第八章 果蔬采后生理相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

第八章果蔬采后生理相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)signaltransduction果蔬采后所發(fā)生的許多生理生化反應(yīng)都首先要經(jīng)過一系列的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這也是更深入了解生理活動所必須的研究內(nèi)容。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(signaltransduction)是細(xì)胞通訊(cellcommunication)的基本概念,強調(diào)信號的接收與接收后信號轉(zhuǎn)換的方式(途徑)和結(jié)果,包括配體與受體結(jié)合、第二信使的產(chǎn)生及其后的級聯(lián)反應(yīng)等,即信號的識別、轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換。cascade在細(xì)胞通訊系統(tǒng)中，細(xì)胞或者識別與之相接觸的細(xì)胞，或者識別周圍環(huán)境中存在的各種化學(xué)和物理信號（來自于周圍或遠(yuǎn)距離的細(xì)胞)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)各種分子活性的變化，從而改變細(xì)胞的某些代謝過程，影響細(xì)胞的生長速度，甚至誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，這種針對外源信息所發(fā)生的細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)全過程稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）。無論是單細(xì)胞生物，還是多細(xì)胞生物，它們的細(xì)胞都無時無刻不與周圍環(huán)境(包括其他細(xì)胞)發(fā)生著聯(lián)系，進行著交流和協(xié)調(diào)，以保持生物體與周圍世界以及生物體本身的平衡與統(tǒng)一。細(xì)胞外部的信號或者刺激都要跨越細(xì)胞膜進入細(xì)胞，并在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)過不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將信號最終傳遞入細(xì)胞核，誘導(dǎo)相應(yīng)基因表達，造成細(xì)胞表型變化和產(chǎn)生各種生物效應(yīng)。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可以分為4個步驟：一是信號分子與細(xì)胞表面受體的結(jié)合；二是跨膜信號轉(zhuǎn)換；三是在細(xì)胞內(nèi)通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進行信號傳遞、放大與整合；四是導(dǎo)致生理生化變化。PrinciplesofSignalTransduction

Anenvironmentalsignal,suchasahormone,isfirstreceivedbyinteractionwithacellularcomponent,mostoftenacell-surfacereceptor.Theinformationthatthesignalhasarrivedisthenconvertedintootherchemicalforms,ortransduced.Thesignalisoftenamplifiedbeforeevokingaresponse.Feedbackpathwaysregulatetheentiresignalingprocess.放大一、信號分子與細(xì)胞表面受體的結(jié)合細(xì)胞信號包括化學(xué)信號和物理信號?；瘜W(xué)信號是細(xì)胞感受刺激后合成并傳遞化學(xué)物質(zhì)，到達作用部位后，引起生理反應(yīng)，如植物激素、病原因子等，化學(xué)信號也叫配體(ligand)；物理信號指細(xì)胞感受到刺激后產(chǎn)生的能夠起傳遞信息作用的電信號和水力信號。受體(receptor)是細(xì)胞表面或亞細(xì)胞組分中的一種天然分子，能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體。與配體結(jié)合后，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用將胞外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)化學(xué)或物理信號，以啟動一系列過程，最終表現(xiàn)為生物學(xué)效應(yīng)。受體包括離子通道型受體、G蛋白偶聯(lián)膜受體、具有酶活性的膜受體和核受體4種。離子通道受體是由多亞基組成的受體/離子通道復(fù)合體，除本身有信號接收部位外，又是離子通道，其跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無須中間步驟，反應(yīng)快，一般只需幾毫秒。ionchannelreceptor離子通道型受體乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)模型G蛋白偶聯(lián)膜受體G-proteinlinkedreceptor配體與受體結(jié)合后激活相鄰的G-蛋白(GTPbindingprotein)，被激活的G-蛋白又可激活或抑制一種產(chǎn)生特異第二信使的酶或離子通道，引起膜電位的變化。由于這種受體參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用要與GTP結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白相偶聯(lián),因此將它稱為G蛋白偶聯(lián)受體。具有酶活性的膜受體(enzymelinkedreceptor)特點是，受體本身是一種具有跨膜結(jié)構(gòu)的酶蛋白，其胞外域與配體結(jié)合而被激活，通過胞內(nèi)側(cè)激酶反應(yīng)將胞外信號轉(zhuǎn)至胞內(nèi)。核受體作為疏水性小分子信號調(diào)節(jié)許多與發(fā)育有關(guān)的生理過程，靠簡單擴散進入胞內(nèi)，然后與胞內(nèi)受體結(jié)合后引起構(gòu)象改變，增加與DNA的親和力，最終起調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性的作用。受體分類總結(jié)二、跨膜信號轉(zhuǎn)換Tranmembranetransduction信號與細(xì)胞表面的受體結(jié)合后，需要通過跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)將細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信使，再進一步傳遞引起胞內(nèi)生理生化反應(yīng)和遺傳性狀的表達。在跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，通常認(rèn)為是通過G蛋白將轉(zhuǎn)換偶聯(lián)起來，由它負(fù)責(zé)將質(zhì)膜表面的受體與質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的效應(yīng)器偶聯(lián)起來。G蛋白全稱為GTP（鳥苷三磷酸）結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白，位于質(zhì)膜內(nèi)胞漿一側(cè)，由α、β、γ3個亞基組成，β、γ二聚體通過共價結(jié)合錨于膜上起穩(wěn)定α亞基的作用，而α亞基本身具有GTP酶活性。G蛋白在信號傳導(dǎo)過程中起著分子開關(guān)的作用，當(dāng)G蛋白α亞基與GDP（鳥苷二磷酸）結(jié)合，處于關(guān)閉態(tài)；當(dāng)胞外配體與受體結(jié)合形成復(fù)合物時，導(dǎo)致受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白α亞基偶聯(lián)，并促使α亞基結(jié)合的GDP被GTP交換而被活化，處于開啟態(tài)，從而傳遞信號。三、細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)形成網(wǎng)絡(luò)如果將胞外各種刺激信號作為細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的初級信號或第一信使，那么則可以把由胞外刺激信號激活或抑制的、具有生理調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞內(nèi)因子稱為細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的次級信號或第二信使，如鈣離子、環(huán)腺苷酸cAMP、三磷酸肌醇IP3、二酰甘油DGSecondmessengersareintracellularmoleculesthatchangeinconcentrationinresponsetoenvironmentalsignals.Thatchangeinconcentrationconveysinformationinsidethecell.ParticularlyimportantsecondmessengersincludecyclicAMPandcyclicGMP,calciumion,inositol1,4,5-trisphosphate,(IP3),anddiacylglycerol(DAG;Figure15.2).第二信使CommonSecondMessengers

1、鈣信號系統(tǒng)在植物細(xì)胞內(nèi)外以及細(xì)胞內(nèi)的不同部位Ca2+的濃度有很大的差別。在細(xì)胞質(zhì)中，一般在10－8～10－7mol/L，而細(xì)胞壁是細(xì)胞最大的Ca2+庫，其濃度可達1～5mol/L。胞內(nèi)細(xì)胞器的Ca2+濃度也比胞質(zhì)的Ca2+濃度高幾百倍到上千倍。幾乎所有的胞外刺激信號都能引起胞質(zhì)游離Ca2+濃度變化，由于變化的時間、幅度、頻率、區(qū)域化分布的不同，可能區(qū)別信號的特異性。胞內(nèi)鈣信號再通過其受體――鈣調(diào)節(jié)蛋白傳遞信息。主要包括鈣調(diào)素（calmodulinCaM）和鈣依賴的蛋白激酶，植物細(xì)胞中CaM是最重要的多功能Ca2+信號受體。這是由148個氨基酸組成的單鏈小分子酸性蛋白（分子量為17～19KDa）。CaM分子有四個Ca結(jié)合位點，當(dāng)?shù)谝恍攀挂鸢麅?nèi)Ca2+濃度上升到一定閾值后，Ca2+與CaM結(jié)合，引起CaM構(gòu)象改變，活化的CaM再與靶酶結(jié)合，使其活化而引起生化反應(yīng)。已知有蛋白激酶、NAD激酶、H+－ATP酶等多種酶受Ca-CaM的調(diào)控。2、肌醇磷脂信號系統(tǒng)肌醇磷脂是肌醇分子六碳環(huán)上的羥基被不同數(shù)目磷酸酯化形成的一類化合物。80年代后期的研究證明植物細(xì)胞質(zhì)膜中存在三種主要的肌醇磷脂，即磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰肌醇－4－磷酸（PIP）、磷脂酰肌醇－4,5－二磷酸（PIP2）。胞外信號被質(zhì)膜受體接受后，以G蛋白為中介，由質(zhì)膜中的磷酸脂酶C（PLC）水解PIP2產(chǎn)生肌醇－3－磷酸（IP3）和甘油二酯（DG）兩種信號分子，所以，又可稱雙信使系統(tǒng)。IP3通過調(diào)節(jié)Ca2+變化、DG通過激活蛋白激酶C（PKC）傳遞信息。IP3作為信號分子，在植物中的主要靶點為液泡。IP3作用于液泡膜上的受體后，可影響液泡膜形成離子通道，使Ca2+從液泡中釋放出來，引起胞內(nèi)Ca2+濃度升高，從而啟動胞內(nèi)Ca2+信號系統(tǒng)。3、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的蛋白質(zhì)可逆磷酸化細(xì)胞內(nèi)存在的多種蛋白激酶（proteinkinase）和蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）是前述胞內(nèi)信使進一步作用的靶子，通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的磷酸化或去磷酸化而進一步傳遞信息。如鈣依賴型蛋白激酶（CDPK），其磷酸化后，可將質(zhì)膜上的ATP酶磷酸化，從而調(diào)控跨膜離子運輸；又如和光敏素相關(guān)的Ca-CaM調(diào)節(jié)的蛋白激酶等。蛋白磷酸酶起去磷酸化作用，是終止信號或一種逆向調(diào)節(jié)。Proteinphosphorylationisacommonmeansofinformationtransfer.Manysecondmessengerselicitresponsesbyactivatingproteinkinases.表8-1蛋白激酶的種類激酶磷酸基團受體蛋白絲氨酸／蘇氨酸激酶絲氨酸／蘇氨酸羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組／賴／精氨酸激酶咪唑環(huán)，胍基，ε－氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶?；参锛?xì)胞在感受某一刺激或同時感受多種刺激時，復(fù)雜多樣的信號系統(tǒng)之間存在著相互交流（cross-talk），并由此形成植物細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)(network)。第二節(jié)乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑近年來，有關(guān)植物組織成熟衰老進程中的乙烯受體和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究，成為繼乙烯生物合成與調(diào)控之后，采后研究領(lǐng)域中的又一個前沿?zé)狳c。早期，人們試圖通過生物化學(xué)方法分離乙烯受體或乙烯結(jié)合蛋白，但未獲得成功。近年來，人們根據(jù)乙烯的“三重反應(yīng)”在擬南芥（Arabidopsisthaliana）中分離出了幾類乙烯反應(yīng)突變體，即乙烯不敏感突變體（ethylene-insensitive，EIN）、抗乙烯突變體（ethylene-resistant，ETR）和組成型“三重反應(yīng)”突變體（constitutivetripleresponse，CTR）。這些結(jié)果表明，植物體內(nèi)存在著一條與這些反應(yīng)相聯(lián)系的乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，之后得到了一些乙烯受體蛋白及其編碼基因。目前確定擬南芥中至少存在5個乙烯受體蛋白，即ETR1、ETR2、ERS1、ERS2、EIN4基因各自編碼的蛋白質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的相似性，乙烯受體基因家族可分為2個亞家族，即ETR1亞家族（包括ETR1和ERS1）和ETR2亞家族（包括ETR2、ERS2和EIN4）。ETR1亞家族編碼的蛋白含一個保守的組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域和在N-端有3個跨膜節(jié)段的疏水亞結(jié)構(gòu)域。ETR2亞家族編碼的蛋白N-端含有一個附加的疏水突出端，且組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域缺乏一個或幾個催化活性所必需的元件。乙烯受體家族3個跨膜節(jié)段的疏水亞結(jié)構(gòu)域具有特定的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)意義。在這些受體中，所有已鑒別的突變都發(fā)生在跨膜區(qū)，而突變可引起對乙烯的不敏感性。ETR1蛋白是最早發(fā)現(xiàn)的乙烯受體蛋白，它具有感受乙烯的功能，擬南芥ETR1基因突變體植株對乙烯不敏感，表明該基因產(chǎn)物在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起作用。ERS（ethylenneresponseprotein）基因是在擬南芥中克隆到的第二個乙烯受體基因，它是ETR1的同源物。ERS與ETR1一樣，在C-端區(qū)域含有一個推斷的組氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域。所以結(jié)構(gòu)上也與雙組分傳感蛋白類似，但它缺乏一個接受器結(jié)構(gòu)域。將ERS基因轉(zhuǎn)入正常植株，則表現(xiàn)為對乙烯不敏感。ERS與ETR1一樣，也在CTR1的上游起作用。NR蛋白是在番茄果實中發(fā)現(xiàn)的另一個乙烯受體蛋白，與ETR1高度相似，由Nr（Never-ripe）基因編碼。NR蛋白可能與ERS樣在C-端缺乏一個接受器結(jié)構(gòu)域。Nr基因在果實成熟階段被大量誘導(dǎo)，說明該基因可能調(diào)控果實成熟階段對乙烯的敏感性，也可能與呼吸躍變型果實系統(tǒng)II乙烯的形成有關(guān)。CTR1蛋白，由ctr1基因表達，該基因是那些沒有外源乙烯時也顯示三重反應(yīng)的擬南芥突變體，即通常需要乙烯誘導(dǎo)的基因在ctr1突變體中組成型表達。CTR1蛋白是乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的中心組分，作用于乙烯受體蛋白ETR家族成員的下游，在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起蛋白激酶磷酸化級聯(lián)反應(yīng)的作用。EIN2蛋白，一種膜內(nèi)在蛋白，N-端含有461個氨基酸殘基，是其極端疏水性區(qū)域，C-端含833個氨基酸殘基，主要是親水性基團。其可能作為金屬轉(zhuǎn)運蛋白在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)中起作用。EIN3蛋白是一個可與DNA結(jié)合的核定位蛋白，被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄因子，結(jié)合于與乙烯反應(yīng)相關(guān)基因啟動子的特殊序列上，激活這些基因并使其轉(zhuǎn)錄。ERF1蛋白：ERF1基因是唯一可以直接被EIN3激活的基因，ERF1是植物特定的轉(zhuǎn)錄因子，在脅迫反應(yīng)過程中特異結(jié)合到與乙烯及病理反應(yīng)相關(guān)基因啟動子上。ERN1蛋白：乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的一個下游元件，是一個負(fù)調(diào)節(jié)因子，和EIN3一起構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，都是乙烯反應(yīng)表達所必需。組成元件分類乙烯受體：ETR1蛋白、ERS蛋白、NR蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元件：CTR1蛋白、EIN2蛋白乙烯調(diào)控元件：EIN3蛋白、ERF1