第十一章 環(huán)境刺激及其信號轉(zhuǎn)導

第十一章植物環(huán)境刺激及其信號轉(zhuǎn)導機理（2學時）GravityPhotoperiodHumidityHerbivoresEthylenePhotosyntheticlightPhotomorphogeniclightTemperatureWindCO2PathogensSoilmicroorganismsToxicmineralsandotheralleopathicchemicalsMineralnutrientsWaterstatusSoilqualityParasitesO2影響植物生長發(fā)育的外界信號熱激脅迫及其信號轉(zhuǎn)導1.熱激反應概述2.植物熱激蛋白的種類3.植物熱激蛋白的生物學功能4.熱激反應信號轉(zhuǎn)導1.熱激反應概述研究發(fā)現(xiàn)，高溫條件下，很多生物體內(nèi)的正常蛋白質(zhì)合成受到抑制，同時啟動了新蛋白的合成。人們稱這種反應為熱激反應（heatshockresponse,HSR）由高溫誘導合成的蛋白為熱激蛋白（heatshockproteins,HSPs）。編碼熱激蛋白的基因稱為熱激基因（heatshockgene）。植物的熱激反應是一個很普遍的生物現(xiàn)象.真核生物熱激誘導的分子機制有很大的相似性，一些熱激蛋白在真核生物之間有高度的同源性，在進化上是保守的。2.植物熱激蛋白的種類

熱激蛋白實際上是一個并非所有成員都受熱激調(diào)控的多基因超家族。一些成員在熱激條件下誘導表達，還有一些在正常情況下也可以表達，即組成型或者發(fā)育調(diào)節(jié)型表達。在無熱激條件下也表達的成員通常為熱激蛋白的同系蛋白（hsp

cognate,Hsc）。真核生物中熱激蛋白根據(jù)分子量的大小分為幾個家族：Hsp110、Hsp90、Hsp70、Hsp60、低分子量的熱激蛋白（smHSPs，15～30kDa）及泛素（ubiquitin,8kDa）。植物中具有所有這些種類的蛋白。其中對Hsp70研究最多，其特點是：含有一個高度保守的N端ATP酶片段，以及一個保守性較低的C端，其中可能含有多肽結(jié)合位點。3.植物熱激蛋白的生物學功能

3.1保護性反應

一些植物在較高溫度下產(chǎn)生熱激蛋白，熱激蛋白的合成隨著溫度的升高而增加，同時植物的耐熱性加強。植物中產(chǎn)生的熱激蛋白對細胞具有保護作用，它可能是通過與變性的或者異常的蛋白質(zhì)結(jié)合來防止它們凝聚，從而避免細胞結(jié)構(gòu)的崩潰。植物熱激蛋白的產(chǎn)生是植物耐熱性的重要表現(xiàn)。在其它逆境刺激條件下，如低溫、水分脅迫、乙醇、重金屬等，通常也有熱激蛋白的產(chǎn)生，如砷可以誘導植物中所有熱激蛋白的產(chǎn)生。熱激蛋白的產(chǎn)生是一種比較穩(wěn)定的反應。3.2分子伴侶及“信號伴侶”功能

蛋白質(zhì)的折疊、組裝是一個復雜的生物學過程。在此過程中，常常需要分子伴侶（molecularchaperone）的參與。許多熱激蛋白都可以作為分子伴侶，其中主要的有Hsp70、HSp60和Hsp90。Hsp70是最重要的分子伴侶，參與細胞內(nèi)多種蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變過程。如Hsc70利用ATP水解產(chǎn)生的能量，促進多肽折疊成正確的三級結(jié)構(gòu)，或者裝配成蛋白質(zhì)寡聚體。如果底物蛋白是定位于細胞器中，Hsc70與其它因子共同作用，完成多肽的跨膜運輸，進入細胞器中；細胞器中的Hsc70將與Hsp60協(xié)同作用促進多肽的折疊與組裝。3.2分子伴侶及“信號伴侶”功能

Hsp60也是一種重要的分子伴侶。葉綠體中的Hsp60就是Rubisco亞基結(jié)合蛋白，在葉綠體內(nèi)蛋白的折疊和組裝、Rubisco亞基的轉(zhuǎn)運及全酶的組裝中起重要作用。在體外，Hsp90可作為通用分子伴侶，如可以防止激酶的凝聚，啟動已凝聚的蛋白的解凝聚，可以使激酶的活性提高20倍。熱激蛋白也參與細胞信號轉(zhuǎn)導過程，充當信號伴侶:如：Hsp90參與了甾類激素受體的活性調(diào)控。調(diào)控方法是：Hsp90與甾體類激素受體結(jié)合，使受體處于準備與配體結(jié)合的構(gòu)象狀態(tài)（aporeceptor）,直到與激素結(jié)合，引發(fā)受體激活，同時Hsp90被釋放。另外，Hsp70、Hsp40等也參與了受體與配體的結(jié)合與解離過程中的構(gòu)象變化調(diào)節(jié)。因此，有人稱Hsp90、Hsp70、Hsp40為信號伴侶（signalingchaperone）。3.3發(fā)育過程中的作用

某些HSPs在正常生理狀態(tài)下也可以表達，并且具有組織特異性表達的特點。這種發(fā)育過程中的表達是由發(fā)育程序控制的，與脅迫信號無關(guān)。但是，發(fā)育表達的調(diào)節(jié)機制還不清楚。熱激蛋白也參與細胞信號轉(zhuǎn)導過程，充當信號伴侶（續(xù)）

4.熱激反應信號轉(zhuǎn)導

溫度升高能夠誘導植物產(chǎn)生HSPs,增加植物的耐熱性。但是，機體感受并傳導熱激信號、激活熱激基因表達、誘導耐熱性的機制不清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，熱激基因的表達被一些信號組分調(diào)節(jié)。如胞內(nèi)pH、cAMP、Ca2+、CaM、Na+、IP3、蛋白激酶和蛋白磷酸酶等。4.1上游的Ca2＋和CaM

4.1.1熱激時胞內(nèi)Ca2＋、CaM水平的變化

一些證據(jù)表明，Ca2＋和CaM可能是熱激信號途徑中的上游組分。首先，熱激誘導很多真核生物胞質(zhì)中Ca2＋濃度增加。實驗：用質(zhì)膜鈣通道阻斷劑LaCI3和胞內(nèi)鈣通道阻斷劑新霉素處理,均可以明顯抑制熱激后Ca2＋濃度的升高，表明熱激既動員胞外鈣也動員胞內(nèi)鈣。熱激在促進植物細胞中鈣濃度升高的同時，也升高了CaM的濃度，并且CaM的濃度的增加是Ca2＋依賴性的。熱激引起的CaM增加也表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄水平上。4.1.2Ca2+及CaM對熱激基因表達的影響

實驗結(jié)果：

（1）Ca2＋提高熱激轉(zhuǎn)錄因子（HSF）的DNA結(jié)合能力，并可以促進HSPs的mRNA和蛋白質(zhì)的合成；（2）在甜菜和白菜中，CaCl2或者鈣載體A23187預處理，可以促進HSPs的合成。而EGTA（鈣螯合劑）則抑制HSPs的合成；（3）用CaCl2預處理小麥種子