植物線粒體能量代謝與相關蛋白的研究進展

植物線粒體能量代謝與相關蛋白的研究進展

植物中軸線電子傳播鏈有很多方法，包括主細胞色素路徑和兩條路徑：抗氰反應路徑和偶聯(lián)聯(lián)蛋白質路徑。后兩者與細胞色素主路途徑中的復合體I、復合體III和復合體IV不同,不產(chǎn)生質子電化學勢能。交替氧化酶介導的交替呼吸途徑,對氰化物不敏感,可氧化泛醌,還原氧。而解偶聯(lián)蛋白介導的解偶聯(lián)呼吸途徑,破壞H+電化學梯度(McDonald2008)。植物線粒體解偶聯(lián)蛋白(plantuncouplingmitochondrialprotein,PUMP)和交替氧化酶(alternativeoxidase,AOX)具有相同的功能:減少ATP的合成,增加熱能的釋放(Vercesi等2006)。既然這兩種能量耗散途徑會影響細胞內(nèi)的能量合成,因此應該存在一種機制來調控能量耗散和能量生成與線粒體中氧氣的關系。諸多研究表明,PUMP和AOX可能在植物生熱作用和維持細胞能量平衡中起作用(Vercesi等2006)。PUMP和AOX是共同調控,還是互補的關系,才能保證氧化磷酸化作用最有效率和維持植物細胞中能量平衡的呢?據(jù)此,本文介紹AOX和PUMP兩條能量耗散途徑在植物線粒體中的生理作用,并分析了兩者在功能上的相關性。1同時，葡萄質酸氧化反應的結構和生理功能1.1aol代謝因子交替氧化酶(AOX)是植物線粒體呼吸鏈中抗氰呼吸途徑(cyanide-resistantrespirationpathway)的末端氧化酶,它擁有2個跨膜螺旋,具有一個活性中心區(qū)域和一個泛醌接合區(qū)(Moore等2002)。AOX的活性位點包含一個不含血紅素的雙鐵中心,因此稱為雙鐵羧基蛋白(di-ironcarboxylateprotein)。最初的研究認為AOX蛋白分子量只有27kDa,后續(xù)的研究表明,AOX蛋白大小在32~39kDa之間。AOX蛋白由核基因編碼,至少有兩大基因家族編碼AOX蛋白,AOX1和AOX2(Considine等2002)。AOX1家族存在于單子葉植物和雙子葉植物中,而AOX2家族僅在雙子葉植物中發(fā)現(xiàn)。最近,在擬南芥植物中還發(fā)現(xiàn)了AOX3家族(Borecky等2006)。AOX蛋白活性被SHAM(水楊基羥肟酸)和nPG(n-丙基沒食子酸)抑制,而受α-酮酸(丙酮酸等)活化(Yip和Vanlerberghe2001)。另外,AOX的活性也會受其自身氧化還原狀態(tài)調控,共價結合的二聚體(氧化態(tài))的活性比單體(還原態(tài))低(McDonald2008)。交替氧化酶廣泛存在于高等植物及部分真菌和藻類中,據(jù)最新的研究報道認為AOX可能存在于除太古細菌以外的所有生物界中(McDonald和Vanlerberghe2006;McDonald2008)。AOX確定的功能是在天南星科白星海芋屬植物佛焰花序開花時的呼吸產(chǎn)熱(McDonald2008;Wagner等2008)。而對于AOX在非產(chǎn)熱組織中的功能,長期以來“溢流”假說廣泛得到接受(雷韜等2006)。在非產(chǎn)熱性植物中,冷脅迫會誘導AOX的表達(Calegario等2003;Fung等2004;Lei等2008;Mizuno等2008)。此外,干旱(Bartoli等2005)、高鹽(Costa等2007;Ferreira等2008)、高光照(Noguchi等2005)、營養(yǎng)缺乏(Sieger等2005)、機械傷害和化學物質(Vandenabeele等2003;Parani等2004;Castro-Guerrero等2008)等脅迫條件也會誘導AOX的大量表達。我們實驗室的一些研究也證明冷害(Yan等2004)、滲透脅迫(He等1999)和病原體侵害(雷韜等2006)等脅迫均誘導AOX蛋白表達?？傊?似乎一切能抑制或降低細胞色素途徑能力的脅迫都會對交替氧化酶產(chǎn)生誘導作用(Moore等2002)。近年來,有關交替氧化酶在逆境脅迫下的研究表明,交替氧化酶具有清除活性氧(ROS)(Moller2001;Yip和Vanerberghe2001;Robson和Vanerberghe2002;Watanabe等2008)、抑制細胞凋亡(Ordog等2002;Vanlerberghe等2002)、穩(wěn)定植物生長速率(Moore等2002;Hansen等2002)和增加植物抵御能力(Elhafez等2006;Fung等2006;Ederli等2006)等功能。另外,交替氧化酶也可在葉的發(fā)育和果實成熟等生理時期增強表達(Considine等2001;Holtzapffel等2002)。交替氧化酶還可能與光合作用有關(Bartoli等2005;Noguchi等2005;Feng等2007;Yoshida等2007)。1.2h+重吸收劑1995年,Vercesi等人首次在土豆塊莖中發(fā)現(xiàn)了動物褐色脂肪組織UCP1的類似物,稱為植物線粒體解偶聯(lián)蛋白(PUMP),分子量大小為32kDa,具有6個跨膜區(qū)。隨后,在土豆花和擬南芥植株中克隆出了PUMP基因。PUMP存在于很多種植物中,如番茄、菠菜、胡蘿卜、花椰菜、椰菜和甘藍等(Jezek等2000)。另外,在果實中也有,如香蕉、芒果、蘋果、草莓、木瓜、檸檬、桔子、菠蘿、梨和桃(Jezek等2000)。最新的研究認為,解偶聯(lián)蛋白存在于除酵母以外的所有真核生物中(Borecky等2001a)。在植物線粒體中,解偶聯(lián)蛋白作為線粒體陰離子載體蛋白(Haferkamp2007),可以通過自由脂肪酸循環(huán)將H+重新運回線粒體基質,該過程繞過ATP合成酶,破壞質子電化學勢能,不產(chǎn)生ATP(Jarmuszkiewicz2001;Sluse和Jarmuszkiewicz2002)。這個過程也稱為非偶聯(lián)呼吸(Borecky和Vercesi2005)。不過,對于脂肪酸(FA)誘導的由PUMPs引起的H+重吸收機制來說,有兩種不同的模型假說(圖1):第一種是FA緩沖模型,FAs與UCP結合,并且其羧基端作為H+受體/供體與UCP上的羧基殘基進行H+傳遞。在此過程中,FAs充當輔酶的功能,而UCP才是H+的運輸載體。第二種是FA質子載體模型,H+通過FA循環(huán)運輸,UCP的作用是將FA陰離子從線粒體基質運輸?shù)侥らg腔,FA陰離子在膜間腔再次與H+結合,中性的FA靠“翻轉機制”穿過線粒體內(nèi)膜回到線粒體基質(Vercesi等2006)。諸多研究證明,FFA(自由脂肪酸,如亞油酸)可增強PUMP的活性(Borecky等2001b),但PUMP會受嘌呤核苷酸(如ATP、GTP)和BSA(牛血清蛋白)的抑制(Jezek等2000)。與交替氧化酶一樣,PUMP也受冷脅迫的誘導。在植物中,擬南芥PUMP的編碼基因AtPUMP1、AtPUMP4和AtPUMP5受冷脅迫誘導(Borecky等2006),馬鈴薯PUMP的編碼基因StPUMP和甘蔗PUMP的編碼基因SsPUMP4和SsPUMP5在冷脅迫下也會上升(Calegario等2003;Borecky等2006)。一直以來,小麥UCP基因常認為是不受冷脅迫誘導的(Murayama和Handa2000;Vercesi等2006),但最近的研究表明,小麥葉片UCP1(WhUCP1)的轉錄水平在低溫下會大量積累(Mizuno等2008)。此外,PUMP還可能參與代謝產(chǎn)熱和果實成熟(Considine等2001;Holtzapffel等2002),調節(jié)線粒體中活性氧的產(chǎn)生從而響應環(huán)境脅迫(Moller2001;Cheong等2002;vanWees等2003)和平衡細胞內(nèi)的能量代謝(Sluse和Jarmuszkiewicz2002)。2分子氧代質系與植物染色體結構、生理和生理特征的關系植物交替氧化酶(AOX)和解偶聯(lián)蛋白(PUMP)都有相同的功能:耗散自由能轉變成熱能,減少ATP的合成。但為什么會同時存在這兩種不同的酶呢?其中有什么樣的生理需求?這個問題也許可以從它們解偶聯(lián)質子電化學勢能的方式得到答案。交替氧化酶是連接于泛醌的一個分支,直接從泛醌獲得電子傳遞給分子氧,因此不受質子梯度勢能的調控。相反,PUMP直接降低跨線粒體內(nèi)膜質子梯度勢能。另一方面,根據(jù)交替氧化酶的動力學特征,只有當線粒體內(nèi)具有相對較高泛醌還原水平時,AOX才會參與電子傳遞。而PUMP在相對較低的泛醌還原水平條件下也可以發(fā)揮作用,它能促進電子傳遞達到一個較高水平(Affourtit等2001)。關于交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白在植物線粒體中的真實作用關系,有幾種不同的觀點。近年來的研究仍然是主要集中在果實成熟和逆境脅迫兩大方面。特別是在果實成熟過程中交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白的功能相關性研究是國際上的熱點。2.1aol和pump協(xié)同作用的機制Sluse和Jarmuszkiewicz(2000)在研究采后番茄果實成熟過程中抗氰呼吸和非偶聯(lián)呼吸時表明AOX蛋白及抗氰呼吸在番茄綠熟期就開始下降,而解偶聯(lián)蛋白及非偶聯(lián)呼吸在番茄黃色期才開始下降,從而說明兩種蛋白在果實成熟過程中起不同的作用。他們認為,果實成熟過程中內(nèi)源FFA(自由脂肪酸)會逐漸上升,FFA促進PUMP的活性而抑制AOX的活性,因此PUMP和AOX不會同時處于最佳活性狀態(tài),兩者在果實成熟過程中的功能應該是相繼發(fā)揮的。AOX可能主要是在果實生長期為細胞提供一系列的平衡,如氧化還原勢能平衡、磷酸化勢能平衡及生物合成的供求平衡等。相反,PUMP可能是在果實內(nèi)FFA濃度上升到一定水平時才開始發(fā)揮作用,起產(chǎn)熱、降低氧化磷酸化效率和終止細胞內(nèi)生物合成等作用。但是有人在研究芒果果實成熟期間交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白表達變化情況時卻發(fā)現(xiàn)與番茄中不同的現(xiàn)象。AOX和PUMP都是隨著果實成熟而呈上升趨勢,PUMP表達量在轉熟期達到峰值,AOX表達量在完熟期達到峰值。兩者在成熟過程中同時被激活,同時起作用(Considine等2001)。番茄和芒果同屬于呼吸躍變型果實,結果卻截然相反,這是由于它們有一個不同的成熟變化過程嗎?番茄果實成熟期間FFA會逐漸上升,芒果成熟期間FFA也上升。如果番茄果實中由于FFA對AOX的負調節(jié)效應而導致AOX和PUMP在成熟期間呈相繼表達,那么芒果中逐漸上升的FFA對AOX和PUMP又起什么作用呢?根據(jù)已有的研究結果,我們推測植物線粒體交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白在果實成熟過程中應該是同時受誘導表達,兩者呈互補關系。交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白存在于線粒體電子傳遞鏈上的兩條不同的支路上,前者從還原態(tài)泛醌處得電子傳遞給氧,可以避免泛醌呈過飽和狀態(tài)而形成氧自由基,后者破壞跨線粒體內(nèi)膜質子梯度勢能,可保證細胞在高能狀態(tài)下的電子傳遞。正是兩者的協(xié)同作用才穩(wěn)定了細胞內(nèi)的能量平衡。對于在番茄和芒果中出現(xiàn)的不同的現(xiàn)象,我們更傾向于贊同Considine等(2001)在芒果中的研究結果。由于Sluse和Jarmuszkiewicz(2000)是通過測定分離后的線粒體中蛋白活性推測蛋白間的相互關系的,所以證據(jù)顯得不足。Holtzapffel等(2002)以活體番茄為材料研究番茄成熟時期蛋白表達變化的結果表明,在果實成熟期間AOX和PUMP的表達是上升的。最近,我們在研究番茄果實成熟過程中抗氰呼吸與果實成熟的關系時發(fā)現(xiàn),當抑制抗氰呼吸時,乙烯合成基因和受體基因的表達會降低,呼吸躍變和果實成熟會延緩(未發(fā)表資料)。從而可以推測,交替氧化酶參與呼吸躍變和果實成熟,同時應該還有其他物質(如PUMP)與呼吸躍變和果實成熟有關,與交替氧化酶形成互補關系,共同調節(jié)呼吸躍變和果實成熟。2.2AOX和PUMP在增強植物抵御逆境脅迫中的相互關系其實,有關AOX和PUMP增強植物抵御逆境脅迫的研究已有較多報道(Moller2001;Fung等2006)。生物和非生物脅迫都會誘導植物體內(nèi)AOX和PUMP表達量上升,這主要是因為環(huán)境脅迫會導致植物體內(nèi)活性氧(ROS)的上升及破壞細胞內(nèi)的代謝平衡,而AOX和PUMP均被認為可以減少活性氧的產(chǎn)生(Maxwell等2002;Malgorzata和Wieslawa2005;Borecky等2006),維持細胞內(nèi)的代謝平衡(Sluse和Jarmuszkiewicz2000)。ROS作為一種信號分子,對AOX和PUMP具有正調控作用。最近幾年的研究表明,低溫、干旱、傷、滲透脅迫等引起細胞內(nèi)產(chǎn)生氧化脅迫,AOX和PUMP共同參與形成抗氧化防御體系,保護植物線粒體免受氧化損傷,維持植物細胞中的能量平衡(Borecky等2006;Armstrong等2008)。這種保護機制在于,AOX作為連接于泛醌的一條支路,可以利用電子傳遞鏈上過多的電子,阻止呼吸鏈過氧化(McDonald2008)。而PUMP則直接破壞?Ψm(跨線粒體內(nèi)膜梯度勢能),可避免高?Ψm形成過氧化物,并調節(jié)?Ψm使之處于氧化磷酸化作用的最優(yōu)狀態(tài)(Vercesi等2006)。2.3pump的表達交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白均證明存在于植物產(chǎn)熱組織中(Ito和Seymour2005)。AOX業(yè)已確定的功能是在植物開花時期的呼吸產(chǎn)熱,并且認為在植物產(chǎn)熱作用中起主要作用。而PUMP在產(chǎn)熱組織中的功能尚不清楚。Vercesi等(2006)認為PUMP在植物線粒體中的表達量還不足以引起產(chǎn)熱作用的發(fā)生。不過,新近有關PUMP在植物產(chǎn)熱組織中的研究有了較大突破。在臭菘肉穗花序中發(fā)現(xiàn)AOX和PUMP可能在產(chǎn)熱組織和產(chǎn)熱時期共同表達,臭菘解偶聯(lián)蛋白(SrUCP)在產(chǎn)熱作用發(fā)生過程中扮演著重要角色(Ito-Inaba等2008)。同時,Onda等(2008)研究臭菘肉穗花序產(chǎn)熱調控表明,LA(亞油酸)抑制AOX的同時丙酮酸又會促進AOX。也就是說,丙酮酸對AOX的活化作用可以抵消LA對其的抑制作用。因此,AOX和PUMP可以在臭菘肉穗花序產(chǎn)熱過程中共表達。3aol和pump基因家族在環(huán)境脅迫下的表達交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白的結構和功能雖已有大量報道,但關于AOX和PUMP在植物能量代謝中的作用,還有待進一步研究。交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白在生物和非生物脅迫中具有相似的功效:減少活性氧的產(chǎn)生,增加植物抗性,維持細胞內(nèi)的能量平衡。因此,了解它們的功能相關性,解開它們共存之謎應該是今后研究的重點。特別是在果實成熟過程中,兩者的作用仍存在較大的分歧。雖然果實成熟過程中不斷上升FFA對AOX有抑制作用而對PUMP具有促進作用,但AOX和PUMP不僅僅是受FFA單一因子的調控,嘌呤核苷酸會抑制FFA對PUMP的促進作用,酮酸會促進AOX的表達。在