The CBL–CIPK network in plant calcium signaling

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。The CBLCIPK network in plant calcium signalingThe CBLCIPK network in plant calcium signaling植物鈣信號(hào)中的CBL-CIPK網(wǎng)絡(luò)Ca2+ 是在所有的真核生物中普遍存在的第二信使。一個(gè)尚未解決的問(wèn)題是這個(gè)陽(yáng)離子怎樣作為數(shù)量眾多的信使和特殊受體的細(xì)胞反應(yīng)，起到作用的.最近的研究已經(jīng)建立了了個(gè)被稱為對(duì)每一種信號(hào)所指定的變化的“鈣簽名”的概念。細(xì)胞如何鑒別這些簽名（代碼）并把他們轉(zhuǎn)化成為正確的細(xì)胞反應(yīng)？解碼過(guò)程中的最初步驟

2、包括感受器蛋白結(jié)合Ga2+并激活下游靶點(diǎn)，在那里調(diào)節(jié)特殊的生物化學(xué)反應(yīng)步驟。在這里，我回顧和探討一組Ca2+的感應(yīng)器細(xì)胞鈣調(diào)磷酸酶樣蛋白(CBLs)和他們的目標(biāo)CBL互作蛋白激酶(CIPKs)作為一個(gè)植物中Ca2+信號(hào)的解碼成型的范例。調(diào)節(jié)控制CBL-CIBK信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的原則（機(jī)制）可能普遍適用于植物和生物體的其他信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。編碼解碼鈣信號(hào)：當(dāng)你走過(guò)一個(gè)公園的時(shí)候欣賞美麗的植物和花朵時(shí)，你有沒(méi)有想過(guò)他們也是可以感受得到周?chē)沫h(huán)境的？他們不僅可以感覺(jué)和應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化，他們經(jīng)常使用信使類似于在動(dòng)物中使用的將細(xì)胞外部的信息轉(zhuǎn)換到內(nèi)部，從而引起組織和整個(gè)植物體水平上的反應(yīng)。其中一種植物和動(dòng)物體內(nèi)常見(jiàn)的信使

3、是Ca2+，當(dāng)細(xì)胞經(jīng)歷外部環(huán)境改變使得細(xì)胞內(nèi)水平，作為觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)部變化的信使。在鈣信號(hào)傳遞中的一個(gè)重要問(wèn)題涉及到特異的信號(hào)反應(yīng)偶聯(lián)，因?yàn)椴煌男盘?hào)會(huì)導(dǎo)致不同且特異的細(xì)胞反應(yīng)發(fā)生。對(duì)植物和動(dòng)物的研究暗示了一個(gè)鈣信號(hào)的呈遞不僅和濃度有關(guān)還和空間及時(shí)間的信息有關(guān)。這鞋鈣參數(shù)的改變不同地取決于外部信號(hào)的改變。因此每個(gè)不同的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不同的鈣的變化被稱為鈣簽名（代碼）。為了解碼鈣代碼，每個(gè)細(xì)胞都要裝備一套翻譯這些引起具體反映的代碼的機(jī)制。這個(gè)解碼的步驟開(kāi)始于能與鈣信號(hào)特異特異性結(jié)合的反應(yīng)的并改變自身機(jī)構(gòu)的感受器的。這些結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致受體結(jié)合蛋白功能的改變，或者引發(fā)結(jié)合蛋白和下游靶蛋白的的相互作用。

4、這些受體或者它的靶點(diǎn)往往調(diào)節(jié)其他蛋白質(zhì)的功能，例如轉(zhuǎn)錄因子和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，或者引起細(xì)胞程序的改變，例如基因的表達(dá)和離子通道。這種常見(jiàn)的機(jī)制適用于所有的鈣信號(hào)通路，但是感受器和效應(yīng)器在不同的生物體中可能是進(jìn)化保守的或者明顯差異的。也許最好的保守感受器的例子是存在于所有的真核生物的鈣調(diào)蛋白（CaM），盡管和動(dòng)物及真菌相比，植物有一個(gè)延展的CaM超家族。植物還擁有大量其他的的不存在于動(dòng)物和真菌的Ca感受器。因此和其他生物相比較植物的Ca信號(hào)的解碼四五要更加復(fù)雜。最近發(fā)現(xiàn)的鈣調(diào)磷酸酶樣蛋白（CBL）-CIPK（CBL互作蛋白激酶）網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)在植物中鈣信號(hào)解碼模式的獨(dú)一無(wú)二的例子。建立這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展在過(guò)去

5、這些年十分的迅速，并且為植物中的信號(hào)傳遞系統(tǒng)提供了大量的研究信息。鈣調(diào)磷酸酶 VS CBL-CIPK：從動(dòng)物真菌到植物的模式轉(zhuǎn)變鈣調(diào)磷酸酶是一種鈣依賴的蛋白磷酸酶，是從酵母到哺乳動(dòng)物的真核生物中大量存在的。在鈣調(diào)磷酸酶A中鈣調(diào)磷酸酶含有一個(gè)鈣調(diào)蛋白結(jié)合域，催化亞基。此外還有一個(gè)控制亞基（鈣調(diào)磷酸酶B）與催化亞基共同作用，是磷酸酶激活所必需的。鈣調(diào)磷酸酶B像CaM，也包含4個(gè)EF-鈣結(jié)合域，雖然整體的序列和CaM不無(wú)關(guān)系。由于鈣調(diào)磷酸酶作為從酵母到哺乳動(dòng)物真核生物許多細(xì)胞過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵的分子開(kāi)關(guān)，據(jù)推測(cè)相同的分子可能也存在與植物中。廣泛的努力導(dǎo)致基因從擬南芥中解碼隔離的CBL。另外，對(duì)鹽度過(guò)度

6、敏感突變體的遺傳分析被鑒別的基因被稱為SOS3，在CBL家族中被稱為CBL4。CBLs和鈣調(diào)磷酸酶B在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和序列上相似。然而，在植物CBLs和酵母與動(dòng)物的鈣調(diào)磷酸酶B蛋白的氨基酸序列特性是CBLs（20-30%）要顯著的低于酵母和動(dòng)物的鈣調(diào)磷酸酶B（70%）。這種序列上的差異暗示了與原始結(jié)構(gòu)上和鈣調(diào)磷酸酶B的調(diào)控真菌和動(dòng)物的蛋白磷酸酶的功能相違背。一個(gè)更詳細(xì)的擬南芥基因組的分析，揭示了一個(gè)至少有十個(gè)的多基因的CBL編碼家族，他們?cè)诰幋a區(qū)的微小的長(zhǎng)度變化中都具有相似的結(jié)構(gòu)域。CBLs之間的20-90%的相似的氨基酸序列可能會(huì)導(dǎo)致密切相關(guān)的成員和功能特異的更多的無(wú)關(guān)成員的之間的功能冗余。不同

7、于所有真核生物中的高度保守的CaM蛋白，CBLs似乎只在內(nèi)陸植物中有表達(dá)，這表明CBLs可能在植物的特殊信號(hào)步驟中起作用。盡管都是小的鈣的傳感器，CaM和CBLs在一級(jí)氨基酸序列中幾乎沒(méi)有相似的地方，除了在EF-手（鈣感受器的鈣離子結(jié)合域）結(jié)構(gòu)的保守位置已經(jīng)被結(jié)構(gòu)分析證實(shí)。小的鈣的感應(yīng)器功能是定位下游的效應(yīng)器。一個(gè)有效識(shí)別CBLs功能的方法是隔離他們的目標(biāo)（CBLs潛在的目標(biāo)效應(yīng)器）。CBLs會(huì)像鈣調(diào)磷酸酶B一樣和蛋白磷酸酶有作用嗎？利用酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)鑒定一個(gè)家族的蛋白激酶是否和CBLs又相互作用關(guān)系。這些激酶（CIPKs）多數(shù)在激酶域類似于酵母中的蔗糖非發(fā)酵蛋白激酶（SNF）和動(dòng)物中的AMP

8、依賴激酶（AMPKs），但是保留了保留了獨(dú)特的C末端調(diào)控域。發(fā)現(xiàn)植物中激酶作為CIPKs的作用目標(biāo)展示了一個(gè)植物中Ca信號(hào)轉(zhuǎn)變的范例，因?yàn)樵诮湍负蛣?dòng)物鈣調(diào)磷酸酶B蛋白和控制并且和蛋白磷酸酶相互作用。擬南芥基因組中含有大量的編碼公認(rèn)的CIPK蛋白。至少有25種CIPK基因通過(guò)互補(bǔ)DNA克隆和測(cè)序手段被證明了。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)拓展CBL-CIPK相互作用到了整個(gè)CBLs家族和大部分CIPKs努力確定CBLs和CIPKs的功能對(duì)。這些研究顯示每個(gè)CBL和CIPKs的一部分相互作用，而每個(gè)CIPK和一個(gè)或者多個(gè)CBLs相互作用。一些CBL共用一個(gè)CIPK目標(biāo)，一些CIPK共用同一個(gè)CBL控制單位。這種在大

9、量CBL和CIPK家族成員之間的相互作用特異性和重復(fù)性可能反應(yīng)出了CBL-CIPK功能的特殊性和冗余，在植物信號(hào)傳遞系統(tǒng)中形成一個(gè)真正復(fù)雜的CBL-CIPK網(wǎng)絡(luò)。該編碼CBLs和CIPKs的基因已經(jīng)在高等植物中被發(fā)現(xiàn)并且已經(jīng)測(cè)序。進(jìn)一步的分析表明CBL-CIPK網(wǎng)絡(luò)可能僅限于陸地植物，因?yàn)樗谔μ\中有而在衣藻和團(tuán)藻中卻沒(méi)有。CBL-CIPK相互作用的控制特點(diǎn)CBLs和CIPKs通過(guò)C末端的非激酶域相互作用，其在不同的CIPKs成員之間都有一個(gè)保守區(qū)。大多數(shù)保守區(qū)的氨基酸已經(jīng)被證實(shí)和CBL蛋白有疏水作用。有趣的是，CBL-CIPK相互作用部分的結(jié)構(gòu)是相似的，鈣調(diào)磷酸酶A和B之間的相互關(guān)系，這意味

10、著盡管從一個(gè)磷酸酶轉(zhuǎn)變成為一個(gè)激酶作為Ca感受器的目標(biāo)，在某種程度上在內(nèi)含式目標(biāo)中的結(jié)構(gòu)元件依然存在。另一個(gè)相互作用的特點(diǎn)涉及到Ca在CBL-CIPK相互作用中的角色。最初對(duì)CBL1和CIPK1的相互作用的分析說(shuō)明Ca的需求量在微摩爾級(jí)。CBL4和目標(biāo)激酶CIPK24的C末端的相互作用進(jìn)一步證明了Ca促進(jìn)了CBL-CIPK復(fù)合體的形成。鈣依賴的的相互作用是和不同已經(jīng)確定的鈣的感受器和目標(biāo)蛋白的相互作用（即Ca和感受器受體相結(jié)合改變了受體的結(jié)構(gòu)，然后導(dǎo)致下游效應(yīng)器的變化）一致的。然而在研究CBL2和CIPK14的過(guò)程中顯示存在或不存在鈣對(duì)于CBL2的結(jié)構(gòu)變化影響不大，得出結(jié)論認(rèn)為，CIPK與CB

11、L相互作用可能會(huì)引起重大CBLs的構(gòu)象變化，從而假設(shè)CBLCIPK相互作用并不需要鈣，但激活激酶的進(jìn)程是需要鈣的。然而值得注意的是這些研究Ca在生物體內(nèi)的作用機(jī)制有待于進(jìn)一步澄清。除了調(diào)節(jié)CIPKs的活動(dòng)，其他在監(jiān)管的CIPKs結(jié)構(gòu)域C -末端結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括一組和2C型蛋白磷酸酶（pp2cs）相互作用的單位。在結(jié)構(gòu)分析，邊界層相互作用的域和磷酸相互作用域似乎重疊，這表明CBL相互作用域和磷酸酶相互作用域可能有部分重疊某種程度上暗示了CBL和CC2P和CIPK的相互作用可能是相互獨(dú)有的。這種相互作用可能會(huì)提供一個(gè)防止激酶和磷酸酶同時(shí)調(diào)節(jié)基質(zhì)蛋白活動(dòng)的機(jī)制。除了激活CIPK激酶活性，CBLs的某些結(jié)

12、構(gòu)特征還表明這些鈣傳感器可以改變CBLCIPK復(fù)合物在細(xì)胞的位置。一些CBLs在他們的N末端有一個(gè)保守的豆蔻?；稽c(diǎn)（十六烷?；稽c(diǎn)）。這些CBLs在細(xì)胞膜上停留，可作為一個(gè)建立一個(gè)本地信號(hào)級(jí)聯(lián)控制機(jī)制。事實(shí)上，CBL1和CBL9都與共同的CIPK目標(biāo)形成獨(dú)特的復(fù)合體與膜聯(lián)系起來(lái)，使CIPK能夠磷酸化的膜相關(guān)蛋白基質(zhì)。而CBL1和CBL9把相同的等離子膜上的CIPK作為目標(biāo)。其他獨(dú)立的CBLs可以把細(xì)胞不同位置的相同的CIPK作為目標(biāo)靶點(diǎn)，從而指導(dǎo)相同激酶的不同功能。這一原理的例子是cbl4/ sos3和cbl10與cipk24/ sos 2的相互作用，指導(dǎo)質(zhì)膜或液泡膜上的目標(biāo)激酶。它已成為一

13、項(xiàng)一般原則，某些鈣傳感器在植物中已經(jīng)獲得限制他們的定位的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，作為一種建立與位置相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑啟動(dòng)特異性細(xì)胞反應(yīng)機(jī)制服務(wù)。CBLCIPK相互作用構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，反映了CBL和CIPK基因功能的特異性和冗余。采取系統(tǒng)的辦法，研究人員研究CBLCIPK網(wǎng)絡(luò)顯示幾個(gè)涉及跨CIPK信號(hào)模塊的途徑。植物中CBL-CIPK途徑對(duì)外界環(huán)境的壓力信號(hào)的反應(yīng)CBL-CIPK對(duì)的一個(gè)生理學(xué)功能已經(jīng)被確定了。CIPK24/ SOS2和CBL4/ SOS3的相互作用已使用一種遺傳屏幕確定和一個(gè)耐鹽擬南芥的作用（綜述）。在這一背景下，研究建立了CBL4/ SOS3CIPK24/ SOS2可能直接調(diào)節(jié)下游

14、部分SOS1，一個(gè)假定的鈉/氫交換，從而提高鹽解毒的過(guò)程（見(jiàn)參考）。最近的研究將另一個(gè)CBL（CBL10）置于耐鹽途徑。有趣的是，CBL10就像CBL4/SOS3一樣也和CIPK24/SOS2相互作用的。然而不像CIPK24/SOS3主要在根部作用，CBL10的表達(dá)和作用主要在嫩枝和樹(shù)葉。也許CBL10突變體的最主要的特征是突變植物，盡管變的對(duì)鹽度更加敏感，比野生型積累的鹽要少很多。這個(gè)特征和運(yùn)輸?shù)柠}到液泡可能需要CBL10，從而控制細(xì)胞鹽平衡的假設(shè)是一致的。這個(gè)假說(shuō)被支持的例子有CBL10 和CIPK24/ SOS 2相互作用的目標(biāo)是液泡膜的CBL10CIPK24/ SOS2復(fù)合體。這些發(fā)現(xiàn)支持一般原則的基本規(guī)律為CIPKs的CBLs，即CBLs不僅調(diào)節(jié)CIPK酶的活性，也改變細(xì)胞的位置來(lái)改變功能的為CIPKs的功能。就CIPK24/SOS2來(lái)說(shuō)，其功能取決于其相互作用的CBLs：他們招募到質(zhì)膜或液泡膜，并根據(jù)其位置調(diào)節(jié)不同的