| 标题 | 植物内质网分子伴侣BiP研究进展 |
| 范文 | 张广旭 王康君 孙中伟 郭明明 李强 陈凤 樊继伟 摘 要：植物内质网分子伴侣BiP是一类重要的功能蛋白，在内质网中发挥着重要功能，不仅参与内质网腔中的蛋白合成，而且也与内质网未折叠蛋白反应UPR相关，并在此反应中扮演重要角色。近年来，植物内质网伴侣分子BiP研究取得较大进展。该文对BIP的结构与功能、BiP的表达模式和调控机制以及BiP的表达水平与蛋白合成和UPR反应的关系等进行了综述，以期对植物BiP的深入研究提供参考。 关键词：植物BiP;结构与功能;表达模式;蛋白合成与UPR反应 中图分类号 Q513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）19-0022-04 Research Progress Endoplasmic Reticulum Molecular Chaperone BiP of Plant ZHANG Guangxu et al. （Institute of Lianyungang Agricultural Science of Xuhuai Area， Lianyungang 222000，China; Lianyungang Institute of Agricultural Sciences， Lianyungang 222000， China） Abstract：Endoplasmic reticulum molecular chaperone BiP of Plant，is an important function of protein，plays an important function in the endoplasmic reticulum，which not only involved in the synthesis of protein in the endoplasmic reticulum cavities，and also associated with the endoplasmic reticulum UPR unfolded protein response and plays an important role in this response.This paper stresses the progress of endoplasmic reticulum chaperone BiP of plant ，structure and function of the BiP，and expression pattern and regulation mechanism of relationship between expression and protein synthesis and reaction of UPR to review，in order to provide reference for the in-depth study of BiP ofplant. Key words：BiP of Plant; Btructure and Function; Expression Pattern; Protein Synthesis and UPR 内质网具有很多重要的功能，如参与蛋白合成的折叠、组装、转运及分泌，糖基化，合成脂质等，其中最为重要的功能之一就是对蛋白初体的质量控制[1]。这些蛋白初体的质控主要由内质网腔内的伴侣蛋白如结合蛋白BiP及蛋白二硫键异构酶PDI等一些主要分子伴侣所完成。其中BiP在蛋白合成过程中参与了折叠、组装等过程，对蛋白合成发挥了重要作用。 1 BiP的结构与功能 BiP是结合蛋白Binding Protein的简称，它是内质网内主要的伴侣蛋白之一，属于HSP70家族成员。在BiP蛋白的N端含有1个ATPase结合域，在C端有1个蛋白结合域。ATPase结合域能够有序地循环进行磷酸化和去磷酸化，进一步使BiP蛋白能够与未折叠蛋白结合或释放[2，3]。BiP蛋白的C末端存在1个KDEL或HDEL滞留信号，使其能够被滞留在内质网腔内。 BiP与进入内质网的未折叠蛋白质相互结合，进而防止多肽链不正确地折叠或聚合。BiP蛋白结合与ER中蛋白的疏水部分结合，能够防止蛋白质的变性或降解，使其正确地折叠。在这结合过程中BiP同其他的分子蛋白的疏水部分伴侣或折叠酶相互协调作用，共同促进来自内质网膜上由多聚核糖体合成的未成熟的蛋白初体或多肽链进行折叠或组装。BiP蛋白N端的ATPase与磷酸氨基酸结合，促进多肽链的折叠加工，当多肽链加工完成后，ATPase水解去磷酸化后成为活化状态，此时BiP蛋白C端的蛋白结合域与多肽链的疏水部分结合，有蛋白质的BiP释放被结合的蛋白，BiP蛋白进行下一轮的过程。若释放的蛋白依旧处于未折叠状态，BiP将重新与这种蛋白结合起来，同时还可帮助2种不同蛋白共同装配。BiP伴侣蛋白不仅参与多肽链的折叠过程，同时也参与内质网关联降解ER-associated degradation（ERAD）的蛋白降解过程。當内质网腔内未折叠或错误折叠的蛋白积累水平较高时，BiP诱导ERAD反应，以便清除这些不正常积累的蛋白或多肽链[2]。BiP分子伴侣蛋白可防止新合成的蛋白质在转运过程中发生变性或断裂。有研究表明，利用重组DNA技术，把酵母中编码BiP蛋白的基因突变成温度敏感型后，每当提高细胞培养的温度时，BiP的功能就不会发生作用，蛋白质向ER的转移也会停止，进一步可推测由于BiP功能的丧失，导致了蛋白质在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的转移。 2 BiP基因的表达特点 目前BiP基因已经在水稻、玉米、拟南芥、大豆等植物中全部或部分获得，对其表达特点也有了初步了解。BiP的功能决定了BiP基因在植物的所有器官中都有表达，但由于不同器官的功能不同，因此BiP的表达种类、表达水平及表达时间可能也有所差异。据报道，水稻BiP家族中BiP1主要是在水稻种子成熟过程中表达[1];拟南芥有3个BiP基因，其中BiP2在所有组织中均有表达[4]。正常生长条件下BiP可以持续表达，但当植物处在高温或是用还原剂（DTT）或蛋白糖基化抑制剂（衣霉素）处理时，细胞内质网内未折叠蛋白或错误折叠的蛋白积累水平明显上升，为缓解内质网压力，一些BiP基因就会被诱导而特异表达[5-7]。BiP基因被诱导表达的这种过程称之为内质网压力反应或未折叠蛋白反应（UPR）。 Reginaldo A.等[8]通过克隆大豆BiP基因（gsBiP6 and gsBiP9），并获得了其上游启动子序列，将其与GUS报告基因进行结合，进一步导入烟草中获得含目的基因的植株，分析其组织特异性表达情况，同时通过启动子缺失实验证明在BiP基因的上游有2个顺式作用元件：CRD1（?358 to ?211，on gsBiP6）、CRD2（?211 to ?80）。CRD1激活BiP启动子在所有被分析组织中的最低量表达，而CRD2是组织特异性表达所必需的，它激活BiP在分生组织和韧皮部细胞的表达，同时CRD2含有生长素作用元件，猜测BiP在某些组织的表达与生长素相关。 3 植物BiP研究进展 BiP对内质网的功能发挥至关重要，尤其是在蛋白合成过程对多肽链或蛋白初体的折叠、组装以及在内质网压力应激反应过程中发挥重要作用，因此目前对BiP的研究已取得了重大进展，在水稻、拟南芥、小麦、大豆等作物中均有报道，多集中在BiP表达水平对蛋白合成尤其是对种子储藏蛋白的影响，以及在UPR反应或内质网压力反应（如在各种胁迫条件）中的表达模式及重要作用等。 3.1 BiP的表达水平对种子储藏蛋白的影响 在种子成熟过程中，储藏蛋白会特异大量合成，并由内质网沉积在蛋白体PB内，这一累积过程主要受内质网分子伴侣如BiP、PDI等介导。Yasuda等[9]以水稻为材料，探讨伴侣蛋白的作用及其与种子储藏蛋白积累水平变化之间的联系，通过把BiP基因、PDI基因与胚乳特异启动子Glutelin Promoter结合，获得转化株，在植株胚乳中过表达BiP和PDI，以观察分子伴侣BiP和PDI的过表达对种子储藏蛋白的影响。结果发现，PDI过表达植株的种子外形和种子蛋白含量与野生型WT相差无几，但BiP过表达植株的种子则呈现不透明的表型，具体表型为粉质和皱缩特征，且种子内储藏蛋白和淀粉含量水平都低于野生型。Wakasa等[2]在研究水稻胚乳中BiP1表达水平变化引起其他内质网质量控制基因表达时构建了一系列转基因株系，发现在这些转基因植株中BiP1是以不同浓度在胚乳中特异积累。对BiP1基因显著过量表达或强烈抑制，可改变种子的表型和胚乳细胞的胞内结构，同时使胞内储藏蛋白浓度、淀粉积累和籽粒重量降低。进一步分析发现，转基因植株中的其他许多分子伴侣和分子共伴侣基因的表达也发生了诱导，且BiP1 KD株系中的表达水平要高于BiP1 OEmax水平。通过水稻原生质体瞬时表达系统研究表明，拟南芥中的转录因子AtbZIP60的水稻同源蛋白Os06g0622700参与激活了一些分子伴侣基因的表达，使得BiP1表达略微增加，同时伴随着钙连蛋白和类蛋白质二硫键异构酶蛋白水平的增加，进一步导致了种子储藏蛋白的增加，但是不改變胞内结构和种子的表型。这些研究结果表明BiP的积累水平不同，对种子储藏蛋白的积累水平及各种蛋白组分都会产生不同程度的影响，同时也表明BiP的表达可能受某些转录因子的调节，并与其他伴侣蛋白或元件共同应对分泌蛋白的转运与组装。 3.2 BiP与内质网压力或UPR反应 BiP蛋白可以作为未折叠蛋白反应UPR的反应器。由内质网压力导致的蛋白聚集与某些蛋白构象疾病相关，如老年痴呆症和帕金森综合症等[10，11]。在动物细胞中，ER压力反应至少由3种明显的细胞内信号转导途径构成：在不正常的蛋白重折叠和降解过程中，有2种bZIP类型的转录因子（ATF6和XBP1）参与其中[12];翻译抑制，是由内质网相关激酶PKR或真核生物翻译抑制因子2亚基eIF2a所调节[13，14];细胞凋亡，是由内质网相关激酶PKR和另外2个转录因子（ATF4和C/EBP同源蛋白）所调节[15，16]。内质网压力反应或未折叠蛋白反应UPR在植物中的研究主要集中在拟南芥。现有的研究结论表明植物中的内质网压力反应的分子机制与人类和酵母的反应机制可能存在差异。拟南芥和水稻中有类似于酵母中的ATF6和IRE结构的基因，但XBP1和PEPK相关的同源基因还没有在植物中得到证实。拟南芥中有些BiP基因表达直接由1个被称为AtbZIP60的转录因子调节，AtbZIP60有1个跨膜结合域（TMD），在功能与结构上等同于水稻内质网压力反应中的ATF6基因。当内质网没有受到压力应激反应时，ATF6和 AtbZIP60通过C端的跨膜结合域与BiP互作而定位于内质网腔内，但当内质网内感受到压力应激反应时，C端的跨膜结合域就会被粘附在高尔基体的表面，细胞质内含有亮氨酸锌指结构的N端激活域转移进细胞核内，再通过与内质网压力反应元件（ERSE）结合而参与一些内质网压力反应相关基因的表达，包括BiP[17-19]。造成细胞内质网压力反应的因素有很多，如高温、强光及各种胁迫（包括生物及非生物胁迫）等，这些因素都可以引起细胞内质网压力，使BiP的表达发生变化，以应对这一反应。William等在研究温度对BiP的mRNA和蛋白积累水平的影响时发现，当把小麦置于37～40℃高温时，BiP蛋白和mRNA的积累水平在种子不同生长时期变化很大。种子发育的早期阶段，BiP的mRNA积累在高温下呈现升高的趋势，但在后期却呈现下降趋势;而BiP蛋白在种子发育早期积累较少，而在后期却有所增加[20]。据报道，光的变化也能引起某些BiP在特异组织中的表达水平发生变化，从而调节分泌蛋白的积累水平[21]。 在由各种胁迫引起的UPR反应的研究中，非生物胁迫造成的影响研究相对较多，特别是干旱胁迫，盐胁迫等。Maria等[22]构建了BiP过表达转基因大豆植株，在BiP过表达情况下给予植株干旱处理，然后对比转基因植株与野生型植株的性状差异，发现BiP过表达的植株对干旱的忍耐力比野生型更强，且对干旱反应表现不敏感;与野生型相比，在同样的干旱条件下，转化株的叶片含水量更高，枯萎程度也更小，气孔关闭数目也较少。此外，转化株中与干旱相关的一些生物因素，如脯氨酸和葡萄糖的含量及其他在干旱条件下被诱导表达的基因等与不处理的植株相比没有明显变化，这表明由于BiP的过表达可能关闭了某些干旱诱导基因的表达，使得转化株对干旱的忍耐力增强，延迟了其对干旱反应的敏感性;相反，BiP缺失表达或表达被抑制的植株对干旱反应的敏感性增加，对干旱的忍耐力也显著下降。Julio cezar等[23]在研究菠菜BiP的胁迫反应时发现，在应对由干旱和DTT或衣霉素引起的胁迫时，BiP蛋白的磷酸化反应也不相同，这可能与2种胁迫导致BiP表达的趋势不同所致。 4 展望 盡管目前对植物BiP的研究已取得了重大进展，对水稻、玉米、拟南芥、大豆等植物均有涉及，且多集中在BiP的表达模式、BiP的表达水平与种子储藏蛋白的关系，以及BiP与各种胁迫导致的UPR反应的关系等，但对小麦BiP的研究报道相对较少。小麦是我国重要的粮食作物，开展小麦BiP研究对保障我国粮食安全具有重要意义。如何利用BiP在种子储藏蛋白合成过程中的重要作用来改善小麦蛋白含量及品质，如何利用BiP在胁迫反应中的表现来增强小麦的抗胁迫反应的能力，这些问题将是今后研究的热点。 参考文献 [1]Galili G ，Sengupta-Gopalan C ，Ceriotti A .The endoplasmic reticulum of plant cells and its role in protein maturation and biogenesis of oil bodies[J].Plant Molecular Biology，1998，38（1-2）：1-29. [2]Wakasa Y，Yasuda H，Oono Y，et al.Expression of ER quality control-related genes in response to changes in BiP1 levels in developing rice endosperm[J].Plant Journal for Cell & Molecular Biology，2015，65（5）：675-689. [3]Adrienne W.Paton，Travis Beddoe，Cheleste M.Thorpe，et al.AB5 subtilase cytotoxin inactivates the endoplasmic reticulum chaperone BiP[J].Nature，2006.443（7111）：548-552. [4]Noh S ，Kwon C ，Oh D ，et al.Expression of an evolutionarily distinct novel BiP gene during the unfolded protein response in Arabidopsis thaliana[J].Gene，2003，311（1）：81-91. [5]Iwata Yuji，Koizumi Nozomu.An Arabidopsis transcription factor，AtbZIP60，regulates the endoplasmic reticulum stress response in a manner unique to plants[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2005，102（14）：5280-5285. [6]Iwata Y，Fedoroff N V，Koizumi N .Arabidopsis bZIP60 Is a Proteolysis-Activated Transcription Factor Involved in the Endoplasmic Reticulum Stress Response[J].The Plant Cell Online，2008，20（11）：3107-3121. [7]Yuji Iwata，Mari Yoneda，Yuki Yanagawa，et al.Characteristics of the Nuclear Form of the Arabidopsis Transcription Factor AtbZIP60 during the Endoplasmic Reticulum Stress Response[J].Journal of the Agricultural Chemical Society of Japan，2009，73（4）：865-869. [8]Buzeli R A A，Cascardo J C M，Rodrigues L A Z，et al.Tissue-specific regulation of BiP genes：a cis-acting regulatory domain is required for BiP promoter activity in plant meristems[J].Plant Molecular Biology，2002，50（4-5）：757-771. [9]Yasuda H，Hirose S，Kawakatsu T，et al.Overexpression of BiP has Inhibitory Effects on the Accumulation of Seed Storage Proteins in Endosperm Cells of Rice[J].Plant & Cell Physiology，2009，50（8）：1532-1543. [10]Matus S，Lisbona，Fernanda，Torres，Mauricio，et al.The Stress Rheostat：An Interplay Between the Unfolded Protein Response（UPR）and Autophagy in Neurodegeneration[J].Current Molecular Medicine，2008，8（3）：157-172. [11]Oshitari T.;Natsuyo，Hata，Shuichi，Yamamoto，et al.Endoplasmic reticulum stress and diabetic retinopathy[J].Vascular Health & Risk Management，2008，4（1）：115-122. [12]Yoshida H，Toshie Matsui，Akira Yamamoto，et al.XBP1 mRNA Is Induced by ATF6 and Spliced by IRE1 in Response to ER Stress to Produce a Highly Active Transcription Factor[J].Cell，2001，107（7）：881-891. [13]Bertolotti A，Zhang Y，Hendershot L M，et al.Dynamic interaction of BiP and ER stress transducers in the unfolded-protein response[J].Nature Cell Biology，2000，2（6）：326-332. [14]Harding H P，Zhang Y，Ron D.Protein translation and folding are coupled by an endoplasmic-reticulum-resident kinase.[J].Nature，1999，397（6716）：271-274. [15]Oyadomari S ，Mori M .Roles of CHOP/GADD153 in endoplasmic reticulum stress[J].Cell Death & Differentiation：Official journal of the ADMC Associazione Differenziamento e Morte Cellulare，2004，11（l1）：381-389. [16]Yamaguchi Y，Larkin，D，Lara-Lemus，R，et al.Endoplasmic Reticulum（ER）Chaperone Regulation and Survival of Cells Compensating for Deficiency in the ER Stress Response Kinase，PERK[J].Journal of Biological Chemistry，2008，283（25）：17020-17029. [17]Bertolotti A，Zhang Y，Hendershot L M，et al.Dynamic interaction of BiP and ER stress transducers in the unfolded-protein response[J].Nature Cell Biology，2000，2（6）：326-332. [18]Wang W，Vinocur B ，Shoseyov O，et al.Role of plant heat-shock proteins and molecular chaperones in the abiotic stress response[J].Trends in Plant Science，2004，9（5）：244-252. [19]Malhotra J D，Kaufman R J.The endoplasmic reticulum and the unfolded protein response[J].Seminars in Cell & Developmental Biology，2007，18（6）：716-731. [20]Dupont F M，Hurkman W J，Tanaka C K，et al.BiP，HSP70，NDK and PDI in wheat endosperm.I.Accumulation of mRNA and protein during grain development[J].Physiologia Plantarum，2010，103（1）：70-79. [21]Lu D P，Christopher D A .Light enhances the unfolded protein response as measured by BiP2 gene expression and the secretory GFP-2SC marker in Arabidopsis[J].Physiologia Plantarum，2010，134（2）：360-368. [22]Valente M A S，Faria，J.A.Q.A，Soares-Ramos，et al.The ER luminal binding protein（BiP）mediates an increase in drought tolerance in soybean and delays drought-induced leaf senescence in soybean and tobacco[J].Journal of Experimental Botany，2009，60（2）：533-546. [23]Cascardo，J.C.M.The Phosphorylation State and Expression of Soybean BiP Isoforms Are Differentially Regulated following Abiotic Stresses[J].Journal of Biological Chemistry，2000，275（19）：14494-14500. （責编：徐世红） |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。