植物热激蛋白70（HSP70）研究进展

杜晓华,黄伶俐,刘会超

（河南科技学院,河南 新乡 453003）

植物热激蛋白70（HSP70）研究进展

杜晓华,黄伶俐,刘会超

（河南科技学院,河南 新乡 453003）

热激蛋白是生物体遭受胁迫时的一类保护性蛋白,HSP70家族作为抗胁迫的主要分子伴侣之一,目前研究的最为深入.综述了植物HSP70的类型与分布、结构、功能及其编码基因的特征与表达调控等方面的研究进展,为提高植物的耐受性、植物病虫害的防治和植物转基因等方面提供一定的基础知识.

HSP70；分布；结构；功能

在自然或农业生产条件下,植物不断遭受着环境胁迫.某些环境因子,如大气温度,仅需几分钟对植物的生存可能就成为一种胁迫.近年来,极端高温天气和持续高温状况的不断出现,给植物的生长发育和作物的生产带来了巨大挑战.热激蛋白（heat shock protein,HSP）的发现无疑给植物抗热性研究带来了一缕曙光.HSP最初是Tissieres于1974年利用SDS-PAGE法分离得到[1].后来研究证实,一切生物细胞（包括原核细胞和真核细胞）在受到高温诱导时,都可以合成一类具有生物学活性和相似功能的蛋白质[2].如果温度突然升高5～10℃,植物会产生HSP防御热胁迫.进一步研究发现,HSP种类众多,相对分子质量从15～104 kDa不等.依据相对分子质量大小,可分为HSP60、HSP70、HSP90、HSP100和smHSP（小热激蛋白,相对分子质量15～30 kDa）5个家族,分别定位于细胞核、线粒体、叶绿体、内质网和胞质中[3].其中,作为分子伴侣的HSP70在大多数生物中含量最多,在细胞应激反应后表达最显著,是目前研究最多也最为深入的热激蛋白.本文现就植物HSP70方面的国内外研究进行综述,以期为其他热激蛋白以及植物抗热性研究提供借鉴.

1 HSP70的类型及其分布

HSP70家族作为分子伴侣,是迄今为止已知的最保守的蛋白家族之一[4],它有4种存在形式：第一种为结构型蛋白HSP73,主要参与细胞功能；第二种为诱导型蛋白HSP72,抵抗外界环境胁迫；第三种为葡萄糖调节蛋白GRP78和GRP75,分别定位于内质网腔和线粒体内[5]；第四种是参与光合系统Ⅱ的HSP70B[6].在高等植物叶绿体中,多种HSP70同源蛋白分布在叶绿体膜和叶绿体基质中[7-8].烟草是目前所知唯一具有核HSP70的植物[9].

2 HSP70的结构

HSP70蛋白是高度保守的具备ATPase活性的分子伴侣,其结构包括2个主要功能区[10-11]：N端ATPase区和C端多肽结合区（如图1）.N端45 kDa左右的核苷酸结合区（nucleotide binding domain, NBD）,氨基酸序列高度保守,具有结合并水解ATP的活性；C端多肽结合区25 kDa左右,连同C末端亚区合为底物结合区（peptide binding domain,PBD）,通过一绞合链部分与N端ATPase区连接[12-13].

NBD区包括2个相似的球形结构（LobeⅠ和LobeⅡ）,ATP结合位点位于两球形结构所形成的深沟基部.LobeⅠ和LobeⅡ被进一步划分为Lobe IA、Lobe IB、Lobe IIA、Lobe IIB 4个部分.PBD区包括由2个β折叠组合、4个Loop环组成的“口袋”及由3个α-螺旋组成的“盖子”结构.当ATP结合到HSP70时引起ATPase区构象发生改变并引起PBD区变化,“盖子”打开,多肽结合进去；当ATP水解为ADP时, PBD区影响因素改变,“盖子”重新关闭,从而“捕捉”住结合的多肽,使HSP70与多肽长时间结合[12].NBD和PBD通过一个保守的Linker结构连接,并在NBD-PBD的信息传递中起到重要作用：当NBD结合ATP时,NBD和PBD相互靠近,Linker淹埋在NBD和PBD的接触面中；在NBD结合ADP时,Linker呈柔性的舒展状态,暴露在NBD和PBD的外面[14-19].

图1 HSP70结构示意图Fig.1 The structural diagram of HSP70

3 HSP70的功能

HSP70作为分子伴侣复合物的组成成分,分布于不同的细胞结构中并发挥着多种功能,如蛋白折叠、装配、转运、跨膜运输、蛋白作用调控、蛋白降解调控和蛋白不可逆聚合调控等[20-21].HSP70除了正常生理功能外,最重要的功能是细胞保护和对胁迫环境的一定适应性[22-23].

3.1 分子伴侣功能

HSP70以ATP依赖的方式起作用,许多蛋白的折叠需要由HSP70和HSP60这样的分子伴侣来协助将其正确折叠和成功组装转变为成熟态或自然态.HSP70以ATP依赖的方式在肽链折叠所需的所有片段集齐之前维持新合成的多肽的稳定性,再通过有控制地释放帮助其折叠.此外,自然状态的蛋白会因为布朗运动而导致错误折叠,这种现象在植物遭到外界胁迫条件下更加普遍.HSP70能阻止变性蛋白聚集并帮助变性蛋白恢复成自然状态[24].

3.2 进蛋白的跨膜转运功能

对拟南芥HSP70的突变体cpHSC70-1和cpHSP70-2的研究发现,在蛋白质转运进叶绿体的过程中,HSP70参与了蛋白跨膜转运的早期阶段[25].在苔藓叶绿体蛋白编码中,有4种HSP70基因起作用,破坏其中任意一个HSP70基因,都可能使叶绿体受损.向突变体HSP70-2的叶绿体中转入蛋白,蛋白不能正常折叠,叶绿体表现出明显的损伤[26].

3.3 SP70在非生物胁迫中的作用

植物的光合作用对高温特别敏感,常先于呼吸作用受到抑制.植物中核酮糖-1,5二磷酸羧化酶、NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶和磷酸烯醇丙酮酸化酶在高温下稳定性较差[3].长时间光抑制会对光系统造成损伤,被损伤的主要对象是光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心的D1蛋白.而叶绿体中HSP70蛋白对光抑制有防御作用,对PSⅡ有保护和修复作用.HSP70B蛋白大量表达能降低光对光合系统Ⅱ的抑制作用并且有修复作用；相反,HSP70B低表达光抑制效果就会增强[27].热胁迫造成了植物组织的氧化伤害,这种伤害可能因为活性氧产生所致,而HSPs的高效表达可减轻伤害,提高植物的抗热性.

一些HSP70并不只在高温胁迫下诱导产生,它们还能被很多不同的环境胁迫和条件所诱导,其中包括水分亏缺、低温、盐和伤害等.芦荟在缺水条件下,可溶性糖、脯氨酸和果聚糖合成增加,以此来调节细胞渗透压,在这一抗胁迫过程中HSP70调节其参与合成可溶性糖等反应系统的酶的活性,泛素对蛋白进行选择性降解.地衣在镉浓度允许范围,HSP70蛋白的表达量达到最大,且随后随着浓度的升高蛋白表达量不变.由于镉对巯基的亲和力强,高浓度的镉会毒害蛋白,扰乱细胞新陈代谢,从而使整个植物体中毒[28].在研究蒽和杀草敏对浮萍的影响过程中发现：在自然界广泛存在的蒽是一种光敏性强的物质,很容易在植物中发生反应形成不感光物质（多为醌类物质）,阻断光合作用中的感光过程；杀草敏是一种有机氯化合物,易与光合系统II中的蛋白结合,抑制光合作用[29].最初的胁迫信号触发抗胁迫机制中下游信号转导和基因调控,普通蛋白合成终止,HSPs合成增加,尤其是起主要作用的HSP70合成快速增加,帮助恢复体内平衡,保护和修复受损伤的膜和蛋白[30].胁迫超过一定程度,HSP70蛋白便因相关酶系统抑制而不再增加表达量,减弱甚至失去保护作用[28].

3.4 SP70在生物胁迫中的作用

生物胁迫因素主要为病虫害胁迫.小鼠皮下注射提纯的植物HSP70后进行效价测定,发现在小鼠体内有很高的HSP70效价,说明HSP70在免疫过程中可以高效引发信号蛋白.植物HSP70与动物HSP70在结构和功能上的一系列机制有着很高的相似性[31].从南瓜渗透液和胞间连丝中分离到几种HSP70同源蛋白,参与协助滤过性病毒枯叶病毒的胞间转运[32].在病害中HSP70水平提高有助于阻止中毒蛋白聚集.

4 HSP70基因及其表达调控

HSP70家族基因结构高度保守,大鼠与人的HSP70氨基酸序列同源性为95%[33].HSP70基因一般5'端有100 bp左右的非翻译区,3'端有200 bp的非翻译区,中间的开放阅读框（open-reading frame,ORF）包含大约2 000 bp碱基用于编码HSP70蛋白[33-35].植物的ORF框分为2类,一类含有内含子,如玉米、牵牛花等的ORF框；而另一类则无内含子,如大豆、胡萝卜等的ORF框[36].在HSP70基因的ORF上游通常存在基因调控区,包含多个热激元件（heat hock elements,HSE）,还有一些类似HSE的元件,如TATA盒和CCAAT盒等,其功能是与热激因子（heat shock factor,HSF）结合调控热激蛋白基因的表达[37].HSP70基因家族中,不同基因上的HSE在数量和种类上存在差异,HSE的多样性使编码的HSP70产物产生差异[38].

HSP70基因的表达有一系列反馈机制.未受到热胁迫时,HSF通常存在于细胞质中,以单体形式与HSP70结合,此时HSF不能结合到DNA上指导翻译.胁迫诱使HSF单体结合成三聚体,使其与HSE的亲和力提高了1 000倍,HSF三聚体一旦结合到HSE上,三聚体HSF被磷酸化,并启动HSP基因表达[39].随后,HSP70与HSF结合,导致HSF/HSE复合物的分离,并且HSF被回收成单体形式.当HSP70积累至与HSF足够结合时,HSP mRNA的转录终止.细胞内未折叠蛋白和HSF之间对HSP70的竞争调控了整个基因表达过程.

5 展望

热激蛋白HSP70作为最主要的分子伴侣之一,在新蛋白合成后的折叠与组装、跨膜转运、提高植物抵御逆境胁迫、增强植物适应性方面有着重要作用.目前,有关植物HSP70蛋白的类型、分布、结构和功能方面的研究已经不少,一些问题已经开始变得明朗,不同植物中HSP70基因的克隆正在如火如荼地进行,有关HSP70基因的表达调控也已起步.当前及今后一段时间,由于基因克隆技术操作的日益完善和便捷,关于HSP70及其他HSP的研究可能会更多集中到不同植物HSP70基因的分离与克隆上,借助生物信息学,预测蛋白结构,研究基因的功能.同时,HSP基因的表达调控将成为新的研究热点.不过,植物界应对高温胁迫进化了一套复杂的适应机制,远不止HSP就能完全解答.因此,只有更全面地研究和了解植物的抗热机制,才能更有效地实现通过遗传改良提高植物的抗热性.

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（责任编辑：邓天福）

Advance of heat shock protein 70（HSP70）in plant

Du Xiaohua,Huang Lingli,Liu Huichao
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Heat shock protein is a kind of protein to protect the organisms under stress,it was studied widely and deeply on the HSP70 family,which were one of the main chaperones.The classification,distribution,structure,function of HSP70 in plant,the genetic characteristics and the control of gene expression were reviewed in this paper.It could provid some basis knowledge for improving the tolerance of plants,preventing and controlling the plants disease and plant transgenetic technology.

heat shock protein 70；distribution；structure；function

Q51

A

1008-7516（2014）03-0016-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.03.004

2014-04-11

河南省科技攻关项目（132102110119）；河南省教育厅科学技术研究项目（13B210009）

杜晓华（1972-）,男,陕西岐山人,博士,副教授.主要从事观赏植物种质资源研究.

刘会超（1964-）,男,河南南阳人,博士,教授,硕士生导师.主要从事观赏植物生物技术育种研究.