植物ATP結(jié)合盒（ABC）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白研究進(jìn)展

邵若玄，沈憶珂，周文彬，方 佳，鄭炳松

（浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 臨安 311300）

ABC（ATP-binding cassette）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白因其蛋白質(zhì)中含有的核苷酸結(jié)合域而得名，是存在于所有生物中的一類重要的跨膜運(yùn)輸?shù)鞍住Ｖ两裱芯堪l(fā)現(xiàn)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)目已經(jīng)超過100多種[1]，其中在人基因組中找到48個(gè)，在哺乳動(dòng)物和微生物系統(tǒng)中已得到了廣泛鑒定。具有轉(zhuǎn)運(yùn)活性的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白依賴于三磷酸腺苷（ATP）水解產(chǎn)生的能量實(shí)現(xiàn)底物在細(xì)胞內(nèi)外的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，在生物體內(nèi)參與諸多重要的生理過程，如細(xì)菌耐藥性、次生代謝產(chǎn)物積累、生物及非生物脅迫反應(yīng)和腫瘤細(xì)胞的抗藥性等。與其他生物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究相比，植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究相對(duì)滯后。隨著擬南芥Arabidopsis thaliana和水稻Oryza sativa等全基因組測(cè)序的完成，人們對(duì)植物基因組中的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的情況有了進(jìn)一步了解。序列分析顯示擬南芥基因組中有129個(gè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，水稻基因組中128個(gè)[2]，在目前完成全基因組測(cè)序的生物中數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他生物，其原因可能與植物復(fù)雜的代謝有關(guān)。近幾年的研究表明，植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不僅參與植物體內(nèi)激素，脂質(zhì)，金屬離子，次生代謝物和外源物質(zhì)的運(yùn)輸，而且有利于植物與病原體間的相互作用和植物體內(nèi)離子通道的調(diào)控[3]。本綜述對(duì)最新研究發(fā)現(xiàn)的植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行綜述，介紹其蛋白在底物跨膜運(yùn)輸過程中的生物學(xué)功能，并對(duì)植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究進(jìn)行展望。

1 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白廣泛存在于植物細(xì)胞的質(zhì)膜、液泡、線粒體和過氧化物酶體中，并且轉(zhuǎn)運(yùn)底物的差異使之在植物生長素的極性轉(zhuǎn)運(yùn)、外源毒素的解毒、植物抗病、抗重金屬離子、脂質(zhì)降解和氣孔調(diào)節(jié)等諸多生理活動(dòng)中發(fā)揮作用，是植物器官生長，營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸，抵抗病原體，脅迫反應(yīng)等過程中至關(guān)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。各類植物中含有的ABC基因的類型與數(shù)目各不相同，表達(dá)的部位也千差萬別。其中部分亞族的基因只在植物的特定部位如根中表達(dá)，而有些亞族基因卻在植物各部位隨機(jī)表達(dá)。

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有全轉(zhuǎn)運(yùn)子和半轉(zhuǎn)運(yùn)子2種[4]。全轉(zhuǎn)運(yùn)子的核心單元包括2個(gè)核苷酸結(jié)構(gòu)域（nucleotide binding domains，NBD）和2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域（trans membrane domains，TMD）等4個(gè)結(jié)構(gòu)域。具有親水性的NBD結(jié)構(gòu)域嵌于細(xì)胞膜而向細(xì)胞質(zhì)中突出，由幾個(gè)高度保守的Walker A和Walker B序列，保守性略差的H環(huán)、Q環(huán)組成和ABC蛋白特異性位點(diǎn)構(gòu)成。2個(gè)NBD共同結(jié)合并水解ATP供能，具有多個(gè)α螺旋跨膜片段的兩個(gè)疏水性TMD結(jié)構(gòu)域則利用NBD水解三磷酸腺苷（ATP）產(chǎn)生的能量將與其結(jié)合的底物轉(zhuǎn)出質(zhì)膜。其中的轉(zhuǎn)運(yùn)底物包括脂、氨基酸、生物堿、有機(jī)酸、金屬與非金屬離子、重金屬螯合物、蛋白質(zhì)、類固醇、細(xì)胞代謝產(chǎn)物和藥物等[5-6]。而半轉(zhuǎn)運(yùn)子只含1個(gè)膜結(jié)構(gòu)域（membrane spanning domain，MSD）和1個(gè)NBD，常需要通過同型二聚化或者異型二聚化而行使功能[4]。

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族龐大，存在范圍廣且數(shù)目多，命名系統(tǒng)繁雜混亂。有的依據(jù)突變體表型來確定名稱，有的根據(jù)ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系命名，有些又是按照核心結(jié)構(gòu)域結(jié)合和組織的方式來命名等等。在 HUGO命名系統(tǒng)中[7－8]，ABC家族分 ABCA，ABCB，ABCC，ABCD，ABCE，ABCF，ABCG和ABCH為 8個(gè)亞族。而在 Sánchez-Fernández命名系統(tǒng)中，ABCA被細(xì)分為 AOH和ATH；MDR，TAP和ATM對(duì)應(yīng)ABCB；ABCC，ABCD，ABCE，ABCF分別被MRP，PMP，RLI和GCN代替；WBC和 PDR則是HUGO系統(tǒng)中的 ABCG（表1）。不同的命名方式造成ABC家族名稱混亂甚至互相沖突，并且植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)目仍在不斷增加，于是Paul等[3]比較綜合了之前常用的幾種命名法則，提出了一個(gè)統(tǒng)一的植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白命名系統(tǒng)，使之能較好地區(qū)分各亞族，但目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用。

2 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白普遍存在于各類生物體中。自1992年國際上報(bào)道了第1個(gè)從擬南芥中克隆的植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtPGP1（又稱為AtMDR1）[9]。此后，研究人員對(duì)植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行了多方面的研究。隨著模式植物擬南芥基因組測(cè)序的完成，人們對(duì)其基因組中的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究已較為透徹。研究者在擬南芥和水稻的基因組中發(fā)現(xiàn)了所有類型的真核ABC系統(tǒng)[10]，序列分析顯示擬南芥基因組中的129個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白涉及MDR，MRP，PDR，WBC，ATM等多達(dá)13個(gè)亞家族[2]，主要集中在ABCB，ABCC和ABCG亞族。而水稻中具有更多的PDR亞族和較少的ABCA亞族，編碼的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要在植物體內(nèi)參與轉(zhuǎn)運(yùn)大分子物質(zhì)與次生代謝物質(zhì)。水稻與擬南芥的基因組差異很大，但編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因數(shù)量十分接近。植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究進(jìn)展迅速，最近幾年的許多研究漸漸脫離了擬南芥等模式植物，開始在小麥Triticum aestivum，長春花Catharanthus roseus，東北紅豆杉Taxus cuspidata，銀杏Ginkgo biloba，楊樹Populous trichocarpa，玉米Zea mays等多種植物中開展。研究人員已從這些植物中克隆出了不同亞族的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，并對(duì)基因的結(jié)構(gòu)與功能有一定的研究，主要集中在ABCB，ABCC，ABCG等三大亞族。

表1 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族兩種常用命名系統(tǒng)對(duì)照表Table1 Comparison table between two common naming system of ABC transporter family

2.1 ABCB亞族

ABCB亞族蛋白成員有藥物抗性相關(guān)蛋白MDR（包括p-糖蛋白，p-GP），線粒體ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ATM，以及抗原肽相關(guān)運(yùn)載蛋白體TAP，此類植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能多樣。Kaneda等[11]發(fā)現(xiàn)ABCB亞族基因與其它ABC基因協(xié)調(diào)表達(dá)，參與擬南芥莖的木質(zhì)化過程，在植物莖中發(fā)揮運(yùn)輸生長素的功能。Pomahacova等[12]發(fā)現(xiàn)CjMDR1在長春花中起轉(zhuǎn)運(yùn)各種單萜生物堿的作用。目前，對(duì)PGP蛋白的功能研究也涉及內(nèi)源生長素的運(yùn)輸。如擬南芥根中的AtPGP基因與弱光下擬南芥下胚軸的細(xì)胞伸長有關(guān)，主要在根和莖頂端細(xì)胞的質(zhì)膜上表達(dá)AtPGP1蛋白，作為輸出泵轉(zhuǎn)移與細(xì)胞伸長相關(guān)的多肽類激素。擬南芥中的AtATM則編碼一種線粒體蛋白，主要功能是協(xié)助線粒體基質(zhì)鐵硫蛋白的輸出并參與形成鐵硫簇[13]。對(duì)于TAP基因及其蛋白功能的研究甚少，目前只有報(bào)道稱AtTAP2蛋白在提高擬南芥植株對(duì)鋁的毒抗性方面發(fā)揮重要作用[3]。

2.1.1 MDR類型 MDR蛋白又稱多藥耐藥性蛋白（multi-drugresistance），共有29個(gè)成員，主要參與植物次生代謝物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。Helvoort等[14]認(rèn)為MDR1和MDR2可引起脂質(zhì)的重排，因?yàn)樗軐螌幽ど系念愔D(zhuǎn)移到另一層膜上。最初發(fā)現(xiàn)的人類ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白P-GP即為一種由MDR1基因編碼的跨膜糖蛋白。由于這類蛋白能對(duì)腫瘤化療的藥物產(chǎn)生耐藥性，已成為當(dāng)下腫瘤治療研究中的熱點(diǎn)。而在植物中首次獲得的MDR型基因是Robert Dudle等[15]克隆出的AtPGP1，其編碼的蛋白質(zhì)與擬南芥對(duì)除草劑的交叉抗性有關(guān)，參與擬南芥體內(nèi)有毒物質(zhì)的外排過程。此后，Shitan等[16]通過同源RT-PCR法在黃芪Astragalus membranaceus中克隆到一類MDR亞族基因Cjmdr1，發(fā)現(xiàn)CjMDR1蛋白定位于黃芪的細(xì)胞質(zhì)膜上，能識(shí)別黃連素并將其作為底物向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，發(fā)現(xiàn)了第1個(gè)具有向內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)底物功能的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。近幾年，金宏濱等[17－18]從能產(chǎn)生重要次生代謝產(chǎn)物的藥用植物長春花、東北紅豆杉和銀杏中，成功克隆到了同類MDR族基因的完整cDNA，分別為Crmdr1，Tcmdr1和Gbmdr1。Crmdr1全長4395 bp，含有一個(gè)3801 bp的開放閱讀框，編碼一個(gè)具有1266個(gè)氨基酸殘基的蛋白。Tcmdrl全長4485 bp，ORF為3951 bp，編碼1316個(gè)氨基酸。Gbmdr1全長4275 bp，ORF為3840 bp，編碼1279個(gè)氨基酸。分析發(fā)現(xiàn)這3個(gè)基因所編碼的蛋白質(zhì)都為全分子ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，具有2個(gè)跨膜域TMD和2個(gè)核苷酸結(jié)合域NBD，按照正向的 “TMD1-NBD1-TMD2-NBD2”順序排列。同時(shí)蛋白序列中也存在著所有ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同的高度保守基序 “WalkerA”“WalkerB”和C基序，可能在特定底物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中進(jìn)行ATP水解，以及在識(shí)別結(jié)合特異底物時(shí)發(fā)揮作用。另外還發(fā)現(xiàn)GbMDR1和TcMDR1蛋白結(jié)構(gòu)中具有CjMDR等內(nèi)向攝取蛋白中的N末端突出卷曲的共同特殊性序列，因此，推測(cè)GbMDR1和TcMDR1可能也具有內(nèi)向攝取功能[17]。目前，聶智毅等[19]通過篩選消減文庫并結(jié)合cDNA末端快速擴(kuò)增技術(shù)（RACE）在橡膠樹Hevea brasiliensis中獲得了HbMDR1基因的全長cDNA序列。該基因開放閱讀框的長度為3753 bp，共編碼1251個(gè)氨基酸殘基。結(jié)構(gòu)分析表明HbMDR1蛋白的氨基酸序列具有2個(gè)跨膜域及2個(gè)核苷酸結(jié)合域（NBD），是一個(gè)全分子的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。其4個(gè)結(jié)構(gòu)單元排列方式為TMD1-NBD1-TMD2-NBD2。該基因的獲得有利于進(jìn)一步研究MDR蛋白在植物次生代謝物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用。不同植物中的MDR基因的表達(dá)部位存在較大差異，表達(dá)量也受不同外界因素的影響。Sasaki等[20]從小麥根端分離了一個(gè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因TaMDR1，并用5～50 μmol·L－1鋁處理小麥植株后進(jìn)行表達(dá)量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)鋁毒害能有效誘導(dǎo)TaMDR1表達(dá)。此外鈣通道抑制劑鑭、釓、釕紅等也能誘導(dǎo)TaMDR1大量表達(dá)。Bo slNoh等[21]發(fā)現(xiàn)擬南芥中MDR1和PGP1的表達(dá)受生長素的誘導(dǎo)，說明這2個(gè)基因在擬南芥中起控制生長素分布的關(guān)鍵作用，是植株正常生長不可或缺的。

2.1.2 ATM類型 ATM是ABC家族中成員較少的一個(gè)亞族，也稱為線粒體ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族（ABC transporter of the mitochondria，ATM），只有一個(gè)跨膜域和一個(gè)核酸結(jié)合域，屬于半分子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。擬南芥基因組中只有3個(gè)ATM成員，其中AtATM1和AtATM2位于擬南芥Ⅳ號(hào)染色體上，之間的距離不超過582 bp，而AtATM3存在于Ⅴ號(hào)染色體上。目前，在水稻中僅發(fā)現(xiàn)1個(gè)，楊樹中也只有2個(gè)ATM亞族成員，它們都與AtATM3相近[13，22－24]。AtATM1與AtATM2的序列相似性高達(dá)近85%，而兩者與AtATM3的相似性略低。經(jīng)過染色體復(fù)制研究和序列相關(guān)性分析推測(cè)前2個(gè)基因很可能由AtATM3多次復(fù)制而來，這同時(shí)在一定程度上解釋了水稻和楊樹中的ATM成員與AtATM3具有較高的同源性的原因。AtATM1和AtATM2編碼的蛋白功能與AtATM3有所不同，它們喪失了AtATM3蛋白的部分功能，但同時(shí)獲得了一些新的功能。AtATMs在植物體中起到抵抗重金屬的作用[13]，可在重金屬的誘導(dǎo)下大量表達(dá)。CHEN等[22]發(fā)現(xiàn)AtATM1參與維持?jǐn)M南芥細(xì)胞鐵離子的平衡，鐵離子濃度增大能提高其表達(dá)量，而鈣離子能夠誘導(dǎo)AtATM3在擬南芥根中大量表達(dá)。另有研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中的AtATM在根中的過量表達(dá)可以使植株對(duì)鎘和鉛的抗性提高[13]。

2.2 ABCC亞族

此亞族成員在相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)中一般以MRP為名。在已發(fā)現(xiàn)的129個(gè)ABC基因中有15個(gè)編碼MRP蛋白[23]，但目前僅對(duì)擬南芥中的MRP家族的結(jié)構(gòu)功能有一定的研究。植物MRP基因的最初發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橛^察到谷胱甘肽化合物進(jìn)入植物液泡是依賴ATP提供能量而非依靠膜內(nèi)外質(zhì)子電勢(shì)差的[24]。擬南芥中的AtMRP1與AtMRP2都具有谷胱甘肽共軛轉(zhuǎn)運(yùn)活性，并且AtMRP2較AtMRP1的活性強(qiáng)[25]。AtMRP2基因全長12 kb，有28個(gè)內(nèi)含子，cDNA長5.3 kb，編碼蛋白包含1632個(gè)氨基酸殘基，與AtMRP1的相似度高達(dá)97%。位于擬南芥III號(hào)染色體上的AtMRP6基因全長5.2 kb，含有9個(gè)內(nèi)含子，cDNA編碼1466個(gè)氨基酸殘基，相對(duì)分子量為164.4 kDa。AtMRP6的5'端和3'端分別是AtMRP7和AtMRP3，3個(gè)基因的同源性較高，編碼的蛋白質(zhì)有一定的相似性，可能來自于2個(gè)基因的連續(xù)復(fù)制過程。預(yù)測(cè)AtMRP6蛋白至少含15個(gè)跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半分子有6個(gè)跨膜螺旋，1個(gè)TMD0和至少3個(gè)跨膜區(qū)[23]。AtMRP5則主要是利用對(duì)細(xì)胞膜離子通道的調(diào)節(jié)和對(duì)肌醇六磷酸的高親和力在擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、水分利用以及植酸儲(chǔ)存中發(fā)揮作用[26－28]。MRP基因家族的共同特征是具有2個(gè)核苷酸結(jié)合域NBD1和NBD2，每個(gè)核酸結(jié)合域除了含有ABC家族共同的WalkerA，WalkerB，C基序和12個(gè)預(yù)測(cè)的跨膜域外，還包括結(jié)合在NBD1上的2個(gè)連續(xù)調(diào)節(jié)域。此結(jié)構(gòu)編碼多種氨基酸殘基，而且在192～223氨基酸殘基處的N端延伸處共同含有5個(gè)親水氨基酸[25]。

2.3 ABCG亞族

ABCG亞家族是NBD-TMD反向序列結(jié)構(gòu)域類型的轉(zhuǎn)運(yùn)子，包括PDR和WBC等2個(gè)類型。其中PDR只在植物與真菌中存在，并且是ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中數(shù)量最多的一個(gè)類型。

2.3.1 PDR類型 PDR亞族大量分布于各種植物中，當(dāng)前分別在擬南芥和水稻中發(fā)現(xiàn)了15個(gè)和23個(gè)PDR基因[29]。植物受到一些外界脅迫如高鹽脅迫、組織缺氧、重金屬脅迫、細(xì)菌感染等時(shí)就會(huì)表達(dá)PDR基因。PDR型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與眾多有毒物質(zhì)與代謝物質(zhì)的吸收、積累和外排過程，在機(jī)體防御過程中起關(guān)鍵作用。PDR型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中既有全轉(zhuǎn)運(yùn)子也有半轉(zhuǎn)運(yùn)子，其全轉(zhuǎn)運(yùn)子的核苷酸結(jié)構(gòu)域的Walker A和Walker B區(qū)域在N端和C端的序列上有一定差異，而其獨(dú)特之處即在于PDR型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的NBD比TMD更接近N端，這與MDR，ABCA和MRP等家族正好相反[30]。Ducos等[31]通過同源基因克隆從煙草Nicotiana tabacum植株中獲得一個(gè)在缺乏鐵離子的條件下表達(dá)的基因NpPDR3。對(duì)其研究發(fā)現(xiàn)在NpPDR3基因的啟動(dòng)子區(qū)域存在一個(gè)保守元件IDE-1，在缺乏鐵離子時(shí)，IDE-1元件激活NpPDR3的啟動(dòng)子，從而促使基因表達(dá)[32]。Eichhorn等[33]采用小片段分離法在大豆Glycine max中得到了cDNA全長4750 bp的GmPDR12，該基因在水楊酸及其功能類似物質(zhì)的誘導(dǎo)下能夠快速并大量表達(dá)。GmPDR12編碼的蛋白質(zhì)共有1447個(gè)氨基酸殘基，具有2個(gè)相似的重復(fù)單元，為典型的全分子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。尚毅等[34]用發(fā)病毒性因子DON處理小麥植株，根據(jù)預(yù)測(cè)的基因序列設(shè)計(jì)引物，并經(jīng)過可轉(zhuǎn)化人工染色體（TAC）文庫篩選，從小麥穗組織中克隆出了TaPDR1。TaPDR1屬于Ⅳ族PDR基因，位于小麥的5A染色體上，基因全長7377 bp，包含19個(gè)外顯子。其編碼蛋白序列（CDS）長4308 bp，編碼1435個(gè)氨基酸，蛋白分子量為161 kD。已知TaPDR1的表達(dá)可由DON因子、禾谷鐮刀菌Fusarium graminearum，鋁離子（Al3+）和游離鈣離子（Ca2+）的誘導(dǎo)，而不受生物脅迫與非生物脅迫因子的影響，但是目前此基因的功能和調(diào)控模式尚不清楚。通過鄰接法構(gòu)建的進(jìn)化樹共將植物PDR基因分成了I～V 5個(gè)亞族，每個(gè)亞族中均有擬南芥、水稻和苜蓿Medicago sativa的基因，煙草、小麥等其他植物的多向耐藥性（PDR）基因則分散地分布于不同的族中。推測(cè)可能是因?yàn)橹参矬w代謝途徑的多樣性造成了各族PDR基因數(shù)目之間的差異[35]。第一個(gè)被鑒定的植物PDR基因浮萍Spirodella polyrhiza的 SpTUR2基因與OsPDR9，AtPDR12等同屬于I族，其表達(dá)受ABA、低溫脅迫和鹽脅迫的誘導(dǎo)[28]。Ⅱ族PDR基因的表達(dá)具有較強(qiáng)的組織特異性。擬南芥中的AtPDR5，6，7，9，11和12等主要在根部表達(dá)。其中AtPDR12的表達(dá)受金屬離子、缺氧等非生物脅迫誘導(dǎo)，AtPDR12表達(dá)越強(qiáng)的擬南芥植株對(duì)鉛的耐受力越強(qiáng)。Kang等[36]還發(fā)現(xiàn)AtPDR12的表達(dá)能夠增強(qiáng)植物的抗旱能力，因?yàn)樗山閷?dǎo)植物細(xì)胞吸收脫落酸。Ⅲ族中的AtPDR8在受到干旱和鹽脅迫時(shí)上調(diào)表達(dá)，表達(dá)部位集中在地面部分組織中，表達(dá)產(chǎn)物參與多種抗原菌誘導(dǎo)的生物脅迫反應(yīng)。已知Ⅳ族PDR基因中的TaPDR1在小麥中參與植物抗病防御反應(yīng)，而進(jìn)一步的研究證實(shí)了這種的抗病反應(yīng)與赤霉病抗性有關(guān)[34]。最新研究發(fā)現(xiàn)PDR亞族中的ABCG32基因表達(dá)產(chǎn)物還參與植物角質(zhì)層細(xì)胞壁的形成過程[37]。最終通過對(duì)PDR各族基因的表達(dá)與功能進(jìn)行整體分析發(fā)現(xiàn)，這些基因在不同組織或者器官中表達(dá)，可被多種生物和非生物脅迫所調(diào)節(jié)，各基因的同源性與功能之間沒有十分密切的聯(lián)系。

2.3.2 WBC類型 WBC亞族共29個(gè)成員[38]。駱斌等[39]從陸地棉Gossypium hirsutum纖維cDNA文庫中分離到GhWBC1基因，該基因在纖維細(xì)胞發(fā)育中起作用。GhWBC1在棉花纖維細(xì)胞的伸長期高水平表達(dá)，并且表達(dá)量與纖維細(xì)胞的伸長相一致。而在子葉、葉片、莖等組織中表達(dá)量少，在根中甚至檢測(cè)不到轉(zhuǎn)錄本。當(dāng)纖維停止生長后，GhWBC1在棉花纖維細(xì)胞中的表達(dá)也基本停止[38]。擬南芥中有一個(gè)與GhWBC1高度同源的AtWBC11基因，該基因在花和果莢中大量表達(dá)，葉片和莖中有少量的表達(dá)，而在根中幾乎不表達(dá)[38]。Bird等[40]研究發(fā)現(xiàn)AtWBC11是擬南芥角質(zhì)正常形成過程中重要的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究人員將GhWBC1基因轉(zhuǎn)入擬南芥后檢測(cè)其表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)GhWBC1在擬南芥短果莢植株中的表達(dá)量比正常果莢植株中的高[39]。由此可知外源GhWBC1基因的過量表達(dá)可造成果莢長度的變化。WBC蛋白均為半轉(zhuǎn)運(yùn)子，只含1個(gè)NBD和1個(gè)TMD，必須通過形成二聚體來發(fā)揮轉(zhuǎn)運(yùn)功能。洋蔥Allium cepa表皮細(xì)胞中的EGFP蛋白融合實(shí)驗(yàn)說明GhWBC1蛋白位于細(xì)胞膜上，可能介導(dǎo)物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)或胞間運(yùn)輸[39]。Bird等[40]通過向擬南芥基因組中插入T-DNA獲得了AtWBC11突變體，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)AtWBC11的功能是參與分泌擬南芥角質(zhì)層脂質(zhì)，在植物角質(zhì)層的形成過程中不可缺少。隨后McFarlane等[41]發(fā)現(xiàn)AtWBC11是ABCG12具有生理活性的前提，因?yàn)锳BCG12蛋白只有與AtWBC11蛋白結(jié)合后才能發(fā)揮從擬南芥表皮到角質(zhì)層運(yùn)輸脂質(zhì)的作用。同時(shí)AtWBC11還可以與其他多種ABCG半分子分別結(jié)合形成各種具有不同功能的全分子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

2.4 其他亞族的結(jié)構(gòu)與功能

在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中，ABCE和ABCF亞族僅位于細(xì)胞質(zhì)中，蛋白質(zhì)無跨膜區(qū)域，因而不具有轉(zhuǎn)運(yùn)功能[42]。ABCH亞族在昆蟲、魚類、棘皮動(dòng)物和黏菌Myxomycophyta中大量分布，但在植物中尚未發(fā)現(xiàn)。ABCA亞族則存在于動(dòng)物的上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞以及神經(jīng)元等細(xì)胞中[43]，功能為參與動(dòng)物內(nèi)源性脂質(zhì)的跨膜運(yùn)輸[44]，具體的轉(zhuǎn)運(yùn)底物仍有待鑒定[45]。植物中ABCA亞族的相關(guān)研究較少，其中Byrne等[46]發(fā)現(xiàn)黑麥草Lolium perenne葉片中的ABCA家族基因ATH在亞硒酸鈉的誘導(dǎo)下表達(dá)量顯著增加，而其在植物體內(nèi)的功能尚不明確。研究發(fā)現(xiàn)ABCC/MRP基因在擬南芥的根、莖、葉中都有表達(dá)。其中AtMRP1與AtMRP2蛋白均具有谷胱甘肽共軛轉(zhuǎn)運(yùn)活性。AtMRP3蛋白主要在擬南芥根中與植物對(duì)重金屬的抗性有關(guān)。AtMRP5則主要在葉片中參與葉片保衛(wèi)細(xì)胞的信號(hào)傳遞與水分分配。Bovet等[47]發(fā)現(xiàn)擬南芥的15個(gè)MRP基因中有14個(gè)同時(shí)在根與葉中表達(dá)，用鎘處理植株后葉中的表達(dá)量無明顯變化，而根中的AtMRP3，6，7和14的表達(dá)明顯增加，其中以AtMRP3的增加量最為顯著。在其他物種如玉米中，Marrs等[48]通過突變體分析推測(cè)MRP蛋白參與酚類糖苷轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入液泡的過程。ABCD即PMP亞族，也稱作過氧化物酶體跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?，大多?shù)成員屬于半轉(zhuǎn)運(yùn)子，主要以同源或異源二聚體形式將脂肪酸輸入過氧化物酶體中。擬南芥只有2種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白屬于ABCD亞族[49]，其中AtPMP2的功能是將脂肪酸運(yùn)輸進(jìn)入過氧化物酶體以進(jìn)行β-氧化和乙醛酸循環(huán)，種子中該基因的突變將導(dǎo)致萌發(fā)缺陷。而AtPMP1是質(zhì)體半轉(zhuǎn)運(yùn)子蛋白，其功能有待進(jìn)一步研究[3]。

3 展望

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族龐大、功能廣泛。水稻、擬南芥等模式植物基因組的測(cè)序完成極大地促進(jìn)了ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的發(fā)現(xiàn)與研究，并且近年來逐漸開始在其他的一些物種如小麥、大豆、銀杏、東北紅豆杉等植物中克隆出了ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因。但是對(duì)于整個(gè)大家族來說，已有的研究還是微不足道的。與動(dòng)物ABC基因的研究相比，克隆出的植物ABC基因甚少，尤其在木本植物中。而且研究的物種仍比較單一，已克隆基因的功能大部分還未闡明。目前對(duì)一些植物如擬南芥中的幾個(gè)ABC蛋白亞族的結(jié)構(gòu)與功能已經(jīng)有了較深入的研究，但是我們不能簡單地將一種生物體中獲得的研究結(jié)果直接應(yīng)用于其他的生物體中，因?yàn)楦髦参矬w中的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不盡相同。如在擬南芥和水稻中，PDR亞族在數(shù)量上便差異顯著，說明不同植物體的代謝途徑多樣性可能造成了其轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)功能千差萬別。此外，絕大部分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的底物尚未確定，同種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能具有多種不同的底物。因而我們還遠(yuǎn)不能整體觀察ABC基因家族，而需要借助生物信息學(xué)、遺傳學(xué)等方法研究各族ABC基因的功能，或者異源性表達(dá)研究其功能和相應(yīng)底物，亦可以通過基因序列相似性比較研究發(fā)現(xiàn)基因功能的相關(guān)性。

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