拟南芥中的双组分信号系统

   [摘要]双组分系统是广泛存在于原核和真核细胞中的信号转导系统，主要由组氨酸激酶和响应调节因子组成。随着拟南芥基因组测序的完成和功能基因组的深入研究，发现在拟南芥基因组中有54种蛋白质参与了双组分信号系统的磷酸传递过程。综述近年来拟南芥植物中双组分系统的研究进展。 
　　[关键词]双组分信号系统 组氨酸激酶 ATHK1基因 磷酸转移中间体 响应调节因子 

　　一、双组分信号系统 
　　 
　　在原核生物和真核生物中，蛋白磷酸化和蛋白去磷酸化是胞外信号转导的主要机制。这种信号转导系统受磷酸基团在两种不同类型的信号转导因子之间传递的调控，因此被称为“双组分信号系统”。 
　　（一）简单的双组分信号系统 
　　双组分系统由两个基本组分构成：一个是组氨酸激酶(histidine kinase HK)，另一个是响应调节因子(response regulator RR)。 
　　HK是一种跨膜蛋白，能发生自体磷酸化。其N末端有一个能够感受外界信号的输入域，C末端有一个含的His残基的转移域，该His残基在直接感知环境刺激或与上游因子相互作用后利用ATP发生自体磷酸化(Hitoshi Sakakibara,et al.,2000)。RR的N末端有一个含Asp残基的接受域，该接受可利用HK中磷酸化的His残基作为底物而发生自体磷酸化；C末端有一个信号的输出域。 
　　该系统的作用模式是：HK作为感受器，其输入域能感知外界环境的变化，并相应地调控其内部激酶和磷酸酶的活性，使其激酶域内的His残基自身磷酸化，并把磷酸基团转移到同源RR接受域内的Asp残基上，磷酸化的RR激活或抑制其它一系列的级联反应。 
　　（二）复杂的双组分信号系统 
　　在细菌、酵母、粘液菌和植物中，双组分信号系统进化为多步骤磷酸化传递。此系统包括三个信号传递分子：组氨酸激酶、磷酸转移中间体(His-containing phosphotransfer intermediate HP)、响应调节因子。 
　　该系统中的HK除含有输入域和激酶域外，在其C端还融合了一个含有Asp残基的接受域，这类组氨酸激酶称为杂合型组氨酸激酶。而该系统特有的HP是磷酸传递中间体，与HK和RR都能作用。 
　　该系统的作用模式是：在外界环境刺激或内部信号的作用下，HK被激活，使激酶域内His残基以ATP为磷酸供体进行自体磷酸化，磷酸基团通过磷酸转移反应转移至接受域内Asp残基，再转移至HP的His残基，最后转移至RR接受域内的Asp残基，磷酸化的RR激活或抑制其它一系列的级联反应。 
　　 
　　二、拟南芥中的双组分信号系统 
　　 
　　模式植物拟南芥基因组中，有54个基因分布在5条染色体上，编码双组分信号系统元件，其中有16个基因编码组氨酸激酶(AHK)，5个基因编码磷酸转移蛋白(AHP)，23个基因编码响应调节因子(ARR)。 
　　（一）拟南芥双组分信号系统中的组氨酸激酶 
　　对拟南芥基因组序列的分析显示：至少有16种基因编码组氨酸激酶及相关蛋白。根据其序列、进化、功能，分为三个家族：乙烯受体家族（包括ETR1-2、ERS1-2、ENI4），AHK家族（包括细胞分裂素受体AHK2-4、CKI1-2和一个渗透感受器ATHK1），光敏色素受体家族（PHYA-E）。 
　　一个典型的组氨酸激酶，其转移域有五个保守的特征区域：H、N、G1、F和G2，而保守的His残基位于H区域，这五个特征区域对于维持组氨酸激酶的活性具有重要作用。但是，这五个区域并不是保守的同时存在的。乙烯受体家族中的ETR2和ERS2以及所有的光敏色素受体家族即五个特征区域均缺失，因而可能不作为组氨酸激酶；而乙烯受体家族中的EIN4只具有保守的组氨酸残基而缺失了其他四个区域，因此16种基因中只有8种可能具有组氨酸激酶活性。 
　　与细菌和酵母的渗透感受途径类似，植物中已发现一种与渗透感受有关的组氨酸激酶：拟南芥组氨酸激酶1（Arabidopsis thaliana hidtidine kinase 1 ATHK1）。 
　　ATHK1是拟南芥HK家族的成员之一，编码1207个氨基酸残基，分子量为135 KD，等电点为6.746。序列分析表明，ATHK1蛋白具含有His残基的转移域和含有Asp残基的接受域，是一种杂合型的组氨酸激酶。疏水性分析表明，ATHK1在N端具有两个疏水域，说明ATHK1是跨膜蛋白。 
　　Urao等(1999)研究发现，将ATHK1 cDNA在酵母sln1突变体中表达，可以抑制该突变体的致死，即可以与sln1突变体互补。而将His或Asp残基被替代的ATHK1 cDNA在酵母sln1突变体中表达，则无法互补，突变体表现为致死，这说明ATHK1是组氨酸激酶。将ATHK1 cDNA在酵母sln1sho1双突变体（缺失两种渗透感受器）中表达，可以抑制双突变体的致死，并且可以激活酵母HK下游的HOG1 MAPK，说明ATHK1在酵母中可以作为渗透感受器感知胁迫信号并将其传递到下游MAPK级联反应。 
　　将ATHK1的转移域、接受域的氨基酸序列与已知的组氨酸激酶相比较，发现ATHK1转移域的氨基酸序列与拟南芥细胞分裂素受体CKI1具有30%的相似性，接受域的氨基酸序列与酵母SLN1蛋白具有29%的相似性。虽然ATHK1并不与某个特定的植物组氨酸激酶有明显的相似性，但是其结构与酵母的渗透感受器有着显著的相似性，说明ATHK1可能是植物中的渗透感受器(Takeshi Urao,et al.,1999)。 
　　（二）拟南芥双组分信号系统中的磷酸转移中间体 
　　磷酸转移蛋白作为磷酸传递中间体，接受磷酸基团并将其转移至不同的响应调节因子。拟南芥含有5种磷酸转移蛋白(AHP1-5)。 
　　拟南芥AHPs分子量较小，能通过扩散作用自由进出细胞核，AHP-GFP融合蛋白荧光分析也表明AHPs在胞质和核内均有分布，这就为AHPs能够在跨膜的感受激酶和核内的响应调节因子之间形成一个物理联系这一假设提供了证据。  　　酵母和大肠杆菌双杂交分析表明，AHPs能够与ATHK1、ETR1、CKI1等杂合组氨酸激酶相互作用。酵母双杂交分析还表明，AHP1-3能够与ARR1相互作用，AHP2还能与其他B型ARR相互作用。体外实验显示，AHP1的保守的组氨酸位点具有获得一个磷酸基团的能力。所有这些都说明，在多步骤磷酸信号传递过程中，AHPs能够作为磷酸转移中间体而起作用(Ildoo Hwang,et al.,2002)。 
　　（三）拟南芥双组分信号系统中的响应调节因子 
　　拟南芥基因组中有32个基因编码响应调节因子，氨基酸序列显示：其接受域均含有保守的Asp和Lys，这是响应调节因子的一个显著特征。根据序列同源性、结构域组成和转录调节作用，响应调节因子可以分为A型、B型和假响应调节因子三类。 
　　1．A型响应调节因子 
　　A型响应调节因子有11种（ARR3-9、ARR15-17、ARR22），主要由一个接受域和较短的N-端、C-端延伸组成，无任何典型的输出域。 
　　有实验证明，ARR3-9的表达受细胞分裂素快速而又特意性的诱导，这说明A型响应调节因子主要作为细胞分裂素响应目的物，并可能参与了细胞分裂素信号途径(Ildoo Hwang,et al.,2002)。
    2．B型响应调节因子 
　　B型响应调节因子有12种（ARR1-2、ARR10-14、ARR18-21、ARR23），位于细胞核，在酵母中表达时具有转录活性。结构上除具有一个N-端接受域外，还有一个较长的C-端区域，该区域含有一个由80个氨基酸组成的延伸域和一个富含麸酸胺的区域（转导域）。 
　　除ARR23外，B型响应调节因子接受域氨基酸序列之间具有30%72%的相似性。虽然ARR23含有保守的Asp残基，但其编码区域只有145个氨基酸残基和部分延伸域，因此它可能是假响应调节因子(Ildoo Hwang,et al.,2002)。 
　　3．假响应调节因子 
　　拟南芥中的假响应调节因子(Arabidopsis pseudoresponse regulatorAPRR)有9种，分别是APRR1-9。虽然其接受域的氨基酸序列与ARR具有高度的相似性，但由于没有保守的D-D-K域，因此被称为假响应调节因子。 
　　尽管APRR的氨基酸序列与ARR有显著的差异性，但由于许多APRR在保守域含有Asp残基，所以在植物双组分磷酸传递过程中仍可作为最终的输出结构而起作用。 
　　（四）拟南芥多步骤磷酸传递模型 
　　与膜结合的AHK作为感受器，由其输入域感受外界刺激信号，诱导其激酶区域的His残基自体磷酸化，随后磷酸基团被传递至其接受区域的Asp残基及与该接受区域相互作用的AHP。磷酸化的AHP穿梭进入核，并将磷酸转移至相应ARR的接受域，而ARR接受域的磷酸化导致其输出域构型的变化，从而调控下游反应。而去磷酸化的AHP穿梭回到细胞质并重新磷酸化。 
　　 
    三、展望 
　　 
　　双组分信号系统在联结了细胞分裂素信号、乙烯信号、光信号、胁迫信号和Glc信号的整个植物信号中起重要作用。但是，由于大多数双组分信号系统元件在植物信号转导过程中的生理作用还是未知的，所以今后的任务是研究涉及双组分信号元件的不同植物信号途径的分子和生化机理。 
　　 
　　： 
　　[1]郝岗平、吴忠义、陈茂盛、曹鸣庆，ATHK1基因调节拟南芥渗透胁迫信号转导过程，植物生理与分子生物学报，2004.30(5):553-560. 
　　[2]类延宝、宋松泉、傅家瑞、程红焱，植物的双组分信号系统，植物学通报，2004.21(2):216-227. 
　　[3]刘亚娟、于荣、黄丛林、吴忠义，拟南芥植物中的双组分信号系统，生物信息学，2004.2:21-26.