植物細(xì)胞器中蛋白質(zhì)質(zhì)量控制的研究進展和未來展望

羅海霞，安 銀，戴 星，王順莎，郭自強

（貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，植物生理與發(fā)育調(diào)控重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

蛋白質(zhì)折疊是真核細(xì)胞的一個基本過程，但它也被認(rèn)為是一個容易出錯的過程，細(xì)胞已經(jīng)進化出一個敏感的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)，以最大限度地減少未折疊或錯誤折疊蛋白質(zhì)的積累。當(dāng)植物經(jīng)歷不利的環(huán)境脅迫條件或達到不同的發(fā)育階段時，對蛋白質(zhì)折疊的需求發(fā)生變化，并且必須迅速去除錯誤折疊或受損的蛋白質(zhì)以防止聚集和毒害?！暗鞍踪|(zhì)質(zhì)量控制”最初僅指保護內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中分泌蛋白和膜蛋白正確折疊和組裝的過程（Hurtley and Helenius，1989），如本文所述。產(chǎn)生正確折疊的蛋白質(zhì)和消除受損和錯誤折疊的蛋白質(zhì)之間的平衡被稱為蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)或蛋白質(zhì)平衡。蛋白沉積網(wǎng)絡(luò)確保蛋白質(zhì)的正確翻譯、構(gòu)象和亞細(xì)胞定位，這些對于細(xì)胞分裂、增殖和在不斷變化的生長條件下的生長至關(guān)重要。植物細(xì)胞包含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、葉綠體、線粒體、液泡和過氧化物酶體；每一個細(xì)胞器都有一個獨特的蛋白質(zhì)補充物來支持不同的功能，如蛋白質(zhì)合成、代謝、光合作用和能量產(chǎn)生。盡管葉綠體和線粒體都有各自的基因組，分別編碼～85 和～50個額外的蛋白質(zhì)，但大多數(shù)細(xì)胞器蛋白質(zhì)是在細(xì)胞核中編碼的。蛋白質(zhì)體內(nèi)平衡過程中不同細(xì)胞器和細(xì)胞核之間的協(xié)調(diào)對于維持植物細(xì)胞在發(fā)育和環(huán)境反應(yīng)過程中的動態(tài)蛋白質(zhì)平衡至關(guān)重要。在多次不成功的蛋白質(zhì)折疊嘗試后，折疊循環(huán)終止，錯誤折疊的蛋白質(zhì)被選擇通過蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑降解。錯誤折疊的蛋白質(zhì)的積累以及新合成的和預(yù)先存在的蛋白質(zhì)的聚集可能對細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)折疊需求超過蛋白質(zhì)折疊能力時，未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)可能積累，并且未折疊的蛋白質(zhì)反應(yīng)（UPR）被激活以增加伴侶蛋白和折疊催化劑、蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解的成分和自噬的水平。鑒于每個蛋白質(zhì)質(zhì)量控制步驟的不同方面，用于修復(fù)錯誤折疊、未折疊或受損蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)機器應(yīng)該優(yōu)先用于蛋白質(zhì)降解的蛋白質(zhì)機器，因為修復(fù)、再折疊是減少植物細(xì)胞器中錯誤折疊、未折疊蛋白質(zhì)數(shù)量的更節(jié)能的方法。本文旨在總結(jié)近年來我們對植物細(xì)胞器中蛋白質(zhì)質(zhì)量控制以及蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)過程中不同細(xì)胞器與細(xì)胞核之間通訊的研究進展。

1 ER中的蛋白質(zhì)折疊

傳統(tǒng)的分泌途徑始于胞質(zhì)溶膠合成的跨膜和分泌蛋白通過Sec61 轉(zhuǎn)位子復(fù)合物轉(zhuǎn)運到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，然后由囊泡轉(zhuǎn)運到高爾基體，分泌蛋白被轉(zhuǎn)運到質(zhì)膜或細(xì)胞外基質(zhì)。一些液泡蛋白也通過晚期內(nèi)體從高爾基體轉(zhuǎn)移到液泡中。在擬南芥中，大約三分之一的蛋白質(zhì)被預(yù)測與分泌途徑中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或其他細(xì)胞器相關(guān)。一旦帶有中間信號肽的新生多肽通過易位機制進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，利用分子伴侶/共分子伴侶、N-糖基化和二硫鍵形成，幾個蛋白質(zhì)折疊過程立即開始。結(jié)合蛋白（bip）是熱休克蛋白70 家族的成員，是新生蛋白進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔時與新生蛋白相互作用的主要伴侶。

1.1 bip防止蛋白質(zhì)聚集

bip防止蛋白質(zhì)聚集，并幫助非自然展開的蛋白質(zhì)獲得其正確折疊的狀態(tài)。作為一種ATP 酶，bip經(jīng)歷了蛋白質(zhì)結(jié)合和ATP水解的循環(huán)；其他輔因子如DnaJ蛋白與結(jié)合ATP的bip相互作用，催化ATP 水解。bip1bip2bip3 三重擬南芥突變體中三個bip基因的失活導(dǎo)致花粉死亡，而低階突變體在受精過程中顯示花粉管生長減少。

1.2 OsERdj7與蛋白質(zhì)折疊

OsERdj7 是水稻中含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)域的DnaJ 蛋白之一，在水稻中充當(dāng)Hsp70的共伴侶。水稻胚乳中OsERdj7的下調(diào)損害內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白折疊，并導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中醇溶蛋白的不正確沉積，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而不是在野生型種子中觀察到的蛋白體。擬南芥溫敏雄性不育1（TMS1）編碼一種Hsp40 蛋白，它通過DnaJ 結(jié)構(gòu)域與BiPs 相互作用以刺激ATPase 酶活性，TMS1 的突變會損害花粉管的生長。AtERdj3B 還與BiP 相互作用，是生殖發(fā)育所必需的，特別是在高溫下。這些結(jié)果表明了參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)受體蛋白折疊和體內(nèi)平衡的分子伴侶/協(xié)同伴侶對植物發(fā)育至關(guān)重要。

2 蛋白質(zhì)輸入與蛋白酶介導(dǎo)的葉綠體和線粒體降解

葉綠體和線粒體都有內(nèi)共生起源，它們都有相似的基因表達機制、蛋白質(zhì)折疊過程、成熟因子和蛋白酶，所有這些都來自原核起源。帶有N 端靶向信號的葉綠體和線粒體蛋白是在胞質(zhì)核糖體上合成的，并在胞質(zhì)伴侶Hsp70 和Hsp90 的幫助下被運送到各自的細(xì)胞器表面。隨后，葉綠體前體蛋白被表面受體識別，并通過外葉綠體和內(nèi)葉綠體被膜中的轉(zhuǎn)運子復(fù)合體運輸?shù)交|(zhì)中。類似地，線粒體前蛋白通過線粒體外膜（TOM）和內(nèi)膜（TIM）中的轉(zhuǎn)位復(fù)合體轉(zhuǎn)運到線粒體基質(zhì)中（Ghifari et al.，2018）。由于轉(zhuǎn)位蛋白復(fù)合體的孔徑較小，在轉(zhuǎn)位過程中穿過葉綠體或線粒體雙層膜的多肽鏈必須展開。在它們到達葉綠體基質(zhì)或線粒體基質(zhì)后，前蛋白受到蛋白水解處理，在此過程中，它們的前序列被特定的處理肽酶切割掉。得到的N-末端截短的蛋白質(zhì)被進一步折疊或分類，以通過分子伴侶轉(zhuǎn)移到細(xì)胞器內(nèi)的靶標(biāo)，如類囊體膜，生理受損的蛋白質(zhì)會被蛋白酶迅速去除，其中大部分是原核來源的。植物中至少有20 種細(xì)胞器蛋白酶。葉綠體和線粒體中蛋白質(zhì)循環(huán)的主要蛋白酶包括無處不在的AAA+家族的ATP 酶、CLP、FtsH、LON 蛋白酶和DEG 蛋白酶。這些蛋白酶不僅能降解進口蛋白質(zhì)，還能降解質(zhì)體或線粒體編碼的底物。例如，類囊體膜相關(guān)的FtsH 蛋白酶FtsH2 主要作用于降解光損傷的光系統(tǒng)II（PSII）反應(yīng)中心蛋白，如D1和D2。

3 結(jié)論和未來展望

在植物發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)過程中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體和線粒體中蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持已經(jīng)取得了顯著進展，許多植物特異性特征被揭示。盡管如此，我們離全面理解植物中的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)還有很長的路要走。這一領(lǐng)域最重要和最具挑戰(zhàn)性的問題是:在植物細(xì)胞器中如何感知蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)過程中指示不平衡的信號。有證據(jù)表明，膜相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子可以感知、轉(zhuǎn)導(dǎo)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或線粒體中錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累相關(guān)的信號，以調(diào)節(jié)參與這些細(xì)胞器中蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的基因的表達，但其他蛋白質(zhì)是否也可以感知這些細(xì)胞器中錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累目前尚不清楚。

許多植物細(xì)胞器是相互連接的。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是由相互連接的小管和扁平池組成的中心網(wǎng)絡(luò)，與其他亞細(xì)胞隔室相連，如高爾基體、線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、液泡、細(xì)胞核和質(zhì)膜。細(xì)胞器和細(xì)胞核之間建立了實質(zhì)性的交流，從而維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)。如上所述，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累導(dǎo)致細(xì)胞核中下游普遍定期審議相關(guān)基因的調(diào)節(jié)，液泡中蛋白酶活性的增強，胞質(zhì)溶膠中的ERAD，以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)吞噬作用的啟動，以去除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯誤折疊的蛋白質(zhì)。線粒體產(chǎn)生的ROS 激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，然后調(diào)控下游參與清除線粒體ROS的基因。在植物蛋白質(zhì)動態(tài)平衡期間，逆行信號也會觸發(fā)從葉綠體或線粒體到細(xì)胞核的信號。質(zhì)網(wǎng)膜相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子NAC013 和NAC017 能夠整合來自線粒體和葉綠體的活性氧信號，并將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至調(diào)節(jié)基因的線粒體。尚不清楚是否存在更常見的因子來控制這些細(xì)胞器中的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞的后續(xù)命運。因此，今后進一步了解蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)過程中不同細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)是很重要的。

總之，越來越多的證據(jù)表明，多條途徑確保了蛋白質(zhì)的正確折疊，并及時消除了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體和線粒體中錯誤折疊的蛋白質(zhì)。在植物發(fā)育和環(huán)境脅迫響應(yīng)過程中，這些細(xì)胞器和細(xì)胞核之間的多邊通訊信號是維持細(xì)胞器蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)所必需的。了解細(xì)胞器蛋白質(zhì)動態(tài)平衡的潛在分子機制對于進一步提高植物的穩(wěn)健性和抗逆性至關(guān)重要。