植物原生质膜的糖转运蛋白

植物原生质膜的糖转运蛋白 2 + Plant Physiol , 1993 ,103?713,718 and a halophyte . Caand NaCl stress on the ion relations and intracellular p H 31 37 Low R , Rocked B , Krish M et al . Early salt stress effects on of Sorghum bicolor root tips : an in vivo P2NMR study. J + Exp Bot , 1994 ,45?1037,1044 the differential expression of vacuolar H 2ATPase genes in 章文华 ,刘友良. 盐胁迫下钙对大麦和小麦离子吸收分 roots and leaves of Mesembryanthemum crystallinum . Plant 42 + 配及 H 2ATP 酶活性的影响. 植物学报 ,1993 ,35?435, Physiol , 1996 ,110?259,265 2 + 440 邱全胜 ,苏雪峰 ,杨福愉. 跨膜 Ca梯差对大豆下胚轴 38 + Sun DY , Li HB , Cheng G. Extracellular CaM accelerates the 质膜 H 2ATPase 活力的影响. 生物物理学报 ,1997 ,13 ? 43 proliferation of suspension2cultured cells of Angelica dahurica . 399,404 Plant Science , 1994 ,99?1,8 Sekler I , Weiss M , Pick U. Activation of the Dunaliella aci2 39 + Tarczynski MC , Jense RG , Bohnert HJ . 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Interactions of Intl Cong Plant Mol Biol , Amsterdam , 1994 . 1984 41 1植物原生质膜的糖转运蛋白 ()曹仪植兰州大学生物系 ,兰州 730000 ()杨素铀西北师范大学生物系 ,兰州 730070 Suger Transporters of Plant Pla sma Membranes ( )CAO Yi2Zhi Department of Biology , L anzhou University , L anzhou 730000 ( )YANG Su2You Department of Biology , Northwest Normal University , L anzhou 730070 提要 高等植物光合细胞同化的糖类由质外体 合成蔗糖等有机同化物 。然后 , 同化的碳在 + 途径穿过原生质膜转运时 , 利 用 H 2ATPase 形 成 的 非光合器官 、发育着的组织或贮藏器官之间 质子电化学势差促进糖逆电化学势进行共转运是由 进行分配 。 糖转运蛋白介导的 。文中对近年来植物原生质膜单 叶子对同化物的贮藏能力是有限的 。除 糖和蔗糖转运蛋白的克隆 、鉴定及特性 ,糖转运蛋白 了满足自身对同化物的需求外 ,大部分同化 的组织定位和表达及其与光 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 化物运输和分配的 ( 物 转 运 至 维 管 组 织 的 筛 管 分 子 sieve ele2 关系等方面的研究进展作了介绍 。) ment,进而 经 长 距 离 运 输 , 再 从 筛 管 分 子 进 关键词 原生质膜 糖 转运蛋白入作为“库”的细胞中去 。 一般认为 ,光合同化物进出韧皮部筛管 把植物看成自养性生物是从其整体植株 分子是以两种不同模式转运的 : 一种称为共 的角度来说的 ,但其不同的组织和器官 ,各有 不同的分工 。有些器官作为合成有机同化物 收稿 1998208203 修定 1999206215 的“源”,有些器官接受同化物成为“库”。高 1 甘肃省自然科学基金资助项目 。 等植物通过叶片吸收日光能 ,固定二氧化碳 , + 子电化学势差由 H 2ATPase 泵利用水解 ATP 质体模式 。处在源端具光合活性的叶肉细胞 , 获得的能量生成 。利用质子电化学势差由载 与筛管分子之间通过胞间连丝组成共质体 在库端 筛 管 分 子 又 与 库 细 胞 经 胞 间 连 丝 连 体促进糖逆电化学势梯度主动转运的过程称 + ( ) 接 ,从而同化物从源至库可以不离开共质体 为共转运 cotransport 。当糖与 H 一起同向 ( ) 空间 ,不穿越细胞质膜 。另一种模式称为质 越过膜时 ,则称为共向转运 symport ,参与转 运的载体蛋白称为转运蛋白 。 外体模式 。叶肉细胞合成的同化物装入或卸 出韧皮部筛管分子时都必须经由质膜 ,质膜 第一 个 编 码 植 物 单 糖 转 运 蛋 白 cDNA ( ) ( ) HUP 1是采用分子技术从低等单细胞的小 上有特殊转运蛋白 transporter, 促进有机同 3 ( ) 球藻 Chlorella kessleri 中 克 隆 出 来 的。像 化物的穿膜转运 。 大多数生物学研究领域一样 ,分子克隆技术无论是共质体模式还是质外体模式都有 在研究 糖 转 运 蛋 白 过 程 中 发 挥 了 独 特 的 作 许多实验根据支持 。近年来随着分子生物学 ( 用 。这是因为传统的生物化学方法难以从质 技术的进步 ,许多高等植物糖转运蛋白 包括 ) 膜中分离 、纯化一个蛋白质 ,膜蛋白一般含量单糖和蔗糖的 cDNA 已被克隆 ,有力地推动 ( ) 很少 < 0 . 01 %总蛋白, 而且它只有在疏水 了质外体模式研究的深入开展 。 介质中才能保持活性 ,一旦与周围疏水物质 在农业生产中 ,为了获得高产 ,不仅要设 分离 ,即易失去功能 。此外 ,许多膜蛋白不是 法提高光合作用形成的生物产量 ,而且要通 ( 酶 ,不具有催化化学反应的活性 ,故在分离纯 过一定的措施来提高经济器官 即人们所要 化过程中难以用简易方法 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ,这就更增加 ) 收获 、利用的器官的收获 。因此 ,分离 、鉴定 了分 离 纯 化 的 难 度 。因 此 在 很 长 一 段 时 间 高等植物糖转运蛋白 ,并对其结构和功能进 内 ,除质子泵外 ,在植物质膜中未能分离出转 行深入研究不仅具有深远的理论意义 ,而且 运蛋白 。自从分子生物学技术发展以后 , 许 对提高农作物的经济产量具有重大的实践价 多实验室采用“逆”分子遗传学 ,即从克隆到 值 。本文就植物原生质膜糖转运蛋白的研究 的 cDNA 或基因的核苷酸序列来推测特殊转 进展进行概述 。 运蛋白的氨基酸序列而得到单糖转运蛋白 。 1 单糖转运蛋白与共转运 Hup 1 的 cDNA 克 隆 是 利 用 差 示 筛 选 法 从小细胞质膜系统中存在着具有转运功能的 球藻中得到的 。初筛时 ,从单糖转运诱 导细( ) ( 蛋 白 质 , 其 中 包 括 泵 pump 、通 道 chan2 1 ,2 胞制备的 cDNA 文库中筛选到 8 个互不 相关( ) ) nel、载 体 carrier。在 由 通 道 介 导 的 物 的 cDNA 克隆 , 它们都只在诱 导 的 细 胞 中形质穿膜转运中 ,物质是顺化学势或电化学势 成 。对每个克隆序列测定后发现 , 其中 有一() 梯度进行易化扩散 facilitated diffusion,属于 个 cDNA 克隆的序列与其它生物中已克 隆的被动转运的范畴 。而由载体介导的转运 , 除 葡萄糖转运蛋白有相当的同源性 。然后 利用了有被动的转运过程外 ,往往是耗能的主动 这个序列尚不完整的 cDNA 去克隆出完 整序( 转运过程 ,即把被转运的物质 如糖 、氨基酸 列的 cDNA 。序列分析表明 ,这个由 cD2 ) ( 等逆电化学势梯度的迁移与另一种分子 如 + NA 编码 533 个氨基酸残基组成的蛋白质 ,推) H 顺电化学势梯度的迁移相耦联 , 也就是 断其 M 为 57 400 ,其氨基酸序列与哺乳动物说把一个热力学上不利的过程与一个热力学 r 4 上有利的过程连接起来 。胰岛素调节的葡萄糖载体和酵母 SNF 3 基 5糖穿 膜 转 运 过 程 是 与 质 子 电 化 学 势 差 有 29 %相同 ,从亲水图推断此转运蛋白 因 + (ΔμΗ) 的有效自由能相联系的 ,能量来自膜 有 12 个跨膜区域 。 (Δ(Δ) ) 两侧质子浓度差 p H和电势差 E。而质 为了确定克隆的 cDNA 是己糖转运蛋白 + + 的编码基因以及此转运蛋白属于 H 2己糖共 是一个半乳糖2H 共转运蛋白 。但至 HUP 2 6 转运的载体 ,Sauer 等把小球藻己糖载体全 今尚未发现可以转运像蔗糖或麦芽糖等双糖 长的 cDNA 重组到裂殖酵母表达 载 体 上 , 并 的某种单糖转运蛋白 。 ( ) 把基因接在组成型乙醇脱氢酶启动子 adh 2 蔗糖转运蛋白 后面 ,用此重组 DNA 转化裂殖酵母 。把带有 植物中的蔗糖处于碳同化产物的中心位 己糖载体的酵母细胞和野生型裂殖酵母细胞 臵 ,它既是光合作用碳同化的主要末端产物 , ( 臵于 葡 萄 糖 类 似 物 OMG 32O2methyl2D2glu2 又是同化物运输和分配过程中的主要转运形 ) cose介质中进行各种处理 。结果表明 , 在转 式 。即使在以山梨醇 、棉子糖和水苏四糖作 6化酵 母 中 , OMG 的 累 积 超 过 浓 度 平 衡 点 为同化物运输形式的植物中 ,蔗糖仍然是运 2,3 倍 , 而 对 照 酵 母 最 多 只 接 近 浓 度 平 衡 输流的主要成分 。此外 ,在甜菜和甘蔗中蔗点 ,即对照酵母未能主动转运 OMG。当在介 糖又是主要的贮藏物质 。因此 , 研究同化过 质中加入解偶联剂时 ,转化酵母 OMG 累积立 程中形成的蔗糖如何进 、出筛管分子 ,即如何 即降低并接近浓度平衡点 ,而对照酵母不受 穿过原生质膜运输是众所关注的焦点问题 。 影响 。当在介质中加入乙醇作为代谢所需能 第一个高等植物蔗糖转运蛋白的 cDNA 量提供时 ,转化酵母 OMG 累积增加 8 倍 , 而 12 是 1992 年由 Riesmeier 等 克隆的 。他们取 对照酵母 OMG 累积没有变化 。当在介质中 一个不能转运蔗糖以及不具有转化酶活性的 加入 HCl 使介质 p H 从 6 降至 4 . 1 时 ,转化酵 酵母品系 ,也即不能在蔗糖作为单一碳源上 母细胞 OMG 累积立即迅速增加 ,而对照酵母 生长的酵母品系 ,向这个酵母品系中引入细 无明显变化 。上述结果表明 ,转化酵母细胞 胞质转化酶或蔗糖合成酶 ,使其在有蔗糖进 由于带有己糖转运蛋白基因 ,因此当其表达 入细胞 的 可 能 情 况 下 , 水 解 蔗 糖 进 行 生 长 。 时 ,OMG 累积远高于不带有转运蛋白的对照 酵母 , 说明此 cDNA 确实是编码己 糖 转 运 蛋 但由于这种酵母缺乏蔗糖转运蛋白而不能有 白的 。此外 ,从加入乙醇 ,解耦联剂和 HCl 的 效地从周围介质中吸收蔗糖 ,故仍不能正常处理结果来看 ,此己糖载体是与质子泵有关 生长 ,它是一个蔗糖转运蛋白亏缺的突变体 。 + 的 H 2己糖共转运载体 。 利用这种突变 ,在酵母表达载体中重组的菠 Hup 1 cDNA 克隆经分离和鉴定后 ,这种 菜 cDNA 文库来转化上述酵母突 变 体 , 通 过 来自低等植物小球藻的 Hup 1 用作探针筛选 互补筛选 ,根据在蔗糖作为唯一碳源的介质 高等植物的 cDNA 文库和基因组 文 库 , 结 果 中能否 生 长 的 特 性 筛 选 出 一 个 cDNA 克 隆 , 在拟南芥中克隆了第一个高等植物的单糖转 此克隆编码蔗糖转运蛋白 SoSUT 1 ,它由 525 7 运蛋白 STP 1,这为高等植物单糖穿膜运输 个氨基酸构成 , M为 55 000 。r 研究提供了新的方法 。 在菠 菜 SoSUT 1 克 隆 后 不 久 , Riesmeier无论是 Hup 1 还是 STP 1 蛋白均呈现出 13 等 又采用啤酒酵母互补克隆的方法 ,从马 与来自哺乳动物 、酵母和细菌的转运蛋白有 铃薯 中 分 离 出 蔗 糖 转 运 蛋 白 StSUT 1 ; Sauer+ 同源性 ,并都具有葡萄糖2H 共转运的特性 。 14 8 9 等 先后从拟南 芥 整 体 植 株 构 建 的 文 库 中 ( ) () 以后又从小球藻 HUP 2、烟草 MST 1, 10 ( 克隆了 AtSUC 1 和 At SUC 2 , 从大车前 Plan2( ) ( 蓖麻 HEX 3、拟 南 芥 STP 2 、STP 3 、STP 11 ) tago major的维管束构建的文库中筛选出 Pm) 4中相 继 克 隆 出 单 糖 转 运 蛋 白 。它 们 转 15 SUC 1 和 Pm SUC 2 克隆。 不同高等植物运的糖类可以是葡萄糖 、果糖 、半乳糖等 。但 + 有 些 转 运 蛋 白 具 有 一 定 的 底 物 专 一 性 , 如中已分离的 H 2蔗糖共转 运蛋白具有高度同源性 ,组成转运蛋白的氨2 与 At SUC 2 相似 , 且蔗糖在酵母细胞中累 ( 基酸序列同源性达 63 % Pm SUC 1 与 At SUC积达 200 倍 以 上 。从 表 达 Pm SUC 2 酵 母 品 ) ( 1 相比较至 77 % At SUC 1 与 At SUC 2 相比系中分离出的质膜 ,能与含有细胞色素 C 氧 15+ ) 较。类似的同源性也存在于一些 H 2单 化酶的脂质体膜融合 ,这说明蔗糖累积是由 () 糖共转运蛋白中 ,例如 MST 1 与 STP 1 之间为质子动力 pmf 驱 动 的 , 故 而 认 为 Pm SUC 2 15 + 79 % ,STP 1 与 STP 4 之间为 63 %。值得注 介导 的 蔗 糖 转 运 也 属 于 H 2蔗 糖 共 转 运 性 意的是 ,双糖转运蛋白与单糖转运蛋白氨基 质 。 酸序列之间平均只有 20 %的同源性 。即使是 3 植物组织中糖转运蛋白的定位及与糖运 这样 ,两类转运蛋白的亲水图与来自细菌 、哺 输的关系 乳动物糖转运蛋白的结果相一致 ,即所有克对分离鉴定的糖转运蛋白进行组织细胞隆的植物糖转运蛋白均具有 12 个左右的跨 的定位很重要 ,其结果可用来推测糖转运蛋 膜螺旋 ,其 N 端和 C 端均位于质膜的细胞质 白在糖运输中的功能 。对各种糖转运蛋白氨 2 ,4 ,16 ,17。一侧 基酸序列测定结果表明 ,它们往往有高度同 为了确定已克隆的上述蔗糖转运蛋白是源性 ,但这并不意味着它们有十分相似的组 + 否属于 H 2蔗糖共转运机制 , 研究者们把这 织和细胞定位 。例如一种人肝葡萄糖单向转 些转运蛋白 cDNA 转化到酵母细 胞 中 , 以 观 运蛋白 GLUT 7 有 68 %的氨基酸与另一种肝 葡萄糖单向转运蛋白 GLUT 2 相同 ,但前者定察其表 达 过 程 。例 如 , 把 菠 菜 SoSUT 1 和 马 19 铃薯 StSUT 1 蔗 糖 转 运 蛋 白 的 cDNA 转 化 到位于微粒体 ,而后者定位于质膜。 在研究 酵母中 ,测定转化酵母细胞对糖的吸收 。结特殊糖转运蛋白定位时 , 常采用 12 ,13 , 对 SoSUT 1 和 St SUT 1 蔗糖吸果显示 基因工程手段 ,把糖转运蛋白基因的启动子 - 1- 1 Κβ收的 m 值分别为 1 . 5 mol〃L 和 1 mol〃L , 部分与报导基因2葡萄糖苷酸酶连接 , 并把 在其它测试的糖类中 ,只有麦芽糖对转化有此重组 DNA 转化植 物 , 得 到 转 基 因 植 物 后 , SoSUT 1 和 St SUT 1 的酵母细胞吸收糖有竞 分析糖转运蛋白在转基因植物的不同部位中 + - 1 Κ的表达 。用这种方法对拟南芥 4 个 H 2单糖 争作用 ,麦芽糖的 m 值为 5 和 10 mol〃L 。 此外 ,经 SoSUT 1 和 St SUT 1 的蔗糖吸收是与 共转运蛋 白 基 因 的 表 达 分 析 表 明 , 4 种 蛋 白 酵母细胞能量状态相关联的 ,并且蔗糖的吸 均在十分专一的植物器官中呈现 。其中 ,STP 1 在子房 ,STP 2 在花粉 ,STP 3 在绿叶叶肉细 收被 protonophores 、PCMBS 、焦 碳 酸 二 甲 酯 和 + 胞和花瓣 ,STP 4 在花粉和根中分别表达 。从 苯葡 萄 糖 苷 等 H 2蔗 糖 共 转 运 抑 制 剂 所 抑 制 。SoSUT 1 和 St SUT 1 介导的蔗糖转运属 这里可以看出 ,STP 1 、STP 2 、STP 4 的表达是 + H 2蔗糖共转运机制 。 高度专一的 ,它们表达的组织是植物中属于 异养的非绿色部分 ,这些部分的生长均依赖 此外 ,测定外界 p H 值改变时的拟南芥蔗 糖转运蛋白 At SUC 2 p H 值的活性 ,与 So SUT 于叶子的碳源供给 。 14 20 1 、St SUT 1 一样 ,随外界 p H 降低而增加,Truernit 等用类似的方法也 分 析 了 拟 + 南芥 SUC 2 基因 。转基因拟南芥的表达结果 表明 St SUC 2 也是 H 2蔗糖共转运的转运蛋 白 。当使大 车 前 的 蔗 糖 转 运 蛋 白 Pm SUC 2 指出 , SUC 2 在除花瓣以外的所有 植 物 部 位 的韧皮部中表达 。这表明它能促进同化的蔗 在一个转化酶缺失而不能水解蔗糖的酵母品 18 系中表达时,大车前对 p H 依赖的 Pm SUC糖从质外体空间进入韧皮部的伴胞或筛管分 Physiol , 1995 ,107?33,41 子 ,进而长距离运输到库组织中去 。此外 ,在 + 9 Sauer N , Stadler R. A Sink2specific H / monosaccharide co2 一般不存在韧皮部装载的库组织韧皮部 , 如 transporter from Nicotiana tubacum : cloning and heterologous 根 、子房 、花丝中也发现有 SUC 2 表达 。这表 expression in baker′s yeast . Plant J , 1993 ,4?601,610 明 SUC 2 不 仅 在 韧 皮 部 装 载 中 起 糖 转 运 作Weig A , Franz J , Sauer N et al . Isolation of a family of cD2 10 NA clones from Ricinus communis L . with close homology to 用 ,而且在库组织的卸出中也具有一定功能 。 the hexose carriers. J Plant Physiol , 1994 ,143?178,183 13 马铃薯叶切片原位杂交实验指出, St Roitsch T , Tanner W. expression of a sugartransporter gene 11 SUT 1 在小叶脉中表达 ,这说明它具有韧皮部 family in a photoautotrophic suspension culture of Chenopodi2 21 um rubrum L . Planta , 1994 ,193?365,371 装载的功能 。Riesmeier 等在构建 St SUT 1 Riesmeier J W , Willmitzer L , Frommer W. Isolation and char2 12 的反义 RNA 取得转基因植物时发现 ,由于减 acterization of a sucrose carrier cDNA from spinach by func2 低了 St SUT 1 表达蛋白的水平 , 影响到糖由 tional expression in yeast . EMBO J , 1992 ,11?4705,4713 叶子的输出 ,以致叶中可溶性碳水化合物和 Riesmeier J W , Hirner B , Frommer WB. Potato sucrose trans2 13 porter expression in minor veins indicates a role in phloem 淀粉含量增加 ,根生长受阻 ,马铃薯块茎产量 loading. Plant Cell , 1993 ,5?1591,1598 下降 。由此使人不免产生联想 : 如果它在组 Sauer N , Stolz J . SUC 1 and SUC 2 : two sucrose transporters 14 织中超量表达 ,是否会增加马铃薯块茎的产 from Arabidopsis thaliana ; expression and characterization in 量呢 ? 值得研究 。 baker′s yeast and identification of the histidine2tagged protein. Plant J , 1994 ,6?67,77 参考文献 Sauer N , Baier K , Gahrtz M et al . Sugar transport across the 15 plasma membranes of higher plants. Plant Mol Biol , 1994 , 1 刘安西 ,陈守同. 细胞膜离子通道. 北京 : 中央民族学院 26?1671,1679 出版社 ,1990 . Davies A , Meeran K , Cairns MT et al . Peptide specific anti2 16 2 Bush DR. Proton2coupled sugar and amino acid transporters in bodies as probes of the orientation of the glucose transporter in plants. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol , 1993 , 44 ? the human erythrocyte membrane . J Biol Chem , 1987 ,262? 513,542 9347,9352Sauer N , Tanner W. 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