玉米热激蛋白研究进展

来源:用户上传      作者: 费红梅

　　生物体在高温、盐渍、寒冷、干旱、饥饿、重金属离子等环境胁迫下，能够诱导合成的一类应激蛋白――热激蛋白(heat shock proteins，HSP)，它是一种非特异性高度保守的蛋白，HSPs作为一种逆境胁迫蛋白。能够保护细胞抵抗环境胁迫，减轻逆境胁迫引起的伤害并对其进行修复。
　　
　　1　玉米HSPs的诱导合成
　　
　　在热应激条件下，诱导合成HSPs的现象普遍存在于植物界，包括酵母、大豆等。前人在玉米中发现，不同基因型的品种，或不同的组织部位，或不同活力的种子，热激均能诱导产生HSP70。在玉米种子发育中后期，胚大量合成HSP70及诱导smHSP的积累，其中，20kD左右的HSP的种类多，分布在较宽的pI范围，且含量丰富。HSP70家族中的特异蛋白BiP和HSP60家族中的PDI在玉米胚发育过程中Westernblot检测，其含量基本保持恒定，表现出热激不敏感。
　　玉米HSPs的诱导合成是快速且持续时间是短暂的。玉米根尖在从25℃升高到40℃的环境中热激20min，能够检测到一组新的蛋白一热激蛋白，分子量分别为87，85，79，78，77，72，70，27，22和18kD。在玉米中，HSPs的合成只能持续4h，随后下降。在恢复到25℃2h后，这组热激蛋白的合成快速下降，热激处理后回到正常生长温度要比延长热激时间所诱导的HSPs合成量下降得快。有些HSPs的合成能持续较长时间，在热激4h的玉米中，随着HSPs合成的减少，两种分子量为62和50kD的蛋白质开始合成。这两种蛋白质至少能持续合成20h，与是否回到正常温度无关。诱导大量合成HSPs的最适温度，不同种类植物是不同的，玉米的最适诱导温度为40-42℃。
　　除了热应激以外，其他的一些因素也能使玉米产生HSPs，如涝胁迫、脱落酸、创伤等，皆可诱导HSPs的合成。由此可见，引起HSPs产生的因素不仅是热应激，在其他许多因素作用下，也都可能诱发HSPs的合成。所以，从广义而论，应该将这类蛋白质称为应激蛋白更为确切。
　　
　　2　玉米HSPs的种类
　　
　　通常根据分子量(kD)的大小，将其分为高分子量热激蛋白(M W>50kD)和低分子量热激蛋白(M W<50kD)两大类，其中玉米低分子量热激蛋白很丰富。在40℃时，玉米热激蛋白的分子量有87、85、79、78、72、70、27、22和18kD等10种，45℃时，玉米热激蛋白有83、81、68、65 kD等。在42℃、4h的条件产生的热激蛋白为73、65、62、54和18kD等类型。
　　目前发现的玉米低分子量热激蛋白如27、22、19和18kD等，高分子量热激蛋白如87、85、83、81、79、73、72、70、68、65、62和54kD等。
　　
　　3　玉米HSPs热激的组织特异性表达及细胞定位
　　
　　前人的报道已经证实了玉米花粉对热激的反应依赖于发育的不同阶段，玉米的热激反应具有组织特异性，40℃下对胚芽鞘、盾片、黄化叶和绿叶、悬浮培养的细胞、发芽的花粉粒、初生根截段生长在不同阶段合成的热激蛋白进行分析，蛋白质进行单向凝胶电泳表明有10种左右特异性的热激蛋白产生，但是具体的热休克蛋白的分布存在着组织特异性，玉米胚芽鞘、盾片、黄化叶和绿叶、悬浮培养的细胞及初生根均能合成10种热激蛋白，但萌发的花粉粒不能合成这10种热激蛋白，只合成了58kD和92kD两种热激蛋白。悬浮细胞培养液除合成这10种热激蛋白外，还合成了另外两种分子量分别为22kD和68kD的热激蛋白。初生根的成熟区域相对于未成熟区而言，合成HSPs的能力较低。不管是黄化叶还是绿叶，离体的或完整的在25℃时有低水平的组成型表达，40℃却高水平的诱导表达。发芽的花粉粒没有典型的HSPs表达，但是新产生92 kD、56 kD多肽。
　　研究热激蛋白亚细胞水平定位一般采用蔗糖密度梯度离心法。玉米根中的5种小分子热激蛋白存在于不同细胞器中，25 kD、72 kD定位于高尔基体、内质网，18、29、72定位于原生质膜、线粒体等。研究热激蛋白在细胞器上的定位有助于了解热激蛋白是否是某些细胞器上的功能蛋白。
　　
　　4　玉米HSPs的功能
　　
　　在正常温度下，玉米小孢子至少有三个HSP家族表达(70 kD、60 kD和小分子热激蛋白)有显著表达。比如，组成型表达HSP70和HSP60在正常程序如蛋白折叠和细胞靶定，特别是线粒体HSP70和HSP60和叶绿体HSP60在输入线粒体或叶绿体基质后协助蛋白质折叠和组装，实验表明玉米小孢子线粒体HSP70和大多数HSP60都具有这样的功能。
　　玉米在热胁迫下，可以诱导HSP101的产生进而提高玉米的耐热性。研究发现，在热胁迫后，恢复玉米的最适生长温度，HSP101在3d以后消失。
　　
　　5　玉米HSPs的表达调控
　　
　　在热胁迫下HSF(热应激转录因子)激活HSPs的转录，植物基因组通常编码多于20种的HSFs，玉米的22个HSF亚型鉴定包含三类：HSF-A，HSF-B和HSF-C。
　　动物中热激反应衰减时分子伴侣如HSP70进入细胞核，结合到HSF1三聚体上，然后失活的HSF1引起HSF基因的转录。HSF结合蛋白1(HSBP1)也结合到有活性的HSF1三聚体上。这些发现与HSBP1在动物热应激反应负调控中的作用一致，虽然蛋白与蛋白相互作用的相应实例还没有在植物中鉴定。EMP2是第一个描述的类似于HSBP蛋白的植物蛋白。玉米中有两种HSBP，EMP2和HSBP2，Western分析表明EMP2和HSBP2蛋白在热激反应和植物发育中积累是有差别的，胚的EMP2致死性突变表明EMP2在胚胎发生的HSP转录下调中是必须的，HSBP2在叶中积累，而且是热诱导型的。因此，分析动物的HSBP1保守区域的同源性，有助于研究EMP2对HSF活性负调节功能在玉米胚胎热激反应衰减过程中相互作用。虽然有关证据表明EMP2可能在HSF激活的负调节和HSR衰减起作用，还不清楚玉米中HSBP能否与HSF相互作用。
　　Ca2+也参与热激蛋白基因的调节，孙旭彤等证实玉米细胞质HSP70能在存在Ca2+条件下与钙调素结合，推论Ca2+－CaM介导的信号转导途径可能参与了热激基因的表达和调节。

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