植物多肽信号及翻译后修饰小肽

  　　摘要：介绍了植物多肽信号的结构和分类，阐述了胞外非分泌型多肽、胞内非分泌型多肽和富含半胱氨酸的分泌型多肽结构特征及生物功能。重点讨论了植物多肽的酪氨酸硫酸化、脯氨酸羟基化和羟脯氨酸阿拉伯糖基化的翻译后修饰方式及蛋白质水解加工方式。并对不同种类翻译后修饰小肽结构和功能进行了概述。
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　　关键词：植物；多肽信号；翻译后修饰；分泌型多肽
　　中图分类号：Q78；Q946 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3585-04
　　Abstract： The structure and classification of plant polypeptide signals were introduced. The structure characteristic and biological function of extracellularly nonsecreted peptides， intracellularly nonsecreted peptides and cysteine-rich secreted peptides were reviewed. The posttranslational modification mode such as tyrosine sulfation， proline hydroxylation and hydroxyproline arabinosylation， and the proteolytic processing mode were discussed. The different structure and function of posttranslationally modified small-peptide signals were summarized.
　　Key words： plant；peptide signal； posttranslational modification； secreted peptide
　　传统的非多肽信号激素一般是亲脂性小分子化合物，而多肽信号是由较短的氨基酸序列组成的一类激素。多肽信号和传统的非多肽激素一样，参与植物的生长、发育和抗逆等许多生命过程，特别是作为信号分子在细胞与细胞之间的短距离信息交流中起关键作用。它们以配基的形式与细胞膜表面的相应受体激酶分子相互作用，从而激活通路下游基因或启动相关信号转导过程。细胞与细胞之间的信号转导对于植物生长至关重要，包括协调细胞对发育和环境的反应。目前的研究表明，多肽在细胞间通讯中起重要作用。有一些多肽作为植物生长和发育的信号，而另一些多肽参与防御反应或共生等[1]。
　　1 多肽信号的结构特点与分类
　　从结构上看，所有植物的多肽信号可根据是否分泌、是否存在N端信号、胞外还是胞内起作用分为4类：胞外起作用的翻译后修饰分泌型小肽、胞外起作用的富含半胱氨酸分泌型多肽、胞外起作用的非分泌型多肽和胞内起作用的非分泌型多肽。翻译后修饰小肽和富含半胱氨酸多肽为分泌型多肽在胞外起作用。分泌型多肽通过自由扩散分泌到胞外空间，对临近细胞的命运起决定性作用。在某些情况下，非分泌型多肽也运输到胞外空间，作为细胞与细胞之间的信号。一些非分泌型多肽可通过胞内信号转导调控细胞功能，也可从受伤的细胞中释放出来直接参与植物的防御反应等[2]。翻译后修饰小肽的特征是具有特殊的转移酶调节的翻译后修饰，肽段较小，一般少于20个氨基酸。这些多肽最初翻译成具有N端分泌信号的大小约100个氨基酸的前体多肽，然后通过翻译后修饰化及位于内质网和高尔基体的加工酶作用，形成具有生物功能的成熟多肽。多肽前体是由多基因编码的，这些同源基因编码的多肽长度大约为70～120个氨基酸，除了与成熟多肽相关的靠近C端区域比较保守以外，其余序列都具有多样性。这些结构特征表明，位于成熟多肽区域以外的其他序列在进化过程中氨基酸是可被替换的，这些区域能被蛋白质酶水解加工[3]。此外，这些多肽很少具有半胱氨酸残基，这与富含半胱氨酸（6或8个）多肽不同，后者能形成分子内二硫键，会干扰蛋白质水解酶的加工。
　　1.1 胞外非分泌型多肽
　　胞外非分泌型多肽主要有系统素（Systemin）和内源多肽AtPep1。系统素为公认的4大多肽激素之一。它是含有18个氨基酸的多肽，发现于受伤的番茄叶片中。系统素是茉莉酸信号转导途径的一个组成部分，合成蛋白质酶抑制剂等防御蛋白质参与植物免疫反应。AtPep1是从拟南芥叶片分离出来的，能诱导编码抗病原菌防御蛋白质的基因表达[4]。
　　1.2 胞内非分泌型多肽
　　胞内非分泌型多肽主要有ENOD40、POLARIS（PLS）和ROTUNDIFOLIA4/DEVIL1（ROT4/DVL1）。ENOD40基因编码含12个氨基酸的多肽A和24个氨基酸的多肽B。多肽A通过二硫键共价与蔗糖合酶93 ku亚基上的1个半胱氨酸结合，多肽B的结合位点尚不清楚。蔗糖合酶是蔗糖代谢的重要组成部分，它催化蔗糖和尿苷二磷酸（UDP）形成UDP-葡萄糖和UDP-果糖的可逆反应。蔗糖的裂解是植物固氮的关键一步，也是根瘤形成的先决条件[5]。
　　PLS基因由500个左右的核苷酸组成，具有1个短的开放阅读框，编码36个氨基酸的多肽。PLS多肽分子质量约为4.6 ku，没有信号肽，在胞质中起作用。关于PLS基因开放阅读框起始密码子的突变体研究显示，PLS的功能会完全丧失，这表明PLS基因编码的是多肽而不是具有生物活性的RNA分子[5]。目前，还没有分离得到PLS多肽。但研究表明，PLS功能缺失突变体植株对外源细胞分裂素高度敏感，而对生长素响应降低。进一步的研究表明，它与叶子管化，细胞膨胀有关，并维持体内生长素-细胞分裂素的稳态平衡。
　　多肽ROT4和DVL1分别由53和51个氨基酸组成，它们具有高度的同源性，都属于拟南芥中由23个基因组成的基因家族中的成员，它们负责调控不同发育阶段极性细胞的纵向增殖。研究发现，ROT4基因突变体植株的叶子短圆，花器官和花序也短，这种表型与细胞增殖减少有关。DVL1基因突变体的基因表型与ROT4相似，圆形叶子，叶柄和角果短[6]。 　　1.3 富含半胱氨酸的分泌型多肽
　　SCR/SP11是S位点富含半胱氨酸蛋白质/S位点蛋白质11，由油菜花药绒毡层细胞分泌的一种小分子多肽，为油菜S位点控制自交不亲和性的必需组分。这种分泌的多肽由78～81个氨基酸残基组成，呈现多型性。参与S位点的蛋白质有2个，一个是S位点糖蛋白质（SLG），另一个是S位点受体激酶（SPK），它们都专一性地在柱头表面表达。目前，SLG蛋白质的作用尚不清楚。SPK是雌株自交不亲和的关键组分，编码具有Ser/Thr蛋白质激酶活性的跨膜受体[7]。对S位点区域的进一步研究发现，花药和花粉的绒毡层细胞有专一基因编码SPK的配体，即SCR/SP11，它们是花粉自交不亲和的决定因子。
　　RALF多肽为迅速碱化因子，由49个氨基酸组成，是在分离烟草中系统素时同时发现的。将机械损伤的细胞加入到悬浮培养的番茄细胞时，培养基会迅速碱化。这表明损伤细胞会产生一些物质，调控未损伤细胞的质子外流。在这个过程中发现了系统素和RALF。RALF可引起培养基等介质快速碱化，但不像系统素那样会激活防御系统。番茄RALF前体cDNA编码115个氨基酸的多肽，信号肽位于N端，RALF位于C端。目前，RALF前体是如何加工形成成熟的多肽尚不清楚。但发现在RALF前体中存在2个双精氨酸的碱性模体，一个位于距RALF序列N端的两氨基酸处，可能负责加工前体蛋白质形成RALF，另一个在RALF内部，是RALF发挥作用后迅速降解的位点。RALF的受体可能位于质膜上，其组分包括相对分子质量为25 ku和120 ku的2种蛋白质。此外，富含半胱氨酸的分泌型多肽还包括LAT52、TPD1、EA1、EPF、LURE、STOMAGEN和EC1。胞外翻译后修饰小分子多肽将在后面进行介绍[8]。
　　2 翻译后修饰
　　翻译后修饰通过改变静电荷、亲水性和构象而改变多肽的物理化学性质，从而调节它们与目标蛋白质的特异性结合能力。目前，已发现3种多肽翻译后的修饰作用，即酪氨酸硫酸化、脯氨酸羟基化和羟脯氨酸阿拉伯糖基化。
　　2.1 酪氨酸硫酸化
　　具有酪氨酸硫酸化翻译后修饰的多肽信号为PSK、PSY和RGF。它们的修饰化是通过酪氨酸硫化转移酶（Tyrosylprotein sulfotransferase，TPST）催化的，它催化硫酸根从3’-磷酸腺苷5’-磷酰硫酸（PAPS）转运至酪氨酸的酚基。尽管对酪氨酸硫酸化的研究未完全清楚，但它至少需要1个天冬氨酸N端残基与酪氨酸相连。纯化的拟南芥TPST为顺式高尔基体定位的62 ku跨膜蛋白质。它在拟南芥整株植物中都表达，但在根的顶端分生组织中表达量最高。而拟南芥缺失TPST酶的突变体植株矮化、叶片浅绿，地上组织过早衰老，明显的短根表型，根分生组织活性显著下降[9]。
　　2.2 脯氨酸羟基化
　　除了PSK没有脯氨酸残基外，其他所有翻译后修饰小肽都有羟脯氨酸残基。脯氨酸羟基化是由脯氨酰基-4-羟化酶（Prolyl-4-hydroxylase，P4H）催化介导的。P4H是一个跨膜蛋白质，位于内质网和高尔基复合体。到目前为止，已经有13个P4H基因在拟南芥中被鉴定出来。尽管有一些序列与脯氨酸羟基化有关，但尚未鉴定出存在共有序列决定植物分泌多肽的脯氨酸羟基化。阻断P4H表达会阻碍根毛的生长和分化，但这种表型可能是失调的细胞壁蛋白质而不是失调的多肽信号造成的[10]。
　　2.3 羟脯氨酸阿拉伯糖基化
　　羟脯氨酸残基存在于很多分泌多肽中，如PSY1、CLV3、CLE2、CLE9和CLE-RS2，它们进一步通过O-连接的阿拉伯糖链修饰。研究表明，存在于富含羟脯氨酸系统素（Hydroxyproline-rich systemin，HypSys）的糖肽是阿拉伯糖苷。这种多肽修饰后主要存在于胞外蛋白质的大家族中，即富含羟脯氨酸的糖蛋白质，包括伸展蛋白质、富含脯氨酸蛋白质和阿拉伯半乳聚糖蛋白质。羟脯氨酸O-连接阿拉伯糖转移酶（Hydroxyproline O-arabinosyltransferase，HPAT）负责羟脯氨酸第四位形成β键与阿拉伯糖相连。最近，拟南芥HPAT已被鉴定出来，它是高尔基体定位的跨膜蛋白质，属于糖转移酶GT8家族。拟南芥HPAT基因缺失突变体中会导致多重表型，包括促进下胚轴伸长、细胞壁增厚缺陷、早开花和早衰老[11]。此外，缺失HPAT1和HPAT3酶的双突变体能明显抑制花粉管伸长，导致雄性配子体传输障碍。
　　3 蛋白质水解加工
　　蛋白质水解加工是植物翻译后修饰小肽生物合成中关键的一步，但很多证据表明，植物多肽的水解加工机制与动物多肽不同。首先，植物多肽前体靠近成熟多肽区没有成对的碱性氨基酸相邻。其次，植物多肽不是靠酶去切割碱性氨基酸的。油菜花离体试验表明，在CLV3前体多肽中，加工酶会切除N端的1个精氨酸残基。蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）CLE36成熟肽上游也存在加工酶切割甲硫氨酸和丝氨酸残基。最后，植物多肽的最初加工切割位点并不直接决定成熟多肽的边界区域。总之，植物多肽的水解加工是一个复杂的过程，在最初的肽酶水解后还有超蛋白质酶解对其修饰加工[12]。
　　4 翻译后修饰小肽的结构与功能
　　翻译后修饰小分子肽有如下特征：长度上一般少于20个氨基酸残基，典型的长度约10个氨基酸残基。它们是从大的具有N端分泌信号多肽前体水解加工形成的，至少具有1个翻译后修饰过程如酪氨酸硫酸化、脯氨酸羟基化和羟脯氨酸阿拉伯糖基化。酶的修饰基团与多肽的结合位置、水解加工酶影响的多肽链的长度，对于多肽信号生物功能及其与受体的相互作用非常重要。
　　4.1 PSK
　　PSK（Phytosulfokine）是含有5个氨基酸的硫酸肽，能够促进植物生长，影响植物细胞培养中的细胞密度。体外试验表明，PSK能促进百日草（Zinnia elegans）叶肉细胞管状分子分化、体细胞胚胎发生和花粉萌发。遗传试验表明，PSK通过控制成熟细胞的大小参与根和下胚轴的伸长，调控细胞寿命，诱导农杆菌肿瘤生长。除了调控植物生长和发育外，PSK还参与植物免疫应答。PSK是由1个约80个氨基酸多肽前体通过酪氨酸硫酸化和蛋白质水解加工形成，其中枯草杆菌蛋白质酶和丝氨酸蛋白质酶等参与水解加工[13]。 　　4.2 翻译后修饰CLE家族小肽
　　CLE（CLV3/embryo surrounding region）是一个大的分泌蛋白质家族，包括CLV3等。这些多肽在C端有一段14个氨基酸的CLE保守区域。CLE家族主要包括32个多肽，如CLV3、TDIF、CLE8、CLE40、CLE41、CLE44和CLE45等。CLE家族主要包括2种类型：A类型和B类型。A类型主要包括CLE多肽，影响地上部和根分生组织的发育。B类型包括TDIF/CLE41/CLE44，能抑制木质部导管分化，但对地上部和根分生组织的发育没有影响[14，15]。
　　CLV3（CLAVATA3）是含有羟脯氨酸O-阿拉伯糖链的由13个氨基酸组成的糖肽。平衡茎尖分生组织干细胞的更新和分化。CLV3基因编码的分泌型多肽只在茎尖分生组织中心带的最外层细胞特异性表达。WUS（WUSCHEL）-CLV反馈调节环控制茎尖分生组织干细胞稳态，WUS基因的编码产物是维持干细胞数量的内源性信号分子，CLV3作为负调控因子通过抑制WUS基因而维持干细胞的正确位置和数量[14，15]。CLV3基因编码96个氨基酸的分泌型多肽前体，随后在体内被水解加工和翻译后修饰，形成12或13个氨基酸的成熟多肽，其第七位的羟脯氨酸残基进一步通过β-1，2糖苷键与L-阿拉伯糖相连。
　　管状分子分化抑制因子（Tracheary element differentiation inhibitory factor，TDIF）是含有12个氨基酸的多肽，其中2个脯氨酸羟基化，它在维持管状干细胞群中起重要作用。百日草中的TDIF与拟南芥中的CLE41和CLE44序列同源。韧皮部分泌的TDIF/CLE41/CLE44会增强原形成层细胞的分裂，但抑制形成层细胞到木质部细胞的分化[16]。
　　CLE-RS是含有羟脯氨酸O-阿拉伯糖链13个氨基酸的多肽，自动调控豆科植物的结瘤。百脉根中结瘤的自动调控就是由CLE-RS1和CLE-RS2基因触发的，它们在根中能被根瘤菌诱导。CLE45具有促进高温下花粉管生长的作用[16]。植物生殖阶段开花植物容易受到周围温度变化的影响，而这些植物在一定温度范围内都能正常产生种子。正常条件下CLE45基因优先在雌蕊的柱头表达，当温度升高后，其可在传输通道表达。
　　4.3 HypSys
　　系统素是含有18个氨基酸的多肽，发现于受伤的番茄叶片中。它是茉莉酸信号转导途径的一个组成部分，合成蛋白质酶抑制剂等防御蛋白质参与植物免疫反应。随后分别从烟草中发现新的系统素类型，即HypSys。从烟草（Nicotiana tabacum）鉴定出的HypSys I和HypSys II都是含有18个氨基酸的多肽，N端具有分泌信号[17]。HypSys是一个高度糖基化的寡肽家族，参与茄科植物的防御反应。HypSys是积累在维管束薄壁细胞的细胞壁基质的前体蛋白质，植物受伤后，蛋白质酶释放出来在细胞壁基质使之形成成熟蛋白质。
　　4.4 IDA
　　IDA（Inflorescence deficient in abscission）是一类参与花器官脱落的多肽，由77个氨基酸组成，有高的等电点值，N端有信号肽，具有疏水性，C端是保守区域。IDA是一个新的类似于CLV3的配体，为一类可溶性蛋白质，能够与其受体结合启动下游的信号传递。在花器官脱落过程中，IDA一直在花器官离区表达起作用。拟南芥的IDA基因有5个，命名为IDA1-5。过量表达IDA基因的拟南芥株系表现出花器官的提前脱落，而且花柄、茎生叶、花序等都自基部提前脱落，果荚提前开裂[18]。这表明IDA多肽是一个脱落的正调控因子，IDA基因所产生的多肽是通过受体激酶HAESA来引发拟南芥花器官的脱落，HAESA是一种位于质膜上的富含亮氨酸重复的类受体蛋白质激酶（LRR-RLK）。
　　4.5 PSY、CEP和RGF
　　PSY1是含18个氨基酸的分泌型多肽，含有1个硫酸化的酪氨酸残基和L-阿拉伯糖的糖链。PSY1在拟南芥各种组织中均表达，具有促进细胞增殖和膨胀的作用，其表达方式和生理活性与PSK类似。CEP1（C-terminally encoded peptide 1）是含15个氨基酸的分泌型多肽，有2个羟脯氨酸残基，在侧根发育中起重要作用，主要在侧根原基表达。RGF1是含有13个氨基酸的分泌型多肽，有1个硫酸化的酪氨酸，其在根干细胞维持和运输扩增细胞增殖中起重要作用。RGF（Root meristem growth factor）基因家族包含11个基因，编码C端保守区域的多肽，其成熟多肽就是从C端保守区域加工而成的[3，16]。
　　5 小结与展望
　　陆地植物包括苔藓和蕨类植物均有植物多肽酪氨酸硫酸化、脯氨酸羟基化和羟脯氨酸阿拉伯糖基化过程。这表明翻译后修饰化在植物中具有重要作用。一般来说，翻译后修饰化均需要共同的硫酸根供体PAPS底物和阿拉伯糖供体UDP-L-阿拉伯糖底物，这些供体的合成都需要消耗能量ATP，所以翻译后修饰化多肽要比非修饰化多肽消耗更多能量，但它们在生物进化过程中保留了下来，这进一步说明了翻译后修饰化对植物的重要作用。通过对拟南芥信息资源蛋白质数据库研究发现，约1 086个基因编码含50～150个氨基酸残基的分泌型多肽，但很多尚未鉴定出来，未来可通过基因组学和转录组学寻找更多新的多肽信号。
　　参考文献：
　　[1] MATSUBAYASHI Y， SAKAGAMI Y. Peptide hormones in plants[J]. Annu Rev Plant Biol， 2006，57：649-674.
　　[2] ALBERT M. Peptides as triggers of plant defence[J]. J Exp Bot， 2013， 64： 5269-5279. 　　[3] MATSUBAYASHI Y. Posttranslationally modified small-peptide signals in plants[J]. Annu Rev Plant Biol，2014，65：385-413.
　　[4] 蒋细兵，余迪求.植物多肽激素研究概况[J].云南植物研究，2008，30（3）：333-339.
　　[5] 李 琛，宋秀芬，刘春明. 高等植物中的多肽激素[J].植物学通报，2006，23（5）：584-594.
　　[6] BAHYRYCZ A，■ D. Plant signaling peptides： Some recent developments[J]. J Pept Sci， 2007， 13：787-797.
　　[7] YAMADA M， SAWA S. The roles of peptide hormones during plant root development[J]. Curr Opin Plant Biol， 2013， 16： 56-61.
　　[8 ] MURPHY E， DE SMET I. Understanding the RALF family： A tale of many species[J]. Trends Plant Sci， 2014， 19： 664-671.
　　[9] MATSUZAKI Y， OGAWA-OHNISHI M， MORI A， et al. Secreted peptide signals required for maintenance of root stem cell niche in Arabidopsis[J]. Science，2010， 329： 1065-1067.
　　[10] VELASQUEZ S M， RICARDI M M， DOROSZ J G， et al. O-glycosylated cell wall proteins are essential in root hair growth[J]. Science， 2011， 332： 1401-1403.
　　[11] OKAMOTO S， SHINOHARA H， MORI T，et al. Root-derived CLE glycopeptides control nodulation by direct binding to HAR1 receptor kinase[J]. Nat Commun， 2013， 4： 2191.
　　[12] WESTFALL C S，MUEHLER A M， JEZ J M. Enzyme action in the regulation of plant hormone responses[J]. J Biol Chem， 2013， 288： 19304-19311.
　　[13] 彭丽桃，蒋跃明，杨书珍.植物多肽信号分子的特点和功能[J].生物化学与生物物理进展，2002，29（6）：877-880.
　　[14] MIYAWAKI K， TABATA R， SAWA S. Evolutionarily conserved CLE peptide signaling in plant development， symbiosis， and parasitism[J]. Curr Opin Plant Biol，2013，16：598-606.
　　[15] 吴锦斌，宋 银，乔 睿，等.CLE多肽参与植物分生组织维持与分化平衡的信号转导研究[J].生命科学，2013，25（4）：421-426.
　　[16] LEASURE C D， HE Z H. CLE and RGF family peptide hormone signaling in plant development[J]. Mol Plant， 2012， 5： 1173-1175.
　　[17] PEARCE G. Systemin，hydroxyproline-rich systemin and the induction of protease inhibitors[J]. Curr Protein Pept Sci， 2011，12：399-408.
　　[18] AALEN R B，WILDHAGEN M，ST？?II M，et al. IDA： A peptide ligand regulating cell separation processes in Arabidopsis[J]. J Exp Bot， 2013， 64： 5253-5261.收稿日期：2014-12-16
　　基金项目：国家高技术研究发展“863”计划项目（2012AA021701）；江苏省自然科学基金项目（BK20141081）；南京市生物学重点学科建设项目（2014）
　　作者简介：华 春（1963-），女，江苏江阴人，教授，主要从事植物生理学研究，（电话）13675138903（电子信箱）[e-mail]。