,,） 。不同的 46789 同系物有不同的底物特性。而且不同的同系物受 4&! 5 活化所需的 !""+）
#期
刘贯山等：钙依赖蛋白激酶 （ !3456） 在植物钙信号转导中的作用
(L(
有非常重要的作用。
! 植物细胞钙信号转导
植物细胞在外界刺激下， 细胞内 !"# $ 浓度发生瞬间、 持续或振荡变化。这些刺激包 括非生物和生物刺激。非生物刺激有光、 低温和高温、 触摸、 低渗胁迫、 氧化胁迫等； 生物 刺激有激素 %&% 和赤霉素、 真菌激发子、 结瘤因子等。这些刺激因素都借助细胞内钙离 子作为第二信使来介导生物学反应。细胞内 !"# $ 浓度的变化通过 !"# $ 结合蛋白 （又称钙 调蛋白或 !"# $ 感应器） 进行识别、 放大和向下游传导。通过一系列的级联传导， 从而出现 细胞分裂、 细胞伸长、 气孔运动、 各种胁迫反应以及生长发育等过程。 !"# $ 结合蛋白的激活或抑制是 !"# $ 信使产生后继续传递的下游事件。与动物细胞 中一样， 植物细胞 !"# $ 信号可以通过 !"# $ 结合蛋白间接调节， 也可以直接调节蛋白质磷 酸化， 从而调节生物学功能。在植物中已鉴定出许多 !"# $ 结合蛋白， 其中以钙调素 （ !"’） 和 !"# $ 调节的蛋白激酶为主。在拟南芥 !"# $ 调节的信号转导途径中已鉴定出约 ()* 种 蛋白质， 在未来几年内这个数字可能会增加到 +** , -** 种， 编码这些蛋白的基因会达到 预期基因数的 #. （/0112， 。 #**(） 钙调素是植物细胞中胞内 !"# $ 最重要的多功能受体蛋白。钙调素自身并没有酶活 性， 只有其活化后进一步与其靶蛋白中的短肽序列结合，才能诱发其结构变化，从而调 控植物的细胞分裂、 伸长、 生长、 发育和抗逆等。 依赖于 !"# $ ， 而不依赖于钙调素， 植物 !"# $ 调节的蛋白激酶可分为 - 类： ! !3456， （ 7"89:1;8<=>10?0=10=@ ?A:@0<= B<="606） ， 依赖于钙调素， 植物中很少； 中最为丰富； " !"’56 （ 7"87<;9 "=1 7"89:1;8<=>10?0=10=@ ?A:@0<= B<="606） ， 依赖于钙和钙调素， 仅在少数 # !!"’56 植物组织中表达； ， 既不依赖于钙也不依赖于钙调 $ !/56（ !345>A08"@01 ?A:@0<= B<="606） 素， 其催化区与 !3456 的催化区密切相关， 但 CD 手性结构退化， 调节功能不详 （ E"A9:= !" 。这 - 类 !"# $ 调节的蛋白激酶共同构成 !345 超家族。 #$ ，#***）
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!3456 的结构和生化性质
结构
在结构上具有明显的特征， 从 F 端到 ! 端存在四个功能区 （结构 !3456 为单肽链， 域） ， 依次为可变区、 催化区、 连接区和调控区 （图 (） 。
图 ! !345 的典型结构 $%&# ! G2?<7"8 6@A;7@;A0 :H !345
（#* , #** 个氨基酸残基） ，很少有同源性。 F 末端的可变区长短不一 催化区由 +** 多个氨基酸残基组成， 具有典型的 I0A J GKA 蛋白激酶的催化保守序列，
植物学通报
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钙依赖蛋白激酶 （ !"#$%） 在植物钙 信号转导中的作用 !
刘贯山 陈 珈 !
（植物生理生化国家重点实验室， 中国农业大学生物学院 北京 !"""#$）
摘要
%&’() 在植物钙信号转导中起重要作用。本文介绍了植物钙信号转导及 %&’() 的结构与生化性
包括基因表达、 代谢、 离子和 质， 在此基础上， 重点总结了 %&’() 在植物钙信号转导中的潜在调节作用， 水分的跨膜运输、 细胞骨架的动态变化、 气孔运动和生长发育等， 并提出了在 %&’() 研究中已达成的共 识和需要解决的问题。 关键词 钙依赖蛋白激酶 （ %&’()） ， 植物钙信号转导