植物中重要的信号分子——CaM

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:A DOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.03.010

Important Signal Molecular in Plants——CaM

HUO Jian-fei, LIU Chun-yan, HAO Yong-juan, WANG Yong, WANG Wan-li

(Tianjin Plant Protection Institute, Tianjin 300112, China)

Abstract:Calmodulin(CaM) is the most important calcium-binding protein, it plays important role in signal transduction process. CaM instructure, isoforms, distribution, function principle, physiological functions, gene expression and CaM binding proteins in this article were introduced.

Key words: CaM; isoforms; function principle; physiological functions; gene expression; CaM binding proteins

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16 700,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(1.5~2.7 kb); 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4 d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10-7 mol/L,当胞内浓度高于10-5 mol/L时,Ca2+则结合CaM。CaM和CaM mRNA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CaM mRNA的含量增加[14,15]。CaM mRNA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,CaM mRNA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

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