孫熔謙, 晉歡歡, 張 靜, 王 琴, 張 莉

(1.福建農(nóng)林大學生命科學學院;2.福建農(nóng)林大學基礎(chǔ)林學與蛋白質(zhì)組學研究中心,福建 福州 350002)

14-3-3蛋白在1967年首次被Moore和Perez分離獲得,是一種酸性可溶蛋白,分子質(zhì)量為 25～32 ku[1]。14-3-3蛋白廣泛存在于真核生物中,動物14-3-3蛋白通常有7個亞型,包括τ、ε、β、γ、σ、η和ζ,植物14-3-3蛋白的亞型更多[2]。例如,擬南芥(Arabidopsisthaliana)中有13個亞型[3],番茄(Solanumlycopersicum)中有12個亞型[4],煙草(Nicotianatabacum)中有17個亞型[5],香蕉(MusaacuminataL.)中有25個亞型[6]。

雖然不同物種中14-3-3蛋白種類數(shù)目不同,但前人根據(jù)14-3-3蛋白保守核心區(qū)域差異進行系統(tǒng)發(fā)育分析,將14-3-3蛋白家族分為兩大類:ε類群和非ε類群[7]。非ε類群成員基因結(jié)構(gòu)中包含高度保守的4個外顯子和3個內(nèi)含子,ε類群成員基因的N端還含有兩個額外的內(nèi)含子。已有研究表明這兩個類群14-3-3蛋白與同種靶蛋白的結(jié)合區(qū)域存在差異,導致它們與同種靶蛋白的親和能力也存在差異[8]。擬南芥中的14-3-3蛋白具有兩種命名法:第1種被稱為一般調(diào)節(jié)因子(general regulatory factor, GRF),以阿拉伯序號表示,如GRF3;第2種以希臘字母表示,如14-3-3λ[2]。目前這兩種命名法均在使用。擬南芥14-3-3蛋白家族中的ε亞型包括GRF9～13,非ε亞型包括GRF1～8[7]。擬南芥14-3-3蛋白家族的分類如圖1所示。

圖1 擬南芥14-3-3蛋白家族的分類Fig.1 Classification of Arabidopsis 14-3-3 protein family

1 14-3-3蛋白結(jié)構(gòu)

14-3-3蛋白在不同物種中高度保守,整體上可分為3個區(qū)域(圖2A):可變N端(NTD)、保守核心區(qū)(core domain)和可變C端(CTD)。不同14-3-3蛋白的N端和C端高度可變,其N端參與14-3-3蛋白二聚體的形成,C端參與與靶蛋白的相互作用。不同物種14-3-3蛋白的結(jié)構(gòu)類似,以同源或異源二聚體的形式存在,形成的杯狀二聚體具有兩個極性溝槽(圖2B),14-3-3蛋白與靶蛋白互作的關(guān)鍵氨基酸殘基通常位于極性溝槽內(nèi)[9]。14-3-3蛋白通常與磷酸化的靶蛋白相互作用,目前已知與14-3-3蛋白結(jié)合的靶蛋白磷酸化基序有3類:基序Ⅰ為R(S/X)XpSXP;基序Ⅱ為RXXXpSXP;基序Ⅲ為pS/pTX1-2-COOH。其中,p代表磷酸化的氨基酸殘基,X代表任意的氨基酸殘基[10]。基序Ⅰ和Ⅱ是14-3-3蛋白的主要結(jié)合基序,基序Ⅲ與14-3-3蛋白的親和力較弱[11]。

修改自微小隱孢子蟲14-3-3蛋白結(jié)構(gòu)[12]。A:14-3-3蛋白結(jié)構(gòu)域(NTD:可變N端;core domain:保守核心區(qū);CTD:可變C端); B:14-3-3蛋白二聚體結(jié)構(gòu)模型(紅色箭頭 指示14-3-3蛋白的極性溝槽)。

2 植物14-3-3蛋白家族的功能

14-3-3蛋白主要通過與靶蛋白的相互作用,改變靶蛋白的折疊、定位來發(fā)揮功能。目前已報道的與植物14-3-3蛋白互作的靶蛋白超過300個[13],互作機制如表1所示。

表1 植物14-3-3蛋白家族的作用機制Table 1 Regulatory mechanism of 14-3-3 protein family in plants

2.1 14-3-3蛋白參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育

14-3-3蛋白主要分布于細胞質(zhì)中,在細胞核、高爾基體、葉綠體和線粒體中也有分布,參與調(diào)節(jié)植物諸多生長發(fā)育過程[25],如植物開花、根伸長、氣孔開放、下胚軸伸長、植物器官發(fā)育等(圖3)。

圖3 植物14-3-3蛋白的功能Fig.3 Function of 14-3-3 proteins in plants

2.1.1 14-3-3蛋白調(diào)控植物開花 成花素開花位點T(flowering locus T, FT)在植物光周期開花途徑中起重要作用,FT蛋白與開花位點D(flowering locus D, FD)蛋白結(jié)合形成蛋白復合體進而調(diào)控一系列開花相關(guān)基因的表達,促進植物開花[26]。如:水稻14-3-3蛋白與OsHd3a、OsFD1蛋白相互作用,形成三元復合物后能夠激活下游OsMADS15基因的轉(zhuǎn)錄,促進水稻開花[27-28];棉花(Gossypiumspp.)GhGRF蛋白與GhFT、GhFD蛋白相互作用,三者形成的復合體能夠激活下游花器官發(fā)育相關(guān)基因的表達,GhGRF14基因異源表達的擬南芥開花提前,說明棉花GhGRF蛋白也可正向調(diào)控開花[29];早竹(Phyllostachysviolascens)PvGF14c蛋白與PvFT相互作用,使PvGF14b、PvGF14c和PvGF14e基因異源表達的擬南芥開花延遲,說明早竹PvGF基因可能負調(diào)控植物開花[30]。關(guān)于不同14-3-3蛋白調(diào)控植物開花的機制還需進一步闡明。

2.1.2 14-3-3蛋白調(diào)控植物根系生長 根系是植物的重要營養(yǎng)器官,通過吸收水分和養(yǎng)分、固定植物體、儲存養(yǎng)分和進行同化作用等方式,為植物的生長發(fā)育提供必要條件。14-3-3蛋白家族成員參與調(diào)控植物根系的生長。如:擬南芥14-3-3μ、14-3-3μ-1和14-3-3υ突變體植株在紅光下根系生長受到抑制,暗示14-3-3蛋白可能參與光對植物根系生長的調(diào)控過程[31];毛竹(Phyllostachysedulis)Pe14-3-3b基因異源表達擬南芥后,植株根系變長,表明Pe14-3-3b促進了轉(zhuǎn)基因擬南芥根系的生長發(fā)育[32];煙草過表達GRF9基因后,植株H+-ATPase活性增強,并且通過促進低磷條件下根系H+的流出,促進磷轉(zhuǎn)運基因的表達和根系生長[33]。14-3-3蛋白調(diào)控植物根系生長的相關(guān)機制還有待深入研究。

2.1.3 14-3-3蛋白調(diào)控植物下胚軸伸長 植物幼苗的形態(tài)建成分為暗形態(tài)建成和光形態(tài)建成。暗中生長的植物的下胚軸長、子葉閉合,植物頂端形成彎鉤(稱為暗形態(tài)建成);而光下生長的植物的下胚軸短、子葉打開,無頂端彎鉤形成(稱為光形態(tài)建成)[34]。植物的這種生長方式由光信號轉(zhuǎn)導通路調(diào)控。14-3-3突變體幼苗在紅光下呈現(xiàn)長下胚軸表型[35],GRF4過表達植物呈現(xiàn)短下胚軸表型[22],說明14-3-3蛋白能夠促進植物的光形態(tài)建成。目前已知14-3-3蛋白主要通過與磷酸化的光敏色素互作因子3(phytochrome lnteracting factors 3, PIF3)相互作用,促進PIF3降解,從而正向調(diào)控植物光形態(tài)建成[36]。

2.1.4 14-3-3蛋白調(diào)控植物向光生長 向性生長是植物在生長發(fā)育的過程中對外部環(huán)境的物理或化學因素做出的反應,由此調(diào)節(jié)自身的生長方向。向光生長是向性生長的其中一種,光線是影響植物向光生長的重要因素之一,植物可以感知光線的方向和強度,當植物受到一側(cè)光線的照射時,該側(cè)的生長速度會減慢,導致植物向另一側(cè)彎曲[37]。擬南芥的向光性主要由藍光受體向光素(phototropin, PHOT)控制,非向光性胚軸3(nonphototropic hypocotyl 3, NPH3)蛋白是向光性通路的重要信號蛋白,PHOT能夠磷酸化NPH3蛋白[38]。目前已知擬南芥14-3-3蛋白能夠通過兩種機制對植物的向光生長進行調(diào)控:(1)14-3-3蛋白直接與磷酸化的PHOT1發(fā)生藍光依賴的互作,互作后可能通過影響PHOT1與其他蛋白的互作來調(diào)控植物向光生長[39];(2)14-3-3蛋白在藍光下與磷酸化的NPH3蛋白相互作用,誘導NPH3蛋白的去磷酸化和定位狀態(tài)的變化,從而調(diào)控NPH3的活性[38,40]。

2.1.5 14-3-3蛋白調(diào)控植物氣孔開放 植物氣孔能夠感知外界的環(huán)境變化,如光照、溫度和二氧化碳濃度等變化,并在這些因素的刺激下做出相應反應,從而調(diào)節(jié)水分和氣體交換。14-3-3蛋白參與調(diào)控擬南芥向光素PHOT2介導的氣孔開放過程,通過與磷酸化PHOT2蛋白相互作用,促進氣孔開放[41-42]。另外,14-3-3蛋白也參與調(diào)控植物在高溫下的氣孔開放,擬南芥14-3-3突變體植株葉片的氣孔導度在高溫下顯著變小,說明14-3-3蛋白功能的缺失會阻斷其與下游蛋白相互作用,從而抑制高溫誘導的氣孔開放[43]。

2.1.6 14-3-3蛋白調(diào)控植物葉綠體運動與發(fā)育 光依賴的葉綠體運動是一種肌動蛋白依賴的細胞對光環(huán)境變化的反應,可幫助植物最大限度地進行光合作用,并減少光損傷。藍光下,擬南芥PHOT蛋白能夠激活THRUMIN1蛋白、質(zhì)膜運動受損(plastid movement impaired, PMI)蛋白PMI1和根向光性(root phototropism, RPT)蛋白RPT2等與葉綠體運動相關(guān)的質(zhì)膜結(jié)合蛋白的磷酸化,14-3-3κ/λ蛋白通過與磷酸化的PMI1、THRUMIN1和RPT2蛋白的互作來調(diào)控葉綠體在細胞質(zhì)或細胞膜上的錨定位置,從而調(diào)控葉綠體光下的運動[44-46]。除了參與調(diào)控葉綠體運動外,14-3-3蛋白還參與調(diào)控葉綠體發(fā)育。14-3-3μ和14-3-3ν的TDNA插入突變體幼苗見光后,原本無葉綠體的根系產(chǎn)生大量葉綠體,且葉綠體數(shù)目顯著多于野生型,說明14-3-3蛋白參與調(diào)控葉綠體發(fā)育[31],但其中的分子機制并不清楚。

2.1.7 14-3-3蛋白調(diào)控種子發(fā)育 14-3-3蛋白調(diào)控植物的種粒大小和種子中油類物質(zhì)的積累。水稻14-3-3蛋白GF14f能夠與籽粒大小的負調(diào)控因子CENTRORADIALIS2、OsFD2相互作用,負調(diào)控籽粒大小[47]。14-3-3蛋白能夠與植物油生物合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子WRINKLED1相互作用,增強WRINKLED1蛋白的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性,從而促進植物油類物質(zhì)的合成[48]。此外,14-3-3蛋白還調(diào)控小麥(Triticumaestivum)淀粉合成[49]、水稻灌漿[50]和玉米(ZeamaysL.)籽粒發(fā)育[51]等。

2.2 14-3-3蛋白參與調(diào)控植物脅迫響應

植物在生長發(fā)育的過程中經(jīng)常會受到高溫、低溫、鹽堿、干旱和病原體等內(nèi)外脅迫因素的影響,植物無法像動物一樣遷徙以躲避危害,只能通過自身調(diào)控來適應不利的環(huán)境條件。目前已知14-3-3蛋白參與調(diào)控植物的脅迫響應(圖4)。

圖4 14-3-3蛋白參與調(diào)控植物的脅迫響應Fig.4 Plant 14-3-3 proteins involved in stress response

2.2.1 14-3-3蛋白參與調(diào)控植物干旱脅迫響應 干旱脅迫是全球面臨的一個嚴重問題,會導致植物水分虧缺、氧化應激和營養(yǎng)失衡等一系列生理生化變化,從而影響植物的生長發(fā)育[52]。14-3-3蛋白主要通過兩種機制調(diào)控植物干旱脅迫響應。(1)調(diào)控物質(zhì)運輸和氣孔開放等過程。如:擬南芥過表達GRF9基因后,植株根系生長區(qū)的H+分泌增強,自身耐旱性也提高[33];擬南芥GF14λ基因異源表達在棉花中,能夠增大植株葉片的氣孔導度,提高蒸騰速率和光合速率,增強植株的耐旱性[53-54];玉米ZmGF14-6基因異源過表達于水稻中,能夠誘導干旱相關(guān)基因的表達,增強對干旱脅迫的耐受性[55]。(2)與干旱響應關(guān)鍵因子相互作用。如:大麥(Hordeumvulgare)14-3-3蛋白家族5個成員的轉(zhuǎn)錄均受到干旱脅迫的高度誘導,14-3-3蛋白能夠與干旱響應關(guān)鍵因子,如氣孔開放(open stomata, OST)蛋白HvOST1、慢陰離子通道(slow anion channel, SLAC)蛋白HvSLAC1、熱激蛋白(heat shock proteins, HSP)HvHSP90-1/2/5和脫水響應元素結(jié)合(dehydration-responsive element-binding, DREB)蛋白HvDREB3等相互作用[56],但它們互作后如何調(diào)控干旱脅迫響應的機制尚不明確。目前已知大麥Hv14-3-3A蛋白表達降低后,可通過提高氣孔密度和蒸騰壓差(vapor pressure deficit, VPD)、降低光合作用來提高幼苗的干旱敏感性[56]。

2.2.2 14-3-3蛋白參與調(diào)控植物冷脅迫響應 溫度是影響植物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因素之一。與野生型相比,擬南芥14-3-3λκ雙突變體植株表現(xiàn)出更強的抗凍性。14-3-3蛋白主要通過兩種機制調(diào)控植物的冷脅迫響應。(1)與冷脅迫相關(guān)因子相互作用。低溫下,冷響應蛋白激酶1(cold-responsive protein kinase 1, CRPK1)通過磷酸化14-3-3蛋白,使其從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細胞核中,與冷脅迫關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子(C-repeat binding factor, CBF)相互作用,促進CBF降解,從而抑制冷脅迫響應[57]。(2)調(diào)控自身在冷脅迫中的穩(wěn)定性。冷脅迫和熱脅迫處理上調(diào)或下調(diào)葡萄(Vitisvinifera)體內(nèi)14-3-3蛋白的表達[58],但相關(guān)機制并不清楚。

2.2.3 14-3-3蛋白參與調(diào)控植物鹽堿脅迫響應 植物鹽堿脅迫是指在高鹽和高堿環(huán)境下,植物所受到的逆境壓力。鹽堿脅迫是全球面臨的一個嚴重問題,會影響植物的生長發(fā)育,進而影響全球糧食安全。植物的耐鹽性受多種信號,如鹽超敏感(salt overly-sensitive, SOS)通路調(diào)控。其中,鹽超敏感蛋白SOS2是SOS通路的關(guān)鍵組分,在鹽脅迫下被激活以增強植物的耐鹽性。14-3-3蛋白參與植物負調(diào)控鹽脅迫響應過程,14-3-3λk雙突變體植株的耐鹽能力增強。在無鹽或低鹽條件下,擬南芥14-3-3λ、14-3-3κ與SOS2蛋白相互作用,抑制SOS2蛋白激酶活性;鹽脅迫促進14-3-3λ和14-3-3κ降解,14-3-3蛋白與SOS2蛋白解離,SOS通路被激活,植物耐鹽性增強[59-60]。

番茄14-3-3家族基因TFT1、TFT4、TFT6和TFT7的表達受堿脅迫調(diào)控。TFT4蛋白通過調(diào)控質(zhì)膜H+-ATPase介導的H+輸出、吲哚-3-乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)運輸?shù)冗^程,幫助植物根尖應對堿脅迫并維持初生根的伸長[5]。

2.2.4 14-3-3蛋白參與礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié) 植物生長需要一定量的礦物質(zhì)營養(yǎng)元素,如氮、磷、鉀等,這些元素缺乏會造成脅迫響應,影響植物生長發(fā)育。番茄14-3-3家族基因TFT正向調(diào)控植物的低磷酸脅迫響應,TFT6和TFT7異源表達的擬南芥對低磷的耐受性均顯著下降。TFT6主要作用于葉片,能夠調(diào)控葉片的碳分配,促進韌皮部蔗糖的轉(zhuǎn)運,從而促進植株對低磷條件的響應;TFT7直接作用于根系,能夠激活根系質(zhì)膜的H+-ATPase促進質(zhì)子轉(zhuǎn)運,從而提高植物對低磷條件的耐受性[5]。擬南芥GRF11在鐵元素缺乏反應中起重要作用。類缺鐵誘導轉(zhuǎn)錄因子(FER-like Fe deficiency-induced transcription factor, FIT)與GRF11的啟動子結(jié)合并影響其轉(zhuǎn)錄[61]。鎂離子對H+-ATPase的水解至關(guān)重要,微摩爾的鎂離子可以通過誘導蠶豆(ViciafabaL.)質(zhì)膜H+-ATPase2(vicia faba plasma membrane H+-ATPase 2, VHA2)的磷酸化,促進VHA2與蠶豆vf14-3-3b蛋白相互作用以減輕環(huán)境中鋁元素的毒性[62]。

2.2.5 14-3-3蛋白參與植物生物脅迫響應 生物脅迫是指病原菌、寄生蟲、草食性動物和競爭者等生物因素對生物體造成的壓力。在許多生物脅迫響應中,尤其在防御病原體方面,14-3-3蛋白發(fā)揮了重要作用。在擬南芥中發(fā)現(xiàn),白粉病抗性蛋白RPW8.2含14-3-3蛋白的靶蛋白磷酸化基序Ⅲ,GF14λ蛋白能夠與RPW8.2的C端相互作用,進而正向調(diào)控擬南芥對白粉病的抗性[63]。煙草14-3-3G蛋白通過調(diào)節(jié)DNA結(jié)合蛋白磷酸酶1(DNA-binding protein phosphatase 1, DBP1)的核質(zhì)穿梭對協(xié)調(diào)植物-病毒互作(compatible plant-virus interaction, CEVI)基因CEVI1的轉(zhuǎn)錄進行調(diào)控。正常條件下,DBP1與其靶基因CEVI1的啟動子結(jié)合并抑制其轉(zhuǎn)錄;當受到病毒侵襲時,14-3-3G被快速地誘導入核并與DBP1結(jié)合,促進DBP1從細胞核轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中,CEVI1基因的抑制得以解除[64]。番茄14-3-3蛋白TFT7通過與絲裂原活化蛋白級聯(lián)蛋白激酶(mitogen-activatedprotein kinase kinasekinaseα, MAPKKKα)相互作用正向調(diào)控與免疫相關(guān)的程序性細胞死亡[65]。水稻14-3-3蛋白Gf14f、Gf14g能夠與水稻黃單胞菌蛋白(xanthomonas outer protein, Xop)XopQ相互作用,參與調(diào)控植物先天免疫的信號轉(zhuǎn)導。將XopQ中14-3-3結(jié)合基序的絲氨酸突變?yōu)楸彼岷?XopQ與Gf14f、Gf14g的互作被抑制,植株喪失先天免疫的能力[66],但相關(guān)機制尚不明確。

3 展望

14-3-3蛋白廣泛存在于幾乎所有的植物物種中,通過形成同源或異源二聚體發(fā)揮作用,二聚體的14-3-3蛋白與眾多靶蛋白相互作用影響靶蛋白的定位、結(jié)構(gòu)或活性,從而調(diào)控植物諸多的生長發(fā)育過程及脅迫響應,幫助植物更好地適應環(huán)境變化。目前,雖然已報道14-3-3蛋白調(diào)控眾多的生物學過程及其調(diào)控相關(guān)的生物學機制,但14-3-3蛋白如何受相關(guān)信號通路的調(diào)控并不清楚。如:14-3-3蛋白能夠與光信號通路蛋白(PHOT、PIF3等)相互作用調(diào)控植物的光形態(tài)建成、葉綠體運動及向光生長,但光信號通路如何調(diào)控14-3-3蛋白的表達、活性和定位等并不明確;同時,目前也尚不明確脅迫信號通路如何調(diào)控14-3-3蛋白的變化。這些問題仍需進一步研究。

由于14-3-3蛋白調(diào)控植物生長發(fā)育和脅迫響應等過程,分離鑒定調(diào)控14-3-3蛋白活性的新型互作蛋白或藥物是研究14-3-3蛋白調(diào)控的有效途徑。調(diào)節(jié)14-3-3蛋白活性將有望改變植物開花時間、光合效率和抗逆性等,為培育生育周期短、高光效及抗逆的農(nóng)林作物提供依據(jù)。