1、 第三篇第三篇 植物的生长和发育植物的生长和发育 Growth and Development of Plant第七章 细胞信号转导Chapter 7Signal Transduction of Plant Cell主要内容信号与受体结合信号与受体结合跨膜信号转换跨膜信号转换细胞内信号转导形成网络细胞内信号转导形成网络生长发育生长发育是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程。而是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程。而基因的表达除了受遗传因素支配外，也受周围环境的调控。基因的表达除了受遗传因素支配外，也受周围环境的调控。植物通过精确、完善的信号转导系统来调节自身、适应环植物通过精确、完善的信号转
2、导系统来调节自身、适应环境。境。植物细胞信号转导（植物细胞信号转导（signal transduction）是指细胞偶联各种刺激信号（包括各种内是指细胞偶联各种刺激信号（包括各种内外源刺激信号）与其引起的特定生理效应外源刺激信号）与其引起的特定生理效应之间的一系列分子反应机制。之间的一系列分子反应机制。信号转导包括信号转导包括信号、受体、信号转导网络信号、受体、信号转导网络和反应和反应等环节。等环节。细胞信号转导的主要途径模式图细胞信号转导的主要途径模式图含羞草受刺激后的变化含羞草受刺激后的变化第一节 信号与受体结合信号（信号（signalsignal）：对植物来讲，环境变化就）：对植物来讲，
3、环境变化就是刺激，刺激就是信号。是刺激，刺激就是信号。根据性质：根据性质：物理信号物理信号 化学信号化学信号根据来源：根据来源：外界环境信号外界环境信号 体内其他细胞传来的信号体内其他细胞传来的信号影响植物生长发育的影响植物生长发育的外界环境信号外界环境信号影响植物细胞生长发影响植物细胞生长发育的多种育的多种内部信号内部信号二、受体二、受体细胞膜系统的完整性对于维持细胞内环境的稳定细胞膜系统的完整性对于维持细胞内环境的稳定和正常的新陈代谢是十分必要的。和正常的新陈代谢是十分必要的。绝大多数的信号分子都不能直接进入细胞，而是绝大多数的信号分子都不能直接进入细胞，而是通过与质膜上特异的受体结合将信
4、息传入胞内引通过与质膜上特异的受体结合将信息传入胞内引发相应的反应。发相应的反应。受体（受体（receptor）是存在于细胞表面或亚细胞组是存在于细胞表面或亚细胞组分中，可特异性识别并结合信号物质（也叫配体，分中，可特异性识别并结合信号物质（也叫配体，ligand）、在细胞内放大和传递信号的物质。）、在细胞内放大和传递信号的物质。受体（受体（Receptors）Intracellular receptorCell surface receptorV: vacuoleC: chloroplastN: nucleusI 细胞表面受体（细胞表面受体（cell surface receptor）1)G
5、蛋白连接受体（蛋白连接受体（G-protein-linked receptor）2)酶连受体（酶连受体（Enzyme-linked receptor）3) 离子通道连接受体（离子通道连接受体（Ion channel-linked receptor）受体的种类受体的种类G蛋白连接受体蛋白连接受体酶连受体酶连受体离子通道连接受体离子通道连接受体II 胞内受体（胞内受体（Intracellular receptor）位于胞内细胞器膜上，如线粒体、液泡和内质位于胞内细胞器膜上，如线粒体、液泡和内质网膜上。网膜上。例如：例如：IP3受体。定位于液泡膜和内质网膜上，受体。定位于液泡膜和内质网膜上，扮演着扮
6、演着Ca2通道的角色。通道的角色。IP3 受体受体受体配体结合的特点：受体配体结合的特点：1）受体配体结合具有较高的亲和力；）受体配体结合具有较高的亲和力；2）配体与受体的结合是可逆的；）配体与受体的结合是可逆的；3）受体与配体结合的特异性；）受体与配体结合的特异性；4）在一定的配体浓度下，配体与其受体的结）在一定的配体浓度下，配体与其受体的结合具有饱和性。合具有饱和性。第二节第二节 跨膜信号转换跨膜信号转换 信号与细胞表面的受体结合之后，通过受信号与细胞表面的受体结合之后，通过受体将信号传递进入细胞内，这个过程称为体将信号传递进入细胞内，这个过程称为跨膜信号转换（跨膜信号转换（transme
7、mbrane transduction）。异源三聚体异源三聚体G蛋白的跨膜信号转换蛋白的跨膜信号转换一、双元系统一、双元系统也叫二元组分系统（也叫二元组分系统（twocomponent system） 受体有两个组成部分：受体有两个组成部分：组氨酸激酶（组氨酸激酶（histidine kinase，HK）应答调控蛋白（应答调控蛋白（responseregulator protein，RR）双元系统的跨膜信号转换双元系统的跨膜信号转换二、受体激酶二、受体激酶也称为类受体蛋白激酶（也称为类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinases，RLK） 位于细胞表面的一类受体，具
8、有激酶的性质。位于细胞表面的一类受体，具有激酶的性质。类受体蛋白激酶由类受体蛋白激酶由3部分组成：部分组成：一个质外区：一个质外区：胞外结构区（胞外结构区（extracellular domain）一个跨膜区：一个跨膜区：跨膜螺旋区（跨膜螺旋区（membrane spanning helix domain）一个胞质区：一个胞质区：胞内蛋白激酶区（胞内蛋白激酶区（intracellular protein kinase catalytic domain），），该区含有该区含有蛋白激酶的活性位点。蛋白激酶的活性位点。配体与之结合后，会引起受体发生二聚体化，配体与之结合后，会引起受体发生二聚体化，将
9、胞质区拉近。将胞质区拉近。分子间或分子内磷酸化稳定了活化了的受体复分子间或分子内磷酸化稳定了活化了的受体复合体，这种磷酸化还可以在配体缺失的情况下合体，这种磷酸化还可以在配体缺失的情况下保持一些保持一些RLK的蛋白激酶活性。活化的复合体的蛋白激酶活性。活化的复合体可以磷酸化其他的下游蛋白。可以磷酸化其他的下游蛋白。第三节第三节 细胞内信号转导形成网络细胞内信号转导形成网络胞外刺激信号经过跨膜转换之后，进入胞内。胞外刺激信号经过跨膜转换之后，进入胞内。在细胞内信号的放大和传递是通过不同方式的。在细胞内信号的放大和传递是通过不同方式的。在植物生长发育的某一阶段，常常是多种刺激在植物生长发育的某一阶
10、段，常常是多种刺激同时作用。这样，复杂而多样的信号系统之间同时作用。这样，复杂而多样的信号系统之间存在着相互作用，在细胞内形成信号转导网络存在着相互作用，在细胞内形成信号转导网络（network）。）。一、第二信使一、第二信使胞外信号经过跨膜转换之后，通过第二信使胞外信号经过跨膜转换之后，通过第二信使（second messenger）进一步传递和放大，最）进一步传递和放大，最终引起细胞内的生化反应。终引起细胞内的生化反应。科学家们经过多年的研究，已发现了一系列的科学家们经过多年的研究，已发现了一系列的第二信使，如第二信使，如Ca2、三磷酸肌醇（、三磷酸肌醇（IP3）、二）、二酯酰甘油（酯酰甘
11、油（DAG）、）、cAMP、cGMP、某些氧、某些氧化还原剂如抗坏血酸、谷胱甘肽和过氧化氢等。化还原剂如抗坏血酸、谷胱甘肽和过氧化氢等。其中对其中对Ca2的研究最为深入。的研究最为深入。（一）（一） Ca2 /CaMCa2 1 Ca2的发现的发现 1）1883年，年，Ringer在做离体蛙心肌收缩实验在做离体蛙心肌收缩实验中发现，配制生理盐水时用自来水比用蒸馏水对中发现，配制生理盐水时用自来水比用蒸馏水对维持心肌收缩反应更有效。当时它认为是自来水维持心肌收缩反应更有效。当时它认为是自来水中存在微量的中存在微量的Ca2等二价阳离子，可以拮抗等二价阳离子，可以拮抗Na的伤害作用。的伤害作用。2）1
12、911年，年，Mines发现在用发现在用07NaCl浸泡蛙腓浸泡蛙腓肠肌时，电刺激坐骨神经引起的收缩反应逐渐减弱，肠肌时，电刺激坐骨神经引起的收缩反应逐渐减弱，而在浸泡溶液中加入而在浸泡溶液中加入Ca2+、Ba2+、Sr2+等二价离子等二价离子时都有恢复反应的能力，其中以时都有恢复反应的能力，其中以Ca2+最佳。最佳。 3）Guttman（1940）提出）提出Ca2+对生物膜起稳定作用对生物膜起稳定作用（membrane stabilization）的概念。认为）的概念。认为Ca2+的第一的第一个作用，特别是在较高浓度时，起到稳定膜结构的作个作用，特别是在较高浓度时，起到稳定膜结构的作用，而对
13、膜兴奋剂有抗拒作用；用，而对膜兴奋剂有抗拒作用；Ca2+的第二个作用则的第二个作用则是在较低浓度下，它进入细胞而起到刺激细胞反应的是在较低浓度下，它进入细胞而起到刺激细胞反应的作用。作用。 人们迷惑不解的是：一个如此广泛存在而又普人们迷惑不解的是：一个如此广泛存在而又普通的金属离子为什么会有那么多作用，它又是通的金属离子为什么会有那么多作用，它又是如何调节细胞功能的？如何调节细胞功能的？1967年，美籍华人张槐耀在动物细胞中发现了年，美籍华人张槐耀在动物细胞中发现了钙调素，人们才对钙调素，人们才对Ca2的作用机理有了深刻的的作用机理有了深刻的认识，提出了认识，提出了Ca2是是第二信使第二信使的
14、观点。的观点。自上世纪自上世纪80年代以来，年代以来， Ca2的第二信使功能也的第二信使功能也已在植物中得到确认。已在植物中得到确认。2 Ca2信号的产生信号的产生 1）胞质）胞质Ca2的浓度很低，只有的浓度很低，只有100200nM。 2）胞内钙库液泡和内质网中）胞内钙库液泡和内质网中Ca2的浓度约为的浓度约为1mM。 3）在细胞壁中，）在细胞壁中， Ca2的浓度约为的浓度约为0.5 1mM。 4） Ca2信号是顺电化学梯度跨膜形成的。信号是顺电化学梯度跨膜形成的。3 Ca2信号的终止信号的终止 1）质膜、液泡膜、内质网膜上有）质膜、液泡膜、内质网膜上有Ca2 ATPase； 2）液泡膜上有
15、）液泡膜上有Ca2/H+反向载体；反向载体； 3）线粒体内膜上有）线粒体内膜上有Ca2的单向载体；的单向载体； 4）线粒体内膜上有）线粒体内膜上有phosphate/ OH- 反向载体。反向载体。Ca2+ 信号终止信号终止CaMCaM(calmodulin)的发现不仅是的发现不仅是Ca2信使也是信使也是细胞信号学说研究发展过程中的一个重要的里细胞信号学说研究发展过程中的一个重要的里程碑。程碑。无论在植物还是动物细胞中，它都是主要的无论在植物还是动物细胞中，它都是主要的Ca2结合蛋白。结合蛋白。1 CaM的组成和特性的组成和特性 CaM是一种由是一种由19种氨基酸组成的耐热、耐酸种氨基酸组成的耐
16、热、耐酸的小分子球蛋白，分子量为的小分子球蛋白，分子量为1517kD。2 CaM的结构的结构 1）分子中有）分子中有4个个Ca2结结合区（环）；合区（环）； 2） Ca2结合区包括结合区包括12个氨基酸，其中富含个氨基酸，其中富含Asp和和Glu； 3）环两侧有两个螺旋结）环两侧有两个螺旋结构。构。（二）（二） IP3 / DAG在质膜的内侧，分布着在质膜的内侧，分布着PIP2,它可以被它可以被PLC降解，降解，生成两种产物：生成两种产物： IP3和和DAG。PIP2：phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,磷磷脂酰肌醇脂酰肌醇4，5二磷酸二磷酸PLC：ph
17、ospholipase C，磷脂酶，磷脂酶CIP3：inositol 1,4,5-triphosphate，三磷酸肌醇，三磷酸肌醇DAG：diacylglycerol，二酯酰甘油，二酯酰甘油IP3是可溶解的第二信使，扩散入胞质中，而是可溶解的第二信使，扩散入胞质中，而DAG则仍与质膜结合。则仍与质膜结合。IP3可以动员胞内钙库液泡和可以动员胞内钙库液泡和ER中的中的Ca2。那么，那么，DAG有什么作用呢？有什么作用呢？DAG可以激活可以激活PKC（protein kinase C）。）。PKC参与许多信号转导的过程。参与许多信号转导的过程。DAG 激活激活PKC.双信使系统（双信使系统（dou
18、ble messenger system）：）：胞外刺激使胞外刺激使PIP2转化成转化成IP3和和DAG，引发，引发IP3/Ca2和和DAG/PKC两条信号转导途径，两条信号转导途径，在细胞内沿两个方向传递，这样的信使系统在细胞内沿两个方向传递，这样的信使系统称为双信使系统。称为双信使系统。二、蛋白质可逆磷酸化二、蛋白质可逆磷酸化1 蛋白质的可逆磷酸化是生物体内一种普遍存在蛋白质的可逆磷酸化是生物体内一种普遍存在的翻译后修饰方式。的翻译后修饰方式。2 蛋白质的可逆磷酸化是细胞信号传递过程中，蛋白质的可逆磷酸化是细胞信号传递过程中，几乎所有信号传递途径的共同环节，也是中心几乎所有信号传递途径的共
19、同环节，也是中心环节。环节。3 蛋白质的可逆磷酸化是通过蛋白质的可逆磷酸化是通过蛋白激酶蛋白激酶和和蛋白磷蛋白磷酸酶酸酶催化完成的。催化完成的。（一）蛋白激酶（一）蛋白激酶 (protein kinase，PK)PK是信号转导途径中的一个重要组分，在植物是信号转导途径中的一个重要组分，在植物体中广泛存在。体中广泛存在。1 PK可被多个信号反应激活可被多个信号反应激活 光，病原侵害，生长调节因子，温度胁迫，光，病原侵害，生长调节因子，温度胁迫，营养缺乏等。营养缺乏等。2 PK的功能的功能 催化将催化将ATP上的上的磷酸基转到靶蛋白的磷酸基转到靶蛋白的ser、thr和和tyr残基上。磷酸化改变了靶
20、蛋白的活残基上。磷酸化改变了靶蛋白的活性。性。3 PK的作用特点的作用特点 一个一个PK分子可以使几百个靶蛋白磷酸化，从分子可以使几百个靶蛋白磷酸化，从而起到放大信号的作用。而起到放大信号的作用。4 植物细胞中植物细胞中PK的种类的种类 1）CDPK CDPK(calcium dependent protein kinase)是在植物中首先发现的一种是在植物中首先发现的一种Ser/Thr型型PK。 CDPK存在于许多部位，如细胞质、细胞存在于许多部位，如细胞质、细胞膜、细胞核中。膜、细胞核中。CDPK2）Ca 2+ /CaM依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶 Watillon等（等（1993，199
21、5）从苹果中获得，）从苹果中获得，是一个是一个46.5kD的的 蛋白，其中有蛋白，其中有Ser/Thr型的型的PK催化区域和一个相邻的结合催化区域和一个相邻的结合Ca 2+ /CaM调节区调节区域。域。3）有丝分裂原蛋白激酶（）有丝分裂原蛋白激酶（MAPKs）4）类受体蛋白激酶（）类受体蛋白激酶（RLKs）分为分为3类：类：含含S结构域的结构域的RLK含亮氨酸重复的含亮氨酸重复的RLK类表皮生长因子重复的类表皮生长因子重复的RLK（二）蛋白磷酸酶（二）蛋白磷酸酶（protein phosphatases） 在植物系统中对在植物系统中对PK的研究较多，而对蛋白磷的研究较多，而对蛋白磷酸酶的研究较
22、少。但已有初步的研究工作表明蛋酸酶的研究较少。但已有初步的研究工作表明蛋白磷酸酶参与了白磷酸酶参与了ABA、病原、胁迫及发育信号转、病原、胁迫及发育信号转导途径。导途径。 蛋白磷酸酶的作用是使被蛋白磷酸酶的作用是使被PK磷酸化的蛋白脱磷酸化的蛋白脱磷酸化。由于磷酸化。由于PK和蛋白磷酸酶的平衡作用，使磷和蛋白磷酸酶的平衡作用，使磷酸化和脱磷酸化的蛋白总是保持在一个稳定的状酸化和脱磷酸化的蛋白总是保持在一个稳定的状态，对于维持细胞正常的生命活动有着重要的意态，对于维持细胞正常的生命活动有着重要的意义。义。三、蛋白降解三、蛋白降解泛素泛素-蛋白酶体途径（蛋白酶体途径（ubiquitin-proteasome pathway）是真核细胞内降解蛋白质的重要途径。）是真核细胞内降解蛋白质的重要途径。
