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植物油体及其相关蛋白的研究进展

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第4期 华中农业大学学报 Vo1.27 No.4 2008年8月 Journal of Huazhong Agricultural University Aug.2008,558 ̄563 植物油体及其相关蛋白的研究进展 丁 勇D 徐春雷 ’ 甘 莉 (”西南林学院资源学院,昆明650224;。’华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室,武汉430070) 摘要油体是植物种子贮脂的亚细胞颗粒,作为植物体中最小的细胞器贮存脂类(主要为三酰甘油),为随 后的生命活动及活跃的代谢过程提供能量。油体结合蛋白是依附于油体表面的一类蛋白质,包括油质蛋白、油 体钙蛋白、油体固醇蛋白一A和油体固醇蛋白B。本文综述了植物油体的亚细胞结构、化学组成、大小及其类型, 油体结合蛋白的结构特征与功能及其编码基因的表达调控等的研究进展。讨论了植物油体作为一种新型植物 生物反应器在生物工程上的应用前景和存在的问题。 关键词植物油体;油质蛋白;油体钙蛋白;油体固醇蛋白 中图法分类号Q 513.5 文献标识码A 文章编号 1000~2421(2008)04—0558—06 植物油作为营养贮存物质积累于植物种子中, 主要以甘油三酰的形式存在。植物种子中贮存的营 1 油 体 养物质还包括蛋白质和碳水化合物,而脂类是植物 1.1油体大小、组分及类型 种子贮藏能量最有效的形式。生物体将脂类贮存于 油体是植物体中最小的细胞器,直径一般为 植物种子的亚细胞器颗粒——油体中为随后的生命 0.5~2.5肚m,也有直径较大的油体,如可可(Theo— 活动及活跃的代谢过程提供能量和碳水化合物。油 broma cacao)的油体为7/ ̄mEa]。油体大小和化学组 体存在于几乎所有积累油的植物组织中,在油料种 分的含量根据植物种类的不同会有很大差异(表 子中,甘油三酰作为最初的能量储备支持种子萌发和 1)_4],且受营养和环境的影响。即使在同一粒种子 幼苗的前期生长。油体在种子发芽及发芽后幼苗的 的不同组织细胞中,油体的大小也不相同。植物油 生长过程中被迅速水解,其中的甘油三酰水解为甘油 体因富含甘油三酰通常被称为储藏细胞器,在许多 和脂肪酸,二者在幼苗生长时被转化成碳水化合物。 产油种子或果实的细胞质中均有发现,甚至在非储 随着分子生物学与基因工程的快速发展,植物 藏组织中,只要在合适的发育阶段都能检测到细胞 油体在生物工程上的应用越来越广泛。由于种子油 质油体的存在,如块茎、各类型叶片、根、真菌或细菌 体在基因工程上的应用是通过油体结合蛋白来实现 侵染的根瘤、花药、花粉粒和鳞茎等l_5]。除了细胞质 的,所以对植物油体结合蛋白的研究日益受到人们 油体,在许多植物细胞叶绿体、油质体和有色体中还 的重视。油体结合蛋白在芝麻、油菜、水稻和拟南芥 发现有质体油体l_6]。植物器官中油体最广泛积累于 等物种中都进行了一定的研究,关于植物油体结合 种子中,几乎所有的植物种子都含有细胞质油体。 蛋白参与脂类的代谢及其调节已有报道_1 ]。有关 1-2油体的结构特征 植物油体的亚细胞结构、化学组成及其生物学功能 植物油体由大量的中性脂肪(主要为甘油三酯) 的研究对于进一步研究植物油体在生物工程上的应 和少量的磷酯质及蛋白质组成。Tzen等l_4 提出植 用价值有着重要的理论和实践指导意思,同时为开 物种子油体的构造模型(图1),认为油体内部主要 发油体结合蛋白在生物技术及生物化学上的应用价 为三酰甘油酯的液态基质,外部则为磷脂单分子层 值提供科学的依据。本文综述了植物油体及其结合 (phospholipids,PI )及嵌人其内的油体结合蛋白组 蛋白的研究进展。 成的半单位膜。油体表面还有油体结合蛋白可能结 收稿日期:2007—11-16 *国家自然科学基金资助项目(30170600)、湖北省自然科学基金项目(2OO1ABD113)和云南省重点建设专业西南林学院林学专业项目资助 **通讯作者.E-mail:ganli@mail.hzau.edu.cn 丁勇,男,1979年生,硕士.工作单位:西南林学院资源学院,昆明650224.E-mail;dingding7788@126.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 丁勇等:植物油体及其相关蛋白的研究进展 表1不同物种的种子中油体的大小和化学组成 Table 1 Average diameters and the amounts of various chemical constituents of oil bodies isolated from the seeds of various species 1)0.13 和1.47 分别是新鲜种子和贮藏数月后种子油体中的FFA含量The FAA contents in oil bodies of fresh seeds and seeds stored several months are 0.13%and 1.47 ,respectively 合的各种因子,如钙离子、固醇类物质和辅酶因子 Oleosin基因及其表达等内容研究得较多,已有文 等。半单位膜的基本单位是由13个PL分子和1 献[7。。。进行了详细介绍。用不同的方法分离多种植 个油体结合蛋白分子组成。但油体作为植物中最小 物油体蛋白时,发现除Oleosin外植物油体中还含 的细胞器,预测其结构可能较以上描述的更加复杂。 有少量的其它蛋白。Chen等[11_用免疫标记法确定 了植物油体中另外3种微量的Sop蛋白,即Sop1、 Sop2和Sop3。Sop1因与钙结合蛋白同源,具有结 合钙离子的EF-手(EF-hand)保守域,并类似Oleo— sin与油体相结合等特性而被命名为油体钙蛋白 (Caleosin)。Sop2和Sop3因与结合固醇的脱氢还 原酶具有很高的同源性且都能够结合固醇类物质而 被分别命名为油体固醇蛋白一A(steroleosin-A)和油 体固醇蛋白一B(steroleosin-B)…1 。 2_2油体钙蛋白(Caleosin) 图1种子油体的构造模型 1)油体钙蛋白的结构特征。Caleosin结构类似 Fig.1 The structure model of oil bodies in seeds 于Oleosin,包括3个结构域(图2)[1引。 2油体结合蛋白 2.1油质蛋白(Oleosin) Oleosin是与油体特异性结合的一种碱性蛋白 质,只存在于植物中l5]。Oleosin蛋白分子包括3个 结构域:N一末端两亲性区域(3 ku)、中心疏水性油体 锚定区域(8 ku)和C_末端两亲性a一螺旋区域(4~ 6 ku)E 。中心疏水性的油体锚定区域约占Oleosin 蛋白结构的一半,起到了蛋白与油体问的锚定作用。 N一和C_末端区域暴露在油体表面,能够提供空间位 图2 Caleosin的二级结构 阻和负电斥力来维持油体结构的稳定性。也正因为 Fig.2 The secondary structure of Caleosin 油质蛋白几乎覆盖油体整个表面,所以在种子成熟 ①N一末端亲水性的钙结合区域(11 ku)。包含 过程中以互相积压形式而充满整个细胞的油体从来 1个保守的结合单一钙离子的EF一手模体。 不会聚合。 . ②中间疏水性的油体锚定区域(4 ku)。能与油 Oleosin是油体中发现最早且含量最高的蛋白 体锚定结合,含有1个高度保守的脯氨酸一结(Pro— 质,人们对它的分类、分布、基本组成、结构与功能、 knot)模体。 维普资讯 http://www.cqvip.com 560 华中农业大学学报 第27卷 ③C一末端亲水性的磷酸化区域(12 ku)。含有 保守的蛋白激酶磷酸化位点。 2)油体钙蛋白基因及其表达。Caleosin及其类 似蛋白广泛存在于植物中,在一些低等生物如许多 Caleosin蛋白N一和( 一两末端是亲水性的,Ole— 富积脂肪的真菌和单细胞藻类中也有存在,但不存  ]。Caleosin类型因植物 同而异。 osin蛋白N~和C_两末端是两亲性的,Caleosin和 在于动物中_1eosin基因(GenBank登录号: Oleosin中间油体锚定区域都是疏水性的。Caleo 芝麻中只有1个Caleosin蛋白 sin N一和 一两末端区域的分子质量要比Oleosin的 AF109921),而且只编码1种类型的CalCI O1,GenBank登录号:AAF13743)。拟南芥 大3倍,而Caleosin中间油体锚定区域的分子质量 (Si的Cleosin蛋白是由多基因家族编码的,至少包含 要比Oleosin的小很多。 其中有4个基因是在各种组织中 笔者构建了油菜28.1 ku Caleosin同工型蛋白 了5个基因成员,(GenBank登录号:AAY40837)的高级结构(图3), 微量表达的,】个基因是在胚胎和成熟种子中特异 eosin蛋白也是由多基因 其由3个结构域构成,中间是由2个a一螺旋构成的 性地大量表达。油菜Cale— 脯氨酸一结,两边分别是N一端和C_端结构域。N一端 家族编码的,发育的油菜种子中至少存在3种Caln同工型蛋白,除了Hernandez等口 ]检测到的分 结构域含有EF一手(EF—hand)模体,可以结合1个 osi ku和27 ku Caleosin同工型蛋白外,笔 Ca计,推测Caleosin可能参与由钙离子调控的信号 子质量为25转导途径。G端结构域含有7个磷酸化位点,包含 者应用同源序列克隆法设计同源简并引物,结合 3种磷酸化类型(CK2、MYRISTYI 、TYR)。5个 RT-PCR和RAcE—PcR等技术从甘蓝型油菜中成 n基因(GenBank登录 CK2型磷酸化位点位于第3、166、172、195和第225 功分离克隆了1个Caleosi号:AY966447),该基因能够编码28.1 ku的Caleo— 位氨基酸残基,1个MYRISTYI 型磷酸化位点位 sin蛋白。编码25 ku的Caleosin同工型的基因在 于第182位,1个TYR型磷酸化位点位于第137 油菜种子和根尖中表达,编码27 ku的Caleosin同 位。这些磷酸化位点的存在推测Caleosin在油体 工型的基因除了在种子和根尖外,还在油菜茎和幼 成熟及动员过程中可能起着信号传递作用。中间疏 叶中表达El7 18],而编码28.】ku的Caleosin同工型 水锚定结构域中的脯氨酸结模体和紧接着的两亲 的基因只在种子和茎中表达(另文报道)。 a一螺旋域,如拟南芥中Caleosin同T型AtCI O1氨 3)油体钙蛋白与脂代谢。Caleosin在种子和其 基酸序列的129~165位之间肽段和甘蓝型油菜 它组织中都具有一定的生物学功能,参与膜融合和 28.1 ku Caleosin同工型蛋白中间疏水锚定结构域 脂肪体融合等过程_1 。植物种子和其它组织中,新 中的脯氨酸一结模体及紧接着的N一末端92~114位 生油体是以微小脂肪滴形式在内质网上发生并释放 肽段,可能在Caleosin与油体及双层内质网膜(ER) 到细胞质,再经数轮融合循环,最后形成直径为 的靶向过程中起重要作用。a一螺旋域还能够增加 0.4~2.0 m的成熟油体ll2 。具信号转导作用的 Caleosin蛋白的疏水性,因而可能通过疏水作用增 蛋白质通常含有Ca。+结合域和磷酸化位点域,因此 加种子油体的稳定性04]。 同样具有这2个保守模体结构的Caleosin也可能起 到调节信号转导的作用。含EF-手结构的蛋白质中 EF-手模体几乎都是成对出现的(1对或多对),成对 的ER-手模体能以高度的亲合性与2个ca。+结合, 只含单个EF~手模体的蛋白质只能以很弱的亲合性 结合单个Ca ¨ ,所以1个Caleosin单体很可能是 与同一油体或膜结构上的另1个Caleosin单体结合 形成Caleosin二聚体或顺式缔合物,从而构成1对 EF手模体与2个Ca。+高亲合性结合;同样1个油 体或膜结构上的Caleosin单体也能够与另一油体 或膜结构上的Caleosin单体结合形成反式缔合 物_】 。这种反式相互作用很可能类似于真核细胞 中存在的V—SNARE/t—sNARE和粘连因子参与膜 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 丁勇等:植物油体及其相关蛋白的研究进展 融合作用。脂肪降解和糖原异生发生于脂肪动员代 .3)Steroleosin-A和Steroleosin-B的异同。Ste— 谢过程中,油体可能锚定于乙醛酸循环体促进脂肪 roleosin-A和Steroleosin-B在氨基酸序列上约有 降解、糖原异生的作用,同时还可能参与脂肪的运 4O 的同源性,具有1个保守的辅酶结合亚域和1 输 。 个固醇结合亚域,但两者之间并不能发生免疫生物 2.3油体固醇蛋白(Steroleosin) 学交叉识别反应,依赖的辅酶类型、固醇结合亚域的 1)油体固醇蛋白的结构特征。与Oleosin和 大小和结合的固醇种类也不同。Steroleosin-A在 Caleosin相比,Steroleosin蛋白只包括2个结构区 辅酶工(NAD+)或II(NADP+)存在的条件下都能 域:N一末端油体锚定区域(5 ku)和紧接其后的可溶 表现出酶活性,Steroleosin-B只能在NADP+存在 性的固醇结合脱氢酶区域(34~36 ku)[2 。N一末端 的条件下才能表现出酶活性l2 。脱氢酶活性试验 锚定区域又由2个由12个氨基酸残基组成的两亲 显示Steroleosin-B比Steroleosin-A结合的固醇种 a一螺旋和1个由14个氨基酸残基组成的疏水锚定 类多、结合NADP+的能力强l1 。Steroleosin-A和 结构组成。可溶性的脱氢酶区域又由7条平行的J3一 Steroleosin-B两类蛋白在种子成熟过程中逐渐积 折叠组成,包含1个辅酶Ⅱ(NADP+)结合亚区域和 累,但蛋白质富积的方式不同。Steroleosin-A和 1个固醇结合亚区域,以及两者之间的1个保守的 Steroleosin-B之间的最显著区别可能就是固醇结合 活性位点Ser(S)一(12X)一Tyr(Y)一(3X)一L,ys 亚区域的大小和结合的固醇种类不同。 (K)。不同于Oleosin和Caleosin的疏水油体锚定 4)油体固醇蛋白与脂代谢。许多微生物(如真 区域位于蛋白质的中心,而Steroleosin是通过N一末 菌)都含有胞质油体,胞质油体通常在微生物营养生 端疏水片段将可溶性的脱氢酶区域锚定在油体的表 长过程中开始形成,其含量在休眠和繁殖结构(或器 面。 官)形成过程中显著增加[1 。从啤酒糖酵母生长对 Steroleosin是一种羟基固醇脱氢酶(HSD),具 数期细胞中纯化油体分析其结构说明,微生物胞质 有短链脱氢还原酶典型的特征,如一NSYK一保守位 油体核心为由甘油三酯和固醇酯等量组成的中性脂 点、辅酶结合位点。羟基固醇脱氢酶的生物学功能 质体,外层包裹有蛋白质/脂质单层膜E25]。麦角固 主要是参与由固醇调节的信号转导。Steroleosin与 醇是酵母油体中主要的固醇类成分之一,部分麦角 llJ3一和1713一羟基固醇脱氢酶在氨基酸序列上具有高 固醇合成酶就存在于胞质油体的表面。所以,在种 度同源性,在辅酶NAD(P)存在的情况下,Steroleo- 子油体中是Steroleosin蛋白还是其它未知微量蛋 sin能够氧化雌二醇和糖皮质激素等固醇类物质,表 白参与固醇类物质的合成还有待于进一步研究。 现出1lJ3一和1713一羟基固醇脱氢酶的活性l2 。Ste— 在哺乳动物、两栖动物、植物、酵母、原生动物和 roleosin类似蛋白可能代表了一类脱氢还原酶,属 细菌中,短链脱氢/还原酶代谢的底物范围很广,包 于依赖于辅酶NAD(P)的氧化还原酶大家族中的 括脂族醛、脂族酮、单糖、固醇、前列腺素、黄酮类化 短链脱氢/还原酶家族,它们可通过结合不同类固醇 合物和多环芳香烃l2引。其中一些底物,尤其是羟基 参与由固醇调控的信号转导途径。 固醇脱氢酶催化的固醇类,是真、原核生物中重要的 2)油体固醇蛋白基因及其演化。Steroleosin类 细胞内或细胞间信号分子12 。在植物的种子和叶 似蛋白广泛存在于所有生物体,如植物、动物、微生 片[ 、花粉和花柱l29 中已发现有雌二醇存在。 物和真菌中。芝麻基因组中至少存在着2个Ste- lla一/1lJ3一羟基固醇和类固酮也从植物中得到分 roleosin类似基因l1 ,拟南芥基因组中推测存在8 离l3 。推测这些固醇类物质可能是植物中Sterole— 个Steroleosin类似基因l2引。不同物种种子油体中 osin类似HSD酶的催化底物并起到重要的信号分 的Steroleosin类似蛋白具有高度同源性,如拟南芥 子作用。 Steroleosin类似蛋白AtHSD1与芝麻Steroleosin- 受体前体或胞内分泌的调节机制可能是参与多 A和Steroleosin-B蛋白分别具有约6O 和41 的 种固醇激素的激活或失活反应E31]。例如,糖皮质激 同源性l2 。在系统演化上,不同植物油体中Ste— 素是一种负责调控细胞增殖和分化的固醇激素,它 roleosin类似蛋白是属于同一个HSD系统发育类 在受体前体水平上被llJ3一羟基固醇脱氢酶的两种同 群,不同于哺乳动物中的1713-HSD系统发育类群, 工酶催化来调节自身的组织特异有效性[3 。工型 也不同于微生物和真菌中1713一HSD系统发育类群。 同工酶主要位于糖皮质激素受体表达水平相对较高 维普资讯 http://www.cqvip.com

562 华中农业大学学报 第27卷 的组织中,如肝脏、脂肪和生殖腺中,主要参与产生 Physiol,1993,101(11):267~276. 有活性的糖皮质激素——皮质醇的过程l_3引。11型 [5]HUANG A H C Oleosin and oil bodies in seeds and other or— 同工酶是组成性表达的酶,可能是通过提供大范围 gans[J].Plant Physiol,1996,110(4):1055 1061. 的浓度梯度对皮质醇产生一个有效的屏障作用l_3 。 [6]TZEN J T C,WANG M M C,TAI S S K,et a1.The abundant proteins in sesame seed:storage proteins in protein bodies and 2种11 羟基固醇脱氢酶同工酶的不同调节是决定 oleosins in oil bodies[J].Adv Plant Physiol,2003(6):93—105. 细胞增殖和分化的主要因素L3引。由此推断,在植物 [7]程红焱,宋松泉.种子的贮油细胞器——油体及其蛋白[J]..植 生理状态下,种子油体中存在的2种油体固醇蛋白 物学通报,2006,23(4):418~430. (Steroleosin-A和Steroleosin-B)在固醇调节的信号 [8]仇键,谭晓风.植物种子油体及相关蛋白研究综述[J].中南林 转导途径中起着重要作用。在种子成熟或萌发过程 学院学报,2005,25(4):96—100. [9]徐妙云,刘德虎,李刚强.简论植物油体蛋白作为载体生产外源 中Steroleosin-A和Steroleosin-B可能参与固醇信 重组蛋白的研究lJ].高技术通讯,2004,14(1):100~103. 号转导途径的激活,从而具有调控油体形成或油体 [1O]刘昱辉,贾±荣.植物油体表达体系的研究进展[J].农业生物 动员等相关的特异生物学功能。 技术学报,2003,11(5):531~537. 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Progress in Plant Oil Bodies and Their Proteins DING Yong XU Chun-lei。’ GAN Li。’ (”School of Natural Resources,Southwest Forestry College,Kunming 650224,China; .National Key Laboratory of Crop Genetic Improement,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China) Abstract Seeds of most plant species store triacylglycerols as food reserves for germination and post—germinative growth.The triacylglycerols are present in small,discrete subcellular spherical oil bodies.Oil bodies consist of a matrix of triacylglycerols surrounded by a layer of phospholipids embedded by a set of proteins called proteins associated with oil bodies including Oleosin,Caleosin(sop1),Sterole— osin—A(sop2)and Steroleosin-B(sop3).This paper reviews the advancements in ultrastructure,composi— tion and types of plant oil bodies and the structures,characteristics and biological function of proteins as— sociated with oil bodies,and gives a minute description on their gene property and expressive characters. In the meantime,the applications and problems in biological engineering of plant oil bodies,as a new type of plant bioreactor,are discussed. Key words plant oil bodies;oleosin;caleosin;steroleosin (责任编辑:杨锦莲) 

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