1、在这些系统中，G-蛋白是研究得最多的，自从70年代初在动物细胞中首先发现G-蛋白的存在以来，有关G-蛋白的研究进展迅速。现在已不仅所有真核细胞中存在G-蛋白，而且已经证明G-蛋白在细胞信号转导过程中有着非常重要的调节作用3-8。G-蛋白的发现和研究，不仅使人们对细胞信号转导以及神经系统的信息传递有了新的进一步认识，而且在临床医学上有广泛的应用前景和价值9。 90年代以来，在细胞信号转导系统中起着信号放大以及调节信号转换通路作用的G-蛋白,相继在许多植物中发现。G-蛋白可能参与植物抗病信号转导也有报道。经过不断的不懈努力，对G-蛋白介导的信号传递机制了解的越来越清楚，在植物中的研究的也达到了一定
2、的深度10。本文主要对植物细胞G-蛋白的最新研究进展作一概述。1 G-蛋白信号系统 G-蛋白是一种GTP结合蛋白质，它的发现对于整个细胞信号转导的研究具有重要意义。G-蛋白分子自身的多样性、趋异性和精细的调节，使得复杂的外部信号转导进细胞内部而不产生差错。胞外信号被位于细胞膜表面的受体（R）识别后通过G-蛋白转导到效应器（E），产生多种第二信使，到达最终的靶位点。而负责开放或关闭这条途径的却是G-蛋白本身，这便是G-蛋白信号途径的要点。2 G-蛋白的发现G-蛋白的发现是生物学一大成就11。1971年，Rodbell及其同事12在证实刺激或抑制腺苷酸环化酶（AC）的活性都需要GTP的参与时提出G
3、-蛋白这一概念。1977年，Ross和Gilman发现在受体和效应器之间存在的一个转换器为G-蛋白，并在1980年完成了G-蛋白的纯化。此后10多年来G-蛋白的研究取得了突飞猛进的发展。Rodbell和Gilman也因此获得1994年诺贝尔医学生理学奖。3 G-蛋白的性质G-蛋白是一个很大的膜结合蛋白质家族，并且与大量不同的受体（R）及效应器（E）相互作用，其异型三聚体由、三个亚基组成。其中亚基与亚基通过脂肪酰链的共价结合，锚着于细胞膜。G-蛋白异聚体中每个亚基的结构具有多态性，如存在16种亚基，4种亚基，7种亚基。正是因为存在大量不同的、异聚体才使精细调节并表现为特异性成为可能。G-蛋白转导
4、信号有很高的保真度，这种保真度来自于受体G-蛋白和G-蛋白-效应器的信号识别作用，每个G-蛋白都能指导信息流从一系列不同的潜在受体到一组有限的效应器，因为与G-蛋白偶联的受体家族有几百种蛋白质，而蛋白质家族中的效应器却不多，大抵包括酶和离子通道13,14。G-蛋白发挥作用主要依赖亚基，它不仅具有结合鸟苷酸的能力，还具有内源GTP酶活性，另外还能与复合物、受体、效应器相互作用。G-蛋白的、亚基发挥作用相对要小一些，它们往往作为一个复合物参与作用，而且在功能上是可以互换的，但亚基与亚基的不同亚基间的作用仍具特异性。G-蛋白的亚基在不激活的状态与GDP形成复合物并与七次跨膜受体结合后，G-蛋白上的G
5、DP与亚基解离，亚基与GTP结合同时与、亚基解离，与GTP结合的亚基与位于膜上的催化生成第二信使的效应酶结合，导致效应酶的激活或抑制。、复合物也与膜上一些效应酶结合，起到与亚基的协同或拮抗的作用。4 G-蛋白信号途径一个细胞所拥有的G-蛋白虽多，但却行使着相似的功能，因此需要不同的信号受体进行选择性偶联。这种选择性偶联也影响到不同的效应器，于是产生了不同的胞内信号。G-蛋白信号转导的特点还在于其精细调节，并对基因活性进行调节，这就需要通过R-G-E三者之间的相互作用来实现，而激活G-蛋白是这条信号途径的核心所在。通过许多研究，目前得知G-蛋白转导信号的线路主要有以下5种方式15。（1） 一种受
6、体作用到一种G-蛋白，将信号转导到一种效应器上。（2） 两种受体共同作用到一种G-蛋白上，将两种信号转导到一种效应器。（3） 一种受体作用到一种G-蛋白上，将信号分别转导给两种效应器。（4） 一种受体作用在两种G-蛋白上，将信号分别转导给两种效应器。（5） 两种受体分别作用于两种G-蛋白，将信号共同转导到一种效应器上。5 G-蛋白的信号转导机制51 与G-蛋白偶联的受体（GPCRs）已知与G-蛋白偶联的受体（G-protein coupled receptors，GPCRs）由膜蛋白组成，一般含有7段跨膜螺旋结构，使其能7次跨过质膜。它的N-端位于膜外，可与光量子、氨基酸衍生物、多肽等配体结合
7、；而C-端位于膜内，在胞浆侧链上有一些磷酸化位点，可调节受体功能，GPCRs的胞浆侧含有G-蛋白作用的区域。GPCRs疏水区和疏水区间的环和C-末端可与G-蛋白结合。52 G-蛋白与受体间的相互作用G-蛋白位于质膜的胞浆侧，其亚基和亚基通过与脂肪酰链的共价结合，锚着于细胞膜上。亚基N-端的肉豆蔻酰基修饰对G-蛋白与质膜结合是必不可少的。用脂类对G-蛋白的亚基和亚基进行修饰来研究G-蛋白与细胞膜的相互作用，认为三聚体G-蛋白可能被固定在膜的一个单一位点上，因而使膜结合受体能较大限度地自由接触其表面，而G-蛋白的阴离子表面或疏水表面可提供相互作用位点。单独GDP结合的G可与受体结合并发生相互作用，
8、而G则能增强这种相互作用。在G-蛋白与受体的相互作用过程中，受体和亚基羧基端的相互作用非常重要。三聚体G-蛋白的亚基对决定受体与G-蛋白相互作用的特异性起重要作用。53 G-蛋白与效应物间的相互作用 从现有研究结果看，G-蛋白的效应物可能主要是cAMP，cGMP,IP3，Ca2+/CaM。G-蛋白亚基的效应物结合区部分覆盖了亚基结合区，因而亚基不能同时与亚基和效应物结合。G-蛋白的亚基羧基端是与效应物作用的重要部位。效应物与G-蛋白亚基的特异性很明显：5可激活腺苷酸环化酶；而1则抑制腺苷酸环化酶；9负责激活PLC；12主要调节离子交换。但亚基与效应物的作用无明显特异性。亚基在效应物与二聚体的作
9、用中起重要作用。G-蛋白在与cAMP，cGMP,IP3，Ca2+等第二信使作用时，通过级联反应使信号得以放大。6 植物中的G-蛋白植物细胞比动物细胞多了一层细胞壁，而且其膜系统更为复杂，加上内源G-蛋白在分离过程中很容易丢失，这都给植物G-蛋白研究带来困难。有关植物细胞G-蛋白的研究始于80年代中后期16-18，现在仍处于发展阶段7，19。最初的研究主要集中在确定是否植物细胞中存在G-蛋白，而现在看来，植物细胞中不仅存在多种不同的G-蛋白，而且G-蛋白在许多植物细胞生理过程中有着重要调节作用7，19。1986年，Dillenschneider等从一种欧亚槭悬浮细胞的细胞膜中证实存在着G-蛋白。
10、此后在浮萍中第一次将植物中G-蛋白定位并与某一植物特异的光信号转导联系在一起18。近年来又发现菠菜内囊体蛋白质激酶的活性依赖于由G-蛋白激活引起的cAMP浓度的升高，这一在叶绿体中发现的G-蛋白说明植物信号系统的复杂程度决不亚于动物，同时也为真核生物G-蛋白的起源提供了线索21。从目前发现的植物G-蛋白来看，其序列结构非常趋异。不过从光信号途径中得到的7种G-蛋白均可被PTX ADP-核糖基化，但它们的GTP酶Km值均比动物G-蛋白低得多。许多研究表明，植物细胞G-蛋白可能参与和光敏色素以及其它色素有关的生理调节过程。利用膜片钳技术的研究结果表明，蚕豆保卫细胞质膜上的内向钾离子通道受膜上G-蛋
11、白的调控22。霍乱毒素及百日咳素对保卫细胞钾离子通道有调节作用，也进一步说明G-蛋白参与了保卫细胞钾离子通道的调节过程23。利用细胞显微注射技术所进行的相关研究进一步证明了这一点。植物细胞G-蛋白还可能与膜上肌醇磷脂系统的转变有关，而多种不同的肌醇磷脂早已被确认是细胞信号转导中的重要因子，这表明植物细胞G-蛋白可能通过膜上的肌醇磷脂系统而参与跨膜细胞信号转导。G-蛋白可能对植物细胞中蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程也有调节作用，而G-蛋白的这种作用有可能与其对细胞内cAMP水平的调节有关。Bolwell等发现，霍乱毒素及白日咳毒素促进真菌诱导因子对菜豆培养细胞的影响作用，这表明G-蛋白也有可能参与
12、病原菌感染植物细胞的信号识别与传递过程。植物细胞G-蛋白还可能与植物激素参与的细胞信号转导有关，还可能参与各种细胞器的生理调节过程。Millner的研究工作说明，G-蛋白可能参与叶绿体类囊体膜上蛋白激酶的调节。Romero等的工作证明，玉米幼苗核蛋白的磷酸化过程也受 G-蛋白的调节。7 植物细胞G-蛋白研究展望利用动物细胞所进行的研究已经证明，G-蛋白在细胞信号转导，特别是在跨膜细胞信号转导过程中有着重要的作用。G-蛋白是偶联细胞膜受体与其所调节的相应生理过程之间的主要信号传递者之一9。利用cDNA、基因克隆、蛋白质生物化学、G-蛋白抑制/激活剂、基因转移等技术不仅已证明了G-蛋白在高等植物细
13、胞中的存在8，而且也已初步证明了G-蛋白在植物对光的生理效应、植物细胞离子跨膜运输、植物对激素的生理效应、植物组织和器官的形态建成等细胞信号转导过程中有调节作用8，18。在未来一段时间内，下述几方面的工作可能成为有关植物细胞G-蛋白以及细胞信号转导方面的研究热点：三聚体G-蛋白亚基蛋白水平的分离纯化；三聚体G-蛋白和亚基的基因克隆及蛋白的分离纯化；与G-蛋白相偶联的膜受体的鉴定、分离、基因克隆；三聚体G-蛋白参与跨膜细胞信号转导的生理生化机制研究；G-蛋白与植物激素以及细胞内第二信使物质的相互作用；转G-蛋白基因植物的研究等。【参考文献】1 孙大业，兼有胞内、胞外功能的信号分子的普遍性及生物学
14、意义，科学通报，1999,44（15）：15761581.2 冯亮，刘良式. G蛋白与植物细胞信号转导，植物生理学通讯，1996，32（3）：215-223.3 Freissmuth M, Casey P J, Gilman A G. G proteins control diverse pathways of transmembrane signaling. FASEBJ,1989，3：2125-2132.4 Simon M I, Strathmann M P, Gautam N. Diversity of G proteins in signal transduction. Science
15、,1991，252：802-808.5 Hepler J R, Gilman A G. G protein. Trneds Biochem Sci,1992,17：383-387.6 Gilman A G. G proteins: Transducers of receptor-generaed signals. Ann Rev Biochem,1987，56：615-6497 Kaufman L S. GTP-binding signalling proteins in higher plants. J Biochem Photobiol B: Biol,1994，22：3-7.8 Rodb
16、ell M. The role of horm one receptors and GTP-regulatory proteins in membrane transduction. Nature,1980，284：17-22.9 Gordladze J O, Johansen P W, Paulssen R H et al. G-proteins: implication for pathphysiology and disease. European J Endocrinol,1994，131：557-574.10 张景昱，何之常，杨万年，G-蛋白及其在植物信号转导中的作用，武汉植物学研究
17、，1999，17（3）：267-273.11 孙大业，植物细胞信号转导研究进展，植物生理学通讯，1996，32（2）：81-91.12 Rodbell M, Krans HMJ, Pohl SL et al. The glucagons-sensitive adenyl cyclase system in plasma membranes of rat liver, . Binding of glucagons: Effect of guanyl nucleotides. J Biol Chem, 1971, 246: 1872.13 Conklin BR Bourne HR. Structu
18、ral element of G subunits that interact with G, Receptors, and Effectors. Cell, 1993, 73: 631.14 Freissmuth M, Casey PJ, Gilman AG. G proteins control diverse pathways of transmembrane signaling. FASEB J, 1989, 3: 2125.15 Birnbaumer L, G proteins in signal transduction. Annu Rev Pharmacol Toricol,19
19、90，30：675.16 Dillenschneider M, Hetherrington A, Graziana A et al. The formation of inositol phosphate derivatives by isolated membranes from Acer pseudoplatanus is stimulated by guanine nucleotides. FEBS Lett.1986, 208: 413-41717 Hasunuma K, Furukawa K, Funadera K, et al.Partial characterization an
20、d light-induced regulation of GTP-binding proteins in Lemna paucicostata. Photochem Photobiol, 1987,46: 531-535.18 Hasumuma K, Funadera K, GTP-binding proteins in green plant, Lemna paucicostata. Biochem Biophys Res Commun, 1987, 143: 908-912.19 Verhey S D, Lomax T L. Signal transduction in vascular
21、 plants. J Plant Growth Regul, 1993, 12: 179-195.20 Kaufman L S. GTP-binding signaling proteins in higher plants. J Biochem Photobiol B: Biol,1994, 22: 3-7.21 Millner PA. Are guanine nucleotide-binding proteins involved in regulation of thylakoid protein kinase activity? FEBS Lett, 1987, 226（1）:155.22 武维华, 赵云云, 植物细胞G蛋白研究进展，植物学报，1996，38（5）：406-413.23 Fairley-Grenot K A, Assmann S M. Evidence for G-protein regulation of inward K+ channel current in guard cells of faba bean,. Plant Cell. 1991,3:1037-1044.
