乙烯信号传导的研究进展

中国生物工程杂志第22卷第5期JOURNAL OF CHINESE BIOTECHNOLOGY2002年10月乙烯信号传导的研究进展傅达奇李正国"(西南农业大学食品科学学院重庆400716)Q94 A摘要植物内源澈素乙烯作为信号分子通过信号传导途径调节相关基因表达,控制植 物体的多种生理活动。乙烯信号传导途径中的许多基因巳被克隆定性,综述了乙烯信号传导途径中的相关基因的功能及乙烯信号传导模式。.关键词乙烯基因信号传导 调控模式乙烯作为一种内源激素调控植物多种生理转基因康乃馨;1996年, Peeh等获得转基因甜活动,包括种子萌发、性别分化.器官脱落和果实瓜!”; 1995 年,中国农业大学培育的转基因“丽成熟等"。在植物体内,乙烯合成来源于蛋氨春"番茄品种获得成功;1999年,叶志彪等培育得酸,ACC是乙烯合成的直接前体，合成途径为:华番1号转基因番茄。目前,乙烯的生物合成Mer→SAM- +ACC +CH。3个反应步骤分别由途径及合成调控研究得较为深人,但乙烯调控基SAM合成酶,ACC合成酶,ACC氧化酶催化,3种因表达的机理尚不明确。现在的观点认为乙烯酶都由多基因家族编码控制。ACC合成酶基因在植物体内作为信号分子存在,通过信号传导途表达受发育阶段和外界因素调控,它被认为是乙径间接调控基因表达。近年来,遗传学、生物化烯合成途径中的关键酶,是乙烯合成的限速步学、分子生物学方法的广泛运用使我们对乙烯的骤|21。乙烯的生物合成受外界条件影响:机械损信号传导途径的理解取得了巨大进步。乙烯信伤、病虫害.干旱、水涝、CO2、IAA处理等引起乙号传导途径中的多个基因已被克隆定性,在此基烯合成增强, AVG、A0A. CO*、Ni*、DNP、CCCP础上提出了多种乙烯信号传导模式。下面就这等都能有效抑制乙烯合成!)。随着分子生物学两方面内容作-综述。的发展,已从植物体内克隆了多个与乙烯合成相1三重反应表型关的基因。现已从番茄中克隆了9个ACC合成酶基因,从甜瓜中克隆了5个ACC合成酶基因，黑暗环境条件下生长的黄化幼苗在乙烯存苹果、黄瓜、香蕉、绿豆、康乃馨、矮牵牛、水稻等在的情况下,能表现特殊的表型变化,这种现象植物的ACC合成酶基因克隆也有报道'4。首先称为“三重反应"。最典型的“三重反应"见于黄从番茄中克隆ACC氧化酶基因PTOM13,随后在化豌豆幼苗，上胚轴和根的伸长受到抑制;上胚多种植物中都克隆了ACC氧化酶基因。我国分.轴径向变粗;正常向地性消失,下胚轴向水平方别在哈蜜瓜、桃、中国“玉露"桃、番茄、猕猴桃中.向弯曲。拟南芥具有生长繁殖快,生长周期短，克隆了ACC氧化酶基因。在基因克隆的基础重现性好等特点,常被作为模式植物通过三重反上,利用反义RNA技术控制果实成熟成为可能。应筛选突变株。1990年,Hamilto等采用反义RNA技术获得了通研究表明,黄化幼苗的“三重反应"表型是乙过降低ACC氧化酶活性控制果实成熟的第-个烯作用的结果。乙烯诱导幼苗中相关基因表达，耐贮藏的转基因番茄品种I51。此后,1991年，细胞伸长和细胞数量的增加受到抑制。导致“三Oller等获得转基因番茄'6| ;1995年,Savin等获得重反应”表型消失的原因有两种:一种是乙烯的生物合成受到抑制;另- -种是乙烯信号传导途径"通讯作者中国煤化工原理,我们可以通YHCNMHG第5期傅达奇等:乙烯信号传导的研究进展过筛选乙烯反应突变体研究乙烯信号传导途径中共有5个保守区域.任何一个区域内的碱基变中的基因。目前,以拟南芥作为模式植物分离了化都可能导致ETR1 基因失活。细菌双组分系两种类型乙烯反应突变体:(1)不对外源乙烯作统中的组氨酸激酶与反应调控元件是独立存在,出反应，包括乙烯不敏感突变体(ethylene-ETR1中的C端组氨酸激酶与信号接收区域insensitive, ein) ,抗乙烯突变体(ethylene- resistant,(receiver domain)同存在- .条多肽链上”。比较etr)。(2)在无外源乙烯存在下能组成型表现“三拟南芥和番茄受体基因的编码蛋白发现N端疏重反应",包括组成型“三重反应"突变体水跨膜区域同源性为75%,组氨酸激酶区域同源(constitutive triple response ,ctr);乙烯超量产生突性为53%。其中, ETR1、ETR2、EIN4具有组氨酸变体(ethylene , overproduction, eto)l91 。激酶和信号接收区域两个组分,但ERS1、 ERS2、NR缺乏信号接收区域(receiver domain)2乙烯信号传导途径中的相关基因乙烯与受体蛋白结合的条件,部位及机理一2.1乙烯 受体蛋白基因直都是学术界研究的热点。全长ETR1 基因转利用“三重反应"表型在拟南芥中鉴别了第人酵母菌株获得转基因酵母比野生型酵母结合-个乙烯不敏感突变体elr。突变体结合乙烯乙烯能力高100倍。截短的不含C端保留N端的能力只有野生型的1/5,在乙烯存在的条件下，的ETR1基因转入酵母,发现也具有较强的乙烯不表现“三重反应“。把ETR1基因转人酵母,获结合能力,转入N端保守区发生突变或不含N得的酵母菌株具有明显的乙烯结合能力,野生型端的ETRI基因，获得的转基因酵母丧失乙烯结酵母菌株不能结合乙烯!101 ,由此推断ETRI 基因合能力,由此可知ETR1是乙烯受体蛋白基因，为乙烯受体蛋白基因。乙烯受体蛋白由多基因乙烯与受体蛋白的结合区域为疏水的N端。另家族控制。目前，已先后从拟南芥中分离了5个外,研究还发现ETR1蛋白的N端165个氨基酸受体蛋白基因，ETR1、 ERSI、 ETR2、 EIN4和对于乙烯的结合是必要的叫。在动植物体内观ER21-141 ,番茄中也分离了5个乙烯受体蛋白察到的其它一.些信号分子,如NO.C0.02等的传基因LeETR1、LeETR2、NR、LeETR4和LeETR5,其.导现象都有过渡金属离子的参与。1967 年, Burg中, LeETR1. LeETR2、LeETR4和LeETRS与ETR1等第一次提出乙烯通过过渡金属离子与受体蛋的序列同源性分别为90% ,80% ,42%和40% ,白结合,这种离子可能是Cu*、Zn2* .近几年来，Nr突变株果实不能成熟' 15.16。利用染色体步移成功克隆了ETRI 基因,它许多新方法的运用为过渡金属Cu(1)参与乙烯与位于1号染色体上。ETRI 基因的内源转录本为受体蛋白结合提供了强有力的证据。通过“三重2800bp,其基因组DNA在非编码区有6个内含反应"表型筛选拟南芥幼苗获得了对乙烯拮抗剂子,开放读码框编码738个氨基酸,相对分子量不敏感的突变株ran,,该突变株在乙烯接受抑制为82.5Ku。该基因编码蛋白的N端存在疏水区剂TC0 ( trans cloocetene)存在下表现“三重反域,通过二硫键形成二聚体与质膜结合,氨基末应"。该基因测序分析表明它与人体Menkes/端的Cys'和Cys'残基对二硫键的形成起着重要Wilson蛋白中的铜转运P型ATP酶以及酵母中作用"I,N端跨膜区域存在3个保守的疏水基元的Ccc2P同源。RAN编码蛋白在植物体内参与(26-43,48- 76,83- 115)。从拟南芥中分离鉴铜离子转运,维持乙烯受体蛋白活性列)。研究定的4个etr突变株( er1-1、etr1-2.etr1-3. etrl-发现,把ETRI与CST 的融合基因ETR(1- 128)4)都是在N端保守区域中的氨基酸发生突变,CST转化获得转基因酵母比野生型酵母突变体由于丧失乙烯结合能力而呈现乙烯不敏(PYCDE)或者突变体etr1-1结合的Cu(I)多6倍。感表型。由此可见,ETR1的N端在感受乙烯途另外,分别提取含有ETR(1- 128)GST,er1- 1,径中起着重要作用。ETR1 编码蛋白的C端位于野生型酵母的膜,外加CuSO,发现ETR(1-28)细胞质内，与细菌的二组分系统(two componentGST的膜提取物结合乙烯的能力大大提高,而后systems)同源,ETRI的组氨酸激酶的氨基酸序列者没中国煤化工卜蛋白结合的THCNMHG36中国生物工程杂志第22卷两个关键因索:N端的保守氨基酸;过渡金属铜信号传导途径中的作用机理尚不明确。离子Cu(I)。2.4 EIN3和 EIL;基因2.2 CTR1 基因ein3突变株表现为对乙烯不敏感。研究发利用“三重反应”表型筛选拟南芥突变株,获现EIN3基因位于EIN2基因下游'21.其编码的得二种类型组成型“三重反应”表型:一种为乙烯蛋白质作为转录因子在细胞核内调控基因表达。超量产生突变株eto. 这种组成型“三重反应"能把PRTL2-Gus. EIN3、PRTL2 - Gus- Nla、PRTL2 - Gus被乙烯合成抑制剂抑制。另-种为ctr 突变株，融合基因分别导人拟南芥的原生质体,发现该突变株的乙烯产量与野生型植株相比无明显PRTL2-Gus-EIN3和PRTL-Gus-Nla植株在细胞核变化。在无外源乙烯存在条件下组成型表达“三内的Gus活性积累,而PRTI2-Gus植株没有发现重反应”,这种表型不能被乙烯合成抑制剂逆转。核内Gus活性上升。从拟南芥中分离的EILs基CTR1基因被认为是乙烯信号传导途径中的负调因参与乙烯的信号传导,与EIN3 基因相似作为控因子。转录因子存在。通过T-DNA的插人诱变从拟南芥中成功克利用T-DNA插人诱变克隆了EIN3 基因,用隆了CTR1基因,序列研究表明该基因长度为EIN3基因作探针克隆分离了EIL1、EIL2、EIL36.5kb,含有14个内含子,其中9个位于C端。基因。EIL1、 EIL2、EIL3基因分别编码含有584、编码蛋白质分子量为90ku,不包含明显的跨膜区520和567个氨基酸的多肽链,三者与EIN3基因域。CTRI 编码蛋白的氨基酸序列具有ATP结合的同源性在59% ~ 85%之间。该类基因编码蛋区域(IGACSFGTV)和丝氨酸/苏氨酸激酶区域,白的N端比C端保守性更强。研究表明EIN3/含有在所有蛋白激酶中存在的11个保守亚区EILs家族蛋白质具有几个方面的共同结构特征:域。CTR1编码蛋白被认与MAPKK激酶家族中.N端富含酸性氨基酸;富含脯氨酸区域;保守的的丝氨酸/苏氨酸激酶以及酵母滲透调节系统中碱性氨基酸区域;C端的多聚天冬酰氨或多聚谷的家族蛋白激酶同源。在拟南芥中分离了5个氨酸区域;一个旋管结构。其中,酸性氨基酸区ctr突变株(cr1-1、ctr1-2、ctr1-3、ctr1-4、ctr1-5)。域,富含脯氨酸区域和富含谷氨酸区域被认为该每个突变株都是因为在假定的催化区域发生了类转 录因子的活性部位。EIN3、 EIL基因与已发基因突变导致功能丧失。例如,tr1-1 在4025位现的转录因子具有较高同源性。EIN3 基因表达置的碱基由T变为A,从而导致蛋白质中694位与CTRI基因相似。的ASP→Glu。利用拟南芥的CTR1基因作探针2.5乙烯反应元件及结合蛋白(ethylene从番茄cDNA文库中筛选TCTRI 基因。研究表response element and binding proteins)明TCTR1与CTR1有9S%的同源性,它在番茄成受乙烯调控表达的基因在其启动子上游都熟果实,幼苗及乙烯处理的组织中特异性表达。有一个乙烯反应元件(ethylene response element),.3 EIN2、EIN5、EIN6和EIN7基因.它能与被称为是转录因子的结合蛋白结合,诱导通过筛选拟南芥突变获得了对乙烯敏感程该基因的表达。目前,在拟南芥的几丁质酶基度不同的突变体,其中,ein2为隐性突变对乙烯因,烟草的GLN2基因启动子上游都发现了保守作用不敏感,与etr1 突变株具有相似的表型。形的AGCCGCC基元，这个保守区域为乙烯诱导基态学和上位性分析表明EIN2位于乙烯信号传导因表达所必须。在番茄中鉴定了第一个与乙烯的中心部位,作用CTR1的下游。除了ein2 突变反应元件结合的乙烯反应元件结合蛋白株之外,从拟南芥中先后筛选了ein5 、ein6、ein7(EREBP)。乙烯反应元件结合蛋白由EIN3/EIL突变株,三者都呈现乙烯不敏感表型。双突变分基因编码蛋白诱导表达 ,从而建立了乙烯与被诱析表明, EIN5. EIN6、EIN7位于CTR1 的下游。导表达基因之间的关系。运用RFLP方法完成了基因的定位工作, EIN5、3乙烯信号传导模式EIN7位于1号染色体上,EIN6位于3号染色体上。目前，EIN2基因已被克隆21.2),它们在乙烯中国煤化工的基因相继被克YHCNMHG第5期傅达奇等:乙烯信号传导的研究进展37隆定性,同时通过双突体分析确定了各基因的位性上升,出现乙烯反应。模型II:乙烯是受体蛋置关系,由此得出乙烯信号传导途径的线性关系白组氨酸激酶的负调控因子,受体蛋白处于未结如图1:合状态时,活化的组氨酸激酶保持CTR1编码蛋乙烯反应白活性。乙烯与受体蛋白结合抑制了组氨酸激酶活性,导致CTR1编码蛋白失活。EIN2、 EIN3ETRI生长编码蛋白被激活出现乙烯反应。1998年, Hua和CH→ERS1→CTRI- +EIN2- +EIN3- +Meyerowitz利用遗传学的方法分离了ETRI、ETR2ERS2ETR2、EIN4和ERS2的功能缺失突变株'*s1。这圈1乙烯信号传导途 径中各基因的线性关系些突变株表现为组成型三重反应。由此可见,乙CTR1基因是一个负调控因子,其编码蛋白失活.烯是受体蛋白的负向调节因子,则模型II与目前导使EIN2、EIN3基因编码蛋白被激活,导致相的研究相符。关基因的诱导表达。但由于在拟南芥突变体中研究发现乙烯受体蛋白活性的保持需要过只分离了丧失乙烯结合能力的受体蛋白基因突渡金属铜离子参与2)。植物体中已发现并克隆变体,并且这些突变都是发生在受体蛋白的乙烯了一个与铜离子转运相关的基因RAN,。ran1 突结合区域,没有导致该受体基因失活,从而无法变株由于丧失转运铜离子的能力,受体蛋白得不确认乙烯与受体蛋白的调控关系。根据这种情到铜离子而失活,突变体呈现组成型“三重反况,1990年, Guzman等提出了两种乙烯信号传导应”。综上所述,1999年, Hirayama等提出了一个更为精确的乙烯信号传导模型。如图3所示:模型)。如图2。模型I:乙烯与受体蛋白结合正向调控组氨RAN,蛋白位于后高尔基体的膜上,外界铜酸激酶活性,活化的组氨酸酶使CTRI基因编码离子经Atx1蛋白，在RAN,蛋白作用下被转运到蛋白活性降低,结果导致EIN2、EIN3编码蛋白活后高尔基体内与膜.上的乙烯受体结合或经过分萌气直2°Tp品古古↓?(CTRI)( EIN2 )( EIN2)小只反应圈2乙烯受体 僧号转导机理的两种模式箭头代表漱活步骤，平头符号代表抑制步骤.在两种镇式里都设想:乙婼与螫合在受体的疏水结构城里的过艘金属(M)结合,这种乙烯结合通过单体或单位之间的构形变化使组氨激酶活性发生改查。?表示途径中推测的反应调节蛋白的位量.ss,二硫键;P,磷胺组氨酸中国煤化工MYHCNMHG38中国生物工程杂志第22卷泌途径到达质膜与乙烯受体结合。与铜离子结被磷酸化,组氨酸.上的磷原子又可被转移到接受合的乙烯受体保持活性状态能感受乙烯的调节。区域的天冬氨酸上,结果导致CTR1编码蛋白失无乙烯存在条件下,抑制了“三重反应"。当乙烯活。失活的CTR1蛋白通过一系列的磷酸化级联与受体蛋白中的N端疏水区域结合时,受体蛋白.反应活化EIN2 . EIN3基因编码蛋白,诱导乙烯的失活,受体二组分系统中组氨酸激酶中的组氨酸“三重反应”。vild type_ i ran/ethylene rceplore=C井:10 copper)AxI like poteinssecretlono{ 3-8CTAD TRETR)Cu tansporter@ RANTPost-CGolg!ethylene rcceplorsrelhylene response圄3乙烯信号传导模型CGolgj(高尔基体) ,ethylene reepor(乙烯受体) ,opper(铜离孔),ethyle (乙烯)[ 5 ] Hamito A I. Naure , 1990,346, 19:284 ~ 2864前景展望{ 6] PAUL w OELER. Seience，1991 ,254:437 ~ 439近几年来,通过对拟南芥乙烯反应突变体的[7 }徐昌杰。植物学通报1998,15(增刊):4-61[8 ]叶志彪。中国蔬菜199.1:10-121分子遗传学研究,使得乙烯信号传导的研究进展[9 ] Jeepeh J Kierel,193.72:4272 -441十分迅速。相继克隆了乙烯信号传导途径中几[ 10] G Enic Scallr, Anthony B Blecker. Science, 1995 .270: 1809 ~个重要的基因,乙烯信号传导途径中各基因的位1811置关系及功能基本确定,但对于各组分之间相互(11] Jia Hua,Caren Chang. Sience.195,269:1712 ~ 1714[12] Caren Chang. Seience, 1993 .262:539 ~ 543作用的具体机理尚不清楚,有待进一步研究。分[13] Joeph R Ecker. Siece, 195.268:66 ~ 675子生物学、生物化学的飞速发展,必将为我们研[14] Sakai H, Hua J Chen QG . Chang C,et al. Proe Natl Acad Sei,兖乙烯信号传导途径提供新的方法。相信在不95:5812 ~ 5817久的将来,这些问题可望得到解决。己烯信号传[IS] Jack Q Wilkinson. Science 1995,270; 1807~ 1809导途径的阐明也必将为我们控制果实成熟提供I 16] Tieman DM, Kle H. Plant phyid, 199 120; 165~ 172[17] Joeph R Ecker. Sciene, 1995.268:667 - 675新的可供操作的基因,具有广阔的应用前景。[ 18] Anbhory B Beocker,et al.Plant Phyil, 191111:616 ~ 660参考文献[19} Femando I. RongueZ.et al.Science 1999.2899 12. February[ 20] Takashi Hirmyama. Cll, 199.97; 383 ~ 393. ( 1」Hans kende. Annu Rev Plnt Phyiol Plant Mol Biol ,1993 ,4:[21] Phoebe R Johmon ,Joseph R Ecker. Anmu Rev Genel, 198 ,32:283 ~ 307227 ~ 254[ 2 ] Shang Fa Yang. Plant Phyil, 1984,35:155 - 189[22] Gregg Roman .Genetis 195. 139:1393 - 1409[ 3 ] Nobuyoshi Nekasjin.et al. Plant Cell Pysiol, 1990, 31(7):([23] Qimin Chao .Cll 1997,89:1133 - 11441021- 1029[24] Guxman P. EckerJ R. Plant Cell, 1990,2; 513-523[ 4 ] Jian Guo Dong. Woo Taek kim,et al. Planta.191, 185:38 ~ 45中国煤化9,94:261-212YHCNMHG第5期傅达奇等:乙烯信号传导的研究进展39[26] Takeshi Hirayamn . Plant Cell Physiol ,2000 ,41(5):548 ~ 555Advances in Ethylene Signal TransductionFu Daqi Li Zhengguo(Department of Food Science Southwet Agriculurnl Universiy)Abstract Ethylene as Signal molecule regulates the expression of related-gene through Signal transductionpathway and Control many aspects of high Plant developmenl, Several genes involved in this Pathway had beencloned and Characterized, Function of these genes were reviewed , Several models of ethylene transduction pathwaywere summaried in this paper.Key words Ethylene Gene Signal transduction Regulative model《解放军药学学报》征订启事《解放军药学学报》为国家级药学学术性期刊,由中国人民解放军总后勤部卫生部主管,总后勤部卫生部药品仪器检验所主办。国内统一刊号CN11-4227/R,国际标准刊号ISSN1008-9926,邮发代号82-974,国外发行代号:1554 BM,广告许可证号京丰工商广字第0024号。本刊报道国、内外药学专业各学科研究成果、研究进展和学术动态,并具有中国军事药学专业内容。设有论著、综述、述评、研究简报、工作与技术研究等栏目,内容包括药物化学、药剂学药物分析、药理学临床药学、医院药学、军事药学、药学教育、中药与天然药物、药事管理学等学科,对本专业具有较强的指导意义。读者对象为中、高级药学工作者及其他医药卫生相关专业技术及药政管理工作人员。是国内外医、药及其相关专.业技术人员科研、教学、实习及工作应用的重要参考文献。本刊已被国家列为中国科技论文统计源期.刊(即国家核心期刊),中国生物医学期刊引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库期刊源期刊,中文期刊数据库《中国学术期刊(光盘版)》和《中国期刊网》全文收录数据库作为来源期刊，被《中国药.学文摘》《中文科技资料目录●中草药》列为核心期刊,并荣获首届《中国学术期刊(光盘版)检索与评价数据规范》执行优秀奖和全军印刷产品检测优质奖。本刊已被认定为发布处方药广告的宣传媒体，可刊登的药品、医疗器械广告和教学、医疗单位、科研院所、生产企业的单位、科室情况介绍,教学、招生、培训广告。本刊为双月刊.大16开本,64页,每期定价9.00元,全年54.00元。采用进口胶版纸印刷,彩色封、插页,塑料压膜,印制精美,图文并茂,发行范围广。深受国内、外医药专家、学者和广大读者喜爱。需要者,请及时向当地邮局订阅。漏订者可与编辑部联系。欢迎投稿,欢迎订阅。编辑部地址:北京市丰台西路17号,邮编: 100071,电话: 010-63858411, 66949020, 传真: 010-63858411, E-mail: jin @chinajoumal . net . cn , jGn @ 21cn. com中国煤化工MYHCNMHG