最新：高级植物生理学专题-细胞信号转导-文档资料.pptx

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1、遗传信息和环境因素共同决定植物的代谢、生长和发育过程,植物体信息系统可概括为两大类: 遗传基因信息系统：核酸蛋白质为主的生物大分子信息系统。生长发育过程是基因受环境影响在时空上顺序表达的结果。 环境刺激-细胞反应偶联信息系统：植物感受环境信号，并将其转变为体内信号，从而调节生长发育过程-信号传导。,第一节 细胞信号转导概述,细胞信号转导的研究历史 植物信号转导的特点 植物信号转导研究的意义 植物信号转导研究的内容,1. 细胞信号转导研究历史,1870年发现对光敏感的视紫质(rhodopsin)。 1933年George Wald发现视紫红质，获得了1967年的诺贝尔奖，但从没有人把感光系统与体

2、内激素的生理作用联系起来。 20世纪初Langley和Hill提出受体理论，并在之后半个世纪得到充分发展，然而受体本身是什么物质仍然是一团疑云。 六十年代Sutherland发现环腺苷酸(cAMP)在激素响应中的重要作用，很多人也认为腺苷酸环化酶（AC）就是受体。1971年他在获诺贝尔奖演讲中，还提到激素也可能就是作用在AC上，这已经是Lefkowitz证明受体和AC是相互独立的物质之后1年了。,细胞信号转导研究历史,1970年Lefkowitz等人研究钙离子对促肾上腺皮质激素的激活作用，表明促肾上腺皮质激素受体的存在，激素受体的结合与腺苷酸环化酶(AC)的激活是两个独立的过程，证明细胞表面存

3、在可与细胞外激素结合的受体。但依然存在看法，认为促肾上腺皮质素和去甲肾上腺素所结合的受体很可能是AC。 1983年，他们把纯化后的可与肾上腺素结合的细胞表面蛋白导入不响应肾上腺素的细胞，发现细胞的表现与具有肾上腺素受体的细胞一致。从此才真正相信细胞表面受体的独立存在。,细胞信号转导研究的三个里程碑,细胞内3大信息系统：cAMP、钙和钙调素(CaM)、肌醇磷脂系统的发现，该领域一直成为热点。 20世纪90年代后，该领域诺贝尔生理学或医学奖： 1991 胞内信使cAMP及第二信息学说的提出者E.W.Sutherland; 1992 糖原代谢中蛋白质可逆磷酸化反应的研究者E.Krebs和E.Fish

4、cer; 1994 信号转导领域G蛋白的发现者A.G.Gilman 和 M.Rodbell； 1998 NO信号分子的发现者R.F.Furchgott, L.J. Ignarro和F.Murad. 2012 G蛋白偶联受体家族的发现及其工作与结构机理(化学奖),2. 植物细胞信号转导的特点,随着动物细胞信号转导研究的深入、系统和完善，植物细胞信号转导在近40年来也取得了突破性进展。 相同：环境或生理信号-受体-信号转导-反应。 区别： 植物不能通过运动积极逃避逆境，但可以通过整合环境信息来调节自身的生理活动去积极适应环境的变化; 一些信号转导过程(光合作用、光形态建成、光周期效应以及春化效应等

5、)有别于动物; 信号的长距离传导有别于动物(神经系统和循环系统)。,一些常见的植物信号转导反应,3. 植物细胞信号转导的研究意义,由于植物细胞信号转导的特殊性，对其机制的研究将丰富生物体的信号转导内容，揭示生命进化的本质。 可以揭示植物对环境次级反应的遗传和分子机制，进而通过生物工程手段调控植物生命活动，提高适应能力。 干旱、高温、盐碱等常常降低作物产量，有必要研究植物在分子、细胞和个体水平对这些胁迫表现出的各种各样应答。 为了通过育种或基因改良提高植物的抗逆性，有必要确定与农艺性状有关的调控基因，以及其产物是如何被调节的。,4. 植物细胞信号转导的研究内容,植物如何感受环境刺激, 环境刺激又

6、如何调控和决定植物生理活动、生长发育和形态建成等过程。 从机制上可概括为： 植物细胞感受、偶合各种胞外刺激（初级信号），并将这些胞外信号转化为胞内信号（次级信号）； 通过细胞内信号系统调控胞内的生理生化变化，包括基因表达变化、酶的活性和数量的变化等； 最终引起植物细胞甚至植物体特定的生理反应的信号转导途径和分子机制。,第二节. 植物细胞信号转导基本概念,1. 外源信号和胞间信号：也称第一或初级信使。 外源信号: 来自于环境的信号。 胞间信号：植物自身合成的、能够从产生部位运到其它部位， 并对其他细胞作为刺激信号的细胞间通讯分子。 信号类型： 化学信号: 细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生

7、理反应的化学物质。 物理信号: 细胞感受到刺激后能够产生起传递信息作用的物理因子。,无论是胞外信号还是胞间信号，均含有一定的信息,信号的主要功能是在细胞内和细胞间传递信息，当植物体感受到信号分子所携带的信息后， 引起跨膜的离子流动、 或引起相应基因的表达、 或引起相应酶活性的改变， 最终导致细胞和生物体特异的生理反应。,2.第二或次级信使-胞内信使,细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞内信号分子, 从而将细胞外信息转换为细胞内信息。 Ca2+, 肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3), 二酰甘油(DG), 环腺甘酸(cAMP), 环鸟甘酸(cGMP) H2O2, 花生四烯酸, 环ADP核糖(c

8、ADPR) 和其它肌醇磷酸(IP4, IP5, IP6)等胞内成分在特定信号转导中也可充当第二信使。,3.受体：细胞表面或亚细胞膜组分中的一种分子,可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质-配体结合, 从而激活或启动一系列生物化学反应, 最后导致该信号物质特定的生物学效应。 受体与配体(即刺激信号)相对特异性的识别和结合是受体最基本的特征。 二者的结合是一种分子识别过程, 靠氢键、离子键与范德华力的作用, 配体与受体分子空间结构的互补性是特异性结合的主要因素。,受体存在的位置,细胞表面受体: 存在于细胞质膜上。大多数信号不能通过膜，信号分子与细胞表面受体结合，经过跨膜信号转换，将胞外信号转至

9、胞内。 膜内受体: 存在于细胞质中或亚细胞组分(细胞核等)上的受体。水溶性信号分子(如多肽激素、生长因子)以及个别脂溶性激素可以扩散进入细胞， 与膜内受体结合，调节基因转录。,细胞表面和膜内受体,第三节、植物细胞信号转导过程 包括：刺激与感受、信号转导、细胞反应,一、刺激和感受: 当存在刺激信号时，植物细胞受体感受并接受这些刺激，这是信号转导的第一步。 受体是细胞信号转导中最重要的一环，它首先识别并接受外来信号，启动整个信号转导过程。 通常，一种信号只能与特异受体结合，引起相应的生理反应.,1. 植物激素受体：包括五大类激素、油菜素内酯等； 2. 光信号受体： a. 对红光和远红光敏感的光敏色

10、素 ； b. 对蓝光敏感的蓝光受体 ； c. 对紫外光敏感的紫外光受体 ； 3. 感病诱导因子受体,目前研究较多的植物受体：,植物细胞中已经发现的类似于动物细胞的三种受体,二、信号转导过程,细胞通过细胞表面受体感受外界刺激后, 将胞外信号转化为胞内信号，并通过细胞内信使系统级联放大信号，调节相应酶或基因的活性。 包括: 胞外信号的跨膜转换 细胞内第二信使系统的启动和信号的级联放大 蛋白质的可逆磷酸化,(一). 信号的跨膜转换,对于细胞内受体而言，信号物质(配体)可以进入细胞内部与胞内受体结合，完成细胞信号的直接跨膜进入。 对于细胞表面的受体，外界信号首先与细胞表面的受体结合，不能直接将所携带的

11、信息传递到细胞内部。 外界信号物质与细胞表面的受体结合后，将外界信号转换为胞内信号的过程称为信号的跨膜转换。,1. 离子通道连接受体：除了具备转运离子的功能外, 还能与配体特异的识别和结合, 具备受体的功能。 当这类受体与配体结合后, 可以引起跨膜的离子流动, 把胞外的信息转换为细胞内某种离子浓度的改变的信息。,参与信号跨膜转换的三种受体类型的作用方式,2. 酶连受体：可直接跨膜转导。除了具有受体的功能外，本身是一种酶蛋白。 当细胞外的受体区域和配体结合后，激活具有酶活性的胞内结构区域，引起酶活性的改变，从而引起细胞内侧的反应, 将信号传递到胞内。,参与信号跨膜转换的三种受体类型的作用方式,3

12、.G蛋白偶联受体(GPCR)跨膜转换信号 - 信号跨膜转换的主要方式,GPCR是人类基因组中最大的膜蛋白家族，约包含8001000个成员，在视觉、嗅觉、味觉以及神经传递等生理代谢中起重要作用。目前的处方药中一半以上以GPCR为靶点。 1986年Gilman分离纯化得到了G蛋白，获1993年诺贝尔奖; 2012年Lefkowitz 等在GPCR 家族的发现及其工作与结构机理，获诺贝尔奖。,G-蛋白：GTP结合调节蛋白。可与三磷酸鸟苷(GTP)结合，并具有GTP水解酶的活性。,所有的G蛋白中只有两种类型参与细胞信号传递: 小G蛋白：只含有1个亚基的单聚体, 参与细胞生长与分化、细胞骨架、膜囊泡与蛋

13、白质运输的调节; 异三聚体G蛋白(大G蛋白)：含,亚基。植物中普遍存在。亚基上含有GTP结合的活性位点, 具有GTP酶的活性; 和亚基一般以稳定的复合状态存在。 G蛋白参与的跨膜转换信号主要由亚基调节，和亚基主要是对G蛋白功能的调节和修饰，或者把G蛋白锚定在细胞膜上。,inhibition of cAMP production inhibition of Ca2+ channels activation of GIRK K+ channels,G-protein subtypes,increased synthesis of cAMP activation of Ca2+ and K+ cha

14、nnels,activation of PLC activation of PKC (DAG) intracellular Ca2+ release (IP3),mediates signalling between GPCRs and RhoA (GTPase),Extracellular,Cytoplasmic,COOH-,-NH2,i1,i2,i3,e1,e2,e3,TM1,TM2,TM3,TM4,TM5,TM6,TM7,D,R,Y,G蛋白偶联受体：400-600个氨基酸残基组成的多肽,-S-S-,与配体结合,G蛋白作用部位,G蛋白参与的 跨膜信号转换 胞外信号被细胞表面 受体识别后，通

15、过膜 上的G蛋白转换到膜 内侧的效应酶上, 再 通过效应酶产生多种 第二信使, 从而把胞 外信号转换到胞内。,植物G蛋白及其偶联受体,用免疫转移电泳等手段，先后在拟南芥、水稻、蚕豆、燕麦等的叶片、根、培养细胞和黄花幼苗中检测到植物G蛋白。 G蛋白参与的植物代谢过程: 光、植物激素以及病原菌等信号的跨膜转导; 质膜钾离子通道、植物细胞分裂、气孔运动和花粉管生长等生理过程的调控。,(二). 胞内信使系统,胞外信号经过跨膜转换进入细胞后, 产生第二信使并通过相应 的胞内信使系统将信号级联放大, 引起细胞最终的生理反应。,目前植物中普遍接受的胞内信使系统主要是钙信使系统和肌醇磷脂信使系统。 环核苷酸信

16、使系统在植物中存在的普遍性尚有争议。有人认为该系统参与了植物气孔运动、光诱导叶绿体花色素合成等信号转导过程。,常见的第二 信使结构,1.钙信使系统:,植物细胞中最重要的、也是研究最多的胞内信使系统。 20世纪60年代末期，钙信使系统中的重要环节因子Ca2+的多功能受体蛋白-钙调素（CaM）的发现，对于细胞内钙信使系统的建立具有实质性贡献。 80年代以来，植物细胞中钙信使系统的存在及其信号转导功能被大量实验所证实。,如何衡量钙不是起营养元素的作用, 而是起第二信使的作用?,（1）衡量钙信使的标准：细胞质Ca2+水平必须能对来自环境或邻近细胞的刺激有所反应, 且Ca2+水平变化要早于该生理反应;

17、a. 缺乏外界刺激时, 通过诱导细胞质Ca2+浓度的变化, 能引起该生理反应; b. 细胞必须具有感受细胞质Ca2+浓度变化, 并将这种变化转化为某种生理反应的机制; c. 阻拦第二信使干支系统的运行, 必定会阻拦对外界刺激的生理反应。,（2）细胞游离Ca2+的分布与转移,随着Ca2+荧光指示剂的应用和激光共聚焦显微技术的发展，可以比较准确的测定细胞内游离Ca2+浓度及其变化。 正常情况下植物细胞中游离的静息态Ca2+水平为: 细胞质: 10-7-10-6 mol.L-1, 液胞: 10-3 mol L-1 , - 胞内Ca2+库 内质网: 10-6 mol L-1 细胞壁: 10-5-10-

18、3 mol L-1 - 胞外Ca2+库,Ca2+信号的产生和终止表现为细胞质中游离Ca2+浓度的升高和降低,当受到外界刺激时, Ca2+通过细胞内外Ca2+库膜上的Ca2+通道由钙库进入细胞, 引起细胞质中Ca2+浓度大幅度增加，从而产生钙信号, 并作用于下游的调控元件(钙调节蛋白)将信号进一步向下传递, 引起相应的生理生化反应。 Ca2+的转运：细胞质和细胞器中的Ca2+浓度是由多种钙泵或钙转运体所控制。,钙离子转运体(calcium transporters)：,钙通道(calcium channel) 钙离子转运载体(calcium carrier) 钙泵(calcium pump) 很

19、多逆境条件下, IP3也能启动钙库释放Ca2+, 引起胞内Ca2+浓度迅速升高。 细胞膜上的钙通道按电压依赖性可分为3种类型： 去极化Ca2+ 通道：低温逆境下可以启动打开, 引起胞内Ca2+ 浓度上升, 从而产生与低温相关的特异“钙信号”; 超极化 Ca2+ 通道：在干旱逆境诱导气孔关闭过程中起作用。 非电压依赖性通道,钙离子反转运体 若胞内Ca2+ 浓度过高，会同磷酸反应形成沉淀而扰乱以磷酸为基础的能量代谢。,逆境条件下，植物细胞通过Ca2+ 内流产生钙信号,当Ca2+作为第二信使完成信号传递后，Ca2+ 再通过钙库膜上的反转运系统把细胞质内的Ca2+ 重新运到Ca2+库, 终结相应的逆境

20、信号。 Ca2+专一的通道 H+/Ca2+ 酶(钙离子转运载体) Ca2+-ATP酶(钙泵) 在植物细胞膜上广泛分布各种Ca2+转运体, 而且其调控机制不同，从而使植物对各种逆境信号的转导变得非常灵活。,高等植物细胞钙离子转运的多条途径,钙信号,在很多非生物胁迫下, 植物通过细胞质中的Ca2+浓度特异性的变化作出响应。 这种特异性变化是它作为次级信使来区分不同原始信号的一种反应, 并通过与钙结合蛋白相互作用而将信号继续向下游传递, 进而引起细胞内一系列的生物化学反应以适应环境变化。,钙信号,不同的逆境胁迫引发的钙信号, 在变化幅度、时间及空间分布上有所不同, 即产生了不同特征的 “钙信号”。

21、低温会导致拟南芥细胞质内的钙离子浓度增加幅度较大,而时间只有几秒到几十秒(Knight et al., 1996)。 盐胁迫所引起小麦细胞内的钙离子浓度增加幅度较小, 但持续时间较长, 达几分钟到十几分钟(Bush, 1996); 番茄低氧下的“钙信号”会持续几个小时(Price et al., 1994)。,植物钙信号受体蛋白之一是CaBP, 具有很高的亲和力和专一性。 许多种Ca2+结合蛋白在植物中已经找到，它们具有类似于动物中的Ca2+-结合修饰图案,一个主要的Ca2+结合修饰图案就是EF hand结构域。 由氨基酸组成的钙结合基本序列，含E、F两段螺旋，并形成螺旋-环-螺旋结构，用于结

22、合Ca2+。,(3) 钙结合蛋白 (CaBP),EF hand motif （EF手型结构）,12个氨基酸残基组成, 其中在1、3、5、7、9和12位上的氨基酸非常保守,它们组成了该结构的基本框架。 为保持结构的稳定性, 第6位上谷氨酸不能被其它氨基酸所取代。 与Ca2+结合,引起蛋白构象改变, 从而激活该蛋白功能,并与下游蛋白相互作用共同组成多条信号系统,参与生长发育调节及应对外界逆境信号转导。,钙调素 Calmodulins (CaM) 类钙调蛋白 SCaBP (SOS3-like Ca-biniding proteins) / Calcineurin B(钙调磷酸酶B)-like (CB

23、L) proteins 钙依赖蛋白激酶 Ca-dependent protein kinase (CDPK).,植物中主要的钙结合蛋白,a.钙调素(CaM)：分布最广、了解最多,保守性很强的高热稳定小分子可溶性球蛋白； 19种aa组成，共148个aa分子，单链，酸性，pI3.9-4.3； 相对分子量约16700. 每个CaM中都含有4个长度为12个氨基酸残基的EF手型结构, 它们可以各与一个Ca2+结合, 引起CaM构像发生变化，从而激活CaM行使信号转导功能。,根、茎、叶等器官中都有CaM的存在；不仅细胞质中, 在多种植物的细胞壁中也发现了CaM的存在； 植物中发现CaM多个亚型, 不同Ca

24、M亚型可以结合不同的靶酶(CaMBP), 也可竞争结合相同的靶酶；不同的CaM亚型对Ca2+结合能力不同, 在调解靶酶及由此参与的钙信号转导途径也存在差异。 植物中多个CaM亚型的存在进一步增强了钙信号介导的信号网络的多样性和复杂性。,钙调素(CaM)在植物中的分布,CaM通过与CaM结合蛋白结合参与多个细胞反应。一些CaM基因表达受环境因素调控，它们可能参与外部信号的跨膜转换。 热激能引起玉米细胞质内钙调素含量的升高；Ca2+/CaM 信号系统及其目标蛋白还参与了许多热激基因的转录调节。 低温、触摸伤害、水分胁迫及盐胁迫等也能引起细胞内CaM含量的升高。 说明多种非生物胁迫都与Ca2+/Ca

25、M 信号系统有关。,钙调素 (CaM) 在植物信号转导中的作用,b. 钙调素类似蛋白(CaM-like proteins) 植物中一些含有1-6个EF手型结构，与钙调素同源性不高,拟南芥中主要是CaBP22、AtCP1、TCH2、TCH3和TCH4等(Braam et al.,1997; Jang et al., 1998)，在对外界的环境刺激中同样起重要作用; 热激能诱导拟南芥中编码钙调素类似蛋白基因TCH2、TCH3、TCH4 的表达, 而Ca2+的螯合剂EGTA却能抑制其表达, 说明该类蛋白参与了拟南芥对热激逆境的调节; 水稻中一些受ABA 诱导的基因所编码的钙结合磷酸酶类EFA27、A

26、BI1、ABI2 等也属于钙调素类似蛋白(White & Broadley, 2003)。,类钙调蛋白 SCaBP： 拟南芥SOS3(salt overly sensitive 3)基因编码的SOS3蛋白能够与其靶蛋白SOS2互作，参与植物耐盐胁迫信号转导。,钙调磷酸酶B类似蛋白（CBLP）:一类能够结合钙离子小蛋白家族, 缺乏其它功能区域, 只能通过与下游蛋白CIPK(与CBLP作用的蛋白激酶)相互作用才能将信号向下游传递。 拟南芥和水稻中有超过25种CIPK编码基因。一种CBLP可能与多种CIPK或者几种CBLP与一个CIPK相互作用, 从而组成多信号传递的支路。 水稻中克隆出一个与CIP

27、K家族非常类似的基因, 它编码的蛋白可以与AtCBL3蛋白相互作用, 并在低温等逆境下被强烈诱导。,c. Ca-dependent protein kinase (CDPK),植物和一些原生生物所特有的一类丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶, 在胞内钙信号的放大并向下级联传递过程中起着重要的作用。 参与植物环境胁迫反应、病原体的防御反应、生长发育过程、离子通道调节、激素信号等诸多信号传递过程。,CDPK-结构示意图,激酶活性区域,自身抑制 区域,类似于CaM的 调节结构区,C,N,类似于CaM的结构区含有4个与Ca2+结合的EF手型结构, 从而使CDPKs可以不依赖CaM和磷脂而依赖Ca2+被激活。 当

28、Ca2+与CDPK结合时，其自身抑制区域对激酶活性的抑制被解除，CDPK被活化。,由508个氨基酸组成，在结构上包括了N端激酶催化区、中间高度保守的自身抑制区域（由31个氨基酸组成)，以及含有结构和功能类似CaM的C端调控区。,按C端调控区结构上差异, CDPKs超家族分为6种类型:, CDPKs:一类钙依赖蛋白激酶, 也称钙调素类似结构区域的蛋白激酶; CRKs:一类与CDPKs相关的激酶, CRKs的C端区与CDPKs的调控区有相似氨基酸序列,但不与Ca2+结合; PPCKs:一类磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)激酶, 只含1个催化区; PRKs:与PPCKs相关的激酶, 其C端区与家族其

29、他成员无相似性; CCaMKs:受Ca2+和CaM同时调节的激酶, 与Ca2+及Ca2+和CaM复合体都能结合; CaMKs: CaM依赖的蛋白激酶, 与Ca2+和CaM复合体结合。,Ca2+/CDPK信号系统与植物的抗逆性,CDPK家族主要是通过一系列的磷酸化和去磷酸化作用来调节其底物的活性并完成钙信号的传递过程。植物细胞内CDPK的底物: 结瘤素：一类跨膜转运蛋白, 可能在代谢物跨越豆科根瘤共 生膜运输时起主要作用; 质膜质子泵H+-ATPase 与逆境胁迫有关的一些钾离子和氯离子内流通道 水孔蛋白 Ca2+-ATPase 逆境诱导型启动子HVA1等都可能是CDPK作用的底物。,d. 其它

30、无EF 手型结构钙离子结合蛋白,磷脂酶D(PLD) 钙膜联蛋白(annexin) 钙联结蛋白(calnexin) 钙网蛋白(calreticulin) 集钙蛋白(calsequestrin) Bip蛋白(一类热激蛋白) 它们主要通过一些特异结构域与Ca2+结合产生信号效果, 并在维持细胞质内Ca2+平衡、膜代谢、植物的生殖发育等过程中起着重要作用,而且发现磷脂酶D和一些钙膜联蛋白与植物的逆境信号转导有关。,第三节、植物细胞信号转导过程,一、刺激和感受 二、信号转导 (一). 信号的跨膜转换 细胞表面的三种受体类型 1. 离子通道连接受体 2. 酶连受体 3. G蛋白偶联受体 (二). 胞内信使

31、系统 1. 钙信使系统 (1) 衡量钙信使的标准 (2) 细胞游离Ca2+的分布与转移 (3) 钙结合蛋白: a.CaM,b.钙调磷酸酶B类似蛋白(CBL)， c.钙依赖蛋白激酶(CDPK)， d.其它无EF手型结构的钙结合蛋白, e. 钙信使作用的分子基础. 2. 肌醇磷脂信号系统,(4) 钙信使作用的分子基础 a. 钙信使作用的分子基础,钙调素(Calcium + Modulalion)定名本身有双重意义: 1. 因为这种小分子蛋白质活性由Ca2+浓度调节； 2. 它本身又可调节细胞质Ca2+水平。 作为钙信号的受体蛋白，CaM对Ca2+的亲和能力是它感受信息的基本特征，也只有与Ca2+结

32、合才有生理活性；然后，进一步与靶酶结合而将其激活。,nCa2+ + CaM,(Ca2+nCaM*) m*,E(靶酶) + mCa2+nCaM*,Ca2+nCaM*,Ca2+CaM复合体的 形成与靶酶的激活,当某种刺激到达细胞时,质膜上Ca2+通道打开,Ca2+浓度瞬间增加到一定阈值 (通常为10-6L-1以上),与CaM结合 形成复合体,与它所调节的靶酶结合,激活靶酶,细胞质Ca2+降低到与CaM结合阈值以下,细胞质中Ca2+又回到静息态水平,Ca2+与CaM分离,CaM与靶酶复合体 亦告解离,CaM与靶酶均回到非活性状态,CaM调节的酶包括主动运输Ca2+跨膜的Ca2+ATP酶，它可以把 C

33、a2+反馈地泵出细胞质或泵入某些细胞器钙库,b.不同刺激信号的特异性及钙信号对靶酶的调节,Ca2在众多的植物刺激-反应中作为第二信使。 几乎所有不同的胞外刺激信号，如光、触摸、重力、植物激素、病原菌等，都能引起胞内游离Ca2浓度短暂的、明显升高，或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。,Ca2+信号如何能对不同的胞外刺激起反应、最终导致对某种刺激的特定生理效应？,(i) 钙信号本身具有特异性，从而决定生理反应的特异性。 细胞对某种刺激产生独特的Ca2+时空特异性变化方式，称为钙指纹。 不同刺激可以反映在钙峰峰值的高低以及钙峰出现的早晚、钙振荡的振幅和频率以及钙振荡形状(正弦型、钉型或不对称型等)、

34、钙波的形状和形式、钙信号产生的细胞内局部空间定位等。,不同刺激信号的特异性及钙信号对靶酶的调节,(ii) 钙信号产生后通过下游的不同信号转导因子决定反应的特异性。如：通过下游相应的钙受体蛋白产生不同的生理效应。 (iii) CaM异型基因表达的差异很大，在不同细胞内种类和含量的不同可能导致同一个刺激在不同细胞内产生不同的生理效应；不同的CaM亚型可以结合不同的靶酶, 也可竞争结合相同的靶酶；不同亚型对钙离子结合能力不同，因此，在调解靶酶及由此参与的钙信号转导途径也存在差异。 (iv) CaM在不同细胞内不同区域的分布、含量不同也是不同形式的钙信号产生不同生理效应的另一种机制。,Ca2+浓度变化

35、的调节机制,调幅机制：通过调节Ca2+浓度来调节靶酶反应，仅用于调节短时间快速反应，胞内Ca2+浓度改变迅速、又不允许大量Ca2+长时间存在； 调敏机制：在胞内Ca2+浓度不变的情况下，调节CaM或靶酶对Ca2+水平的敏感程度（如减少结合Ca2+的需求数目）、CaM或E浓度的变化、或对CaM进行修饰改变对钙的亲和力。 大多数情况下这两种机制并非截然分开。,受钙信使调控的逆境信号传递网络,钙信号网络中亟待解决的问题,(1) 从植物对逆境信号的感受、钙信号的产生和转导, 到诱导逆境基因的表达, 其系统中还有许多元件的功能不甚了解; (2) 逆境下会有钙信号产生, 但钙信号产生的调控机制还不清楚;

36、(3) 在胞外也存在由钙信号介导的信号传递, 但是其信号传递的网络模型还处于起始阶段; (4) 外来逆境条件能引发不同的信号传递途径, 钙信号系统内部各分支途径之间、以及钙信号途径与其它信号途径之间存在复杂的交叉转导作用, 研究各种途径之间的交叉作用也将会是今后信号转导研究中的另一个热点。,2.肌醇磷脂信使系统,肌醇磷脂是细胞膜的基本组成成分，主要分布于质膜内侧，其总量约占膜磷脂总量的10%。它是肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目磷酸酯化形成的一类化合物。 已确定的肌醇磷脂种类有: 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 (PIP） 磷脂

37、酰肌醇 1,4,5 三磷酸 (PIP）,磷脂酰肌醇代谢循环过程,感受外界刺激(胞外信号),膜受体接受，以G蛋白为中介（信号跨膜转导） 激活质膜内侧的磷脂酶C(PLC)，水解质膜上PIP2,两种第二信使： 肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3) 二酯酰甘油(DAG),启动双信使系统： IP3/Ca2+ DAG/PKC,植物细胞肌醇磷脂信使系统作用模式,IP3Ca2+ 信使途径：,IP3激活液泡等钙库上的Ca2+通道，使Ca2+释放出来，胞内Ca2+浓度升高，通过Ca2+信使系统调节相应的生理反应。 IP3/Ca2+系统与干旱、ABA引起的气孔关闭信号转导有关。在ABA诱导鸭趾草气孔关闭过程中，保卫细

38、胞胞内Ca2+升高是通过IP3作用于胞内钙库释放Ca2+实现。,DAGPKC信使途径,在动物细胞肌醇磷脂信号系统中，产生的DAG可以通过DAGPKC信号转导途径，激活PKC，对某些底物蛋白或酶进行磷酸化，实现信号向下游传递。 在植物细胞中是否存在PKC迄今为止尚无直接的证据。有报告DAG可以促进保卫细胞质膜上的质子泵以及气孔开放，但DAGPKC途径是否在植物细胞中存在尚未证实。,蛋白激酶C (PKC): 活性依赖于Ca2+和磷脂，催化蛋白质的磷酸化,在正常情况下，细胞质膜上不存在自由的二酯酰甘油(DAG)，只有受到外界刺激时肌醇磷脂水解才产生。 在DAG和Ca2+存在时，磷脂与PKC分子相结合

39、，使PKC激活, 从而对某些底物蛋白或酶类进行磷酸化，引起细胞反应。 PKC的钝化: 当胞外刺激信号消失后，DAG首先从复合物上解离下来而使PKC钝化，钝化的PKC 可继续存在于质膜上或进入细胞质里备用。,植物细胞肌醇磷脂信使系统模式图,植物细胞肌醇磷脂信使系统模式图,植物细胞中钙信使与肌醇磷脂信号系统的共辖性质,1. Ca2+控制磷脂酶C(PLC)的底物专一性, 由此决定IP3和DAG信号分子的生成； 2. IP3信使的量反过来又影响Ca2+浓度的产生； 3. DAG信使的受体蛋白(PKC)也受到Ca2+的调节。 植物细胞中迄今仍未证实类似于动物细胞中PKC类酶的存在。,3.环核苷酸信号系统

40、,环核苷酸是在动物细胞内最早发现的第二信使，包括： 环腺苷酸（cAMP）：由ATP经腺苷酸环化酶作用产生； 环鸟甘酸（cGMP）：由GTP经鸟苷酸环化酶作用产生。,胞外刺激信号作用于动物细胞质膜上的受体,通过G蛋白介导，促进或抑制膜内侧的腺苷酸环化酶 调节胞质内cAMP水平， cAMP作为第二信使 激活cAMP依赖的蛋白激酶A （PKA） 催化亚基相互分离， 引起相应的酶或蛋白质磷酸化， 产生相应的细胞反应。,催化亚基直接进入细胞核, 使cAMP应答元件结合蛋白(CREB)磷酸化，激活核基因序列中的转录调节因子cAMP应答元件(CRE)，使相关基因表达。,环腺苷酸（cAMP）信号系统传递模型,

41、植物中的环核苷酸信号系统,自70年代开始研究植物细胞内的cAMP，但至今仍未证明它在植物细胞中的普遍存在以及它是否具有胞内第二信使的作用。 一些植物中已检测到cAMP或其合成和降解系统相关成分（腺苷酸环化酶、磷酸二酯酶）的存在。 拟南芥核基因组中含有转录调节因子cAMP应答元件（CRE）序列以及编码cAMP应答元件结合蛋白（CREB）的序列，并且CRE的启动子受cAMP结合蛋白的调控。 乙烯受体ETR1基因序列中也包含一段可能受cAMP调控的DNA序列。,植物中的环核苷酸信号系统,植物中cAMP可能参与了叶片气孔关闭的信号转导过程，并且在ABA和Ca2+抑制气孔开放及质膜内向型K+通道活化的过

42、程有cAMP参与； 花粉管的伸长生长也受cAMP的调控； 腺苷酸环化酶可能参与了花粉与柱头间不亲和性的表现； 根际微生物作用于根毛细胞后可导致cAMP浓度的升高等。,（三）蛋白质的磷酸化和去磷酸化,细胞信号传递过程中的共同环节，也是中心环节。 胞内第二信使产生后，其下游的靶分子是细胞内的蛋白激酶和蛋白磷酸酶。 激活的蛋白激酶/蛋白磷酸酶催化相应蛋白的磷酸化或去磷酸化，从而调控细胞内酶、离子通道、转录因子等的活性。,蛋白质的磷酸化和去磷酸化,Ca2+可以通过与钙调素结合，促使Ca2+CaM依赖的蛋白激酶进行蛋白质磷酸化；也可以直接作用于CDPK使蛋白质磷酸化等，或促进分裂原活化蛋白激酶(mito

43、gen active protein kinase, MAPK)信号转导级联反应途径。 cAMP可以通过蛋白激酶(PKA)作用使下游的蛋白质磷酸化。,1. 植物中的蛋白激酶,(1) 钙依赖型蛋白激酶: 植物中已知的蛋白激酶至少有30多种，其中最为重要的一类蛋白激酶是钙依赖型蛋白激酶 (CDPK)，首先从大豆培养细胞中分离鉴定出，属于SerThr型蛋白激酶，是植物中一个独特的蛋白激酶家族。 从拟南芥中克隆的CDPK基因有40种左右，也是目前植物细胞内信号转导途径中研究较为清楚的一种蛋白激酶。,CDPK-结构示意图,激酶活性区域,自身抑制 区域,类似于CaM的 调节结构区,C,N,CDPK活性不需

44、要CaM参与而直接受Ca2+激活。当Ca2+信号产生后，Ca2+直接与类似钙调素结构域结合，解除CDPK的自身抑制，使CDPK被激活。激活的CDPK可以磷酸化其靶酶或靶分子，产生相应的生理反应。,由508个氨基酸组成，氨基端有一激酶活性区域，羧基端有一类似于CaM的调节结构区域(其中有4个Ca2+结合位点)，两者之间存在一个自身抑制区域(由31个氨基酸组成).,(2)依赖Ca2+/CaM的蛋白激酶和有丝分裂原蛋白激酶（MAPKs）,植物中也发现了依赖Ca2+/CaM的蛋白激酶和有丝分裂原蛋白激酶（MAPKs）的存在； 在植物细胞中，MAPK参与了许多信号转导途径，包括激素、寒冷、干旱、盐等胁迫

45、反应，病原体侵染，机械刺激损伤反应及细胞周期调控等。,(3) 类受体蛋白激酶,最早发现于动物中，位于细胞膜上，能够感受外界刺激，并参与胞内信号转导过程。由3个结构域组成： 胞外配体结合区(extracellular ligand-binding domain)：功能是识别配体感受外界信号； 跨膜区(transmembrane domain)：将被胞外配体识别的信号传递给胞质激酶区； 胞质激酶区(cytosolic kinase domain)：能够通过磷酸化作用将信号传递给下一级信号传递体。,植物中已分离出一系列类受体蛋白激酶及其基因,从拟南芥植株分离到一种类似受体蛋白激酶RPK1，属丝氨酸/

46、 苏氨酸蛋白激酶类型，低温及脱落酸处理能快速诱导该基因的表达； 核糖体蛋白激酶-拟南芥中分离到一类蛋白激酶ATPK6和ATPK19，其功能与植物感受环境胁迫有关，二者均能被低温、高盐和干旱诱导表达； 与光敏色素密切相关的Ca2+依赖型蛋白激酶； 受Ca2+和CaM调节的蛋白激酶； 水分胁迫下被激活的依赖Mg2+的苏氨酸/丝氨酸蛋白激酶。,2. 植物中的蛋白磷酸(酯)酶 与蛋白激酶的作用相反，主要功能是使磷酸化的蛋白质去磷酸化。,例如：糖原磷酸化酶在蛋白激酶作用下磷酸化被“激活”，在蛋白磷酸酶作用下脱磷酸化而“失活”。 蛋白磷酸酯酶：逆转磷酸化作用，是终止信号或一种逆向调节，与蛋白激酶在理论上有

47、同等重要意义。 这种相互对立的反应系统，使得胞内的酶、离子通道等在接收上游传递来的信号时通过蛋白激酶适时激活，一旦完成信号传递及时失活，不会造成生物体内出现持续激活或失活的现象。,植物中的蛋白磷酸（酯）酶,相对于蛋白激酶，蛋白磷酸酶的研究较晚。蛋白磷酸酶几乎存在于所有信号转导途径。 真核生物有近2000个蛋白激酶基因和1000个蛋白磷酸酶基因，约占基因组的3%。 植物细胞中约有30%的蛋白质是磷酸化的。拟南芥中估算约有1000个基因编码激酶，300个基因编码蛋白磷酸酶，约占其基因组的5%。,植物细胞中鉴定出的蛋白磷酸酯酶,单子叶植物玉米和双子叶植物矮牵牛、拟南芥、油菜、苜蓿、豌豆中已克隆到蛋白

48、磷酸酶基因; 在多种植物中发现其活性，并可能参与了ABA、病原、胁迫及发育信号转导途径。 Type1蛋白磷酸酯酶: 豌豆、胡萝卜、甘蓝; Type2A和Type2C蛋白磷酸酯酶: 豌豆、胡萝卜、小麦; Ca2+依赖型蛋白磷酸酯酶: 豌豆保卫细胞,（四）信号转导网络和信号的级联放大,植物细胞在感受某一刺激或同时感受多种刺激时, 不同信号系统之间存在着相互交流(cross-talk)，并由此形成植物细胞内的信号转导网络. 外界微弱的信号可以通过受体激活G蛋白、产生第二信使、激活相应的蛋白激酶,促使底物蛋白磷酸化等一些列反应得到级联放大。,三、细胞反应-细胞信号转导的最后一步,所有的外界刺激都能引起

49、相应的细胞反应：跨膜离子流动、细胞骨架变化、代谢途径调控、相应基因的表达等。整合所有细胞的生理反应最终表现为植物体的生理反应。 根据植物感受刺激到表现出相应生理反应的时间，可分为长期生理效应和短期生理效应。 气孔反应、含羞草感振反应等通常属于短期生理效应； 对调控植物生长发育的信号转导来说，绝大部分属于长期生理效应，如光对种子萌发调控、春花作用和光周期效应对植物开花的调控等。,细胞信号转导机制的复杂多样性,胞外刺激信号的复杂性、以及受胞外信号调节的胞内生理生化活动的复杂性，使得细胞信号转导的机制必然是复杂、多样的。 多种信号分子相互联系、立体交叉、协同作用，形成一个信号网络，实现生物体中的信号转导过程。 植物生存的环境因子非常复杂，在