钙依赖蛋白激酶(CDPK s)在植物钙信号转导中的作用①刘贯山　陈　珈②(植物生理生化国家重点实验室,中国农业大学生物学院　北京　100094)摘要　C DPK s 在植物钙信号转导中起重要作用。

本文介绍了植物钙信号转导及C DPK s 的结构与生化性质,在此基础上,重点总结了C DPK s 在植物钙信号转导中的潜在调节作用,包括基因表达、代谢、离子和水分的跨膜运输、细胞骨架的动态变化、气孔运动和生长发育等,并提出了在C DPK s 研究中已达成的共识和需要解决的问题。

关键词　钙依赖蛋白激酶(C DPK s ),植物钙信号转导R oles of C alcium -dependent Protein K inases (CDPK s)in Plant C alcium Signal TransductionLI U G uan-Shan CHE N Jia ②(State K ey Laboratory o f Plant Physiology and Biochemistry ,College o f BiologicalSciences ,China Agricultural University ,Beijing 100094)Abstract C DPK s play im portant roles in the plant calcium signal transduction.Based on plant cal 2cium signal transduction ,and structure and biochemical properties of C DPK s ,potential regulatory roles of C DPK s in gene expression ,metabolism ,traffic of ions and water across membranes ,the dy 2namics of the cytoskeleton ,stomatal m ovement ,as well as growth and development were summa 2rized.Recognitions and challenges in C DPK studies were als o put forward.K ey w ords Calcium -dependent protein kinase (C DPK ),Plant calcium signal transductionC DPK s 全称为钙依赖的钙调素不依赖的蛋白激酶(calcium -dependent and calm odulin-in 2dependent protein kinases ),或称类似钙调素结构域的蛋白激酶(calm odulin-like domain protein kinases )。

C DPK s 是在豌豆中首先报道的(Hetherington and Trewavas ,1982),并在大豆中第一次得到纯化和鉴定(Harm on et al ,1987),它不同于动物细胞中的蛋白激酶C 和依赖于Ca 2+/CaM 的蛋白激酶。

C DPK s 在植物、藻类及部分原生动物中均有存在,但在细菌、真菌、酵母、线虫和动物中尚未发现。

C DPK s 在植物体内分布广泛:在器官水平上,根、茎、叶、花、果实和种子中无处不在;在细胞水平上,分生细胞、木质部细胞、花粉细胞、保卫细胞和胚细胞中均有发现(Li et al ,1998;Y ahalom et al ,1998;Nishiyama et al ,1999);在亚细胞水平上,质膜、液泡膜(Chen et al ,2002)、线粒体外膜、叶绿体类囊体膜、内质网膜(Lu and Hrabak ,2002)等膜系统和胞质、核质中均有踪迹。

C DPK s 在植物钙信号转导过程中具①②②通讯作者。

Author for correspondence.E -mail :chenja @.作者简介:刘贯山,男,1962年生,中国农业大学生物学院生化及分子生物学系博士生,现主要从事钙依赖蛋白激酶功能的研究。

陈珈,女,1945年生,中国农业大学生物学院生化及分子生物学系教授、博士生导师,主要从事植物膜蛋白在逆境胁迫信号转导中作用的研究。

收稿日期:2002206203 接受日期:2002208220 责任编辑:崔郁英①国家重点基础研究发展规划项目(G 1999011700)和国家自然科学基金资助项目(30170088)。

植物学通报　2003,20(2):160～167Chinese Bulletin of Botany有非常重要的作用。

1　植物细胞钙信号转导植物细胞在外界刺激下,细胞内Ca 2+浓度发生瞬间、持续或振荡变化。

这些刺激包括非生物和生物刺激。

非生物刺激有光、低温和高温、触摸、低渗胁迫、氧化胁迫等;生物刺激有激素ABA 和赤霉素、真菌激发子、结瘤因子等。

这些刺激因素都借助细胞内钙离子作为第二信使来介导生物学反应。

细胞内Ca 2+浓度的变化通过Ca 2+结合蛋白(又称钙调蛋白或Ca 2+感应器)进行识别、放大和向下游传导。

通过一系列的级联传导,从而出现细胞分裂、细胞伸长、气孔运动、各种胁迫反应以及生长发育等过程。

Ca 2+结合蛋白的激活或抑制是Ca 2+信使产生后继续传递的下游事件。

与动物细胞中一样,植物细胞Ca 2+信号可以通过Ca 2+结合蛋白间接调节,也可以直接调节蛋白质磷酸化,从而调节生物学功能。

在植物中已鉴定出许多Ca 2+结合蛋白,其中以钙调素(CaM )和Ca 2+调节的蛋白激酶为主。

在拟南芥Ca 2+调节的信号转导途径中已鉴定出约150种蛋白质,在未来几年内这个数字可能会增加到300～400种,编码这些蛋白的基因会达到预期基因数的2%(Reddy ,2001)。

钙调素是植物细胞中胞内Ca 2+最重要的多功能受体蛋白。

钙调素自身并没有酶活性,只有其活化后进一步与其靶蛋白中的短肽序列结合,才能诱发其结构变化,从而调控植物的细胞分裂、伸长、生长、发育和抗逆等。

Ca 2+调节的蛋白激酶可分为4类:①C DPK s ,依赖于Ca 2+,而不依赖于钙调素,植物中最为丰富;②CaMK s (calm odulin-dependent protein kinases ),依赖于钙调素,植物中很少;③CCaMK s (calcium and calm odulin-dependent protein kinases ),依赖于钙和钙调素,仅在少数植物组织中表达;④CRK s (C DPK -related protein kinases ),既不依赖于钙也不依赖于钙调素,其催化区与C DPK s 的催化区密切相关,但EF 手性结构退化,调节功能不详(Harm on etal ,2000)。

这4类Ca 2+调节的蛋白激酶共同构成C DPK 超家族。

2　CDPK s 的结构和生化性质2.1　结构C DPK s 为单肽链,在结构上具有明显的特征,从N 端到C 端存在四个功能区(结构域),依次为可变区、催化区、连接区和调控区(图1)。

图1　C DPK 的典型结构Fig.1　T ypical structure of C DPKN 末端的可变区长短不一(20～200个氨基酸残基),很少有同源性。

催化区由300多个氨基酸残基组成,具有典型的Ser/Thr 蛋白激酶的催化保守序列,2期刘贯山等:钙依赖蛋白激酶(C DPK s )在植物钙信号转导中的作用161　催化区的同源性较高。

连接区由20～30个氨基酸残基组成,在各类功能区中最为保守,富含碱性氨基酸,紧靠催化区而以拟底物的方式与催化区结合起自抑制作用(Harm on et al ,1987;Weljie etal ,2000),所以该区又称自抑制区。

在无Ca 2+存在时,C DPK s 催化区可能与连接区结合,使其激酶活性被抑制。

连接区的突变能产生不依赖Ca 2+的组成型有活性的激酶(Harper et al ,1994)。

调控区是钙结合区,也是C DPK s 有别于其他类型激酶的特有区域,保守性最差。

调控区有一段结构和功能类似于CaM 的氨基酸序列,共有4个与Ca 2+结合的EF 手性结构,这是C DPK s 对Ca 2+高度亲和而不依赖于CaM 的原因。

在分子进化角度上,古老的C DPK s 基因可能来自于蛋白激酶和CaM 基因的融合(Zhang and Choi ,2001)。

2.2　生化性质C DPK s 分子量一般为40～90kD ,因为C DPK s 不同的同系物间N 端可变区氨基酸残基数目不同。

酶活性的最适pH 值为7左右。

纯化的C DPK s 在mm ol/L 级Mg 2+存在下,受μm ol/L 级Ca 2+的激活而使活性提高50～100倍,2μm ol/L 级Ca 2+就可使酶活性达到最高值的一半。

当钙激活C DPK s 时,连接区与C 末端的CaM 样结构域的相互作用非常重要,可能形成CaM 样结构域与连接区的分子内复合物,以解除催化区的抑制作用,从而激活C DPK s 活性(Weljie et al ,2000)。

C DPK s 的基因同系物很多,在拟南芥基因组中存在34种C DPK 基因,分布于所有5条染色体上(Cheng et al ,2002)。

C DPK 基因的不同同系物可能与某些基因在特殊组织、生理条件或发育阶段的表达相关(Ullanat and Jayabaskaran ,2002);水稻的两个C DPK 同系物(OsC DPK 2和OsC DPK 11)在叶片对光的反应中具有不同的功能(Frattini et al ,1999);烟草C DPK 基因(NtCDPK1)的转录本存在于根、茎和花中,但叶片中几乎没有(Y oon et al ,1999);马铃薯C DPK (StC DPK 1)是受发育调控的,在块茎形成开始时被诱导(Raices et al ,2001)。

不同的C DPK s 同系物有不同的底物特性。

而且不同的同系物受Ca 2+活化所需的Ca 2+浓度也不同。

大豆C DPK α、β、γ磷酸化syntide-2所需Ca 2+的K 0.5分别为0.06、0.4、1.0μm ol/L (Lee et al ,1998)。

因此,不同的C DPK s 可能转导不同的Ca 2+信号。

由于C DPK s 没有跨膜区,因而C DPK s 与膜结合的机制一直受到关注。

N 末端的豆蔻酰化是膜定位所必需的(Martin and Busconi ,2000)。