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植物中重要的信号分子CaM
植物中重要的信号分子——CaM
作者:
霍建飞,刘春艳,郝永娟,王勇,王万立
来源:
《天津农业科学》2010年第03期
摘要:
钙调素(CaM)作为最重要的一类Ca2+结合蛋白,在信号传导过程中具有重要作用,从CaM结构、亚型、分布、作用原理、生理功能、基因表达及CaM相关蛋白几个方面进行简要阐述。
关键词:
钙调素;亚型;作用原理;生理功能;基因表达;CaM相关蛋白
中图分类号:
S322.1文献标识码:
ADOI编码:
10.3969/j.issn.1006-6500.2010.03.010
ImportantSignalMolecularinPlants——CaM
HUOJian-fei,LIUChun-yan,HAOYong-juan,WANGYong,WANGWan-li
(TianjinPlantProtectionInstitute,Tianjin300112,China)
Abstract:
Calmodulin(CaM)isthemostimportantcalcium-bindingprotein,itplaysimportantroleinsignaltransductionprocess.CaMinstructure,isoforms,distribution,functionprinciple,physiologicalfunctions,geneexpressionandCaMbindingproteinsinthisarticlewereintroduced.
Keywords:
CaM;isoforms;functionprinciple;physiologicalfunctions;geneexpression;CaMbindingproteins
钙调素(Calmodulin,CaM)是一种分布最广,功能最重要的钙依赖性调节蛋白。
它是1964年美籍华人张槐耀在研究细胞内cAMP的浓度变化中环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)的调节作用时发现的,不同的研究者根据自己的实验结果而有不同的名称,中国于1987年徐州会议定名为钙调素[1]。
它广泛存在于真核细胞中,是一种以Ca2+受体形式参与细胞中多种酶及许多钙依赖性生理调节过程、能调节细胞生长、分化甚至转化的极为重要的多功能蛋白质[2]。
1CaM的结构
钙调素是细胞溶质中具有148个氨基酸的蛋白,它调制大多数Ca2+的调节功能。
钙调素的链由4个区域(I~IV)组成,每个区域结合一个Ca2+。
每个结合位置由包含天冬氨酸和谷氨酸侧链的环组成,侧链与Ca2+形成离子键。
苏氨酸、酪氨酸和天冬酰胺侧链上的氧原子也参与和Ca2+的结合(引自张槐耀)。
CaM在进化过程中具高度保守性,所有哺乳动物的钙调素有90%的氨基酸序列相似性,植物钙调素与脊椎动物和酵母的氨基酸序列相似性分别为91%和84%,与藻类的相似性为84%~100%。
CaM的分子量为16700,具有较好的热稳定性,酸性和保守性,其中1/3是带有侧链的谷氨酸和天冬氨酸,但不含胱氨酸和脯氨酸,具疏水性,与Ca2+结合后分子构象发生改变,由哑铃状变为球状,CaM的疏水区呈激活态,与无活性依赖于CaM介导的酶相互作用,其构象进一步发生改变,增加催化活性。
Ca2+-CaM是CaM的活化形式,它能调节几十种酶的活性。
2CaM的亚型
脊椎动物中有多种CaM基因,但它们编码的CaM蛋白具有完全一致的氨基酸序列,而在植物中发现的多种CaM基因,它们编码相同或相似的蛋白,这些蛋白都具有EF-手型Ca2+结合结构域,都能够与Ca2+结合,因此,将这些CaM及其相似蛋白称为CaM亚型(isform)[3,4]。
这些CaM亚型在植物生长发育过程中以及对不同刺激信号的反应中的基因表达状况不同。
CaM亚型的氨基酸组成变化可能使其与不同的靶蛋白相互作用,从而完成不同的生物学功能。
植物中多种CaM亚型的存在进一步增强了Ca2+信号介导的信号网络的多样性和复杂性。
到目前为止,在不同植物中已分别克隆到多种CaM基因,植物体中广泛存在CaM多基因家族已是不容置疑的事实。
拟南芥中CaM亚型是最早得到克隆的,至少已经克隆到10个CaM基因[5-8],马铃薯[9]、大豆[10]、小麦[11]中分别分离鉴定了8个、5个、10个CaM基因。
另外,在玉米[12]、豌豆[13]等中都克隆到了不同的CaM多基因家族。
其中,以马铃薯和大豆的植物CaM多基因研究较为深入。
Takeawa等[9]分析马铃薯中8个CaM基因(PCM1~PCM8)的结构表明,PCM1、5、7和8与通常的CaM基因一样,均含有2个外显子及1个内含子(1.5~2.7kb);而PCM2、3、4和6则没有第一个外显子。
比较8种基因的编码区表明,这些基因序列高度保守,而在5'和3'非编码区则存在很大的差异。
从比较根据基因推断出的蛋白序列来看,PCM5、6、7、8的序列完全相同,且和拟南芥的ACAM-2以及大麦CaM-1编码的蛋白十分相似;PCM-1则含有特殊的氨基酸序列,特别是在第四个Ca2+结合区的氨基酸序列与其它几种不同,但与鸡CaM的第四个Ca2+结合区完全相同。
Lee等[10]用水稻的CaM基因为探针,从4d龄的大豆黄化苗下胚轴组织制备的cDNA文库中克隆到5个CaM的cDNA(SCaM1~SCaM-5),比较推断的氨基酸序列表明,SCaM-1、SCaM-3编码相同的氨基酸序列;SCaM1、SCaM-2编码蛋白在N端相差2个氨基酸;SCaM-4、SCaM-1编码氨基酸相差32个;SCaM-5、SCaM-1编码氨基酸相差33个;SCaM-5、SCaM-4编码氨基酸相差15个。
可见SCaM-4和SCaM-5编码的蛋白和SCaM-1编码蛋白相比具有很大的差异。
3CaM的分布
CaM广泛地分布于几乎所有已知的真核生物中,但在不同组织、器官和原生质体中它的含量不同,分布也不一样。
细胞内CaM的水平最终是由胞内Ca2+浓度控制的,胞内静息态Ca2+浓度为10-7mol/L,当胞内浓度高于10-5mol/L时,Ca2+则结合CaM。
CaM和CaMmRNA在培养细胞的分生群体和植物分生组织中分布最多。
如:
在花粉管的萌发过程中,花粉管和柱头中CaM含量最高。
大麦叶片的分生组织、顶端分生组织中CaMmRNA的含量增加[14,15]。
CaMmRNA在雌蕊正在发育过程中的细胞核和核仁中大量表达,特别是在核仁中的表达最多。
在成熟植物细胞的细胞质和细胞核中,CaMmRNA的表达量一致,CaM蛋白在细胞质中的表达却高于细胞核中的表达[16-18]。
赵洁等[19]在研究小麦分离合子与幼胚的发育过程中发现,在不同的胚期CaM分布不一样,较大的梨形期,胚体较胚柄含量高,刚分化出胚芽鞘和胚芽时,基部的CaM含量很高。
Yang等人[20]通过试验发现,在发育的种子中,钙调素在胚乳中都有高水平的表达,而在糊粉层中有较低水平的表达;在植物的初生根中,钙调素在根冠,分生组织中都有表达,而在根的发育过程中,其表达程度逐渐降低。
4CaM与Ca2+的结合及钙调蛋白的作用原理
钙调素是植物细胞中胞内Ca2+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,从而调控植物细胞分裂、伸长、生长、发育和抗逆等。
CaM作用机理要点是:
Ca2+与CaM结合而激活CaM,活化了的Ca2+-CaM再与多种酶结合从而调节酶活力,最终引起生理生化反应,继而调控植物的细胞分裂、伸长、生长、发育和抗逆等[21,22]。
因此,同Ca2+的结合是CaM活化的重要条件。
普遍认为CaM的四个Ca2+结合区中,N端的Ⅰ、Ⅱ区为低亲和力区,C端的Ⅲ、Ⅳ区为高亲和力区[23],两者的半饱和浓度分别是11.0μmol/L及3.0μmol/L,
高亲和力区结合Ca2+会使低亲和力区对Ca2+的亲和力增加。
进一步研究表明两个成对的结合区之间(如Ⅰ、Ⅱ区之间)也存在协同作用[24]。
通过对CaM溶液的晶体学分析和核磁共振研究可知道,CaM分子一端的两个Ca2+结合手形结构是相互关联的,在这两个结合区中,相互对应的结合Ca2+环结构的肽段之间形成了反平行的B-片层结构,这样二者之间不可避免地表现对Ca2+结合的协同性,即两个手形结构同时结合Ca2+时,对Ca2+的亲和力要大大高于单独一个手形结构对Ca2+的亲和力。
这种协同性可能和CaM结合Ca2+的构象变化有关。
由于完整的CaM分子两端的EF手形结构对Ca2+的亲和力不同,结合了Ca2+的CaM分子N端Ⅰ、Ⅱ区中Ca2+的解离速率比C端的Ⅲ、Ⅳ区要快,所以,被Ca2+激活的完整的CaM分子很可能通过N端Ca2+的交换来敏感地反映环境中Ca2+的浓度变化,进而调节整个CaM分子对Ca2+的结合状态,来完成激活向失活的转化。
CaM分子的整体的构象变化是其执行生理功能的必要条件。
5钙调蛋白的生理功能
CaM生理功能的研究涉及面相当广泛,在酶活、性调节、细胞分裂与分化、细胞骨架与细胞运动、光合作用、激素反应、核内酶系统及基因表达等生理过程中,都有参与。
细胞内Ca2+浓度的变化作为一种重要的调节信号,对多种细胞代谢活动均具调控作用。
细胞自由Ca2+的分布与转移是形成Ca2+信号的基础。
当细胞接受环境刺激后,胞外钙离子的涌入和胞内钙库的释放会使胞质自由Ca2+浓度升高,升高后的Ca2+会启动钙信号途径,激活CaM,CaM会进一步激活依赖的蛋白激酶(CaMK)或结合蛋白(CaMBPs),蛋白激酶的活化会导致代谢的关键酶或转录因子活化,从而完成对细胞代谢活动或某些基因表达的调节[25]。
在植物生理学、植物病理学、细胞生物学、发育生物学研究中,Ca2+-CaM也一直是热点。
钙-钙调蛋白动态研究己涉及植物雌雄配子形成[26]、花粉管生长[27]、生殖核分裂[28]、藻类植物卵及合子极性建立[29]、助细胞退化[30]、幼胚发育中的极性分布[31]及种子萌发[32]等各个方面。
Gong等[33]研究表明,Ca2+·CaM信使参与调节玉米幼苗中抗氧化酶活性而提高玉米幼苗抗热性。
张化生等[34]通过生理生化试验证实了Ca2+·CaM系统在辣椒幼苗抗冷调控过程中起着重要作用。
宗会等[35]用CPZ和LaCl3对水稻进行根际处理,阻碍Ca2+·CaM信号传导后降低干旱、盐和低温胁迫下水稻幼苗存活率、RWC和相对生长量,同时增大其质膜透性,表明Ca2+·CaM信使系统参与了水稻幼苗抗逆性调控。
郭秀林等[36]通过试验证实了干旱情况下ABA引起酶活性变化的过程中,Ca2+·CaM系统参与到其中,说明了CaM可能参与干旱信号引起基因表达的过程。
张春梅等[37]通过试验研究了钙、钙调素拮抗剂W-7预处理对聚乙二醇模拟干旱胁迫下番茄幼苗抗氧化系统的影响,结果表明钙调素拮抗剂W-7浸种处理显著提高了番茄幼苗MDA、H2O2含量和O2·产生速率,抑制了SOD、POD活性,加剧了AsA和GS
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