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1、第14卷第5期草业学报11-19Vol.14,No.5ACTAPRATACULTURAESINICA10/2005植物半胱氨酸蛋白酶研究进展1,22＊13闫龙凤,杨青川,韩建国,刘志鹏(1.中国农业大学草地研究所,北京100094;2.中国农业科学院畜牧研究所,北京100094;3.中国科学院植物研究所,北京100093)摘要:半胱氨酸蛋白酶是植物中重要的蛋白酶家族之一,广泛参与种子萌发、幼苗发育,胁迫响应和组织分化衰老等过程。针对这一重要特性,分别综述了半胱氨酸蛋白酶的分类、结构、编码基因和表达调节方式及其在植物生长过程中的作用。关键词:
2、半胱氨酸蛋白酶;基因表达和调节;细胞程序化死亡中图分类号:Q946.509文献标识码:A文章编号:1004-5759(2005)05-0011-09＊半胱氨酸蛋白酶作为一类重要的蛋白酶家族,广泛参与植物的各种生理过程。许多研究表明在环境胁迫如[1,2]低温、干旱和盐胁迫条件下半胱氨酸蛋白酶mRNA会累积。而在植物某些涉及细胞程序化死亡的发育阶段[3]中,半胱氨酸蛋白酶mRNA含量也会增加,这表明半胱氨酸蛋白酶与植物细胞程序化死亡有关。半胱氨酸蛋白酶也存在于叶绿体和液泡中,可降解光合作用必需酶Rubisco(1,5-二磷酸核酮糖脱羧/加氧酶)
3、的大亚基,在遭[4]受水分胁迫而衰老的植物叶片中,半胱氨酸蛋白酶起着主要作用。此外,在植物的正常发育过程中,半胱氨酸蛋白酶可动员贮存蛋白,实现氮素的再利用,以供种子萌发之需,而在植物特异组织的形成,如木质部分化和通气组织形成等过程中也有半胱氨酸蛋白酶的参与。1植物半胱氨酸蛋白酶概述1.1植物半胱氨酸蛋白酶的分类和特点半胱氨酸蛋白酶(EC3.4.22)是蛋白水解酶中的一大类,其催化活性位点含有亲核的Cys残基,可不依赖于[5]底物的结合而处于电离状态。在研究中一般通过抑制剂(碘乙酸盐,E64)的特异抑制作用来鉴定这一类酶的活性位点,而硫醇化合
4、物则可使之活化。大多数植物半胱氨酸蛋白酶属于papain(木瓜蛋白酶)(C1)和legumain(豆类天冬氨酸蛋白内切酶)(C13)家族。之后发现的还有caspase(天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶)(C14)和calpain(钙依赖半胱氨酸蛋白酶)(C2)家族。近来的研究在植物中也发现了催化蛋白去泛素化的泛素类半胱氨[6,7]酸蛋白酶和蛋白酶体。在所有的植物半胱氨酸蛋白酶中,papain家族研究得最为详尽。在酶前体中已经形成大小相当的2个结构[5]域,在这2个结构域构成的裂隙底部是催化活性位点。papain家族的各个成员含有由保守氨基酸残
5、基组成的[5]催化三联体:Cys25-His159-Asn175,Gln残基对其催化作用的发挥也很重要,它们在肽链上的排列顺序是Gln-[8]Cys-His-Asn/Asp。酶前体通过分子内或分子间蛋白水解而激活。到2004年底,已发表超过50个类papain[9]植物蛋白酶和15个类legumain植物蛋白酶氨基酸序列。在拟南芥(Arabidopsisthaliana)基因组中,已发现了32个编码为papain型的半胱氨酸蛋白酶,主要分成8类:受衰老和逆境诱导型、aleurain型、类组织蛋白酶B[10]型、类菠萝蛋白酶型、KDEL型、末
6、端序列型和类actinidain型。legumain是新近发现的半胱氨酸蛋白酶,已分别从成熟的蓖麻(Ricinuscommunis)籽和大豆(Glycinemax)[11]子叶,萌发的蚕豆(Viciafaba)种子和拟南芥的不同器官中分离到。它们属于天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋[12]白酶亚家族,其在C端侧翼区的P1′位置剪切Asn或Asp肽键。它们常被称为液泡加工酶(VPE),但它们也[13]存在于细胞壁,且功能并不限于加工前体蛋白,也可降解液泡或细胞壁中的蛋白。＊收稿日期:2004-03-05基金项目:“十五”国家高技术发展计划(863计
7、划)(2002AA241101)和农业部农业结构调整重大技术研究专项(2002-09-01B)资助。作者简介:闫龙凤(1981-),女,河南新乡人,在读硕士。E-mail:ylf81@sohu.com＊通讯作者。12ACTAPRATACULTURAESINICA(Vol.14,No.5)10/2005[11][14]在植物中仅发现了少数几个calpain,分别存在于拟南芥的根中,玉米(Zeamays)的糊粉层和根尖中。caspase在剪切位点附近需要Asp残基和N端的至少4个碱基的识别序列,其抑制剂与典型的半胱氨酸蛋白酶[11]抑制剂不同,
8、后者对其不起抑制作用。1.2植物半胱氨酸蛋白酶的合成、转运和亚细胞定位在通常情况下,植物蛋白酶先在胞质中合成无活性的前体,之后由信号肽导入ER(内质网)进行修饰加工,最终转运到液
