第二章 植物细胞信号转导 生长和发育是基因在一定时间、空间上顺序 表达的过程，而基因的表达同时受到内外环 境的调控。 植物细胞信号转导(signal transduction)：是植物感受、传导环境分子的刺激及其在 发育过程中调控基因的表达和生理生化反应 ，包括信号、受体、信号转导网络和反应等 环节。第一节 Over view of signal transduction 1 The stream of signals is continuous and complex2 Signal transduction network within cells, among Cells and through the plant3Finally modified gene expression Different signal effects Different transduction networks in different way and different place But finally change the gene expression pattern 4 Plant cells containing two information system genetic and epigenetic 4.1DNA RNA-Protein (phenotype ) 4.2 many phenotype are strongly modified by environmental factor and gene respond environmental stimulates are epigenes have pleiotropic function 5 two major signal transduction pathway in plant Cytosolic Calcium Protein kinase /phosphorylase 环 境 刺 激胞 间 信 号受 体G 蛋 白效 应 器细胞外细胞膜细胞质酪氨酸 蛋白激酶初级信使膜上信号 转换系统第二信使cAMPCa2+IP3DAGCa2+ 调节蛋白PKAPKCa2+ CaMPKCa2+PKC酶 蛋 白 磷 酸 化 修 饰细胞反应CaM胞间信号传递 膜上信号转换 胞内信号转导 蛋白质可逆磷酸化6 Signal perceiving To initiate transduction, the signal must be Senesced by receptor or changing membrane potential Regulate receptor concentration can change the sensitivities of cell to signal Many receptors when bind its ligand (signal) active protein kinase and protein phosphatase activities Intracellular receptors can act as ion channel 接受信号主要通过蛋白受体或改变膜电 位受体位置光反应红光受体光敏色素组成一个蛋白质家族 ，各有不同生理功能光形态建成中信号传导效应的复杂 性第二节 植物细胞跨膜信号转导受体(receptor)：是在效应器官细胞表面或亚细胞组分中可特 异地识别并结合信号分子配体(ligand) ,或物理 信号（光温信号）大分子物质，多为为蛋白质 。v 具有特异性、高亲和力、可逆性等特点。受体位置An example of intracellular receptor The receptor for glucocorticoid hormone (cortisol糖皮质激素 ) differs from the others in that it is located in the cytosol, anchored in an inactive state to a cytosolic protein. Binding of the hormone causes the release of the receptor from its cytosolic anchor, and the receptorhormone complex then migrates into the nucleus, where it binds to the enhancer and stimulates transcription (Figure)Glucocorticoid steroid receptors Glucocorticoid steroid receptors are transcription factors. Glucocorticoid hormone is lipophilic and diffuses readily through the membrane to the cytosol. Once in the cytosol, the hormone binds to its cytosolic receptor, causing the release of an inhibitory protein from the receptor. The activated receptor then diffuses into the nucleus. In the nucleus, the receptorhormone complex binds to the enhancer regions of steroid-regulated genes. Transcription of the genes is stimulated. (From Becker et al. 1996.)蜕皮激素 2 受体种类： 细胞内受体，是指存在于亚细胞组分中的受体； 细胞表面受体(cell surface receptor)，可分三类： 离子通道偶联受体(ion-channel-linked receptor) G蛋白偶联受体 酶偶联受体既有信号结合位点，又是离子通道，跨膜信号转导无需 中间步骤，又称配体门控离子通道，分布有组织特异性 。动物细胞中三种受体IP3的受体另两种受体（细菌，乙烯受体）：双分子 系统和杂合酶系统光反应红光受体光敏色素组成一个蛋白质家族 ，各有不同生理功能1植物G蛋白GTPATP cAMP+PPiCCABCGDPGDPGTP腺苷酸环化酶CG 蛋白RRR（1）植物G蛋白种类及结构A.异三聚体G蛋白 动物G蛋白由、和三个亚基组成 。天然的 G 蛋白中与亚基总是紧密联系在一起， 亚基分子是在39-46KD之间。亚基的差别较大，是 G蛋白的分类依据，具有一共同的GTP结合位点，和有 GTP酶的活性，即可以把GTP水解成GDP和无机磷酸。 亚基上有些特殊的氨基酸（Arg或Cys）残基可被特定的 细胞毒素所修饰，从而调节细胞生理功能。已经克隆的 G蛋白的cDNA，发现G 蛋白的一级结构中高度保守的 结构区域，即P区域，G区域和G区域，P与G区域都与 GTP结合及与GTP酶活力有关；G区域则与GTP结合，并与 腺苷酸环化酶相互作用有关。亚基的分子量为36KD左 右。但植物上至今尚未发现有亚基存在，不过人们依 据已克隆到的基因序列分析，推测植物中有亚基存在 。Mechanism of G protein G蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，它们 能够固定在细胞膜内侧，主要是通过对其 亚基上氨基酸残基的脂化修饰发生作用。 B小G蛋白的（small GTP-binding protein）为单体，仅20-30KD。微管蛋白 亚基也是一种小G蛋白。（2）G蛋白基因的克隆A.异三聚体G蛋白的基因克隆植 物基 因拷 贝 数 产 物拟 南 芥gpa1单拷贝GP1番 茄tga1单拷贝GP1衣 藻cb1p-WD-40(重复的二级结 构)玉 米zgb1单拷贝G拟 南 芥agb1单拷贝G（2）检测G蛋白的生化方法A）GTP结合实验（GTPbinding assays），G蛋白可以结合GTP。标记GTP可以检测G蛋白。将G蛋白的样品与带放射性标记的非水解的GTP类似物一起保温进行标记，以放射性强度高低来说明G蛋白活性的大小。B.将G蛋白的样品用SDSPAGE分离后转膜，再与带放射性标记的非水解的GTP类似物或标记位磷酸的GTP（32p）GTP 保温放射自显影。但异三聚体G蛋白的小G蛋白及其他GTP结合蛋白都与GTP结合，故这种GTP标记还不能区别G蛋白属于哪一类，但可在样品的制备时进行预处理，如利用超滤Centricone 可以鉴别异三聚体G蛋白和小G蛋白。B） GTPase活性实验（GTPase assay），G 蛋白除了能与GTP结合外，还具有内在的 GTPase活性。通常在待测样品中加入位 磷酸标记GTP （32p）GTP，测定液相 中32P放射性强度来表示GTPase活性的大 小。同样不能分辨出G蛋白属于哪一类。C）细菌毒素诱导的核糖基化实验（ADP ribosylation assay） 一些细菌毒素可以使 异三聚体Gcys 残基ADP-核糖基化。如将ADP -核糖基用放射性标记，则G蛋白上就带上该放 射性标记。一般方法先用32P 标记NAD+（作为 ADP-核糖基的供体），再把细菌毒素和蛋白样 品一起保温一定时间后，取回蛋白用SDSPAGE 分离后放射后显影。如百日咳毒素（pertussis toxin, PTX）和霍乱毒素（cholera toxin, CTX）。PTX能使所有位于异三聚体G C末端的 Cys的残基ADP-核糖基（ADP-adenosine diphosphate 腺苷二磷酸）化，且专一性强， 不受样品中其他蛋白或ADP核糖基因子（ARFs） 的影响。D）免疫转移电泳实验（Western blot assay） 利用抗原抗体结合原理，先用SDS-PAGE分离 样品，转移到NC膜（nitrate cellulose ）上，然后先用一抗体温育，再用125I标 记的蛋白A或酶标二抗温育，最后用放射 自显影或酶底物显色，指示G蛋白的存在 。目前用动物的G蛋白抗体来检测植物G蛋 白，但不是所有在的植物G蛋白都可用动 物的G蛋白的抗体能检测出来。2检测到的G蛋白植物 种类分子量 （KD）植物种 类分子量 （KD）拟南 芥31-36大豆45燕麦24大麦22-36衣藻24水稻28-30杜氏 盐藻28豌豆24-43蚕豆31-37玉米27-34Plant materials for Signal transduction “植物中的果蝇”。 拟南芥（Arabidopsis thaliana） 十字花科。 二年生草本，高740厘米。基生叶有柄呈莲座 状，叶片倒卵形或匙形；茎生叶无柄，披针形或线形。总状花序顶 生，花瓣4片，白色，匙形。长角果线形，长11.5厘米。花期3 5月。我国内蒙、新疆、陕西、甘肃、西藏、山东、江苏、安徽、 湖北、四川、云南等省区均有发现。拟南芥的优点是植株小（1平 方厘米可种植好几棵）、每代时间短（从发芽到开花不超过6周） 、结子多（每棵植物可产很多粒种子）、生活力强（用普通培养基 就可作人工培养）。拟南芥的基因组是目前已知植物基因组中最小 的。每个单倍染色体组（n=5）的总长只有7000万个碱基对，即只 有小麦染色体组长的1/80，这就使克隆它的有关基因相对说