植物冷激蛋白的研究概况

摘 要：在植物体内合成的特定低温应激蛋白中，多数已经被鉴定。近年来，研究的焦点主要集中在几种特殊类型的冷激蛋白，其中，植物抗冻蛋白保护细胞免受冰晶破坏，分子伴侣和脱水蛋白在冷胁迫期间保护细胞大分子不受损伤，线粒体内解偶联蛋白的氧化和磷酸化过程，可以使植物保持高于0℃一段时间，为随后适应低于0℃的环境做充分的准备。

关键词：植物；冷激蛋白；应激蛋白

中图分类号 Q946 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）22-0017-03

Abstract：In the plant，specific low temperature stress protein synthesized by the plant most have been identified. In recent years，the focus of the research is mainly concentrated in some special types of cold shock protein，such as the plant antifreeze proteins to protect cells from ice crystals，molecular chaperone and dehydration proteins to protect cell macromolecular damaged during cold stress，mitochondrial uncoupling protein oxidation and phosphorylation in process，will keep plants above 0℃ for a period of time，in order to adapt then below 0℃ environment.

Key words：Plant；Cold shock protein；Stress protein

植物适应低温的过程，是一个多种生化机制共同作用的结果，其中许多机制已经进行了深入的研究。这些机制包括脂质和磷脂的代谢，不饱和脂肪酸[1]和的糖积累。这些代谢过程阻止植物细胞内的冰致死[2]。

所有这些机制都拥有一个共同的特点，就是有多种多样酶蛋白的参与。这些酶包括磷脂酶和脱氢酶参与的脂质代谢[3-4]，蔗糖合成酶参与的细胞内蔗糖的生物合成。植物冷适应特性正式通过改变这些酶的生物合成和活性来实现的，最终，都涉及到这些酶基因表达调控的改变[5-6]。低温胁迫在抑制植物持家基因表达的同时诱导应激蛋白的生物合成[7]。大量的研究表明，冷激蛋白不仅参与了植物细胞防御机制的形成，在植物耐受寒冷胁迫过程中也具有重要作用。

1 抗冻蛋白

植物在低温下，特别是在低于0℃的温度下合成的蛋白质具有一个特殊的功能，就是防止细胞内冰晶的形成。虽然低温下植物细胞内阻止冰核生长主要是由于糖类的积累[8]，但在低温胁迫期间合成的特异性蛋白也影响了冰核和冰晶的生长。例如，冬黑麦的叶片合成的一种分泌到液泡和细胞间质中的蛋白质，就改变了冰晶生长的类型，并降低了细胞质的冰点温度[9]。冬黑麦能够具有这样的耐冻性，主要是由于合成了许多分子量在15～109kD的蛋白。免疫学分析表明这些蛋白质的定位于叶肉细胞的外细胞壁的表面，木质部导管的次生细胞壁，并在表皮细胞的细胞壁。由于黑麦抗冻蛋白定位在可能的细胞接触位点，其功能是作为一个屏障，防止冰冻影响细胞和抑制结晶的生长。研究发现，冬小麦中第五号染色体控制了抗冻蛋白的生物合成和其抗寒性的提高[10]，通过SDS-电泳和免疫印迹确定了两个抗冻蛋白，分子量分别为32kD和35kD，它们位于叶肉细胞的细胞壁和木质部导管中。在进过冷适应的叶片中，这些蛋白质定位在粗面内质网，高尔基体，质膜的囊泡[11]。这些研究结果表明抗冻蛋白是通过胞外分泌途径被定位在合适位点的。在植物体内同样也能够发现分子量是25、32和35kD的蛋白，但这些蛋白的与抗冻蛋白的定位是完全不同的，同时这些蛋白质对植物耐受低温胁迫也不起任何作用。

2 分子伴侣与脱水蛋白

植物在低温胁迫期间合成的蛋白质具有另一个重要功能，就是对由细胞脱水诱导损伤大分子的保护。最初，分子伴侣的作用被认为是帮助其它蛋白质形成正确的空间立体Y构[12]。后来，分子量是60、70和90kD的分子伴侣被发现是热激蛋白[13]，另一些分子伴侣为冷激蛋白。

大肠杆菌内的一个分子伴侣表现出丙基异构酶的活性，它与核糖体新生多肽相连接，结合形成CPN60（伴侣蛋白60）。与大多数伴侣不同，它是一个热激蛋白，其生物合成受到一个触发因子的影响，在温度从42℃逐渐降低到16℃的过程中，它的表达量反而升高了。研究表明，这个触发因子是一个冷激蛋白。这一研究结果表明，虽然热激蛋白是在高温下对细胞起保护作用，但是其生物合成受到冷激蛋白的触发[14]。

在春小麦和冬小麦中，低温驯化在相当大的程度上影响了脱水蛋白和胚胎发育晚期丰富蛋白质（LEA）的表达[15]。脱水蛋白的主要功能是稳定大分子结构，这一功能与蛋白伴侣的作用非常相似[13]。从9月至11月，冬小麦细胞内的脱水蛋白含量比春小麦中的显著增高。经过这样的冷适应过程，冬小麦细胞内积累了大量的脱水蛋白，并使得冬小麦表现出很强的耐寒性[16]。

冬小麦中的冷激蛋白（WCS120）是在冷适应的过程中得到积累的[17]。这些蛋白质是谷类作物特有的，通过低温控制其在细胞内的含量。免疫学研究表明，50kD的WCS120至少涉及了5个WCS120家族[17]。同时，利用Western blotting研究WCS120蛋白质的含量和细胞内定位表明，这些WCS120家族都定位在细胞质和细胞核内，在其他的细胞器和细胞壁上没有发现。这些研究结果表明，WCS120的主要具有两个生物学功能，一个是保护细胞内的生物大分子，另一个是在细胞核内保护基因的转录过程。WCS120的高含量、高亲水性以及其对热的抗性，推测其在低温环境中可以给细胞内的生物大分子提供一个特定的微环境使细胞能够抵抗低温胁迫和冰冻胁迫。

利用Western blotting和Southern blotting技术对中国春小麦着丝粒端wcs120基因进行杂交研究，表明该基因在所有受试小麦品种中定位于6号染色体的长臂端。这一结果表明，wcs120基因定位于6DL染色体，并使得6A染色体同源基因沉默[18]。

研究发现，在哺乳动物和细菌中，一些与DNA和RNA结合的CSP也是一种伴侣分子，特别是其中的CSPA注意作用于RNA[19]。并且，他们之间的结合不是序列特异性结合：CSPA与RNA序列中超过74个核苷酸长度的序列都会发生结合作用，从而阻止RNA在低温下形成的二级结构。这一功能很有可能对mRNA在低温下进行正常的翻译起到了很好地保护作用。

许多细菌的CSP是RNA和DNA的调节蛋白，例如，大肠杆菌中的CSPA[20]，枯草芽孢杆菌中的CSPB、CSPC和CSPD，这些CSP都具有核苷酸结合结构域（冷休克域，CSD）。目前，已对RNA结合应激蛋白进行了大量研究，例如鱼腥草中的RBPA1，大麦中的HAVGRP3。同时，越来越多的研究表明，与RNA结合的CSP不仅在转录水平，而且在转录后水平对基因的表达起了重要的调控作用[21]。

3 解偶联蛋白（UCP）

冷激蛋白另一重要功能就是使机体对外界环境温度变化产生防御能力，它可以在植物遇到低温的第一时间提供短暂的热量，以使植物可以有冷适应的准备时间。这一保护机制与线粒体氧化磷酸化的解偶联机制密切相关，在哺乳动物中以发现3个解偶联蛋白：UCP1，UCP2，UCP3[22]。同样的在马铃薯、冬黑麦、番茄、玉米及各种植物的果实中也发现了这3个蛋白。将氧化磷酸化过程与电子在呼吸链的传递过程解偶联，可以释放出一定的热量，植物就可利用这些热量对机体进行温度调节。冬小麦在遇到霜冻时，正是通过将氧化磷酸化过程与电子在呼吸链的传递过程解偶联，从而产生了热量，使冬小麦幼苗可以经历寒冬。研究表明，在冬小麦中这一耐受低温机制是由分子量为310KD的CSP控制的，在低温环境中，CSP310作为诱导解偶联的调控因子发挥功能[20]。

目前，在人、哺乳动物和植物的线粒体中都已发现有解偶联蛋白，这些蛋白的主要作用都是将线粒体中的氧化磷酸化解偶联。所有已知的UCP均属于线粒体内蛋白家族，且是定位于线粒体内膜的膜蛋白[21]。人类及哺乳动物线粒体内含有UCP1、UCP2和UCP3，而植物线粒体内含有PUMP、StUCP和CSP310。

UCP1，早前被称为UCP或产热素，是一个典型的线粒体UCP蛋白，其定位于于哺乳动物的褐色脂肪组织。这个33kD的蛋白质是由核基因组编码的，由360个氨基酸组成的单体蛋白，发挥功能的时候形成了蛋白质二聚体[22]。哺乳动物棕色脂肪组织是已知的专门产生附加热量的组织。线粒体内膜包含有大量的UCP1，从而使脂肪组织呈现棕色。UCP1的主要作用是横跨线粒体内膜，作为质子进出线粒体的载体，在这一质子进出线粒体的过程中，嘌呤核苷酸起阻碍的作用，而脂肪酸起加速的作用[20-21]。激活的UCP1是质子返回线粒体基质空间的媒介，其结果是氧化磷酸化解偶联，代谢产生的能量以热的形式散放出来。

目前有两种模型解释脂肪酸对UCP1的刺激作用。第一种模式认为UCP1是质子载体，脂肪酸是其变构调节剂；第二种模式认为UCP1是一种能够促进脂肪酸阴离子跨膜易位的化合物[22]。通过UCP1的作用，脂肪酸发挥了其解偶联的功能，脂肪酸阴离子保留在膜和水相之间的界面处，羧基朝向的水相，亲脂的“尾巴”朝向膜的内侧疏水区域。这也很好地解释了为什么脂肪酸阴离子很难穿过膜，而其中性和阳性离子却能够很容易穿越生物膜[22]。

冷激蛋白与这些典型的解偶联蛋白具有一些显著的差异。典型的解偶联蛋白往往是结合在线粒体内膜上，而冷激蛋白通常是一种细胞质蛋白。虽然冷激蛋白的解偶联活性机制尚未明确，但很明显，它与其他膜结合型解偶联蛋白的机制是完全不同的。CSP310最初是从冬黑麦幼苗中分离的一个胞质蛋白，它的解偶联作用机制目前仍然不确定，但是明显与UCP的解偶联机制是不相同的。

综上所述，在植物体内存在3种类型的冷应激蛋白：冷激蛋白，保护细胞免受冰晶损坏；蛋白伴侣和脱水蛋白，防止生物大分子在冷适应过程中变性失活；解偶联蛋白，使植物可以在冰点以下维持生长一段时间，为冷适应过程争取时间。

⒖嘉南

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（责编：张长青）