马力耕孙大业
(河北师范大学分子细胞生物学研究室石家庄050016)
无论动物还是植物细胞随时都可能受到细胞以外的各种环境因子如光、温度、激素、照力以及病原等的刺激，并要求细胞对这些刺激快速做出反应。按照细胞信号学说，环境f j号主要为位于细胞表面的受体所接受，然后通过跨膜信号转导将细胞外信号转变为胞内信使，通过胞内信号传递引起胞内生理生化反应和遗传性状的表达。现有的研究结果表明 G TP结合蛋E I(G TP--bi n d in g pr ot ein s，简称G蛋白)在动物细胞跨膜信号转导中发挥着非
常重要的作用，由它负责将质膜表面受体与质膜内侧的效应器(Effectors)偶联起
来(G il ma n，1987)。近年来的研究结果表明植物细胞中也存在与动物同源的G蛋白．国内
已有人对此做过专门的介绍(武维华，赵云云1995：冯亮，刘良式1996；黄海1999)。
本文将介绍G蛋自信号转导途径的各组分及其相关进展。
l G蛋自信号转导途径G蛋白参与的信号转导途径在生物体内是一种较保守的跨膜信号转导机制，该途径中
仃冲}主要成份，包括质膜上的受体(因与G蛋白偶联，故称之为G蛋白偶联的受体G P C R)、
图1 G蛋白信号转导途径模式图质膜内表面的异三聚体G蛋白以及质膜上或质膜内表面
的效应器(E仃e ct or s)(N ee Ll995)。
。者均定位于质膜上，首先由不同GP CR接受胞外各种配基(第一信使)，然后受体被活化，活
“)
化的受体激活异三聚体G蛋白，后者再进一步激活其下游的效应器，从而产生胞内第二信使
等，并将信号进一步传递下去。整个过程概括如图1所示。
2G蛋白
2．1G蛋白的种类G蛋白是目前发现的普遍存在于真核生物细胞中的一个G T P结合蛋白家族，通常根据
其亚基组成及分子量大小分为异三聚体G蛋(H et e ro tr i me r ic G pr ot e i ns)和小G蛋(S m a l l
G proteins)。
从分子结构上看，无论哪种异三聚体G蛋白均由n、13和Y三种亚基构成；a亚基分子量一般为35．45 KDa，少数分子量较大，可达66—74 KDa；13亚基分子量为35—36KDa；y亚基分子量为8-10 K Da。在天然状态下，B和Y亚基紧密结合在一起形成二聚体。其中GⅡ上是有以下功能位点：G TP结合位点；G TP as e活性位点；A DP一核糖基化位点；质膜受体识别与结合位点；胞内效应器结合位点。鉴于G n具有上述特点，一般认为它是功能亚基，而G B Y做为调节亚基抑制Ga活性。但现在越来越多的证据表明GB Y除可调节G a活性外，还可直接调节胞内效应器的活性，如已发现哺乳动物G B Y可活化视觉细胞中磷酯酶A2、心肌细胞中K+通道和人粒细胞中的磷酯酶C等(Clap hanl和Neer,1993；Pum iglia等，1995；H u“z等，1995；
Kr a p iv i ns k y等，1995)。
所有小G蛋白均由一条多肽链构成，根据在细胞中功能不同，分为以下几类：a、ta s家
族，该蛋白为目前研究最清楚的小G蛋白，它的功能与生长因子等胞外信号通过受体酪
氨酸蛋白激酶的转导有关：b、ra b／yp t，它们的功能是与膜泡结合，控制细胞分泌过程中膜
泡的单方向运输：C、哺乳动物r ho、t ac及酵母CD C42蛋白，它们在细胞极性发生和骨架
运动中发挥
功能：d、ARF(ADP dbosylation fact or s)，一般认为它的功能是以依赖于G TP的方式控制
分泌泡外套蛋白的组装。
2．2异三聚体G蛋白的活化机制
在细胞处于静息态时G a上结合G D P，并与G 0Y共同构成一个复合体。当位于膜
表面受体与配基结合后，受体被活化并催化G Q上的G D P解离，并在同～位置上结合
G T P导致G f／构象变化，使G a与G p Y解离，G n因而活化并调节胞内效应器如腺苷酸
环化酶、离子通道等活性，并由后者导致一系列下游事件。
同时由于G Q本身具有内在的G T P a s e活性，水解G T P为G D P，使G a变为非活化态，与G
B Y再次结合而完成一次信号转导过程。可以发现，由于G蛋白内在的G T P a s e活性将
G TP水解为G D P是终止信号的关键步骤，所以利用非水解的G T P类似物，如G T P Y
S(G ua no si ne
t hi o t ri p h o sp h a t e)以及降低G T P a s e活性的突变均可以使G a持续活化。同时由于百日
咳毒素(P e r t u ss i S to x in，P TX)可以解除细胞表面受体与G蛋白之间的偶联，所以它可
以阻
断胞外信号的进一步转导：而毒素(Cho le ra t o x in，C T X)可以阻断GⅡ的内在
G TP a s e活性，使G o始终处于活化状态。上述试剂的这些特性决定了人们可以把它们
做为G蛋白的正负调节剂用于G蛋白生物学功能的研究。
2．3异三聚体G蛋白基因
利用根据已知G蛋白保守氨基酸序列合成的寡聚核苷酸为探针，结合P C R技术。M a
等(1990)首先从拟南芥中分离到一个基因(GP Al)，该基因编码的蛋白与哺乳动物G ia亚基
的同源性为36％，并含有与G T P结合的保守区域。随后他们又从蓍茄中分离到T G Al基
因，该基因编码的蛋白与G P n I(G PA l的产物)同源性达84％(M a，1991)。以后又有人
从大豆(K im等，1995；G ot or等，1996)、莲(P o ul se n等，1994)、水稻(S eo等，1995)、番茄(Ge n Ba nk
9170450)、马铃薯(91771736)、烟草(91552359，91749827)、豌再_(92104771，92104773)、
羽扇豆(91480298)和菠菜(93393003)等细胞中发现了G P01的同源蛋白，它们与G PQ l的
同源性均在75％以上。上述结果表明G P Al基因以及它的同源蛋白基因可能是普遍存
在于显花植物中的一类保守基因。与动物细胞中己克隆到上百个G a基因相比，目前在
高等植物中发现的(瓶基因显然是太少了，并且仅有的这些植物G0l基因与动物G o【基因
g蛋的同源性也
仅育30％。40％，为此M a(1994)曾于1994年推测植物细胞中G蛋白可能是一类与
己知动物G蛋白不同的新家族。Gotor等(1996)利用已知的六种植物Ga与62种
动物Ga氨
基酸序列为基础所做的系统树证实了这种推测。此前已有人根据动物细胞中不同G磁此
间氨基酸序列或核苷酸序列同源性将动物G o【分为四大类，分别为G0cs、G砸、G0cq和
Gal2，并且每一类还含有两个或多个亚类(S u b c la s s)，如G a q中含有G0【q和G a z、
G0c i中含角G q o、G a i和G毗、G a l2中含G a l2和G a l3等(S i m o n等，199l；H e p l e r
和G i l m a n，1992)，而从上述系统树结果分析六种植物G a确实属于G a家族中的一个
新成员，G o t o r等(1996)将其命名为G D。值得指出的是目前已知的不同植物物种细胞
中的G a可能是一类基因(同源基因)，但在动物体系中，同一物种细胞中G蛋白基因
的数目也是较多的，如线虫(c
e&gans)基因组中含有20个G a基因，2个GD基因和2个嘶基因(Janse n等，1999)。
3G蛋白俩联受体
3．1G蛋白儡联受体的结构G P CR是受体家族中的一个很大的成员，以前通过生物化学及分子生物学手段，人们在
哺乳动物中已发现有大约1000种该类受体(W ess，1997)。而最近，由于基因组计划的实施，人
们发现脊椎动物细胞中G P C R的数目可能高达2000种，编码该类蛋白的基因占整个基因
组的l％以上(B ockaer t和P in，1999)；线虫(c P妇ans)细胞中编码大约1100种GP CR，其
基因高达整个基因组的5％(Ba r ga m an，1998)。所有这些G P C R均有一个显著的特点就是
具有七次跨膜结构，其中肽连的N．末端在胞外，c．末端在胞内。每一跨膜区域均由20．28
个疏水氨基
酸形成跨膜的o．螺旋结构．由胞外N．末端序列及两跨膜结构之间的胞外l o o p区构成受
体的胞外结构域决定受体与其配基的识别和结合；而胞内c．末端序列及两跨膜结构之间
的胞
内l o o p区决定与G蛋自的识别及激活G蛋白，整个O P C R结构可如图2所示。
图2G PC R结构示意图需要指出的是所有的G P C R除在结构上
具有保守的七跨膜结构外，不同种类的G P C R
在～级序列上保守性并不强(相对而言，跨膜序列保守性较强)，也许就是由于不同G P CR
在胞外识别序列处的差异决定了受体的特异性，从而使生物细胞可以精确感知不同信
号．如脊椎动物中近2000种GP CR中，接受嗅觉及外激素的GPCR就超过1000
种(Bo ckaea和
I)in．1999)。
3．2植物细胞中G蛋白儡联受体目前通过分子生物学手段，在植物细胞中已克隆到一种
GP C R。P l an k id ou．D y mo c k等
(1998)以一种E S T序列为探针，从拟南芥中克隆到一个基因G C R l，该基因编码是一个由326
氨基酸构成的多肽，该蛋白与典型的动物细胞中G P CR在氨基酸序列上有20％左右同源
性(相似氨基酸50％左右)；疏水性分析表明该蛋白具有典型的七跨膜结构(图3)，说明它
是一种
G PC R。这是到目前为止植物细胞中克隆到的第一个，也是唯一的一个G P C R(不包括基
因组计划所得序列推测出的GP CR)。但我们相信，随着植物基因组计划的实施，会在植物
细胞中发现越来越多的G P CR。
图3植物细胞G蛋白偶联受体GCRl的结构
4晨望 G蛋自在动物和简单真核生物细胞中的功能已积累了非常丰富的资料
(Hamn和
Gi lc hr is t，1996)，Ga，B，幢：间以及G蛋白与受体及效应器之间的作用位点已有了清楚的
认识(K i ss e l e v等，1994；Ma r t i n等，1996)，甚至已搞清了G蛋白本身以及G蛋白与受体
复合物的结构生物学(C on kl i n和Bou rne，1993；L amb righ t等，1996：S ond ek等，1996)。但植物
细胞G蛋白的研究才刚刚起步，正如M a(1994)所讲“植物G蛋白是一个古老家族中的新成
员”。鉴于G蛋白在动物细胞多种生理过程，特别是细胞信号转导中发挥着非常重要的作用，加
上已有植物G蛋白研究结果，使人们有理由相信，G蛋白也很可能在植物细胞信号转导中发挥
重要功能。以后的主要工作可能包括以下两个方面：1，新的G P C P、G蛋白及其效应器基因的
克隆；2，这些基因在植物细胞信号转导和分化发育中的作用。这些方面的重要突破是可以期
待的，但也应该注意到植物G蛋白也可能有自己的特点：如P T X和C T X在调节c a b基因表达
和K+通道方面具有相同的效应、植物细胞光信号受体是以可溶性
状态存在于细胞质上而不是以七跨膜的方式定位在质膜上以及植物细胞中可能存在G蛋白的新家族等。
参考文献(略)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议