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乙烯信号简史 | 乙烯信号开山之作:受体ETR1的鉴定 精选

已有 3920 次阅读 2018-7-9 21:24 |个人分类:乙烯信号转导简史|系统分类:科研笔记| 乙烯信号转导简史, 受体

 李白在《蜀道难》中有“剑阁峥嵘而崔嵬,一夫当关,万夫莫开”的诗句广为流传。在信号通路中,受体是激素分子引起细胞内部反应的第一道关卡。它就好比那当关的勇士,不攻克这一关,任它有千军万马,细胞内也仍是风平浪静,没有丝毫反应。由此可见,受体在信号转导通路中的关键性作用。

我们在上一讲中提到过,1988Bleecker等人在Science上报道了一个乙烯不敏感突变体,当用乙烯处理时,它无法表现出正常的三重反应,如鹤立鸡群一般,高傲地俯视着脚下的野生型,并且在其生长发育的各个时期,所有组织和器官都表现出乙烯不敏感的表型。另外,突变体的乙烯结合能力也大大降低。基于以上结果,作者推测,ETR1很可能在乙烯信号的早期发挥作用,并且可能作为受体发挥作用。

1993年,Elliot M. Meyerowitz实验室和Bleecker合作,在Science上发表了一篇文章Arabidopsis Ethylene-Response Gene ETR1: Similarity of Product to Two-Component Regulators。他们通过染色体步移(Chromosome walking)的方法,成功克隆到了ETR1基因。ETR1位于一号染色体的末端,编码了738个氨基酸。序列比较发现,和野生型比,etr1-1突变体中ETR1基因的N端一个碱基的替换导致氨基酸发生C65T的突变。


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通过染色体步移方法定位到ETR1基因(Chang等,1993

对于ETR1表达模式的分析发现,该基因在拟南芥的根、茎、叶、花和幼苗中都有表达,并且不存在可变剪切。此外,乙烯处理不影响ETR1 mRNA的表达。以ETR1基因片段和拟南芥基因组杂交,可检测到多个片段,说明拟南芥基因组可能编码多个和ETR1序列类似的类似基因。在此后的研究中,科研工作者们慢慢揭示了乙烯受体家族复杂的功能分化,我们后续再讲。ETR1蛋白分析结果表明,其N端没有发现保守的结构,但是C端和参与原核生物信号转导的双组份系统具有很高的相似性,暗示着它们可能具有相似的作用机制。

etr1-1基因组序列转化到拟南芥中,可引起转基因黄化苗出现乙烯不敏感的表型,而转化正常ETR1基因的转基因植株的乙烯反应正常,说明etr1-1突变体的表型确实是由于ETR1基因的突变导致,这就敲实了ETR1在乙烯信号中的功能。

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etr1转基因株系的乙烯反应表型(Chang等,1993

1995年,BLeecker实验室报道,在从拟南芥中提取ETR1蛋白时,提取出来的蛋白的大小总是为147kD左右,而根据基因的CDS预测的蛋白大小是79kD左右,二者存在着约两倍的关系。同时,当从异源表达ETR1的酵母中提取蛋白时,也出现类似的情况。可是,当用还原剂二硫苏糖醇处理后,蛋白大小即可变为79kD,说明ETR1蛋白可能通过二硫键形成二聚体。将ETR1蛋白分段研究发现,其N端参与了二聚体的形成。将N端的半胱氨酸分别进行点突,发现第4位和第6位的半胱氨酸介导了二聚体的形成。

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ETR14位和第6位的半胱氨酸介导了二聚体的形成(Schaller等,1995

1999年,Bleecker实验室再次在Science上发文A Copper Cofactor for the Ethylene Receptor ETR1 from Arabidopsis,报道了铜离子可作为辅助因子和ETR1N端结合,影响ETR1与乙烯的亲和性。另外,文章中还揭示了etr1-1突变的分子机制:etr1-1中的点突变导致蛋白无法和铜离子结合,进而导致和乙烯的亲和性降低,无法识别和传递乙烯信号,导致乙烯不敏感的表型。

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铜离子作为ETR1的辅助因子影响乙烯的亲和性(Rodrıguez等,1999

虽然ETR1基因早在1993年就已经被克隆了,但是限于当时的技术手段,ETR1蛋白的亚细胞定位一直是个不解之谜。通过蛋白结构分析发现,ETR1 N端含有一个跨膜结构域,但是序列分析并未为其亚细胞定位提供任何可参考的信息。直到2002年,G. Eric Schaller实验室在THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY 杂志上发表题为Localization of the Ethylene Receptor ETR1 to the Endoplasmic Reticulum of Arabidopsis的文章,综合使用了双水相萃取、蔗糖梯度离心和免疫电镜等技术,确定ETR1蛋白主要定位在内质网上,该定位主要由其N端决定。并且,乙烯的结合并不会改变ETR1的亚细胞定位。

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免疫电镜显示ETR1定位在内质网上(Chen等,2002

看完ETR1的研究历史,不仅感慨,小小的一个基因,竟然需要多个实验室合作,花费了近十年的时间才研究清楚它的基本功能。以今天的观点来看,简直有点不可思议。归根到底,主要原因是当时的实验方法和实验工具还比较落后。再看看我们现在的科研环境,要做某一方面的研究,成熟的体系都是现成的,这就大大加快了我们的研究进程。

当然,凡事有利就有弊。上世纪末,克隆出一个基因就能发个CNS级别的文章,而现在我们即使把功能做得非常深入,能发个CNS的子刊就不错了。唯一不变的是,每一篇文章背后,都蕴藏着科研人员大量的心血和汗水。所以,当我们读每一篇文献时,请心怀敬畏。

参考文献

Bleecker, A. B., Estelle, M. A., Somerville, C., & Kende, H. (1988). Insensitivity to ethylene conferred by a dominant mutation in Arabidopsis thaliana. Science241(4869), 1086-1089.

Chang, C., Kwok, S. F., Bleecker, A. B., & Meyerowitz, E. M. (1993). Arabidopsis ethylene-response gene ETR1: similarity of product to two-component regulators. Science262(5133), 539-544.

Schaller, G. E., Ladd, A. N., Lanahan, M. B., Spanbauer, J. M., & Bleecker, A. B. (1995). The ethylene response mediator ETR1 from Arabidopsis forms a disulfide-linked dimer. Journal of Biological Chemistry270(21), 12526-12530.

Rodrıguez, F. I., Esch, J. J., Hall, A. E., Binder, B. M., Schaller, G. E., & Bleecker, A. B. (1999). A copper cofactor for the ethylene receptor ETR1 from Arabidopsis. Science283(5404), 996-998.

Chen, Y. F., Randlett, M. D., Findell, J. L., & Schaller, G. E. (2002). Localization of the ethylene receptor ETR1 to the endoplasmic reticulum of Arabidopsis. Journal of Biological Chemistry277(22), 19861-19866.


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2 陈刚 王庆浩

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