植物螯合肽及其功能

植物螯合肽及其功能 植物螯合肽及其功能 ?小综述 文章编号:1000—1336(2007)03—0213—03 生命的化学》2007年27卷3期 CHEMISTRYOFLIFE2007,27(3) 植物螯合肽及其功能 ? 213? 全先庆 (山东临沂师范学院生命科学学院,临沂276005) 摘要:植物螯合~l;k(phytochelatin,PC)是一类富含Cys,由PC合酶以GSH为底物催 化合成的小分子多肽,能通过Cys的一SH络合 重金属.研究PC的合成机理及其重金属解毒机制,研究PC合酶和PC合酶基因的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达模式及其功能对于运用植物修复技术治理 重金属污染的土壤和水体具有重要意义. 关键词:植物螯合肽;重金属;植物螯合肽合酶 中图分类号:Q946.91 重金属污染是一个重要的环境问题,研究植物体 内重金属运输,累积和解毒机理,利用植物修复技术 进行重金属污染治理是目前的研究热点之一.非必需 重金属和过量的必需重金属都会对植物细胞产生毒 性,导致酶活丧失,生物膜破坏或细胞氧化胁迫.很 多植物在长期进化过程中形成了独特的重金属耐受机 制,其中一个较为普遍的机制是利用特定的配体络合 重金属,再将配体-金属复合体区隔化入液泡,从而 降低重金属对细胞的毒害.目前,研究得较为详尽的 重金属络合配体是金属硫蛋白(metallothionein,MT)和 植物螫合肽(phytochelatin,PC).PC是一类富含Cys的 多肽化合物,由PC合酶(phytochelatinsynthase,PCS) 以谷胱甘肽(glutathione,GSH)为底物催化合成,可被 重金属诱导产生,并能以Cys的-SH络合重金属. 1.植物螯合肽 收稿日期:2007一l一5 作者简介:全先庆(1968一):男,硕士,博士研究生,副教授 E—mail:lytuquan@126.com PC是一个结构家族,通式为(T-Glu-Cys)为n-Xaa(n 2~11,通常为2~5),N-端为Glu,Xaa可能是Gly,Glu, 13-Ala或Set,也可能缺失Xaa.Rauser[根据c-端氨 基酸残基的种类,将PC分为(T-Glu-Cys),(T-Glu—Cys).一 Glu,(y-Glu-Cys)n-Gly,(y-Glu-Cys)n-[~-Ala~[1(y-Glu-Cys).- Ser五类.PC最初是从用200mmol/LCdSO诱导的 蛇根木(Rauvolfiaserpentina)悬浮细胞中发现的,现在 发现在真菌,藻类,苔藓,蕨类和种子植物中都含有 PC.许多研究证实GSH是PC合成的底物,主要证据 是:PC与GSH(T-Glu-Cys-Gly)结构高度相似;Cd 存在时,植物和裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe) 细胞内PC的诱导表达总是伴随着GSH水平的瞬时下 降:拟南芥和裂殖酵母的GSH突变体也是PC缺陷的 Cd敏感突变体;拟南芥GSH合成酶(glutathiOn synthetase,GSHS)编码基因gsh2的cDNA可使裂殖酵 母gsh2缺失突变体恢复合成PC的能力;GSH的生物 合成抑制剂BSO(buthioninesulfoximine)可强烈抑制 GSH合成的限速关键酶——1L谷胺酰半胱氨酸合成酶 ???????????????????????????????????????????????? 员具有选择性的细胞内NF.KB活化阻断剂,可能为临 【8]ZiegelbauerKeta1.BrJPharmacol,2005,145(2):178—192 床治疗开辟新的途径.【]S仃.hC0.g,0o3,():一 参考文献n伽 , :PP'姗, 『11SenReta1.CeII,1986,46(5):705—716 2BraunT咖砒6,07(3)川56_ll65[11]ParkDJ?Me2004,(4):96I3o3 【3]JobinC1.AmJPhysCellPhys,2000,278(3):C451一C462[12]w撇"Ga1.0.,Rep,2006,l5(5):l287-l29l 【4]SiebenlistUetn,.NafRvImm"nD,,2005,5(6):435—445【l3]AradhyaSal?CurrOpinGenetDev,2001,l1(3):300—306 【5]BowieAtn,.Bi0chmPhn,7竹ncD,,2000,59(1):13—23【l4]OhmoriKeta1.EurJCardiothoracSurg,2005,27(1):23—27 【6]CafleyMCeta1.BrJPharmacol,2005,145(1):114—122【l5]LiuJetal?BrainRes,2006,1089(1):162—170 【7]MayMJeta1.Science,2000,289(5484):1550—1554【16]XuMZeta1.BioorgMedChem,2006,14(23):7826—7834 ? 2t4? ({生命的化学))2007年27卷3期 CHEMISTRYOFLIFE2007,27(3) 的活性,用BSO处理植物细胞后,GSH合成受阻,细 胞也不能合成PC,细胞对Cd敏感,施/JllGSH后,细 胞恢复PC合成能力. PC的合成始于GSH的合成.目前,研究最为详 尽的是裂殖酵母和拟南芥中PC的合成途径.首先,依 赖于ATP的谷氨酰半胱氨酸合成酶将Glu和Cys连 接成7-Glu-Cys,经GSH合成酶催化,y-Glu-Cys的C- 端接上一个Gly残基合成GSH,PC合酶则使GSH分 子的N.端与另一个GSH分子的C-端发生0c-酰氨键 连接形成(~Glu-Cys)2Gly,同时生成一分子Gly;此 后,PC合酶在重金属离子激发下催化(~Glu-Cys)-Gly 与GSH的7-Glu-Cys形成一系列(7-Glu-Cys).+1-Gly.裂 殖酵母中还存在另一条PC合成途径:gsh2基因编码 的酶兼有GSH合成酶及PC合酶的活性,可催化yGlu- Cys加到(~Glu-Cys)上,再在C-端加上Gly. 2.植物螯合肽的功能 PC的主要功能是通过络合重金属与区隔化作用 降低重金属离子对细胞的毒害1.研究表明:Ag, As3+,Cd,Cu",Hg",Pb和zn'等都能被PC络 合,其中研究得较为清楚的是PC对Cd的络合机制, 而且目前分离到的PC也大多是PC-Cd复合物.很多 实验证实,PC可以介导植物对Cd的耐受,植物和 裂殖酵母的PC通过Cys的-SH与Cd形成PC-Cd复 合物后被转运到液泡中,从而降低细胞质中Cd的浓 度.Howden等分离到对Cd敏感的拟南芥突变体 cad-1及相应的等位突变体系列,这些突变体都对Cd 敏感,不能合成Cd-多肽复合物,不能累积PC,这些 突变体对Cd的敏感程度与体内PC水平相关,突变 体中GSH水平与野生型相似,但丧失了PC合酶活性, 说明拟南芥对Cd2的敏感是PC合成受阻引起的口1.将 狗牙根(CynodondactylonL.CV.Goldensun)的络合肽合 酶基因CdPCS1在对Cd2敏感的酵母突变体ABDE1中 表达可大大提高酵母对Cd的抗性,过量表达CdPCS1 的烟草中PC的积累量比对照高3.88倍,Cd的积累增 加了3_21倍[41.过量表达拟南芥PC合酶基因的烟草对 Cd2~的抗性和Cd的累积量也都比对照明显提高1.将 大蒜的PC合酶基因AsPCS转入因CUP1基因缺失而 对Cd+敏感的酵母突变体菌株后,酵母CUP1缺失菌 株对Cd的耐受性提高了4倍1. 从被Cd诱导的植物和裂殖酵母中可以分离出两 种PC.Cd复合物——贫硫的低分子量(1owmolecular weight,LMW)PC—Cd复合物和富硫的高分子量(high molecularweight,HMW)PC.CdS复合物,二者都是可 ?MiniReviews 溶性化合物,前者是Cd的运载体,位于细胞质中, 后者是液泡中储存Cd2+的主要形式.删型PC-CdS 复合物是细胞内含Cd复合物的主要形式,其中的S' 是PC络合作用不可缺少的因子,S'不仅能使Cd-PC 复合物更加稳定,也可大大提高PC的金属结合能力, 从而提高了PC的重金属解毒效率.Cd解毒主要包 括LMW型PC.Cd复合物的跨液泡膜转运,S'在液泡 中的积累和HMW型PC.CdS复合物的形成等环节. Cd进入细胞后,PC合酶催化PC合成,PC与Cd形 成的LMW型PC.Cd复合物在液泡膜重金属转运蛋白 hmt1(heavymetaltolerance)作用下进入液泡,进而与液 泡中的Cd和硫化物结合形成毒性较低的HMW型 PC.CdS复合物,解除了Cd的毒性.酸性条件下,液 泡中HMW型PC.CdS复合物上的金属离子又可以与 苹果酸,柠檬酸,草酸等结合,脱掉金属的PC分解 成的氨基酸又返回细胞质参与PC合成(图1).也有实 验表明,PC可能在As和Pb的解毒中发挥作用.过 量表达拟南芥络合肽合酶基因AtPCS1的拟南芥,对 砷的抗性明显提高.用250和300Bmol/LAs处理后, 转基因植株的生物量比野生型高20,100倍1; Marcus等也发现,砷酸盐与亚砷酸盐诱导PC合成,砷 酸盐在体外实验中也提高PC合酶的活性[81.将大蒜的 PC合酶基因AsPCS转入因acr3基因缺失而对As敏 感的酵母突变体菌株后,酵母acr3缺失菌株对As的 耐受性提高了两倍[61.Gisbert等[91将小麦PC合酶基因 导入烟草,在含Pb+土壤中生长后,转基因烟草中Pb 积累量是对照的2倍. G阳+伽静种伽GsH 图1植物和裂殖酵母PC的合成途径与Cd解毒 Gcs,谷胺酰半胱氨酸合成酶;GS,GSH合成酶;PCS,PC合酶. CAD1和CAD2为拟南芥中的PC合酶基因,hmtl为裂殖酵母中液泡 膜转运蛋白基因. 此外,PC也参与维持细胞内必需金属离子的动 态平衡.当Cu,zn等过剩时,PC可与之结合形成 Cu.PC或Zn.PC复合体,降低细胞内游离金属离子的 浓度:金属离子不足时,复合体又释放金属离子到适 当的部位发挥作用【l01.体外实验发现Cu-PC可以激活 ?小综述生命的化学2007年27卷3期 CHEMISTRYOFLIFE2007,27(3) 几种依赖Cu的酶,说明PC能够在需要时释放金属 离子?.Poonam等研究发现PC不仅参与重金属代谢, 也在提高鱼腥藻(anabaenadoliolum)对UV.B的抗性中 发挥重要作用…】. 3.植物螯合肽合酶及植物络合肽合酶基因 1989年,Grill等从膀胱麦瓶草(Silenecucubalus) 细胞培养物中鉴定出PC合酶,该酶是PC合成的关键 酶,分子量为9500Da,催化将GSH的半分子Glu— Cys转移到另一个GSH分子上,当GSH缺乏时,(G1u? Cys)2-Gly形式的PC也可作为供体提供这种半分子用 于合成更长的PC;在Cd,Pb,Ag,Zn和Cu 等存在时,PC合酶在体外实验中都具有活性,其中 Cd是最强的激活剂.之后,在豌豆,西红柿,拟南 芥和水稻中也相继发现了PC合酶.1999年,3个研 究小组分别从拟南芥,小麦和裂殖酵母中同时克隆到 PC合酶的编码基因.拟南芥的PC合酶基因AtPCS1编 码485个氨基酸残基,与小麦TaPCS基因编码产物全 序列的同源性为55%,其N.端结构域与裂殖酵母PC 合酶基因sppcs编码产物的同源性为45%.比较由巳 克隆到的PC合酶基因推导出的氨基酸序列发现:PC 合酶N.端的5个Cys和1个His保守性较高,推测PC 合酶的活性中心在此结构域,这些保守的残基可以直 接结合重金属,从而在PC合酶的活性中发挥重要作 用.PC合酶c一端结构域序列同源性较低,但大多具 有多个Cys残基,拟南芥,裂殖酵母和狗牙根C一端结 构域中的Cys残基数分别为10个,7个和16个;Cys 结合金属离子后将离子传递给酶的活性中心.最初形 成的PC合酶通常没有催化活性,但所有能诱导PC合 成的金属离子都能激活PC合酶,而任何一种可与 GSH结合形成GSH一重金属复合物的金属离子都可以 活化PC的生物合成,但不同重金属的激活效果差异 很大,拟南芥的AtPCS与Cd亲和力最高. 一 般认为PC合酶基因的表达是组成性的,即在PC 生物合成的调控机制中可能不存在PC合酶基因转录水 平的调节,比如拟南芥AtPCS1的mRNA水平在Cd2+处 理前后没有明显变化.但也有许多实验结果与此不符, 比如小麦经Cd2+处理后根中TaPCS1的mRNA水平上 升;大蒜经Cd2和As处理后AsPCS转录水平也有类 似情况:用Cd2+处理狗牙根可以提高络合肽合酶基因 CdPCS1在根和叶中的表达…;He等研究莴苣 (Lactucasativa)的络合肽合酶基因LsPCSI发现,La3+也 ? 2l5? 可以增强LsPCSI的表达和体内PC的积累,说明许多 植物PC合酶基因的表达调控在转录水平上受某些重金 属影响.Poonam等[II用Cd2+处理鱼腥藻后,PC的含量 明显升高.Clemens等[1利用cadl突变体分离到拟南芥 PC合酶编码基因CAD1,剔除粟酒裂殖酵母CAD1的同 源基因后,酵母突变体丧失了PC合酶的合成能力,并 对Cd2+高度敏感:分别将AtPCS1和TaPCS1基因在缺 失同源基因,且不合成PC的酿酒酵母中表达,酵母的 重金属抗性和细胞内PC的累积量都明显提高. 4.展望 近年来,对PC的生物合成及其功能,PC合酶的 作用机理以及PC合酶基因的研究取得了很大进展, 已经分离到许多PC合酶,也巳克隆到许多PC合酶基 因,但是PC合酶的三维结构,酶活机制以及PC的作 用机理仍不明确.Rauser等n】曾提出,以细胞内PC含 量作为重金属污染的标准,因为许多实验证实Cd2+含 量与植物体内的PC水平正相关,但也有很多报道显 示PC与重金属污染程度无关.物种,金属种类,实 验条件和手段,以及环境中未知络合物的存在都可能 是影响实验结果的因素.Bae等H研究发现:(g—Glu— Cys)2-Gly(Glu—Cys)2-Gly络合Cd,Hg和Pb的性 质相似,(g?Glu—Cys)2-Gly与Cd的复合物也可以与S. 形成稳定化合物,而(y-Glu—Cys)2-Gly中的酰胺键是a 型的,可以由基因编码合成,这对于利用植物修复技 术净化被重金属污染的环境无疑是一个福音.探索植 物的重金属耐受机制,研究重金属耐受相关基因的功 能对于利用基因 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 手段提高植物的重金属抗性和重 金属累积,清除被重金属污染的士壤和水体意义重 大,但依然任重而道远. 参考文献 [1】RauserWE.PlantPhysiol,1995,109:1141—1149 [2】Haag—KerwerAeta1.JExpBot,1999,50:1827—1835 [3】HowdenReta1.PlantPhysiol,1995,107:1067—1073 [4】LiJCeta1.JIntegrPlantBiol,2006,48(8):928—937 [5】PomponiMeta1.Planta,2006,223:180—190 [6】姜瑛楠等.植物生态,2005,29(4):659—664 [7】LiYeta1.PlantCellPhysiol,2004,45:1787—1797 [8】MarcusEVeta1.PlantPhysiol,2000,122:793—802 [9】GisbertCeta1.BiochemBiophyResComm,2003,303:440—445 [10]ZenkMH.Gene,1996,179:21—30 [11】PoonamBeta1.JPlantPhysiol,2005,162:1220—1225 [12】HeZYeta1.PlantSci,2005,168:309—318 [13】ClemensSeta1.EMBOJ,1999,18:3325—3333 [14]BaeWeta1.InorganBiochem,1997,68:201—210