分子生物學中鉀離子通道研究進展

1、分子生物學中鉀離子通道研究進展        摘要:鉀離子通道是植物鉀離子吸收的重要途徑之一。近年來,已從多種植物或同種植物的不同組織器官中分離到多種鉀離子通道基因,包括內向整流型鉀離子通道基因(如OsAKT1,DKT1,Ktrrl,KIll,KZM1,ZMK2等)和外向整流型鉀離子通道基因(如CORK,PTORK ,STORK 等)。文章分別從結構、功能以及相關基因等三方面綜述了關于植物鉀離子通道的分子生物學研究進展,并對應用生物工程技術改良植物的鉀營養(yǎng)性狀進行了討論。    關鍵詞:鉀離子通

2、道;結構;基因    離子通道(ion channe1)是跨膜蛋白,每個蛋白分子能以高達l08個/秒的速度進行離子的被動跨膜運輸,離子在跨膜電化學勢梯度的作用下進行的運輸,不需要加入任何的自由能。一般來講,離子通道具有兩個顯著特征:    一是離子通道是門控的,即離子通道的活性由通道開或關兩種構象所調節(jié),并通過開關應答相應的信號。根據門控機制,離子通道可分為電壓門控、配體門控、壓力激活離子通道。    二是通道對離子的選擇性,離子通道對被轉運離子的大小與電荷都有高度的選擇性。根據通道可通過的不同離子,可將

3、離子通道分為鉀離子(potassium ion,K )通道、鈉離子(natrium ion,Na )通道、鈣離子(calcium ion,Ca2 )通道等。其中,K 通道是種類最多、家族最為多樣化的離子通道,根據其對電勢依賴性及離子流方向的不同,可把K 通道分為兩類:內向整流型K 通道(inward rectifier K channel;Kin), 外向整流型K 通道(outward rectifier Khannel;K out)。K 是植物細胞中含量最為豐富的陽離子,也是植物生長發(fā)育所必需的唯一的一價陽離子,它在植物生長發(fā)育過程中起著重要的作用,具有重要的生理功能。植物中可能存在K 通道

4、,這一點早在20世紀6o年代植物營養(yǎng)學界就有人提出,而一直到80年代才被Schroeder等人23證實,他們利用膜片鉗(patch chmp)技術,首先在蠶豆(V/c/afaba)的保衛(wèi)細胞中檢測出了K 通道鉀離子通道的結構單個鉀離子通道是同源四聚體,4個亞基(subunit)對稱的圍成一個傳導離子的中央孔道(pore),恰好讓單個K 通過。對于不同的家族,4"亞基有不同數目的跨膜鏈(membrane。span。ning element)組成。兩個跨膜鏈與它們之間的P回環(huán)(pore helix loop)是K 通道結構的標志2TM/P),不同家族的K 通道都有這樣一個結目前從植物體中

5、發(fā)現的K 通道幾乎全是電壓門控型的,如保衛(wèi)細胞中的K 外向整流通道等,其結構模型如圖2一a所示。離子通透過程中離子的選擇性主要發(fā)生在狹窄的選擇性過濾器(selectivity filter)中(圖2一b),X射線晶體學顯示選擇性過濾器長1.2 nIll,孔徑約nIll,K鉀離子通道的作用.有關K 通道在植物體內的作用研究并不多。    從目前的結果來看,認為主要是與K 吸收和細胞中的信號傳遞(尤其是保衛(wèi)細胞)有關。小麥根細胞中過極化激活的選擇性內流K 通道的表觀平衡常數Km值為8.8 mmol/L,與通常的低親和吸收系統(tǒng)Km值相似 。近年來,大量K 通道基因的研究

6、表明,K 通道是植物吸收轉運鉀離子的重要途徑之一。保衛(wèi)細胞中氣孔的開閉與其液泡中的K 濃度有密切關系。質膜去極化激活的K 外向整流通道引起K 外流,胞質膨壓降低,導致氣孔的關閉。相反,質膜上H.ATPase激活的超極化(hyperpolarization)促使內向整流鉀離子通道(K in)的打開,引起K 的內流,最終導致氣孔的張開鉀離子通道相關基因及其功能特征迄今,已從多種植物或同種植物的不同組織器官中分離得到多種K 通道基因(圖3),根據對其結構功能和DNA序列的分析,可以把它們分為5個大組:工,組基因屬于內向整流型通道;m組屬于弱內向整流型通道(weakly inwardAKT1Arabi

7、dopsis K Transporter 1)是第一個克隆到的植物K 通道基因,采用酵母雙突變體互補法從擬南芥cDNA文庫中篩選出來cDNA序列分析表明,AKT1長2 649 bp,其中的閱讀框為2 517 bp,編碼838個氨基酸殘基組成的多肽,相對分子質量約為95 400 Da。AKT1編碼的K 通道,對K 有極高的選擇性,其選擇性依次是K >Rb >>Na >Li 。    Northern blot分析表明,AKT1組織特異性較強,主要在根組織中表達ZMK1(Zea mays K channel 1)是從玉米胚芽鞘中分離出的K 通道

8、基因,在皮層表達。在卵母細胞中的表達表明,ZMK1編碼的K 通道是通過外部酸化激活的。有研究表明,藍光對ZMK1通道在玉米胚芽鞘中的分布有一定影響3 2l。1組KAT1組基因編碼內向整流鉀離子通道,其與AKT1組基因產物結構上的最大區(qū)別是在COOH端沒有錨蛋白相關區(qū)(枷nrelated domain,ANKY)。KAT1組基因主要包括KAT1,KST1,SIRK,KZM1,KPT1等。KAT1(Arabidopsis inward rectifier K channel1)是與AKT1同時從擬南芥cDNA文庫中篩選出來的植物K 通道基因。KAT1基因的閱讀框含有2 031個核苷酸,編碼的多肽由

9、677個氨基酸殘基組成,相分子質量約為78 000 Da。KAT1的表達具有組織特異性,KAT1在擬南芥植株中的主要表達部位是保衛(wèi)細胞,在根和莖中也有少量的表達。人們認為KAT1通道可能參與了氣孔開放,并向維管組織中轉運K ,而不是直接從土壤中吸收KJ。    以KAT1為探針,又能從擬南芥cDNA文庫中篩選出KAT2等功能類似的內向整流型K 通道基因通過基因工程技術,人們已相繼開展了將KATI和AKTI基因導人到擬南芥、煙草和水稻的研究,并獲得了一些轉基因植株。比如,施衛(wèi)明等利用根癌農桿菌介導法已成功地把KAT1和AKT1導人擬南芥和野生型煙草中,并獲得了轉基因

10、植株及其純合株系,發(fā)現轉基因植株的吸鉀速率和對K 的累積能力都比對照的有明顯的提高,而且,經過分子檢測,也證實711和AKT1基因在轉基因植株中得到了整合和表達。因此,運用現代分子生物學手段和基因工程技術篩選高效利用鉀的作物品種或利用現有的鉀離子通道基因改良作物品種,從而提高作物本身的鉀吸收利用能力應該是目前主要的研究方向?？梢韵嘈?隨著分子生物學技術、基因工程技術和有關分析測試技術的發(fā)展和應用。隨著研究工作的不斷深入,有關鉀離子通道基因的分離、克隆和利用會取得更大的進展。    參考文獻:    1.J Langer K,Ache

11、P,Geiger D,et a1.Polar potassiumalIspclnerscapable of controlling Khomectasis and K 一dependent圳0gmesislJJ,ThePlant Journal,2OO2,32:9971009.    2 .Schroeder JI,Hedrich R.Potassium-selective single channels inguard cell protoplasts of Vicia baJ.nature,1984,312:361 363.   

12、 3 . Jacqueline MG,Declan AD.Potassium channel structures:do theycomformJ.Current Opinion in Structural Biology,20O4,14:440446.    4 . Mackinnon R,Zhou YF.The occupancy of ions in the K selectivity filter:chse balance and coupling of ion binding to a proteinconformational change undedie hish conduction ratesJ.JMB,2003,333:965975.    5. Mackinnon R,Zhou M.A mutant KcsA K channel with properties and selectivity filter ion distributionJ.JMB,2O04,338:839846.    6. Elide F,Serena V,Alex C,et a1.DKT1,a novel K channel fromcarrot,forms functionalhete