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(名师原创)高中生物 第7章《植物细胞信号转导》竞赛辅导教案


第七章

植物细胞信号转导

植物体的新陈代谢和生长发育主要受遗传及环境变化信息的调节控制。一方面遗传信息决定着植 物体代谢和生长发育的基本模式, 另一方面这些基因的表达及其所控制的生命代谢活动的实现, 在很大 程度上受控于其所生活的外界环境。 植物体生活在多变的环境中, 生活环境对其的影响贯穿在植物体的 整个生命过程。因此,植物细胞如何综

合外界和内部的因素控制基因表达,植物体如何感受其生存的环 境刺激,环境刺激如何调控和决定植物生理、生长发育和形态建成,成为植物生物学研究中人们普遍关 注的问题。人们将这些复杂的过程称之为细胞信号转导(signal transduction) ,包括细胞感受、转导 各种环境刺激、引起相应生理反应的过程。细胞信号转导是生物结构间交流信息的一种最基本、最原始 和最重要的方式。目前,信号转导的研究对植物科学所有方面做出了重要贡献,将许多领域的研究组成 一个系统的信号转导途径,并由这些信号途径通向揭示浩繁生命奥秘的细胞过程。

第一节
一、 细胞信号转导的基本概念

植物细胞信号转导概述

(一)信号 信号(signal)简单说来就是细胞外界刺激,又称为第一信使( first messenger )或初级信使 (primary messenger) ,包括胞外环境信号和胞间信号(intercellular signal) 。胞外环境信号是指 机械刺激、磁场、辐射、温度、风、光、CO2、O2、土壤性质、重力、病原因子、水分、营养元素、伤害 等影响植物生长发育的重要外界环境因子(图 7-1) 。胞间信号是指植物体自身合成的、能从产生之处 运到别处,并对其他细胞作为刺激信号的细胞间通讯分子,通常包括植物激素、气体信号分子 NO 以及 多肽、糖类、细胞代谢物、甾体、细胞壁片段等。胞外信号的概念并不是绝对的,随着研究的深入,人 们发现有些重要的胞外信号如光、电等也可以在生物体内组织、细胞之间或其内部起信号分子的作用。 不论是胞外信号还是胞间信号,均含有一定的信息(information) 。信号是信息的物质体现形式和 物理过程。信号的主要功能在细胞内和细胞间传递生物信息,当植物体感受信号分子所携带的信息后, 或引起跨膜的离子流动,或引起相应基因的表达,或引起相应酶活性的改变等,最终导致细胞和生物体 特异的生理反应。

图 7-1 影响植物生长发育的各种环境因子示意图 (引自 Buchanan et al. 2000) (二)第二信使 第二信使(second messenger)又称次级信使,是指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞 内信号分子,从而将细胞外信息转换为细胞内信息。一般公认的细胞内第二信使有钙离子(Ca ) 、肌醇 三磷酸 (inositol 1,4,5-trisphosphate, IP3) 、 二酰甘油 (1, 2-Diacylglycerol, DG) 、 环腺苷酸 (cAMP) 、 环鸟苷酸(cGMP)等(图 7-2) 。随着细胞信号转导研究的深入,人们发现 NO、H2O2、花生四烯酸、环 ADP 核糖(cADPR) 、IP4、IP5、IP6 等胞内成分在细胞特定的信号转导过程中也可充当第二信使。 细胞外环境信号和胞间信号与胞内信号分子在功能上是密切合作的。 多细胞生物体受到外界环境刺 激后,常产生胞间化学信号,到达细胞表面或胞内受体后,通过产生胞内信号起作用,从而完成整个信 号转导过程。人们通常把整个细胞外信号(包括胞外环境刺激信号和胞间信号)称为第一信使或初级信 使,而把胞内信号分子统称为第二信使或次级信使。
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图 7-2 植物细胞内几种主要的第二信使结构

(三)受体 受体(receptor)是细胞表面或亚细胞组份中的一种天然分子,可以识别并特异地与有生物活性的 化学信号物质——配体(ligand)结合,从而激活或启动一系列生物化学反应,最后导致该信号物质特 定的生物学效应。受体与配体(即刺激信号)相对特异性的识别和结合,是受体最基本的特征,否则受 体就无法辨认外界的特殊信号——配体分子, 也无法准确地获取和传递信息。 二者的结合是一种分子识 别过程,靠氢键、离子键与范德华力的作用,配体与受体分子空间结构的互补性是特异性结合的主要因 素。 在植物感受各种外界刺激的信号转导过程中,受体的功能主要表现在两个方面:第一,识别并结合 特异的信号物质,接受信息,告知细胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素。第二,把识别和接受的 信号准确无误地放大并传递到细胞内部,启动一系列胞内信号级联反应,最后导致特定的细胞效应。要 使胞外信号转换为胞内信号,受体的这两方面功能缺一不可。 受体依据其存在的部位不同通常分为细胞表面受体和膜内受体(图 7-3) 。细胞表面受体存在于细 胞质膜上,大多数信号分子不能过膜,通过与细胞表面受体结合,经过跨膜信号转换,将胞外信号传至 胞内。膜内受体是指存在于细胞质中或亚细胞组分(细胞核等)上的受体。大部分水溶性信号分子(如

多肽激素、生长因子等)以及个别脂溶性激素可以扩散进入细胞,与膜内受体结合,调节基因转录。

图 7-3 细胞表面受体和膜内受体 (引自 Buchanan et al. 2000) 目前关于植物受体研究较多的是光受体和激素受体。 有关植物细胞受体的类型及其介导的信号转导 过程将在第二节中详细讨论。

二、

植物细胞信号转导的特点

相对于动物细胞,植物细胞信号转导的研究相对较晚。早期关于植物细胞信号转导的研究大多跟 踪和借鉴动物细胞信号转导的研究思路和技术。随着对植物激素等生物体内细胞间信号分子,以及光、 辐射、电磁场、温度、水分,甚至病原菌等生物外环境因子对生物体代谢、生长发育的细胞及分子机理 研究的深入,人们对植物细胞信号转导的认识有了长足的发展。最近模式植物拟南芥(Arabidopsis

thaliana)基因组全序列的测定完成,以及对部分基因功能的研究取得重要进展之后,植物科学家们对
于植物细胞的信号转导有了许多更进一步的认识。

表 7-1 一些常见的植物信号转导反应
生理现象 光诱导的种子萌发 气孔运动 植物向光性反应 含羞草感振运动 光 光、黑暗、ABA 等 光 机械刺激 感受的刺激 相应的生理反应 种子萌发 气孔开闭运动 植物向光性生长 含羞草小叶运动

根的向地性生长运动 光照控制植物开花 植物的春化反应 植物叶片脱落 乙烯诱导果实成熟

重力 光 低温 光周期 乙烯

根向地性生长 植物开花 植物开花 叶脱落 果实成熟

表 7-1 简单列述了一些常见的高等植物信号转导反应。 植物细胞在信号转导过程上同动物细胞大体 上类似,也分为信号的感受、跨膜信号转导、信号级联放大与整合、细胞特定的生理反应 4 个阶段,并 且已经发现在植物细胞信号转导过程中同样存在类似动物细胞信号转导的胞内信使系统如钙信使系统、 肌醇磷脂信使系统等, 在信号的跨膜转换方面, 植物细胞同样存在着异三聚体 G 蛋白以及下游相应的靶 酶或靶蛋白系统等。 尽管高等植物细胞具有一些与动物细胞类似的信号转导机制, 但是高等植物在信号转导的特殊性也 是明显的。第一,植物不能像动物那样能够运动,其一生总是固定在一个地方。当其生活的环境条件改 变,遇到不利于其生存的逆境胁迫时,植物不能通过运动去积极逃避逆境,植物只能被动接受,但是这 种被动接受并不是完全意义上的被动, 人们研究发现植物体可以通过整和环境信息来调节自身的生理活 动去积极努力地适应环境的变化,这是植物细胞有别于动物细胞信号转导的一个重要的区别。第二,我 们知道高等植物属于自养生物, 植物如何感受环境中的太阳光, 并通过光合作用固定太阳光把光能转换 为生物自身的能量的信号转导过程同样是动物所不具备的。 同时在植物的整个生长发育过程中, 植物的 光形态建成、光周期效应以及春化效应等信号转导过程也是植物有别于动物的重要特点。第三,我们知 道动物的神经系统和循环系统在长距离信号转导传输过程中起着重要的作用, 而植物只有木质部和韧皮 部两大输导系统,植物如何将长距离信号传输到相应组织细胞的信号转导过程同样有别于动物。 同时, 植物细胞信号转导系统在某些方面还保留了低等原核细胞的信号转导机制, 例如植物激素乙 烯受体 ETR1 与细菌双组份信号转导系统之间具有极大的相似性。 三、 植物细胞信号转导研究内容和意义 自 20 世纪 30 年代科学家们致力于细胞信号转导领域的研究以来, 特别是细胞信号转导研究史上的 三个里程碑:细胞内三大信使系统 cAMP、钙和钙调素(CaM) 、肌醇磷脂系统的相继发现之后,细胞信 号领域一直是科学家们研究的热点, 许多诺贝尔生理及医学奖相继授予了从事细胞信号转导研究的杰出 科学家们,特别是上个世纪 90 年代后的 10 年时间里本领域先后有 5 项成果获得诺贝尔生理及医学奖, 如 1971 年的诺贝尔生理及医学奖授予胞内信使 cAMP 的及第二信使学说的提出者 E. W. Sutherland,

1992 年授予糖原代谢中蛋白质的可逆磷酸化反应的研究者 E. Krebs 和 E. Fisher,1994 年授予信号转 导领域 G 蛋白的发现者 A. G. Gilman 和 M. Rodbell,以及 1998 年的诺贝尔生理及医学奖授予 NO 信号 分子的发现者 R. F. Furchgott,L. J. Ignarro 和 F. Murad 等。 随着动物细胞信号转导研究内容的深入、 系统和完善, 植物细胞信号转导的研究也逐步受到人们的 关注,并在近 30 余年来取得了许多突破性的进展。植物细胞信号转导研究的具体内容包括代谢、发育 和遗传许多方面,从其机制上可以简单概括为:研究植物细胞感受、耦合各种胞内外刺激(初级信号) , 并将这些胞外信号转化为胞内信号(次级信号) ,通过细胞内信号系统调控细胞内的生理生化变化,包 括细胞内部的基因表达变化、 酶的活性和数量的变化等, 最终引起植物细胞甚至植物体特定的生理反应 的信号转导途径和分子机制。 植物细胞信号转导的研究可以揭示植物对环境刺激反应的遗传和分子机制, 使得科学家们从而可以 通过生物工程技术和手段,调控植物生命活动,提高植物适应环境能力。同时,由于植物细胞信号转导 的特殊性, 对于其机制的研究更加丰富生物体包括动物和植物等的信号转导内容, 揭示生命进化的本质; 因此,无论在实践上或理论上植物细胞信号转导的研究均具有重要的意义。

第二节

植物细胞信号转导过程

植物细胞的信号转导过程可以简单概括为:刺激与感受——信号转导——反应三个重要的环节。

一、刺激与感受
当存在刺激信号时,植物细胞必须能够感受并接受这些刺激,这是细胞信号转导的第一步,主要由 受体来完成。受体是细胞信号转导系统中最重要的一员,正是它,首先识别并接受外来信号,启动了整 个信号转导过程。 通常来说一种信号只能与特异的受体结合, 引起相应的生理反应, 但是受体的特异性不能简单理解 为任何一种受体仅能与一种配体结合,或者反之,这种情况只是对特定的细胞和生理条件而言。研究表 明,同一细胞或不同类型的细胞中,同一配体可能有两种或两种以上的不同受体,例如在动物细胞中, 乙酰胆碱有烟碱型和度蕈型两种受体, 肾上腺有α和β两种受体, 同一配体与不同类型受体结合会产生 不同的反应。 植物细胞中已经发现有类似于动物细胞中存在的三种类型的细胞表面受体: G 蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor , GPCR ) 、酶连受体( enzyme-linked receptor )和离子通道连接受体 (ion-channel-linked receptor) (图 7-4) 。由于细胞信号的感受和转换是一个统一和连续的过程中,

因此有关此三类受体的详细内容将在信号的跨膜转换中介绍。

图 7-4 细胞表面受体的三种类型 (引自潘瑞炽等,2001)

二、信号转导
当细胞通过细胞表面受体感受外界信号刺激后, 下一步的任务是将胞外信号转化为胞内信号, 并通 过细胞内信使系统级联放大信号,调节相应酶或基因的活性,这是细胞信号转导的主要过程,此过程相 当复杂, 主要包括胞外信号的跨膜转换、 细胞内第二信使系统和信号的级联放大以及蛋白质的可逆磷酸 化。 (一)信号跨膜转换 对于细胞内受体而言,信号物质(配体)可以进入细胞内部与胞内的受体结合,完成细胞信号的直 接跨膜进入。而对于细胞表面的受体反应,外界信号首先与细胞表面的受体结合,不能直接将其所携带 的信息传递到细胞内部。如何将信号转换到胞内,就涉及到一个信号的跨膜转换问题。外界信号物质与 细胞表面的受体结合后, 将外界信号转换为胞内信号的过程称为信号的跨膜转换。 细胞通常采取以下三 种方式将胞外信号跨膜转换为胞内信号。 1.通过离子通道连接受体跨膜转换信号

离子通道(ion channel)是存在于膜上可以跨膜转运离子的一类蛋白质。而离子通道型受体即离 子通道连接受体,除了具备转运离子的功能外,同时还能与配体特异的结合和识别,具备受体的功能。 当这类受体和配体结合接收信号后, 可以引起跨膜的离子流动, 把胞外的信息通过膜离子通道转换为细 胞内某一离子浓度的改变的信息。目前植物中关于离子通道型受体的研究不多,但在拟南芥、烟草和豌 豆等植物中发现有与动物细胞同源的离子通道型谷氨酸受体 (ionotropic Glutamate receptor, iGluR) , 并且可能参与了植物的光信号转导过程。 2.酶促信号直接跨膜转换 该过程的跨膜信号转换主要由酶连受体来完成。 此类受体除了具有受体的功能外, 本身还是一种酶 蛋白,当细胞外的受体区域和配体结合后,可以激活具有酶活性的胞内结构域,引起酶活性的改变,从 而引起细胞内侧的反应,将信号传递到胞内。如具有受体功能的酪氨酸蛋白激酶,当其胞外的受体部分 接受了外界信号后激活了胞内具有蛋白激酶活性的结构域, 从而使细胞内某些蛋白质的酪氨酸残基磷酸 化,进而在细胞内形成信号转导途径。在研究植物激素乙烯的受体时发现,乙烯的受体有两个基本的部 分, 一个是组氨酸蛋白激酶 (His protein kinase, HPK) , 另一个是效应调节蛋白, (response-regulator protein, RR) 。当 HPK 接受胞外信号后,激酶的组氨酸残基发生磷酸化,并且将磷酸集团传递给下游的 RR。RR 的天冬氨酸残基部分(信号接收部分)接受了传递过来的磷酸集团后,通过信号输出部分,将 信号传递给下游的组分。下游末端的组分通常是转录因子,从而可以调控基因的表达。 3.通过 G 蛋白偶联受体跨膜转换信号 此种方式是细胞跨膜转换信号的主要方式。G 蛋白 即 GTP 结合蛋白(GTP binding protein) ,是 细胞内一类具有重要生理调节功能的蛋白质。G 蛋白可以和三磷酸鸟苷(GTP)结合,并具有 GTP 水解 酶的活性。在所有的 G 蛋白中只有两种类型 G 蛋白参与细胞信号传递:小 G 蛋白和异三聚体 G 蛋白。小 G 蛋白是一类只含有一个亚基的单聚体 G 蛋白,它们分别参与细胞生长与分化、细胞骨架、膜囊泡与蛋 白质运输的调节过程。 在细胞跨膜信号转导中起主要作用的是异三聚体 G 蛋白(heterotrimeric G-proteins, 也被称作大 G 蛋白)。常把异三聚体 G 蛋白简称为 G 蛋白,在本章以后的叙述中如果没有特殊说明,那么 G 蛋白一 般是指与细胞表面受体偶联的异三聚比 G 蛋白。异三聚体 G 蛋白由 3 种不同亚基(α、β、γ)构成,α 亚基含有 GTP 结合的活性位点,并具有 GTP 酶活性,β和γ亚基一般以稳定的复合状态存在。异三聚体 G 蛋白参与胞外信号跨膜转换的特点是:胞外信号被细胞表面的受体识别后,通过膜上的 G 蛋白转换到 膜内侧的效应酶上,再通过效应酶产生多种第二信使,从而把胞外的信号转换到胞内。

图 7-5 概括了 G 蛋白偶联的胞外信号转导过程: 当无外界刺激时, 异三聚体 G 蛋白处于非活化状态, 以三聚体形式存在,α亚基上结合着 GDP,此时其上游的受体和下游的效应酶均无活性。当细胞接受外 界信息后,信号分子与膜上的受体(非激活型)结合后引起受体构象改变,形成激活型受体。激活型的 受体可与 G 蛋白的α亚基结合,并引起α亚基构象改变,释放 GDP,结合 GTP,形成激活型的α亚基。 活化的α亚基进一步与βγ亚基复合体解离,并与下游的靶效应器结合,将信号传递下去。G 蛋白下游 的靶效应器很多, 包括磷酯酶 C (PLC) 、 磷酯酶 D (PLD) 、 磷酯酶 A2 (PLA2) 、 磷酯酰肌醇 3 激酶 (PI3K) 、 腺苷酸环化酶、离子通道等。当α亚基把信号传递给下游组份后,其上的 GTP 酶活性使结合的 GTP 水解 为 GDP,α亚基恢复最初构象,成为非激活型,并与下游靶效应器分离,α亚基重新与βγ亚基复合体 结合,完成一次信号的跨膜转换。在上述过程中 G 蛋白的作用不仅仅是信号的跨膜转换,而且对于外界 微弱的信号起到了放大作用,详细内容见本节蛋白质的可逆磷酸化部分:细胞内信号的级联放大。 通常认为,G 蛋白参与的跨膜转换信号方式主要是α亚基调节,而βγ亚基的功能主要是对 G 蛋白 功能的调节和修饰,或把 G 蛋白锚定在细胞膜上。随着研究的深入,越来越多的证据表明,G 蛋白被受 体激活后βγ亚基游离出来也可以直接激活胞内的效应酶。 有些甚至是α亚基和βγ亚基复合体协同调 节。在目前所知道的 8 种不同的腺苷酸环化酶(AC)同工酶中,AC1 通过α亚基激活,AC2、AC4、AC7 则直接被βγ亚基激活,但需要α亚基存在,两种协同起作用。

图 7-5 G 蛋白参与的跨膜信号转换

(参照潘瑞炽等 2001,略有修改) 现已证明, 异三聚体 G 蛋白在植物中普遍存在, 运用免疫转移电泳等生化手段先后在拟南芥、 水稻、 蚕豆、燕麦等植物的叶片、根、培养细胞和黄化幼苗中检测到植物 G 蛋白,并参与了光、植物激素以及 病原菌等信号的跨膜转导,以及在质膜 K 离子通道、植物细胞分裂、气孔运动和花粉管生长等生理过程 的调控。在 G 蛋白偶联受体的研究上,目前已从拟南芥分离到一种 G 蛋白偶联受体(GPCR) ,其氨基酸 序列上与动物 GPCR 达到 20%左右一致性和 50%左右的相似性, 在功能上可能参与了细胞分裂素的信号 转导过程。 (二)胞内信使系统 胞外的信号经过跨膜转换进入细胞后, 通常产生第二信使并通过相应的胞内信使系统将信号级联放 大,引起细胞最终的生理反应(图 7-6) 。
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图 7-6 第二信使学说

目前植物中普遍接受的胞内第二信使系统主要有: 钙信使系统和肌醇磷脂信使系统。 对于动物中研 究较为透彻的环核苷酸信使系统是否同样存在于植物以及其在植物中存在的普遍性,尽管目前尚有争 议, 但已有一部分报道在拟南芥等植物中存在并参与了植物气孔运动、 光诱导叶绿体花色素的合成等信 号转导过程,因而在此同钙信使系统和肌醇磷脂信使系统一并表述。 植物细胞在感受某一刺激或同时感受多种刺激时,复杂多样的信号系统之间存在着相互交流 (cross-talk) ,并由此形成植物细胞内的信号转导网络(network)。 1、 钙信使系统 钙信使系统是植物细胞中重要的也是研究最多的胞内信使系统。 20 世纪 60 年代末期美籍华人张槐

耀关于钙信使系统中的重要环节因子 Ca 的多功能受体蛋白――钙调素(CaM)的发现,对于细胞内的 钙信使系统的建立具有实质性的贡献。80 年代以来植物细胞中钙信使系统的存在及其信号转导功能先 后被大量的实验所证实。 胞内钙梯度的存在是 Ca 信号产生的基础。正常情况下植物细胞质中游离的静息态 Ca 水平为 10 ~10
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mol/L 左右,而液泡的游离钙离子水平在 10 mol/L 左右,内质网中钙离子浓度在 10 mol/L,细
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胞壁中的钙离子浓度也高达 10 -10 mol/L。因而细胞壁等质外体作为胞外钙库,内质网、线粒体和液 泡作为胞内钙库。静止状态下这些梯度的分布是相对稳定的,当受到刺激时,钙离子跨膜运转调节细胞 内的钙稳态(calcium homeostasis) ,从而产生钙信号。 Ca 信号的产生和终止表现在胞质中游离 Ca 浓度( [Ca ]c)的升高和降低。由于在胞内、外 Ca
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库与胞质中 Ca 存在很大的浓度差,当细胞受到外界刺激时,钙离子可以通过胞内、外 Ca 库膜上的
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Ca 通道由钙库进入细胞,引起胞质中游离 Ca 浓度大幅度升高,产生钙信号。钙信号产生后作用于下 游的调控元件(钙调节蛋白等)将信号进一步向下传递,引起相应的生理生化反应。当 Ca 作为第二 信使完成信号传递后,胞质中的 Ca 又可通过钙库膜上的钙泵或 Ca /H 转运体将 Ca 运回到 Ca 库(质 膜外或细胞内 Ca 库) ,胞质中游离 Ca 浓度恢复到原来的静息态水平,同时 Ca 也与受体蛋白分离, 信号终止,完成一次完整的信号转导过程。
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图 7-7 高等植物细胞内钙离子转运多条途径示意图 (引自 Buchanan et al. 2000)

大量研究表明 Ca 在众多的植物刺激-反应中作为第二信使,几乎所有不同的胞外刺激信号,如 光、触摸、重力、植物激素、病原菌等,都能引起胞内游离钙离子浓度([Ca ]c)短暂的、明显升高, 或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。 钙浓度变化信号如何能对不同的胞外刺激起反应, 而最终导致 对特定刺激的特定生理效应?目前认为产生钙信号的特异性可能有如下两种模式: 一种是钙信号本身具 有特异性, 特异性的钙离子变化决定生理反应的特异性。 另一种是钙信号产生后通过下游的的不同信号 转导因子决定反应的特异性。在前一种模式中,细胞能对某一种刺激产生独特的 Ca 时空特异性变化方 式,称为钙指纹(Ca
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signature) 。构成钙指纹的信息有钙峰、钙波、钙振荡和钙信号的空间定位等。

不同的刺激可以反映在钙峰峰值的高低及出现钙峰的早晚、 钙振荡的振幅和频率以及钙振荡的形状 (正 弦型、钉型或不对称型等) 、钙波的形状和形式、钙信号产生的细胞内局部空间定位等。 在第二种模式中,钙信号产生后可以通过下游相应的钙受体蛋白产生不同的生理效应。钙调素 (calmodulin, CaM)是最重要的钙受体蛋白。它是一种由 148 个氨基酸组成的耐热、耐酸性的小分子 可溶性球蛋白,等电点 4.0,相对分子量约为 16.7kDa。CaM 与 Ca 有很高的亲和力,每个 CaM 分子有 4 个 Ca 结合位点,可以与 1-4 个 Ca 结合。CaM 以两种方式起作用:第一,可以直接与靶酶结合,诱导 靶酶的活性构象,从而调节靶酶的活性;第二,与 Ca 结合,形成活化态的 Ca 〃CaM 复合体,然后再 与靶酶结合将靶酶激活,这种方式在钙信号传递中起主要作用。
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CaM 异型基因表达的差异很大,其在不同细胞内种类、含量不同可能导致同一个刺激在不同的细胞 内产生不同的生理效应, 同时 CaM 在不同细胞内不同区域的分布、 含量不同也可能是不同形式的钙信号 产生不同生理效应的另一种机制。 除了 CaM 外,植物细胞中 Ca 信号也可以直接作用于其它的钙结合蛋白,研究最多的钙依赖型蛋白 激酶(calcium dependent protein kinase ,CDPK) ,对于 CDPK 的具体内容我们将在本节后半部分详 细讨论。 2、 肌醇磷脂信使系统 肌醇磷脂信使系统是植物细胞信号转导中的另一种重要的胞内信使系统,其发现细胞信号转导研
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究史上是继 cAMP、钙调素发现以来的第三个里程碑。 肌醇磷脂(inositol phospholopid)是细胞膜的基本组成成分。如图 7-8 所示,肌醇磷脂主要分 布于质膜内侧,其总量约在膜磷脂总量的 10 %。现已确定的肌醇磷脂主要有三种:磷脂酰肌醇 (phosphatidylinositol,PI) 、磷脂酰肌醇-4-磷酸(phosphatidylinositol-4-phosphate,PIP)和 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate,PIP2) 。在磷脂酶 C(PLC)的作 用下 PIP2 可以水解产生三磷酸肌醇(IP3)和二酯酰甘油(diacylglycerol,DG,DAG)两种胞内第二信 使,产生的 IP3 和 DAG 可以分别通过 IP3/Ca 和 DAG/PKC 两个信号途径进一步传递信号,因此人们常 把肌醇磷脂信使途径称之为 “双信使途径” 。IP3 和 DAG 完成信号传递后经过肌醇磷脂循环可以重新合 成 PIP2,实现 PIP2 的更新合成。
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图 7-8 磷脂酰肌醇代谢循环过程 (参照 Berridge 1986 略有修改) 不断积累的证据表明, 植物细胞的确存在一个和动物类似的肌醇磷脂信息传递系统, 肌醇磷脂信号 系统的中心环节因子——PLC 及由它作用产生的信号物质 IP3 和 DAG、IP3 使贮钙体液泡释放钙的功能都 已在植物细胞中发现。 图 7-9 简单概括了目前植物细胞的肌醇磷脂信使系统作用模式: 植物细胞感受外 界刺激信号后,经过信号的跨膜转换,激活质膜内侧锚定的 PLC,活化的 PLC 水解质膜上的 PIP2 产生两

种第二信使 DAG 和 IP3,从而启动 IP3/Ca 和 DAG/PKC 双信使途径。一方面,产生的 IP3 可以通过激活 细胞内钙库(液泡等)上的 IP3 受体(IP3 敏感的钙通道) ,促使 Ca 从液泡中释放出来,引起胞内游离 的 Ca 浓度升高,实现肌醇磷脂信使系统与钙信使系统之间的交联,通过胞内的 Ca 信使系统调节和控 制相应的生理反应。已有大量证据表明,IP3/Ca 系统对于干旱、ABA 引起的气孔关闭的信号转导过程 中起着重要的调节作用,在鸭趾草保卫细胞中,ABA 处理诱导气孔关闭过程中,胞内游离的 Ca 升高也 是通过 IP3 作用于胞内钙库释放 Ca 实现。另一方面,在动物细胞肌醇磷脂信号系统中,产生的第二信 使 DAG 可以通过 DAG/PKC 信号转导途径,激活蛋白激酶 C(PKC) ,对某些底物蛋白或酶进行磷酸化, 实现信号的下游传递。 在植物细胞中是否存在 PKC 迄今为止尚无直接的证据, 尽管有报告 DAG 可以促进 保卫细胞质膜上的质子泵以及气孔开放的作用,但 DAG/PKC 途径是否在植物细胞中存在尚待进一步的 证实。
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图 7-9 植物细胞肌醇磷脂信使系统模式图
(注:?表明在植物细胞中 PKC 的存在尚有争议)

3、 环核苷酸信号系统 环核苷酸是在活细胞内最早发现的第二信使,包括 cAMP 和 cGMP,其分别由 ATP 经腺苷酸环化酶、 GTP 经鸟苷酸环化酶产生而来。

动物细胞中,外界刺激信号激活质膜上的受体通过 G 蛋白的介导促进或抑制膜内侧的腺苷酸环化 酶,从而调节胞质内的 cAMP 水平,cAMP 作为第二信使激活 cAMP 依赖的蛋白激酶(PKA) ;PKA 被激活后 其催化亚基和调节亚基相互分离, 其中催化亚基可以引起相应的酶或蛋白质磷酸化, 引起相应的细胞反 应,或者催化亚基直接进入细胞核催化 cAMP 应答元件结合蛋白( cAMP response element binding protein, CREB)磷酸化(图 7-10) ,被磷酸化的 CREB 激活核基因序列中的转录调节因子 cAMP 应答元 件(cAMP response element, CRE) ,导致被诱导基因的表达。

图 7-10

cAMP 信号系统传递模型

(参照 Buchanan 2000 略有修改) 20 世纪 70 年代以来, 人们一直着力于植物细胞内是否存 cAMP, 以及其是否具有胞内第二信使功能 的研究,但是进展缓慢。尽管目前仍无确切证据表明高等植物细胞中普遍存在 cAMP,但在一部分植物 中已经检测到 cAMP 或其合成和降解系统相关成分(腺苷酸环化酶、磷酸二酯酶)的存在。对模式植物 拟南芥基因序列的分析结果表明,植物核基因组中含有 CRE 序列以及编码 CREB 的序列,并且 CRE 的启 动子受 cAMP 结合蛋白的调控。乙烯受体 ETR1 基因序列中也包含一段可能受 cAMP 调控的 DNA 序列。在 关于植物中 cAMP 生理功能的研究中,有报道 cAMP 可能参与了叶片气孔关闭的信号转导过程,并且在

ABA 和 Ca 抑制气孔开放及质膜内向 K 通道活性的过程中有 cAMP 的参与;花粉管的伸长生长也受 cAMP 的调控; 腺苷酸环化酶可能参与了花粉与柱头间不亲和性的表现; 以及根际微生物因子作用于根毛细胞 后可以导致 cAMP 浓度的升高等。1944 年 Bowler 和蔡南海等研究完整叶绿体中多种光系统色素蛋白质 及酶基因表达所必需的光信号传递过程的结果表明 Ca -CaM 及 cGMP 两个信号系统在合成完整成熟叶绿 体中协同作用。说明植物细胞中 cAMP、cGMP 作为植物细胞信号转导过程中的调节因子,可能主要是通 过与其它信使的交互作用而表现其生理调节功能。
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三、蛋白质的可逆磷酸化
蛋白质可逆磷酸化是细胞信号传递过程中几乎所有信号传递途径的共同环节, 也是中心环节。 胞内 第二信使产生后, 其下游的靶分子一般都是细胞内的蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶, 激活的蛋白激酶和蛋白 磷酸酶催化相应蛋白的磷酸化或脱磷酸化,从而调控细胞内酶、离子通道、转录因子等的活性。 cAMP 可以通过 PKA 作用使下游的蛋白质磷酸化,Ca 可以通过与钙调素结合作用于 Ca/CaM 依赖的蛋白激酶 使蛋白质磷酸化, 也可以直接作用于 CDPK 使蛋白质磷酸化等, 促分裂原活化蛋白激酶 (mitogen active protein kinase, MAPK)信号转导级联反应途径,由 MAPK,MAPKK,MAPKKK 三个激酶组成的一系列蛋白 质磷酸化反应。
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图 7-11 蛋白质可逆磷酸化反应式

蛋白质的磷酸化和脱磷酸化在细胞信号转导过程中具有级联放大信号的作用,如图 7-12 所示,外 界微弱的信号可以通过受体激活 G 蛋白、 产生第二信使、 激活相应的蛋白激酶和促使底物蛋白磷酸化等 一些列反应得到级联(cascade)放大。

图 7-12 cAMP 信号传递过程中的级联放大作用 (引自 Alberts et al. 1989)

目前植物中已经鉴定并分离出许多种的蛋白激酶和蛋白磷酸酶,并对其功能进行了初步的研究。 (一)植物中的蛋白激酶 植物中存在着很多种的蛋白激酶, 和动物蛋白激酶类似, 植物中的蛋白激酶也可以根据被磷酸化的 氨基酸的种类分为 Ser/Thr/Tyr 型,另外,在拟南芥中还发现了组氨酸蛋白激酶。根据蛋白激酶的调 节物植物中的蛋白激酶可以分为:钙和钙调素依赖的蛋白激酶和类受体蛋白激酶。 1.钙和钙调素依赖的蛋白激酶 CDPK(calcium dependent protein kinase)是植物中首先发现的一种钙依赖蛋白激酶,属于 Ser /Thr 型蛋白激酶,是一个植物中独特的蛋白激酶家族,也是目前植物细胞内信号转导途径中研究较为 清楚的一种蛋白激酶。CDPK 活性受 Ca 调节,不需要 CaM 参与而直接受 Ca 激活,原因在于 CDPK 中具 有与 CaM 相似的调节结构域,当钙离子信号产生后,Ca 不必与 CaM 结合,而直接与 CDPK 上的类似于
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钙调素的结构域结合,解除了 CDPK 的自身抑制,从而导致 CDPK 被激活,激活的 CDPK 可以磷酸化其靶 酶或靶分子, 产生相应的生理反应。 拟南芥基因组的分析表明, 在高等植物中至少存在 40 种以上的 CDPK, 有报道环境刺激可诱导某些 CDPK 表达、CDPK 对植物细胞质膜 K 通道的活性具有调节作用。 另外植物中也发现了 Ca /CaM 依赖的蛋白激酶和有丝分裂原蛋白激酶(MAPKs)的存在,对于他们 在植物细胞信号转导中的作用也有部分研究报道, 植物中 MAPK 参与了许多信号转导途径包括激素, 冷、 干旱、盐等胁迫反应,病原体侵染,机械刺激损伤反应及细胞周期调控。 2.类受体蛋白激酶 类受体蛋白激酶最早发现在动物中, 位于细胞膜上, 能够感受外界刺激,并参与胞内信号转导过程。 它由胞外配体结合区( extracellular ligand-binding domain) 、跨膜区( transmembrane domain) 和胞质激酶区(cytosolic kinase domain) 3 个结构域组成。胞外配体结合区的功能是识别配体感受外 界信号, 跨膜区则将被胞外配体识别的信号传递给胞质激酶区, 而胞质激酶区能够通过磷酸化作用将信 号传递给下一级信号传递体。 目前已在多种高等植物中分离出一系列受体蛋白激酶基因, 如从拟南芥植 株分离到一种类似受体的蛋白激酶基因RPK1,该基因编码的氨基酸序列包含蛋白激酶中的11 个保守亚 区,属丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶类型,具备胞外配体结合区、跨膜区和胞质激酶区等全部受体蛋白激酶 的特征区。此外RPKl 激酶的胞外部分含有富亮氨酸重复序列( LRR leucine - rich repeat sequence), 该序列参与蛋由质-蛋白质间的相互作用,与感受发育和环境胁迫信号有关。低温及脱落酸处理能快速 诱导该基因的表达。 除了上述两类蛋白激酶外,最近又从拟南芥中分离到一类蛋白激酶基因,ATPK6和ATPK19,它们编 码的氨基酸序列分别与动物核糖体蛋白S6激酶P70 和PP90 有很高的同源性,因而命名为核糖体蛋白 激酶。关于他们的功能可能与植物感受环境胁迫有关,有报道ATPK6和ATPK19均能被低温、高盐和干旱 诱导表达。 (二)植物中的蛋白磷酸酶 蛋白磷酸酶(protein phosphotase,PP)与蛋白激酶在细胞信号转导中的作用相反,主要功能是使磷 酸化的蛋白质去磷酸化,当糖原磷酸化酶在蛋白激酶作用下磷酸化而被“激活”时,则在蛋白磷酸酶的作 用下脱磷酸化而 “失活” , 所以有人把蛋白激酶和蛋白磷酸酶对生物体内蛋白质磷酸化和脱磷酸化作用称为 生物体内的“阴阳反应” 。正是这种相互对立的反应系统,才使得生物体内的酶、离子通道等成分,在接收 上游传递来的信号时通过蛋白激酶适时激活,一旦完成信号接收或传递后及时失活,不至于造成生物体内 出现持续性激活或失活的现象。
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相对于蛋白激酶,蛋白磷酸酶的研究较晚。越来越多的证据表明蛋白磷酸酶在植物细胞生命活动中具 有重要的作用,蛋白质的磷酸化几乎存在于所有的信号转导途径。植物细胞中约有 30%的蛋白质是磷酸化 的,真核生物有近 2000 个蛋白激酶基因和 1000 个蛋白磷酸酶基因,约占基因组的 3%。拟南芥中目前估算 约有 1000 个基因编码激酶,300 个基因编码蛋白磷酸酶,约占其基因组的 5%。在单子叶植物玉米和双子叶 植物矮牵牛、拟南芥、油菜、苜蓿、豌豆也已克隆到蛋白磷酸酶基因,并在多种植物中发现其活性并可能 参与植物的一些重要功能。已有初步工作表明蛋白磷酸酶参与了 ABA、病原、胁迫及发育信号转导途径。

三、反应
反应是细胞信号转导的最后一步,所有的外界刺激都能引起相应的细胞反应,不同的外界信号细胞的 生理反应也不同,有些外界刺激可以引起细胞的跨膜离子流动,有些刺激引起细胞骨架的变化,还有些刺 激引起细胞内代谢途径的调控或细胞内相应基因的表达。整合所有细胞的生理反应最终表现为植物体的生 理反应。根据植物感受刺激到表现出相应生理反应的时间,植物的生理反应可分为长期生理效应和短期生 理效应。如植物的气孔反应、含羞草的感振反应、转板藻的叶绿体运动、棚田效应等这些反应通常属于短 期生理效应。而对于植物生长发育调控的信号转导来说,绝大部分都属于长期生理效应,如光对植物种子 萌发调控、春花作用和光周期效应对植物开花的调控等。 另外,由于植物生存的环境因子非常复杂,在植物生长发育的某一个阶段,常常是多种刺激同时作用, 此时植物体所表现的生理反应就不仅仅是各种刺激所产生相应生理反应的简单叠加,由于细胞内的各个信 号转导途径之间存在相互作用,又称信号系统之间的“交谈” (cross talk),形成了细胞内的信号转导网 络,此时植物体通过整合感受这些不同的外界刺激信号后,最终表现出植物体适应外界环境的最佳的生理 反应。

图 7-13 植物细胞信号转导轮廓 (参照张 继 澍 1999 , 略 有 修 改 ) 总结本节的内容, 整个植物细胞的信号转导途径可以简单用图 7-13 来概括。 如果把受体比喻为 “检 测器”的话,负责信号的接受和检出;那么 G 蛋白就相当于“转换器” ,控制信号的时间和空间,既决 定了 GTP 的水解速度,还决定了效应物被激活的时间,不仅使输入的信号被放大了,同时起到了信号计 时器的作用;而 G 蛋白下游的磷脂酶 C(PLC)或腺苷酸环化酶(AC)相当于效应器,使信号产生最终 的效果;至于蛋白激酶和蛋白磷酸酶则相当于调谐器,修饰信号转导通路中成员的活性状态。





细胞信号转导是指细胞感受、 转导各种环境刺激从而调节自身代谢反应的生理过程。 植物细胞信号 转导的研究内容主要包括:研究植物细胞感受、耦合各种胞内外刺激(初级信号) ,并将这些胞外信号 转化为胞内信号(次级信号) ,通过细胞内信号系统调控细胞内的生理生化变化,包括细胞内部的基因 表达变化、 酶的活性和数量的变化等, 最终引起植物细胞甚至植物体特定的生理反应的信号转导途径和 分子机制。 植物细胞的信号转导过程可以简单概括为: 刺激与感受——信号转导——反应三个重要的环节。 细 胞外的信号刺激主要包括胞外环境信号和胞间信号, 胞外信号的感受通过细胞表面的受体和质膜内受体 所感受。植物细胞表面的受体主要包括:离子通道连接受体、酶连受体和 G 蛋白偶联受体。胞外信号通

过细胞膜转换为细胞内信号的过程成为信号的跨膜信号转换, 在信号的跨膜转换过程中细胞表面的受体 尤其是 G 蛋白偶联的受体起着重要的作用。 胞外信号进入细胞后通常在胞内信使系统的参与下生成第二 信使(Ca 、IP3、DG、cAMP、NO 等) ,从而将胞外配体所含的信息转换为胞内第二信使信息。植物细胞 的胞内信使系统研究较多的是钙信使系统和级醇磷脂信使系统, 尤其是钙信使系统研究的较为透彻。 尽 管有研究表明环核苷酸系统参与了植物气孔运动的细胞信号转导过程,但 DAG/PKC 途径是否在植物细 胞中存在尚待进一步的证实。 蛋白质可逆磷酸化是细胞信号传递过程中几乎所有信号传递途径的共同环节, 也是中心环节, 由蛋 白激酶和蛋白磷酸酶完成。植物中的蛋白激酶主要包括类受体蛋白激酶和钙及钙调素依赖的蛋白激酶。 CDPK(Ca 依赖的蛋白激酶)是植物特有的蛋白激酶。 反应是细胞信号转导的最后一部, 依据感受刺激产生相应生理反应的时间, 植物的生理反应和简单 分为长期生理效应和短期生理效应。 细胞内的各个信号转导途径之间具有相互作用, 存在信号系统之间 的“交谈对话” (cross talk),形成了细胞内的信号转导网络。
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思考题: 1. 植物细胞信号转导的定义及过程。 2. 植物细胞中常见的第二信使有哪些?简述其主要功能。 3. 何为细胞信号转导中的“阴阳反应” ,其在细胞信号转导中的功能。 4. 植物细胞内的胞内信使系统有哪些? 5. 简述异三聚体 G 蛋白参与细胞外信号跨膜转换的过程。 6. 植物细胞的主要钙受体蛋白有哪些?举例说明胞外信号如何通过钙受体蛋白引起相应的生理反应。

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