拟南芥COI1基因在茉莉素信号传导中的作用

拟南芥COI1基因在茉莉素信号传导中的作用 拟南芥COI1基因在茉莉素信号传导中的作 用 湖南农业科学2011,(7):11~13,17HunanAgriculturalSciences 拟南芥COI1基因在茉莉素信号传导中的作用 陈艳,任春梅1,2 f1.湖南农业大学生物科学技术学院,湖南长沙410128; 2.作物基因 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 湖南省重点实验室,湖南长沙410128) 摘要:植物激素茉莉素调控植物的生长发育和防御反应等生物学过程.在茉莉素信号传导途 径中,COIl基因起着非常重要的 作用.该基因的突变影响所有茉莉素调控的反应.COIl基因编码一个F—box蛋白,COIl蛋白 能与多种蛋白形成SCFco,泛素连接 酶复合体.在茉莉素信号分子存在的情况下,scF复合体可以识别茉莉素信号途径中的负调 控蛋白(如JAZ蛋白),并使之通过 泛素一26S蛋白酶体途径降解.拟南芥COIl—JAZ被证实是茉莉素的共受体.这一茉莉素信 号传导途径中的突破性研究进展更为 深入地揭示了COll在茉莉素信号传导过程中的作用 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 .综述了COIl在茉莉素信号传导中 的作用机理. 关键词:茉莉素;受体;COIl蛋白;scF复合体 中图分类号:Q786文献标识码:A文章编号:1006—060X(2011)07—0011-03 EffectofCoI1ProteinofArabidopsisthalianain SignalTransductionofJasmonate CHENYan.RENChun—mei’,2 {1.CollegeofBioscwnceandBiotechnology,HNAU,Changsha410128,PRC; 2.CropGeneEngineeringKeyLaboratoryofHunanProvince,Changsha41012&PRcj Abstract:Jasmonates(Jas)areafamilyofplanthormonesthatregulategrowthanddefenseofplant.TheF —boxprotein CORINSENSITIVE1(COI1)functionsasanimportantproteininsignaltransductionofJA,whichinteractswithother proteinstoformSCFcomplexes.Thecomplexesselectivelyrecruitregulatoryproteins,suchasJAZs,tar getedfor ubiquitinationthendegradedby26sproteasomeinaJAdependentway.Nowadays,COIl-JAZwasreportedas co—receptorofJA.ThisbreakthroughresearchdeeplyindicateshowCOIlproteinfunctionsinsignaltransductionofJA. Inthispaper,wereviewedthefunctionofCOIlproteininsignaltransductionofJAbasedontheseyearsres earches. Keywords:jasmonate;receptor;COIlprotein;SCFo~complex 茉莉素(jasmonates,JAs)是一类发现较晚的植 物激素,它包括莱莉酸(iasmonicacid,JA),茉莉酸 ~(methyljasmonate,MeJA)以及由茉莉酸衍生的 其他一系列具有相似生物活性的化合物.茉莉素能 调节许多植物生长发育过程,包括根生长,雄蕊发 育,块茎形成,衰老和果实成熟等,介导植物对生物 和非生物胁迫的抗逆反应,如:机械伤害,昆虫侵 害,病原菌侵染和紫外线损伤等.因此,茉莉素对植 物的生存至关重要.在拟南芥中,如果茉莉素的生 物合成或者信号传导受阻,植株会因雄性不育而无 法完成生命周期.同时,植株也会因失去对逆境f如 昆虫侵害,病原菌侵染等)的抗性而无法生存.在茉 莉素信号传导中,COIl基因起着非常重要的作用. 收稿日期:2011-02—14 基金项目:国家自然科学基金项目资助f307701951 作者简介:陈艳(1986一),女,江西赣州市人,硕士研究生 研究方向为植物分子遗传学. 通讯作者:任春梅 缺失该基因的拟南芥植株丧失了所有的茉莉素反 应,表现为雄性不育,易感染病虫害等. 1COIl基因突变对茉莉素信号传导的影响 1994年Feysf1等筛选获得了对植物毒素冠菌 素(COR,COR)不敏感的拟南芥突变体coil(COR— insensitive1).冠菌素是假单胞菌分泌的一种致病 毒素,与茉莉素具有相似的化学结构和生物活性. 他们发现筛选出的所有coil突变体都对茉莉酸甲 酯不敏感,并且表现为雄性不育.随后的研究发现 coil突变体易感病虫害,而且失去了对茉莉素的正 常反应,如茉莉素诱导的基因表达,茉莉素诱导的 花青素积累和侧根形成等. 1998年Xie等圆采用图位克隆法分离出拟南芥 COI1基因.该基因编码一个含有592个氨基酸的 F—box蛋白.在coil一1突变体中,编码COIl蛋白第 467个氨基酸色氨酸的密码子突变成了终止密码 子,从而形成没有功能的COIl蛋白片断.因此, 12湖南农业科学第7期 coil一1突变体完全失去茉莉素介导的生物功能,表 现为完全雄性不育,易感病虫害,不表达茉莉素诱 导基因等.而在COIl弱突变体coil一2中,COIl蛋 白的第245个氨基酸由亮氨酸变成了苯丙氨酸, 表现为部分地丧失了COIl的功能.与野生型植株 相比,coil一2突变体虽然对茉莉素的反应以及对 病虫害等逆境的敏感性都极显着地降低,但对茉 莉素仍有轻微的反应,表现为部分不育,能产生少 量的种子等.由此可见,COIl功能完全丧失会完 全中断茉莉素信号传导,而COIl部分功能丧失也 会影响茉莉素的信号传导.因此,在茉莉素信号传 导途径中,COIl起着至关重要的作用,是必不可少 的控制因子. 2SCF00n复合体介导茉莉素信号传导 1998年Xie等圆通过对分离的COIl基因所编 码的氨基酸序列进行分析,发现COIl是一种F— box蛋白.在酵母和哺乳动物中,F—box蛋白能与 Skpl和Cullin蛋白结合组装成SCF泛素蛋白连接 酶复合体(Skpl—Cullin—F—boxproteincomplex).该 复合体可以识别并泛素化某些底物蛋白,进而使这 些底物蛋白通过26S蛋白酶体降解.因此,COIl的 克隆首次暗示着泛素介导的蛋白降解途径参与茉 莉素的信号传导.随后的研究 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了COIl作为F— box蛋白,能与拟南芥Cullinl蛋白和类似于Skpl 的拟南芥ASK1或ASK2组装成SCFcol复合体,介 导茉莉素的信号传导.COIl完全突变体coil一1 丧失了茉莉素调控的所有反应,正是由于突变的 COIl蛋白不能形成SC复合体所导致.位于 COIl蛋白F—box结构域的第22位氨基酸由谷氨 酸突变为丙氨酸,也会破坏SCFcoI复合体的形成, 从而丧失了对茉莉素的反应[3].与拟南芥COIl同源 的大豆F—b0x蛋白GmCOI1也能与拟南芥的ASK1 和Cullinl形成scF复合体,介导茉莉素的信号 传导[61,说明F—box蛋白COIl是植物茉莉素信号传 导中保守的成分. 3JAZ蛋白是SCF侧复合体的一类底物 蛋白 2007年,Thines和Chini等口_羽分别发现含有12 个成员的JAZ蛋白家族是茉莉素信号途径中的一 类抑制蛋白.JAZ蛋白是SCFc~I泛素连接酶复合体 的一类直接底物.茉莉素信号分子可以诱导SCFcoI 复合体结合JAZ蛋白,使其泛素化并通过26S蛋白 酶体降解,最终解除JAZ蛋白对茉莉素信号通路的 抑制作用,引起下游茉莉素反应. JAZ蛋白含有中央的27个氨基酸组成的ZIM 结构域和C末端Jas结构域.ZIM结构域同时也介 导JAZ蛋白与其共抑制因子NINJA的相互作用,从 而共同抑制茉莉素信号通路191.Jas结构域介导JAZ 蛋白对茉莉素信号通路正调控转录因子MYC2的 直接抑制作用r7一. JAZ家族成员众多,且有不同的转录本.例如 JAZ10.4是JAZ10基因的一个转录本.JAZ10A在 活性茉莉素分子存在的情况下不能与COIl相互作 用,但仍可抑制转录因子MYC2.JAZ10.4可以通过 ZIM结构域与自己或其他JAz蛋白形成同源或异 源二聚体的形式拮抗茉莉素反应【n1.这种特殊转录 本的存在很可能会抑制过度的茉莉素反应.其他 JAZ家族成员也普遍存在相似的机制[121,这使得茉 莉素信号途径更为丰富. 4COIl是茉莉素信号传导的受体 在JAZ蛋白被报道之后,很多实验结果都显示 scF?-JAz复合体是接收茉莉素信号并启动下游 信号传导过程的感受复合体4].但至此还不清楚 SCFcol-JAZ复合体中哪一个蛋白是茉莉素的受体. 2009年4月,RobertoSolano实验室发现螯合异亮 氨酸(Ile)的茉莉酸分子(+)一7一iso—JA—I1e是植物 体内茉莉素的活性形式旧,这为茉莉素受体的发现 提供有利条件. 2009年,清华大学生命科学学院谢道昕教授 实验室通过遗传学和分子生化的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,证明了 COIl是茉莉素的受体【垌.首先,通过与生长素受体 TIR1的同源分析,建立了一个COIl的分子模型, 并对其进行优化,得到一个高质量的结构模型,从 而分析其作为受体的可行性.该实验室结合COIl 的高质量分子结构模型,进一步通过一系列的生化 和遗传实验证明了COIl与JA—Ile以及冠菌素的 直接作用,最后得到了一个COIl为受体的茉莉素 信号感应模型,即:JA—Ile与COIl结合模型. 5COIl—JAZ共受体模型 2010年1O月,Sheard等旧研究发现,茉莉素的 感受机制是受肌醇磷酸增强的COIl—JAZ共受体 ‘ 形式.COIl的晶体结构:总体构架类似于TIR1,有 一 个N端的三螺旋F—box模体(接近ASK1),C端 由l8个串联的LRRs形成了马蹄形腔结构域.与 第7期陈艳等:拟南芥COIl基因在茉莉素信号传导中的作用 TIR1类似,COIlLRR结构域的上表面有三个内部 重复的长环——l0op一2,loop一12andloop-14,这在 激素与多肽底物的结合中起作用.与TIR1不同的 是,在COIlLRR结构域折叠的C端顶部序列存在 第四个长环loop—c,它在loop一2的上方,部分地覆 盖loop-2.尽管拥有相似的骨架结构,COIl形成了 一 个与TIR1完全不同的激素结合区域.以loop一2 和LRR腔内表面之间结构为基础,COIl的配体结 合口袋特有地被氨基酸侧链环绕.形成这一口袋的 许多残基为大氨基酸且带有极性的头部.这一特性 使得他们在近结合配体的某一化学组分时,可以使 结合口袋形成一个特定的结构.这一近作用在酵母 双杂交实验中,对正确的激素感知复合体是极其重 要的,COIl蛋白这些侧链上的大氨基酸某一位点 的突变足以打断COR存在条件下COIl—JAZ1的结 合.在结合口袋,JA—Ile和COR均处于”向上”的位 置,它们共有的环戊酮的酮基向上,与COIl口袋入 口的Arg496和Tyr444形成了三角的氢键网络.在 没有JAZ降解子肽链的结合,这一酮基部分是可以 被溶解的.-IA—Ile和COR环戊酮环的剩余部分夹在 COIl上的芳香族成员Phe89和Tyr444之间,以 疏水作用稳定. COR上的环己烯环提供了一个平整的表面紧 密地和Phe89联系,同时JA—Ile更具弹性和伸展的 苯环侧链与loop2上的Ala86,Phe89和Leu91和 LRRs上的Leu469和Trp519结合,这一联系更 为松弛.这一不同或许可以解释结合实验中COR 比(3R,7S)一JA—Ile几乎高出十倍. 激素结合口袋的深处,JA—Ile和COR的酰胺 和羧基组分通过与COIl的三个氨基酸残基Arg 85,Arg348和Arg409,形成一个盐桥和氢键网络, 结合在结合位点的底部.同时,那些精氨酸残基构 成了激素口袋的带电平台.Tyr386则通过与激素 的氨基组分形成氢键从顶部加强作用.这样, Tyr386到达了配体的环戊酮环,缩小了口袋人口并 使下方形成了一个疏水的腔.基部的剩余部分则由 Val411,Ala384和Arg409的脂肪侧链形成.而 COR和IlA—Ile的亮氨酸侧链得的乙基环丙烷组分 的大小和疏水性使其二者很少地适合这一空问.这 一 腔的性质可以解释COIl对l『A衍生物的选择性, 即必须包含一个中度大小的疏水氨基酸.虽然这一 配体的大部分结构包裹在结合区域内部,顶部的酮 基和底部的羧基部分仍然暴露在外,这使得其可与 共受体中的JAZ部分作用. COIl的开放口袋高特异地识别活性激素形式 (3R.7S)一JA—Ile,高亲和的激素结合需要一个双向 的JAZ降解序列,在之前的研究中,JAZ蛋白与 COIl蛋白的结合区域是位于c端的Jas模体,包含 SLX2FX2KRX2RX5PY共同序列并在之前有两个 连续的基本残基.为进一步定位Jas模体中与COIl 高亲和配体结合这一微小区域,运用合成的JAZ1 多肽片段进行配体结合实验,最终将由Glu200- Val220这一段短序列定义为JAz1降解子(JAZ1 degron).这一序列包括一个保守的仅一螺旋以锚定 在COIl上,还有一个环状区域以拦截激素使进入 COIl的结合口袋. 此外,肌醇一5一磷酸作为第三种重要组分被发 现,它与COIl和JAZ均互作,并接近激素所处位 置.这一发现,高度体现了COIl蛋白作为F—box蛋 白,起多分子信号中心的作用. 6小结 茉莉素受体COIl的分离和证明使人们对茉莉 素感知及下游信号通路起始的分子机制有了更直 接,深刻的认识.而同时,COIl与JAZ蛋白作为共受 体形式共同感受茉莉素,这对于F—box蛋白的研究 有了进一步的功能认识,丰富了植物激素与受体之 间作用模式及激素信号传导的方式,具有重要意义. 参考文献: [1]FeysB,BenedettiCE,PenfoldCN,eta1.ArabidopsisMutants SelectedforResistancetothePhytotoxinCORAreMaleSterile, InsensitivetoMethylJasmonate,andResistanttoaBacterial Pathogen[J].PlantCell,1994,(5):751-759. 【2】2XieDX,FeysBF,JamesS,eta1.COIl:anArabidopsisgenere— quiredforjasmonate-regulateddefenseandfertility[JI.Science, 1998,280:1091—1094. [3】XuLH,LiuFQ,LechnerE,eta1.TheSCFCOllubiquitin—ligase complexesarerequiredforjasmonateresponseinArabidopsis[J]. 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