第二章 植物細胞的信號傳導(dǎo)課件

第二章植物細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)生長和發(fā)育是基因在一定時間、空間上順序表達的過程，而基因的表達同時受到內(nèi)外環(huán)境的調(diào)控。植物細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(signaltransduction)：是植物感受、傳導(dǎo)環(huán)境分子的刺激及其在發(fā)育過程中調(diào)控基因的表達和生理生化反應(yīng)，包括信號、受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和反應(yīng)等環(huán)節(jié)。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第一節(jié)Overviewofsignaltransduction1Thestreamofsignalsiscontinuousandcomplex第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)2Signaltransductionnetworkwithincells,amongCellsandthroughtheplant第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)3FinallymodifiedgeneexpressionDifferentsignaleffectsDifferenttransductionnetworksindifferentwayanddifferentplaceButfinallychangethegeneexpressionpattern第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)4Plantcellscontainingtwoinformationsystemgeneticandepigenetic

4.1DNA–RNA-Protein(phenotype)

4.2manyphenotypearestronglymodifiedbyenvironmentalfactorandgenerespondenvironmentalstimulatesareepigeneshavepleiotropicfunction

第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)5twomajorsignaltransductionpathwayinplantCytosolicCalciumProteinkinase/phosphorylase第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)環(huán)境刺激胞間信號受體G蛋白效應(yīng)器細胞外細胞膜細胞質(zhì)酪氨酸蛋白激酶初級信使膜上信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)第二信使cAMPCa2+IP3DAGCa2+調(diào)節(jié)蛋白PKAPKCa2+·CaMPKCa2+PKC酶蛋白磷酸化修飾細胞反應(yīng)CaM胞間信號傳遞膜上信號轉(zhuǎn)換胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白質(zhì)可逆磷酸化第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)

6SignalperceivingToinitiatetransduction,thesignalmustbeSenescedbyreceptororchangingmembranepotentialRegulatereceptorconcentrationcanchangethesensitivitiesofcelltosignalManyreceptorswhenbinditsligand(signal)activeproteinkinaseandproteinphosphataseactivitiesIntracellularreceptorscanactasionchannel第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)接受信號主要通過蛋白受體或改變膜電位第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)受體位置第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)光反應(yīng)紅光受體

光敏色素組成一個蛋白質(zhì)家族，各有不同生理功能第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)光形態(tài)建成中信號傳導(dǎo)效應(yīng)的復(fù)雜性第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二節(jié)植物細胞跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)受體(receptor)：

是在效應(yīng)器官細胞表面或亞細胞組分中可特異地識別并結(jié)合信號分子—配體(ligand),或物理信號（光溫信號）大分子物質(zhì)，多為為蛋白質(zhì)。

具有特異性、高親和力、可逆性等特點。

第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)受體位置第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)AnexampleofintracellularreceptorThereceptorforglucocorticoidhormone(cortisol糖皮質(zhì)激素

)differsfromtheothersinthatitislocatedinthecytosol,anchoredinaninactivestatetoacytosolicprotein.Bindingofthehormonecausesthereleaseofthereceptorfromitscytosolicanchor,andthereceptor–hormonecomplexthenmigratesintothenucleus,whereitbindstotheenhancerandstimulatestranscription(Figure)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)GlucocorticoidsteroidreceptorsGlucocorticoidsteroidreceptorsaretranscriptionfactors.Glucocorticoidhormoneislipophilicanddiffusesreadilythroughthemembranetothecytosol.Onceinthecytosol,thehormonebindstoitscytosolicreceptor,causingthereleaseofaninhibitoryproteinfromthereceptor.Theactivatedreceptorthendiffusesintothenucleus.Inthenucleus,thereceptor–hormonecomplexbindstotheenhancerregionsofsteroid-regulatedgenes.Transcriptionofthegenesisstimulated.(FromBeckeretal.1996.)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)蛻皮激素第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)2受體種類：

細胞內(nèi)受體，是指存在于亞細胞組分中的受體；

細胞表面受體(cellsurfacereceptor)，可分三類：

①離子通道偶聯(lián)受體(ion-channel-linkedreceptor)②G蛋白偶聯(lián)受體③酶偶聯(lián)受體①既有信號結(jié)合位點，又是離子通道，跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無需中間步驟，又稱配體門控離子通道，分布有組織特異性。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)動物細胞中三種受體第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)IP3的受體第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)另兩種受體（細菌，乙烯受體）：雙分子系統(tǒng)和雜合酶系統(tǒng)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)光反應(yīng)紅光受體

光敏色素組成一個蛋白質(zhì)家族，各有不同生理功能第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)1．植物G蛋白

第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)GTPATPcAMP+PPiCCABCαβGDPγαβGDPγαβGTPγ腺苷酸環(huán)化酶CG蛋白RRR第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)（1）植物G蛋白種類及結(jié)構(gòu)A.異三聚體G蛋白動物G蛋白由α、β和γ三個亞基組成。天然的G蛋白中β與γ亞基總是緊密聯(lián)系在一起，α亞基分子是在39--46KD之間。α亞基的差別較大，是G蛋白的分類依據(jù)，具有一共同的GTP結(jié)合位點，和有GTP酶的活性，即可以把GTP水解成GDP和無機磷酸。α亞基上有些特殊的氨基酸（Arg或Cys）殘基可被特定的細胞毒素所修飾，從而調(diào)節(jié)細胞生理功能。已經(jīng)克隆的Gα蛋白的cDNA，發(fā)現(xiàn)G蛋白的一級結(jié)構(gòu)中高度保守的結(jié)構(gòu)區(qū)域，即P區(qū)域，G′區(qū)域和G區(qū)域，P與G′區(qū)域都與GTP結(jié)合及與GTP酶活力有關(guān)；G區(qū)域則與GTP結(jié)合，并與腺苷酸環(huán)化酶相互作用有關(guān)。β亞基的分子量為36KD左右。但植物上至今尚未發(fā)現(xiàn)有γ亞基存在，不過人們依據(jù)已克隆到的基因序列分析，推測植物中有γ亞基存在。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)MechanismofGprotein第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)G蛋白在結(jié)構(gòu)上沒有跨膜蛋白的特點，它們能夠固定在細胞膜內(nèi)側(cè)，主要是通過對其亞基上氨基酸殘基的脂化修飾發(fā)生作用。B．小G蛋白的（smallGTP-bindingprotein）為單體，僅20-30KD。微管蛋白β亞基也是一種小G蛋白。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)（2）G蛋白基因的克隆A.異三聚體G蛋白的基因克隆植物基因拷貝數(shù)產(chǎn)物擬南芥gpa1單拷貝GPα1番茄tga1單拷貝GPα1衣藻cb1p--WD-40(重復(fù)的二級結(jié)構(gòu))玉米zgb1單拷貝Gβ擬南芥agb1單拷貝Gβ第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)（2）檢測G蛋白的生化方法A）GTP結(jié)合實驗（GTP—bindingassays），G蛋白可以結(jié)合GTP。標(biāo)記GTP可以檢測G蛋白。將G蛋白的樣品與帶放射性標(biāo)記的非水解的GTP類似物一起保溫進行標(biāo)記，以放射性強度高低來說明G蛋白活性的大小。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)B.將G蛋白的樣品用SDS—PAGE分離后轉(zhuǎn)膜，再與帶放射性標(biāo)記的非水解的GTP類似物或標(biāo)記α位磷酸的GTP[（α32p）GTP]保溫放射自顯影。但異三聚體G蛋白的小G蛋白及其他GTP結(jié)合蛋白都與GTP結(jié)合，故這種GTP標(biāo)記還不能區(qū)別G蛋白屬于哪一類，但可在樣品的制備時進行預(yù)處理，如利用超濾Centricone可以鑒別異三聚體G蛋白和小G蛋白。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)B）GTPase活性實驗（GTPaseassay），G蛋白除了能與GTP結(jié)合外，還具有內(nèi)在的GTPase活性。通常在待測樣品中加入γ位磷酸標(biāo)記GTP[（γ32p）GTP]，測定液相中32P放射性強度來表示GTPase活性的大小。同樣不能分辨出G蛋白屬于哪一類。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)C）細菌毒素誘導(dǎo)的核糖基化實驗（ADP—ribosylationassay）一些細菌毒素可以使異三聚體Gαcys殘基ADP--核糖基化。如將ADP--核糖基用放射性標(biāo)記，則G蛋白上就帶上該放射性標(biāo)記。一般方法先用32P標(biāo)記NAD+（作為ADP--核糖基的供體），再把細菌毒素和蛋白樣品一起保溫一定時間后，取回蛋白用SDS—PAGE分離后放射后顯影。如百日咳毒素（pertussistoxin,PTX）和霍亂毒素（choleratoxin,CTX）。PTX能使所有位于異三聚體GαC末端的Cys的殘基ADP-核糖基（ADP-adenosinediphosphate腺苷二磷酸）化，且專一性強，不受樣品中其他蛋白或ADP核糖基因子（ARFs）的影響。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)D）免疫轉(zhuǎn)移電泳實驗（Westernblotassay）利用抗原抗體結(jié)合原理，先用SDS分離樣品，轉(zhuǎn)移到NC膜（nitratecellulose）上，然后先用一抗體溫育，再用125I標(biāo)記的蛋白A或酶標(biāo)二抗溫育，最后用放射自顯影或酶底物顯色，指示G蛋白的存在。目前用動物的G蛋白抗體來檢測植物G蛋白，但不是所有在的植物G蛋白都可用動物的G蛋白的抗體能檢測出來。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)2．檢測到的G蛋白植物種類分子量（KD）植物種類分子量（KD）擬南芥31-36大豆45燕麥24大麥22-36衣藻24水稻28-30杜氏鹽藻28豌豆24-43蠶豆31-37玉米27-34第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)PlantmaterialsforSignaltransduction

“植物中的果蠅”。

擬南芥（Arabidopsisthaliana）

十字花科。二年生草本，高7～40厘米?；~有柄呈蓮座狀，葉片倒卵形或匙形；莖生葉無柄，披針形或線形?？偁罨ㄐ蝽斏ò?片，白色，匙形。長角果線形，長1～1.5厘米?；ㄆ?～5月。我國內(nèi)蒙、新疆、陜西、甘肅、西藏、山東、江蘇、安徽、湖北、四川、云南等省區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。擬南芥的優(yōu)點是植株?。?平方厘米可種植好幾棵）、每代時間短（從發(fā)芽到開花不超過6周）、結(jié)子多（每棵植物可產(chǎn)很多粒種子）、生活力強（用普通培養(yǎng)基就可作人工培養(yǎng)）。擬南芥的基因組是目前已知植物基因組中最小的。每個單倍染色體組（n=5）的總長只有7000萬個堿基對，即只有小麥染色體組長的1/80，這就使克隆它的有關(guān)基因相對說來比較容易。擬南芥是自花受粉植物，基因高度純合，用理化因素處理突變率很高，容易獲得各種代謝功能的缺陷型。例如用含殺草劑的培養(yǎng)基來篩選，一般獲得抗殺草劑的突變率是1/100000第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)為什么擬南芥被用作雙子葉植物的模式植物?生命周期短,40天左右;產(chǎn)生的種子量大,有利于進行遺傳分析,即繁殖系數(shù)大;基因組較小,容易得到突變體;有大量的誘變突變體可供應(yīng)用,且已商品化;物理距離與遺傳距離之間的比值是小.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)小G蛋白基因的克隆1989年Matsui等從擬南芥中克隆了第一個植物小G蛋白基因—ara

，隨后人們已克隆了幾十種小G蛋白的基因，如豌豆13個，擬南芥12個。但還未發(fā)現(xiàn)植物細胞中有類似動物中的ras小G蛋白，這可能說明植物與動物對環(huán)境信號有不同的感知反應(yīng)，因而動植物參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白（G蛋白）在分子結(jié)構(gòu)上與動物有所差異。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)(3)G蛋白在植物細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)G蛋白在植物細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用(1)光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)經(jīng)紅光或遠紅光處理后，浮萍蛋白提取物對GTP的結(jié)合活性降低20%，而照射藍光卻沒有結(jié)果。暗示一種或幾種G蛋白可能參與了紅光信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)(2)離子通道武維華等人1994年利用膜片鉗（Patch-clamp）技術(shù)，研究G蛋白調(diào)節(jié)劑對蠶豆保衛(wèi)細胞原生質(zhì)體質(zhì)膜上單離子K+通道的影響，發(fā)現(xiàn)GTPγS，CTX和PTX均抑制K+內(nèi)流，而GDPβS促進K+內(nèi)流。這是證明G蛋白可以調(diào)節(jié)植物中離子通道的直接證據(jù)。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)(3)植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

Zaina1990年發(fā)現(xiàn)IAA可以促進GTPγS與水稻胚芽鞘膜泡組分的結(jié)合以及膜泡組分中GTPase活性的增加。Borachov等1994年發(fā)現(xiàn)經(jīng)GTPγS和CTX處理以后,蝴蝶蘭花對乙烯的敏感性增強,乙烯處理后凋謝時間明顯縮短,花受粉以后,隨乙烯生成量的增加,花瓣質(zhì)膜組分對[35S]GTPγS的結(jié)合活性也明顯增加,但GDPβS處理不影響花對乙烯的敏感性.

第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)4.病原信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

Bolwell等1991年發(fā)現(xiàn)PTX和CTX可以增強菜豆懸浮培養(yǎng)細胞對真菌病原激發(fā)子（fungalelicitor）的反應(yīng)能力。Kawakita等1994年發(fā)現(xiàn)真菌病原激發(fā)子能促進馬鈴薯塊莖微粒體結(jié)合GTPγS的活性，并引起該微粒體GTPase活性增加。暗示G蛋白可能參與植物病原信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)(5)其他生理過程

1)GPα1在活躍增殖的細胞以及開始進行分化的細胞中水平較高，而在已經(jīng)分化成熟的細胞中水平較低；在已分化的組織，維管束組織、心皮壁及長角果壁中水平較高，而這些組織均與營養(yǎng)物質(zhì)的運輸有關(guān)。GPα1可能具有以下功能：

①調(diào)節(jié)細胞分裂與分化；

②調(diào)節(jié)細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)2)植物葉綠體的蛋白組分有些是由核基因編碼的,這些蛋白質(zhì)在胞質(zhì)中合成后需跨葉綠體膜運輸?shù)饺~綠體內(nèi)部定位組裝.已知這些蛋白先以前體形式合成,前部有一段導(dǎo)肽,導(dǎo)肽與葉綠體外膜表面或類囊體外面的蛋白識別后進入葉綠體內(nèi)部,但有關(guān)這些蛋白跨膜運輸?shù)臋C制還不清楚第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo).Schnell等1994從葉綠體外膜上分離得到了定位于外膜上的與前體蛋白運輸有關(guān)的4種蛋白質(zhì),其中1種鑒定為熱激蛋白HSP70,1種可能是通道蛋白,另2種蛋白與其它G蛋白有同源的結(jié)合GTP的保守區(qū)域,它們的功能可能是以結(jié)合并水解GTP的方式直接與前體的導(dǎo)肽相互作用,或以調(diào)節(jié)肽與其它轉(zhuǎn)運介導(dǎo)結(jié)合蛋白之間相互作用的方式,來調(diào)節(jié)蛋白前體跨膜向葉綠體內(nèi)部運輸.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)4在體內(nèi)研究植物G蛋白功能的分子生物學(xué)方法

（以上的結(jié)果均是體外實驗研究獲得）

1.轉(zhuǎn)基因植物功能分析（functionalanalysisoftransgenicplant）第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)一般方法是在植物中導(dǎo)入某種G蛋白的反義RNA、或使蛋白超表達或異位(ectopic)表達后，檢測這種處理對植物生長發(fā)育的影響。Kanada等1992年將水稻rgp1基因（一種小G蛋白基因）按反義順序轉(zhuǎn)入煙草細胞中，發(fā)現(xiàn)頂端優(yōu)勢減弱，出現(xiàn)矮化表型，花的外形也不正常。由于已知頂端優(yōu)勢是由細胞分裂和生長素二者的平衡決定的，花的正常發(fā)育也需要各種激素的平衡，表明rgp1基因產(chǎn)物可能參與了激素控制的頂端優(yōu)勢及花的分化。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)

酵母突變體功能互補

利用功能缺失互補。研究小G蛋白較有效，因其較保守。但研究異三聚體G蛋白是不適宜的。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)功能互補的研究思路已知一酵母株系是缺乏與所要證實的植物某一蛋白功能同源的蛋白的突變體,將已克隆的該植物蛋白cDNA導(dǎo)入該酵母寄主細胞中,檢測導(dǎo)入后是否能互補(恢復(fù))該突變體酵母的功能.其先決條件是:要求該植物蛋白與酵母對應(yīng)蛋白有較高的同源性,即寄主植物的蛋白要能夠在酵母中得到表達,且該酵母基因突變而自身已不再能夠表達該蛋白.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)2植物細胞中具有受體功能的類蛋白激酶（RLK）受體蛋白激酶（receptorproteinkinase，RPKs）:為一種跨膜受體。胞外部分與配基(ligand)相識別，胞內(nèi)部分具內(nèi)源的蛋白激酶活性，并依賴其內(nèi)源的蛋白激酶活性轉(zhuǎn)導(dǎo)胞外信號。

RPKs有兩種類型如下：

1.酪氨酸蛋白激酶類：以酪氨酸為靶氨基酸；

2.絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶類：以絲或(和)蘇氨酸為靶氨基酸；

kinomics激酶組學(xué)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)植物中還沒有證實動物細胞RPKs同源的植物基因產(chǎn)物具有受體功能，也未發(fā)現(xiàn)這類蛋白的天然配基，故稱這類蛋白為類受體蛋白激酶（receptor-likeproteinkinase,RLKs）。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)RLKs的種類和結(jié)構(gòu)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)RKLs的結(jié)構(gòu)胞外結(jié)構(gòu)域(extracellulardomain);跨膜螺旋區(qū)(membranespanninghelix);胞內(nèi)蛋白激酶催化結(jié)構(gòu)域(intracellularproteinkinasecatalyticdomain).第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)

胞內(nèi)蛋白激酶催化結(jié)構(gòu)域（intracellularproteinkinasecatalyticdomain），有40%氨基酸同源。依胞外結(jié)構(gòu)域可分為3大類:第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)1.具S-結(jié)構(gòu)域（S-domain）的RLKs

玉米、油菜、擬南芥和水稻中均有發(fā)現(xiàn)。其胞外結(jié)構(gòu)域一部分較保守，同源性大約為20－25％。特定位置是保守的10個半胱氨酸其余差異較大，這可能是不同配基結(jié)合的特異性不同的原因。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)2.富含亮氨酸（Leucine-richrepeat,LRR）的RLKs

特點是在胞外結(jié)構(gòu)域中是有重復(fù)出現(xiàn)的氨基酸，保守結(jié)構(gòu)與一般為Leu-x-x-Leu-x-x-Asn-x-Leu。此外，不同的RLKs的一級結(jié)構(gòu)差異很大。這一結(jié)構(gòu)有利于蛋白質(zhì)之間的相互作用。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)3.類表皮生長因子（Epidermalgrowthfactor-like）RLKs具有類似動物細胞表皮生長因子的結(jié)構(gòu)。擬南芥細胞中分離到一種該類RLKs，稱為Pro25。該蛋白與植物葉綠素a,b結(jié)合蛋白氨基末端的氨基酸序列有較高的同源性，并缺乏氨基末端的信號肽。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)RLKs基因表達RLKs種類物種基因名稱表達組織S-domainRLKs玉米Zmpk1幼苗、根、莖和穗絲細胞擬南芥RLK1蓮座叢生葉細胞LRR-RLKs擬南芥RLk5莖頂端細胞擬南芥Tmk1葉片、莖、根、長角果及花EGF-RLK擬南芥Pro25成熟葉片多數(shù)RLKs的功能不太清楚。有些基因在多種細胞中表達，有的在特定組織中表達。如:第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)RLKs的生物學(xué)功能植物細胞中RLKs具有自磷酸化的活性，其中有些RLKs的磷酸化位點主要為絲氨酸，蘇氨酸，絲氨酸/蘇氨酸，從而暗示不同的RLK具有不同的功能。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)1.調(diào)控花粉的自交不親和自交不親和與柱頭細胞中的S-糖蛋白（S-locusglycoprotein，SLG），S-受體激酶（S-locusreceptorkinase,SRKs）有關(guān)。據(jù)研究，花粉不親和可能與柱頭細胞的S-糖蛋白和S－受體激酶二者之間的相互作用有關(guān)。SLG和SRK識別形成一個異聚體的受體復(fù)合物，后者接受花粉粒上的信號，并誘導(dǎo)花粉粒中游離的Ca2+濃度變化及一系列事件，引起花粉萌發(fā)，如SLG和SRK不能識別，就不能形成受體復(fù)合體，不能接受花粉粒信號，花粉也就不能萌發(fā)。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)MembraneanchorsiteSerine/threonineproteinkinasedomainSignalpeptideLeucine-richrepeatTrans-membranedomainConservedmotifLeucinezipperdomainDNAbindingsiteCCCCCNNNNN

Ptotomato;bacterialresistance

Xa21rice;bacterialresistanceHs1sugarbeet;nematoderesistance.Cf9,Cf2tomato;fungalresistanceL6flax;fungalresistanceRPS2,RMP1Arabidopsis;bacterialres.Ntomato;viralresistancePrftomato;bacterialresistanceProteinstructureofclonedresistancegenes第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)抗番茄葉霉病基因Cf-9編碼一個跨膜蛋白，該蛋白胞外結(jié)構(gòu)域具有28個LRR結(jié)構(gòu)，并含有一個短的胞內(nèi)尾肽結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與RLKs胞外結(jié)構(gòu)域同源，暗示它們可能具有RLKs的功能。番茄細胞中與抗細菌病原有關(guān)的基因Pto

編碼一種絲／蘇氨酸蛋白激酶，后者可能與質(zhì)膜相連。2.感受植物病原信號第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)宋文元等在1995年克隆Xa21，由該基因cDNA推知的蛋白質(zhì)共由1025個氨基酸組成，其中由81至634號氨基酸構(gòu)成的多肽鏈含有23個由24個氨基酸構(gòu)成的LRR結(jié)構(gòu)來構(gòu)成胞外結(jié)構(gòu)域，由651－675號氨基酸構(gòu)成的多肽鏈為疏水性肽段，構(gòu)成跨膜螺旋，而由708－1025號氨基酸構(gòu)成的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)具有典型的絲／蘇氨酸蛋白激酶催化結(jié)構(gòu)域，并且該基因產(chǎn)物與已知的植物細胞RLK和RLK相關(guān)蛋白有很高的同源性，這一結(jié)果也證實植物細胞可以通過位于質(zhì)膜表面的RLKs接收和傳遞外界病原信號。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)RLKs的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)RLKs是一種跨膜蛋白，又具有受體蛋白激酶活性，所以對外界信號的接收，跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)及向膜內(nèi)的原初傳遞均可由RLKs獨立完成。目前僅知激酶結(jié)合蛋白磷酸酶可能是RLKs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的組分。KAPP（kinase-associatedproteinphosphatase）分子由三部分組成，氨基末端為定位于膜上的結(jié)構(gòu)，中間結(jié)構(gòu)域可與蛋白激酶發(fā)生相互作用，羧基末端與磷酯酶C催化結(jié)構(gòu)同源。KAPP在體外活化的RLKs及酶結(jié)構(gòu)相結(jié)合，但這種結(jié)合依賴于RLKs的磷酸化狀態(tài)。如果RLKs蛋白脫磷酸化，KAPP就不能與RLKs結(jié)合。由于RLKs自磷酸化的位點為絲氨酸和蘇氨酸，因而，KAPP可能識別RLKs上被磷酸化的絲氨酸或蘇氨酸二者之一或全部并與之結(jié)合。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)還有許多問題有待解決：植物細胞中RLKs的天然配基、靶蛋白以及RLKs在植物細胞中的生物學(xué)功能是什么？配基能否誘導(dǎo)RLKs二聚體化？LRKs信號傳遞途徑的組成。雖然已知KAPP可能是RLKs信號途徑的組分，但對其作用機制并不清楚。參與這一途徑的其他組分也不清楚。不了解RLKs信號傳遞鏈的組成就很難對RLKs的功能和作用機制有明確的認識。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Signaltransductionpathwaysofteninvolvethegenerationofsecondmessengers,transientsecondarysignalsinsidethecellthatgreatlyamplifytheoriginalsignal.Forexample,asinglehormonemoleculemightleadtotheactivationofanenzymethatproduceshundredsofmoleculesofasecondmessenger.第三節(jié)細胞內(nèi)的第二信使第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Amongthemostcommonsecondmessengersare3′,5′-cyclicAMP(cAMP);3′,5′-cyclicGMP(cGMP);nitricoxide(NO);cyclicADP-ribose(cADPR);1,2-diacylglycerol(DAG);inositol1,4,5-trisphosphate(IP3);andCa2+(Figure).第三節(jié)細胞內(nèi)的第二信使第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)植物細胞胞內(nèi)第二信使主要有：⑴Ca2+⑵cAMP⑶IP3(三磷酸肌醇)⑷DAG(二酯酰甘油)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)一、鈣離子和鈣結(jié)合蛋白1植物細胞的鈣離子

胞外鈣庫：細胞壁；胞內(nèi)鈣庫：液泡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體鈣離子跨膜運轉(zhuǎn)第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Inplantcells,mostofthecalciumofthecellaccumulatesinthevacuole.TheprotonelectrochemicalgradientacrossthevacuolarmembranethatisgeneratedbytonoplastprotonpumpsdrivescalciumuptakeviaCa2+–H+antiporters第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)鈣作用的實驗第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Calciumservesasasecondmessengerforawidevarietyofcellsignalingevents.Thisroleofcalciumiswellestablishedinanimalcells,andcircumstantialevidencesuggestsaroleforcalciuminsignaltransductioninplantsaswell.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)鈣作用受體鈣結(jié)合蛋白主要有2種：鈣調(diào)素和鈣依賴型蛋白激酶

鈣調(diào)素(calmodulin,CaM)耐熱球狀酸性蛋白，

是具有148個氨基酸的單鏈多肽,每個CaM有4個Ca2+結(jié)合位點第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)CaM的作用方式有兩種：

直接與靶酶結(jié)合，誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)靶酶活性；與Ca2+結(jié)合，形成Ca2+

·

CaM復(fù)合體，再與靶酶結(jié)合并激活。

靶酶：Ca2+-ATP酶、Ca2+通道、NAD激酶、多種蛋白激酶等。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)StudieswithCa2+-sensitivefluorescentindicators,suchasfura-2andaequorin(發(fā)光蛋白),haveshownthatthecalciumsignaloftenoriginatesinalocalizedregionofthecellandpropagatesasawavethroughoutthecytosol.Repeatedwavescalledcalciumoscillationscanfollowtheoriginalsignal,eachlastingfromafewsecondstoseveralminutes.Calciumoscillation第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Calciumoscillation第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Thebiologicalsignificanceof

calciumoscillationThebiologicalsignificanceofcalciumoscillationisstillunclear,althoughithasbeensuggestedthatitisamechanismforavoidingthetoxicitythatmightresultfromasustainedelevationincytosoliclevelsoffreecalcium.Suchwavelikeoscillationshaverecentlybeendetectedinplantstomatalguardcells(McAinshetal.1995).第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)二、IP3和DAGIP3和DAG是由位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的PIP2在PLC(phosplolipaseC)催化下水解產(chǎn)生的。

PIP2→IP3+DAGIP3/Ca2+信號傳遞途徑：水溶性的IP3可從質(zhì)膜擴散到胞質(zhì)，再與液泡膜或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的IP3-Ca2+通道結(jié)合，使其打開。Ca2+順濃度梯度由液泡釋放到胞質(zhì)，胞質(zhì)[Ca2+

]升高，引起生理反應(yīng)。DAG/PKC信號傳遞途徑：質(zhì)膜上的DAG與蛋白激酶C（PKC）結(jié)合并激活之，PKC又使其它激酶磷酸化，引起生理反應(yīng)。第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)胞外質(zhì)膜細胞質(zhì)PPPIP3PIP2PLCDAGPKCCa2+液泡或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+結(jié)合態(tài)IP3IP3敏感的Ca2+通道非活蛋白蛋白質(zhì)–P細胞反應(yīng)胞外刺激使PIP2轉(zhuǎn)化成IP3和DAG

，引發(fā)“雙信使系統(tǒng)”G蛋白RαβGDPγGTP第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)inositoltrisphosphateIP3OpensCalciumChannelsontheERandontheTonoplastTheIP3generatedbytheactivatedphospholipaseCiswatersolubleanddiffusesthroughthecytosoluntilitencountersIP3-bindingsitesontheERand(inplants)onthetonoplast.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)ThesebindingsitesareIP3-gatedCa2+channelsthatopenwhentheybindIP3(Figure14.18).SincetheseorganellesmaintaininternalCa2+concentrationsinthemillimolarrange,calciumdiffusesrapidlyintothecytosoldownasteepconcentrationgradient.TheresponseisterminatedwhenIP3isbrokendownbyspecificphosphatasesorwhenthereleasedcalciumispumpedoutofthecytoplasmbyCa2+-ATPases.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)

三、

cAMP

介

導(dǎo)

的

信

號

傳

遞第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)NearlyalltheeffectsofcAMPinanimalcellsaremediatedbytheenzymeproteinkinaseA(PKA).Inunstimulatedcells,PKAisintheinactivestatebecauseofthepresenceofapairofinhibitorysubunits.CyclicAMPbindstotheseinhibitorysubunits,causingthemtodissociatefromthetwocatalyticsubunits,therebyactivatingthecatalyticsubunits.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)IncellsinwhichcAMPregulatesgeneexpression,PKAphosphorylatesatranscriptionfactorcalledCREB(cyclicAMPresponseelement–bindingprotein).UponactivationbyPKA,CREBbindstothecAMPresponseelement(CRE),whichislocatedinthepromoterregionsofgenesthatareregulatedbycAMP.InadditiontoactivatingPKA,cAMPcaninteractwithspecificcAMP-gatedcationchannels.Forexample,inolfactoryreceptorneurons,cAMPbindstoandopensNa+channelsontheplasmamembrane,resultinginNa+influxandmembranedepolarization.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Theactivatedcatalyticsubunitsthenareabletophosphorylatespecificserineorthreonine

residuesofselectedproteins,whichmayalsobeproteinkinases.AnexampleofanenzymethatisphosphorylatedbyPKAisglycogenphosphorylasekinase.WhenphosphorylatedbyPKA,glycogenphosphorylasekinasephosphorylates(activates)glycogenphosphorylase,theenzymethatbreaksdownglycogeninmusclecellstoglucose-1-phosphate.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)cAMPinplantsignaltransductionBecauseoftheextremelylowlevelsofcyclicAMPthathavebeendetectedinplanttissueextracts,theroleofcAMPinplantsignaltransductionhasbeenhighlycontroversial(Assmann1995).第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Nevertheless,variouslinesofevidencesupportingaroleofcAMPinplantcellshaveaccumulated.Forexample,genesthatencodehomologsofCREBhavebeenidentifiedinplants(Kategirietal.1989).PollentubegrowthinlilyhasbeenshowntobestimulatedbyconcentrationsofcAMPaslowas10nM(Tezukaetal.1993).cAMPinplantsignaltransduction第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)Liandcolleagues(1994)showedthatcAMPactivatesK+channelsintheplasmamembraneoffavabean(Viciafaba蠶豆)mesophyllcells.Ichikawaandcoworkers(1997)recentlyidentifiedpossiblegenesforadenylylcyclaseintobacco(Nicotianatabacum)andArabidopsis.Thus,despiteyearsofdoubt,theroleofcAMPasauniversalsignalingagentinlivingorganisms,includingplants,seemslikely.cAMPinplantsignaltransduction第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)adenylylcyclaseInvertebrates,adenylylcyclaseisanintegralmembraneproteinthatcontainstwoclustersofsixmembrane-spanningdomainsseparatingtwocatalyticdomainsthatextendintothecytoplasm.ActivationofadenylylcyclasebyheterotrimericGproteinsraisestheconcentrationofcAMPinthecell,whichisnormallymaintainedatalowlevelbytheactionofcyclicAMPphosphodiesterase,whichhydrolyzescAMPto5′-AMP.第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)腺苷酸環(huán)化酶分子結(jié)構(gòu)與功能功能：1.氣孔關(guān)閉2.k通道3.花粉管生長第二章,植物細胞的信號傳導(dǎo)第四節(jié)蛋白質(zhì)的可逆磷酸化細胞內(nèi)的第二信使通過調(diào)節(jié)多種蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性，從而傳遞信號。蛋白激酶種類繁多、存在廣泛、許多是傳遞特異信號的。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-PiATPGTPADPGDP蛋白激酶H2OPi蛋白磷酸酶

蛋白質(zhì)的磷酸化和脫磷酸化，在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中,具有級聯(lián)放大信號的作