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植物鈣信號中的CBL-CIPK網(wǎng)絡Ca2+ 是在所有的真核生物中普遍存在的第二信使。一個尚未解決的問題是這個陽離子怎樣作為數(shù)量眾多的信使和特殊受體的細胞反應，起到作用的.最近的研究已經(jīng)建立了了個被稱為對每一種信號所指定的變化的“鈣簽名”的概念。細胞如何鑒別這些簽名（代碼）并把他們轉化成為正確的細胞反應？解碼過程中的最初步驟

2、包括感受器蛋白結合Ga2+并激活下游靶點，在那里調節(jié)特殊的生物化學反應步驟。在這里，我回顧和探討一組Ca2+的感應器細胞鈣調磷酸酶樣蛋白(CBLs)和他們的目標CBL互作蛋白激酶(CIPKs)作為一個植物中Ca2+信號的解碼成型的范例。調節(jié)控制CBL-CIBK信號網(wǎng)絡的原則（機制）可能普遍適用于植物和生物體的其他信號網(wǎng)絡。編碼解碼鈣信號：當你走過一個公園的時候欣賞美麗的植物和花朵時，你有沒有想過他們也是可以感受得到周圍的環(huán)境的？他們不僅可以感覺和應對環(huán)境的變化，他們經(jīng)常使用信使類似于在動物中使用的將細胞外部的信息轉換到內部，從而引起組織和整個植物體水平上的反應。其中一種植物和動物體內常見的信使

3、是Ca2+，當細胞經(jīng)歷外部環(huán)境改變使得細胞內水平，作為觸發(fā)細胞內部變化的信使。在鈣信號傳遞中的一個重要問題涉及到特異的信號反應偶聯(lián)，因為不同的信號會導致不同且特異的細胞反應發(fā)生。對植物和動物的研究暗示了一個鈣信號的呈遞不僅和濃度有關還和空間及時間的信息有關。這鞋鈣參數(shù)的改變不同地取決于外部信號的改變。因此每個不同的信號會產(chǎn)生一個不同的鈣的變化被稱為鈣簽名（代碼）。為了解碼鈣代碼，每個細胞都要裝備一套翻譯這些引起具體反映的代碼的機制。這個解碼的步驟開始于能與鈣信號特異特異性結合的反應的并改變自身機構的感受器的。這些結構的改變會導致受體結合蛋白功能的改變，或者引發(fā)結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往往調節(jié)其他蛋白質的功能，例如轉錄因子和膜轉運蛋白，或者引起細胞程序的改變，例如基因的表達和離子通道。這種常見的機制適用于所有的鈣信號通路，但是感受器和效應器在不同的生物體中可能是進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蛋白（CaM），盡管和動物及真菌相比，植物有一個延展的CaM超家族。植物還擁有大量其他的的不存在于動物和真菌的Ca感受器。因此和其他生物相比較植物的Ca信號的解碼四五要更加復雜。最近發(fā)現(xiàn)的鈣調磷酸酶樣蛋白（CBL）-CIPK（CBL互作蛋白激酶）網(wǎng)絡是一個在植物中鈣信號解碼模式的獨一無二的例子。建立這個網(wǎng)絡的進展在過去

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

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和鈣調磷酸酶B在蛋白質結構和序列上相似。然而，在植物CBLs和酵母與動物的鈣調磷酸酶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物的鈣調磷酸酶B（70%）。這種序列上的差異暗示了與原始結構上和鈣調磷酸酶B的調控真菌和動物的蛋白磷酸酶的功能相違背。一個更詳細的擬南芥基因組的分析，揭示了一個至少有十個的多基因的CBL編碼家族，他們在編碼區(qū)的微小的長度變化中都具有相似的結構域。CBLs之間的20-90%的相似的氨基酸序列可能會導致密切相關的成員和功能特異的更多的無關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似乎只在內陸植物中有表達，這表明CBLs可能在植物的特殊信號步驟中起作用。盡管都是小的鈣的傳感器，CaM和CBLs在一級氨基酸序列中幾乎沒有相似的地方，除了在EF-手（鈣感受器的鈣離子結合域）結構的保守位置已經(jīng)被結構分析證實。小的鈣的感應器功能是定位下游的效應器。一個有效識別CBLs功能的方法是隔離他們的目標（CBLs潛在的目標效應器）。CBLs會像鈣調磷酸酶B一樣和蛋白磷酸酶有作用嗎？利用酵母雙雜交實驗鑒定一個家族的蛋白激酶是否和CBLs又相互作用關系。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）和動物中的AMP

8、依賴激酶（AMPKs），但是保留了保留了獨特的C末端調控域。發(fā)現(xiàn)植物中激酶作為CIPKs的作用目標展示了一個植物中Ca信號轉變的范例，因為在酵母和動物鈣調磷酸酶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的CIPK蛋白。至少有25種CIPK基因通過互補DNA克隆和測序手段被證明了。進一步的實驗拓展CBL-CIPK相互作用到了整個CBLs家族和大部分CIPKs努力確定CBLs和CIPKs的功能對。這些研究顯示每個CBL和CIPKs的一部分相互作用，而每個CIPK和一個或者多個CBLs相互作用。一些CBL共用一個CIPK目標，一些CIPK共用同一個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性可能反應出了CBL-CIPK功能的特殊性和冗余，在植物信號傳遞系統(tǒng)中形成一個真正復雜的CBL-CIPK網(wǎng)絡。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)測序。進一步的分析表明CBL-CIPK網(wǎng)絡可能僅限于陸地植物，因為塔在苔蘚中有而在衣藻和團藻中卻沒有。CBL-CIPK相互作用的控制特點CBLs和CIPKs通過C末端的非激酶域相互作用，其在不同的CIPKs成員之間都有一個保守區(qū)。大多數(shù)保守區(qū)的氨基酸已經(jīng)被證實和CBL蛋白有疏水作用。有趣的是，CBL-CIPK相互作用部分的結構是相似的，鈣調磷酸酶A和B之間的相互關系，這意味

10、著盡管從一個磷酸酶轉變成為一個激酶作為Ca感受器的目標，在某種程度上在內含式目標中的結構元件依然存在。另一個相互作用的特點涉及到Ca在CBL-CIPK相互作用中的角色。最初對CBL1和CIPK1的相互作用的分析說明Ca的需求量在微摩爾級。CBL4和目標激酶CIPK24的C末端的相互作用進一步證明了Ca促進了CBL-CIPK復合體的形成。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蛋白的相互作用（即Ca和感受器受體相結合改變了受體的結構，然后導致下游效應器的變化）一致的。然而在研究CBL2和CIPK14的過程中顯示存在或不存在鈣對于CBL2的結構變化影響不大，得出結論認為，CIPK與CB

11、L相互作用可能會引起重大CBLs的構象變化，從而假設CBLCIPK相互作用并不需要鈣，但激活激酶的進程是需要鈣的。然而值得注意的是這些研究Ca在生物體內的作用機制有待于進一步澄清。除了調節(jié)CIPKs的活動，其他在監(jiān)管的CIPKs結構域C -末端結構特點包括一組和2C型蛋白磷酸酶（pp2cs）相互作用的單位。在結構分析，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有的。這種相互作用可能會提供一個防止激酶和磷酸酶同時調節(jié)基質蛋白活動的機制。除了激活CIPK激酶活性，CBLs的某些結

12、構特征還表明這些鈣傳感器可以改變CBLCIPK復合物在細胞的位置。一些CBLs在他們的N末端有一個保守的豆蔻酰化位點（十六烷?；稽c）。這些CBLs在細胞膜上停留，可作為一個建立一個本地信號級聯(lián)控制機制。事實上，CBL1和CBL9都與共同的CIPK目標形成獨特的復合體與膜聯(lián)系起來，使CIPK能夠磷酸化的膜相關蛋白基質。而CBL1和CBL9把相同的等離子膜上的CIPK作為目標。其他獨立的CBLs可以把細胞不同位置的相同的CIPK作為目標靶點，從而指導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，指導質膜或液泡膜上的目標激酶。它已成為一

13、項一般原則，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結構域，作為一種建立與位置相關的信號轉導途徑啟動特異性細胞反應機制服務。CBLCIPK相互作用構成一個復雜的網(wǎng)絡，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)絡顯示幾個涉及跨CIPK信號模塊的途徑。植物中CBL-CIPK途徑對外界環(huán)境的壓力信號的反應CBL-CIPK對的一個生理學功能已經(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可能直接調節(jié)下游

14、部分SOS1，一個假定的鈉/氫交換，從而提高鹽解毒的過程（見參考）。最近的研究將另一個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的表達和作用主要在嫩枝和樹葉。也許CBL10突變體的最主要的特征是突變植物，盡管變的對鹽度更加敏感，比野生型積累的鹽要少很多。這個特征和運輸?shù)柠}到液泡可能需要CBL10，從而控制細胞鹽平衡的假設是一致的。這個假說被支持的例子有CBL10 和CIPK24/ SOS 2相互作用的目標是液泡膜的CBL10CIPK24/ SOS2復合體。這些發(fā)現(xiàn)支持一般原則的基本規(guī)律為CIPKs的CBLs，即CBLs不僅調節(jié)CIPK酶的活性，也改變細胞的位置來改變功能的為CIPKs的功能。就CIPK24/SOS2來說，其功能取決于其相互作用的CBLs：他們招募到質膜或液泡膜，并根據(jù)其位置調節(jié)不同的