生长素的外输载体PIN蛋白家族研究进展

中国细胞生物学学报ChineseJournalofCellBiology2013,35(4):国家自然科学基金(批准号:91017009)、教育部博士点基金新教师项目(批准号:20090031120026)和天津市自然科学基金(批准号:12JCZDJC23200)资助的课题*通讯作者。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]theNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.91017009),theResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina(GrantNo.20090031120026)andtheNaturalScienceFoundationofTianjin(GrantNo.12JCZDJC23200)*Correspondingauthor.Tel:[phone],E-mail:[e-mail]_±s我们实验室以模式植物拟南芥为材料，利用细胞生物学、分子生物学和植物生理学等手段，研究生长素的极性运输及其与油菜素甾醇的相互作用。目前我们的研究重点包括:种子发育过程中生长素的分布模式及其建立机制;油菜素甾醇在根向重力生长中的作用及其与生长素的关系;植物固醇的合成、运输及其在植物发育中的功能。=mensz特约综述生长素的外输载体PIN蛋白家族研究进展邹纯雪门淑珍*(南开大学生命科学学院植物生物学和生态学系,天津300071)摘要生长素作为第一个被发现的植物激素,在植物许多发育过程中扮演着重要角色,如顶端优势、花序和叶序的发育、胚的发育、主根的发育、侧根和不定根的发生、向性生长以及维管组织的分化等。这些过程都依赖于生长素浓度梯度的建立。生长素的浓度梯度是由生长素的合成和极性运输共同建立的。生长素极性运输依赖于内输载体AUX/LAX家族、外输载体PIN蛋白家族和ABCB/PGP蛋白家族。该文将主要综述PIN蛋白家族的研究进展,介绍PIN蛋白的定位和功能研究、转录和转录后调控研究以及其胞内循环运输过程等方面的研究进展。关键词生长素;PIN蛋白;生长素外输蛋白;极性定位;胞内运输ResearchAdvancesinAuxinEffluxCarrierPINProteinsZouChunxue,MenShuzhen*(DepartmentofPlantBiologyandEcology,CollegeofLifeSciences,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)AbstractAuxinasthefirstfoundphytohormoneplayscriticalrolesinavarietyofphysiologicalanddevelopmentalprocessesofplants,suchasapicaldominance,inflorescenceandphyllotaxisdevelopment,embryo-genesis,rootdevelopment,lateralrootandadventitiousrootinitiation,tropismandvasculardifferentiation.Theseprocessesdependontheestablishmentoftheauxinconcentrationgradientscoordinatedbyauxinbiosynthesisanddirectionaltransport.ThepolarauxintransportismediatedbyauxininfluxcarriersfromtheAUX/LAXproteinfamily,andbyauxineffluxproteinsfromthePINfamilyandfromtheABCB/PGPfamily.Thisreviewfocuseson2013-04-2211:24·特约综述·19世纪德国植物学家JulisvonSachs提出一个假设,在高等植物体内存在移动的化学信号参与调控植物的代谢、生长和形态建成。19世纪下半叶,CharlesDarwen和他的儿子FrancisDarwen研究了植物的向光生长,推测产生于胚芽鞘顶端的某种信号被向下运输到生长区从而引起背光侧比向光侧生长迅速,产生向光的生长[1]。随后,FritsWent在1926年证明了燕麦胚芽鞘尖端存在促进生长的化学物质,他把这种物质命名为“auxin”,这是取自希腊语“auxein”,意思是“togrow”。因此,中文将“auxin”翻译为“生长素”[1]。直到20世纪30年代,人们才确定生长素是吲哚-3-乙酸(indole-3-aceticacid,IAA)。生长素参与调控顶端优势、花序和叶序发育、侧根和不定根的形成、维管组织的分化、果实成熟以及向光性和向重力性等植物的生长发育过程。生长素广泛存在于所有植物中,包括低等的绿藻和蓝细菌。生长素一直是植物学研究的热点,研究内容包括生长素的生物合成、生长素的运输、生长素的信号通路以及生长素与其他激素的相互作用。有关生长素信号转导方面的研究进展可以参考Chapman等[2]的综述。生长素与受体TIR1/AFBs(TRANSPORTINHIBITORRESISTANT/AUXINSIGNALINGF-box)结合后,使TIR1易于结合AUX/IAA(AUXIN/INDOLEACETICACID)蛋白,通过26S蛋白酶体途径降解Aux/IAA蛋白,从而解除了对转录因子ARF(AUXINRESPONSEFACTOR)的抑制,使ARF可以调控生长素早期响应基因的表达。Jurado等[3]的研究发现,参与调控细胞周期的F-box蛋白SKP2A能与生长素结合,可能参与了生长素对细胞分裂的调控。自1972年发现ABP1(AUXINBINDINGPROTEIN1)蛋白具有结合生长素的活性以来,大家已普遍接受ABP1是生长素受体。ABP1参与了调控细胞的延展和细胞周期,但是,其作用机制一直未被阐明。最近几年,ABP1蛋白重新受到生长素学家的重视,研究发现其通过依赖于ROP(Rho-GTPase)途径参与细胞骨架的重排以及调控网格蛋白介导的胞吞作用[4-7]。采用同位素标记和分子遗传学方法,发现了植物和细菌中三种主要的依赖色氨酸的IAA合成途径:TAM(tryptamine,色胺)途径、IPA(indole-3-pyruvate,吲哚-3-丙酮酸)途径和IAN(indole-3-acetonitrile,吲哚-3-乙腈)途径。前两种途径是植物中最常见的IAA合成途径。2011年,几个实验室的研究发现:在拟南芥中,TAA(TRYPTOPHANAMINOTRANSFERASEARABI-DOPSIS)催化色氨酸生成IPA,而YUCCA催化IPA生成IAA,修改了之前的生长素生物合成路径[8-11]。极性运输是生长素的一个重要特征。传统意义上的生长素极性运输是指生长素从植株的茎尖生长点和幼叶等组织向下部组织的单向运输。近十几年来,对生长素的极性运输有了更深入的研究,已知植物中不仅存在着从茎尖向根的极性运输,还具有在组织局部的极性运输。例如,在根尖存在着生长素的环流,从地上部分通过维管组织运输来的生长素经过根尖中柱细胞间的单向运输,向根尖静止中心聚集,然后又通过表皮细胞和侧根冠细胞向根尖的伸长区运输,再通过皮层细胞向根尖分生区回流(图1)。生长素发挥调控作用,主要是通过在植物组织或器官建立theprogressmadeonthestudyofPINproteins,includesPINproteins’subcellularlocalizationandfunction,theregulationofPINproteins’expression,aswellasPINproteins’intracellulartrafficking.Keywordsauxin;PINprotein;auxineffluxprotein;polarlocalization;intracellulartraffickingCEL白色箭头指示生长素的运输方向,红色的信号为PIN2抗体标记的PIN2蛋白。L:侧根冠细胞;E:表皮细胞;C:皮层细胞。Whitearrowsindicateauxinflowmediatedbytransporter.RedarePIN2signalsvisualizedbyTRITC-conjugatedantibody.L:lateralrootcap;E:epidermis;C:cortex.图1根尖中生长素环流的示意图Fig.1Auxintransportroutesintheroottip邹纯雪等:生长素的外输载体PIN蛋白家族研究进展125不对称分布,生长素的极性运输在生长素浓度梯度的建立和维持中具有重要的作用。生长素在细胞间的运输依赖于细胞膜定位的载体:向细胞内运输生长素的载体为AUXINRESISTANT1/LIKEAUX1(AUX/LAX)蛋白家族,该家族在模式植物拟南芥中有四个成员:AUXIN1(AUX1)、LIKEAUX1(LAX1)、LAX2和LAX3;向细胞外运输生长素的载体为PIN-FORMED(PIN)蛋白家族和ATP-BindingCassettesub-familyB/P-glycoprotein(ABCB/PGP)蛋白家族。PIN蛋白家族在拟南芥中有8个成员,分别命名为PIN1-8。拟南芥ABCB家族的五个成员已有报道能介导细胞间生长素的运输,分别为PGP1,2,4,10和19[12-14]。本文将主要综述PIN蛋白家族的研究进展,介绍PIN蛋白的定位和功能研究、转录和转录后调控研究以及其胞内循环运输过程等方面的研究进展。1PIN蛋白家族简介1.1PIN蛋白的发现PIN1基因是PIN家族第一个被克隆的基因。pin1突变体最早是由Kappert在1959年筛选到的,1976年,Kranz在第二届国际拟南芥研讨会上展示了该突变体[15]。pin1突变体花序发育缺陷,表型严重的只有花序茎,没有茎生叶和花器官,形态很像大头针,因此命名为pin-formed[15-17]。Okada等[17]研究发现,将野生型拟南芥培养在添加了生长素极性运输的抑制剂1-N-naphthylphthalamicacid(NPA)和9-hydroxyfluorene-9-carboxylicacid(HFCA)的培养基上,能模拟pin1突变体的表型。而且,同位素标记的测定显示pin1突变体中生长素的极性运输减弱。因此,推测PIN1基因的主要作用是参与生长素的极性运输。随后,Bennett等[18]对PIN1基因进行了图位克隆,将PIN1基因定位在1号染色体CRABSCLAW分子标记的下游距离3.0±0.4个作图单位(mapunits)。1998年是PIN基因家族研究具有里程碑意义的一年,在这一年KlausPalme实验室克隆了PIN1基因。分析表明,PIN1基因编码一个67kDa的蛋白质,具有8-12个跨膜结构域和一个中央亲水环,与细菌和真核生物的载体蛋白类似。对数据库进行搜索和筛选拟南芥cDNA文库,发现拟南芥中还有几个与PIN1相似的基因。他们进一步利用PIN1蛋白的抗体进行了蛋白质免疫荧光原位杂交实验,发现PIN1蛋白定位于维管组织细胞的底部细胞膜上,PIN1蛋白的这种极性定位符合以前对生长素外输载体在细胞中分布的推测[