陳全戰(zhàn)等

摘要：介紹了植物多肽信號的結構和分類，闡述了胞外非分泌型多肽、胞內非分泌型多肽和富含半胱氨酸的分泌型多肽結構特征及生物功能。重點討論了植物多肽的酪氨酸硫酸化、脯氨酸羥基化和羥脯氨酸阿拉伯糖基化的翻譯后修飾方式及蛋白質水解加工方式。并對不同種類翻譯后修飾小肽結構和功能進行了概述。

關鍵詞：植物；多肽信號；翻譯后修飾；分泌型多肽

中圖分類號：Q78；Q946 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）15-3585-04

Abstract： The structure and classification of plant polypeptide signals were introduced. The structure characteristic and biological function of extracellularly nonsecreted peptides， intracellularly nonsecreted peptides and cysteine-rich secreted peptides were reviewed. The posttranslational modification mode such as tyrosine sulfation， proline hydroxylation and hydroxyproline arabinosylation， and the proteolytic processing mode were discussed. The different structure and function of posttranslationally modified small-peptide signals were summarized.

Key words： plant；peptide signal； posttranslational modification； secreted peptide

傳統(tǒng)的非多肽信號激素一般是親脂性小分子化合物，而多肽信號是由較短的氨基酸序列組成的一類激素。多肽信號和傳統(tǒng)的非多肽激素一樣，參與植物的生長、發(fā)育和抗逆等許多生命過程，特別是作為信號分子在細胞與細胞之間的短距離信息交流中起關鍵作用。它們以配基的形式與細胞膜表面的相應受體激酶分子相互作用，從而激活通路下游基因或啟動相關信號轉導過程。細胞與細胞之間的信號轉導對于植物生長至關重要，包括協(xié)調細胞對發(fā)育和環(huán)境的反應。目前的研究表明，多肽在細胞間通訊中起重要作用。有一些多肽作為植物生長和發(fā)育的信號，而另一些多肽參與防御反應或共生等[1]。

1 多肽信號的結構特點與分類

從結構上看，所有植物的多肽信號可根據是否分泌、是否存在N端信號、胞外還是胞內起作用分為4類：胞外起作用的翻譯后修飾分泌型小肽、胞外起作用的富含半胱氨酸分泌型多肽、胞外起作用的非分泌型多肽和胞內起作用的非分泌型多肽。翻譯后修飾小肽和富含半胱氨酸多肽為分泌型多肽在胞外起作用。分泌型多肽通過自由擴散分泌到胞外空間，對臨近細胞的命運起決定性作用。在某些情況下，非分泌型多肽也運輸到胞外空間，作為細胞與細胞之間的信號。一些非分泌型多肽可通過胞內信號轉導調控細胞功能，也可從受傷的細胞中釋放出來直接參與植物的防御反應等[2]。翻譯后修飾小肽的特征是具有特殊的轉移酶調節(jié)的翻譯后修飾，肽段較小，一般少于20個氨基酸。這些多肽最初翻譯成具有N端分泌信號的大小約100個氨基酸的前體多肽，然后通過翻譯后修飾化及位于內質網和高爾基體的加工酶作用，形成具有生物功能的成熟多肽。多肽前體是由多基因編碼的，這些同源基因編碼的多肽長度大約為70～120個氨基酸，除了與成熟多肽相關的靠近C端區(qū)域比較保守以外，其余序列都具有多樣性。這些結構特征表明，位于成熟多肽區(qū)域以外的其他序列在進化過程中氨基酸是可被替換的，這些區(qū)域能被蛋白質酶水解加工[3]。此外，這些多肽很少具有半胱氨酸殘基，這與富含半胱氨酸（6或8個）多肽不同，后者能形成分子內二硫鍵，會干擾蛋白質水解酶的加工。

1.1 胞外非分泌型多肽

胞外非分泌型多肽主要有系統(tǒng)素（Systemin）和內源多肽AtPep1。系統(tǒng)素為公認的4大多肽激素之一。它是含有18個氨基酸的多肽，發(fā)現(xiàn)于受傷的番茄葉片中。系統(tǒng)素是茉莉酸信號轉導途徑的一個組成部分，合成蛋白質酶抑制劑等防御蛋白質參與植物免疫反應。AtPep1是從擬南芥葉片分離出來的，能誘導編碼抗病原菌防御蛋白質的基因表達[4]。

1.2 胞內非分泌型多肽

胞內非分泌型多肽主要有ENOD40、POLARIS（PLS）和ROTUNDIFOLIA4/DEVIL1（ROT4/DVL1）。ENOD40基因編碼含12個氨基酸的多肽A和24個氨基酸的多肽B。多肽A通過二硫鍵共價與蔗糖合酶93 ku亞基上的1個半胱氨酸結合，多肽B的結合位點尚不清楚。蔗糖合酶是蔗糖代謝的重要組成部分，它催化蔗糖和尿苷二磷酸（UDP）形成UDP-葡萄糖和UDP-果糖的可逆反應。蔗糖的裂解是植物固氮的關鍵一步，也是根瘤形成的先決條件[5]。

PLS基因由500個左右的核苷酸組成，具有1個短的開放閱讀框，編碼36個氨基酸的多肽。PLS多肽分子質量約為4.6 ku，沒有信號肽，在胞質中起作用。關于PLS基因開放閱讀框起始密碼子的突變體研究顯示，PLS的功能會完全喪失，這表明PLS基因編碼的是多肽而不是具有生物活性的RNA分子[5]。目前，還沒有分離得到PLS多肽。但研究表明，PLS功能缺失突變體植株對外源細胞分裂素高度敏感，而對生長素響應降低。進一步的研究表明，它與葉子管化，細胞膨脹有關，并維持體內生長素-細胞分裂素的穩(wěn)態(tài)平衡。

多肽ROT4和DVL1分別由53和51個氨基酸組成，它們具有高度的同源性，都屬于擬南芥中由23個基因組成的基因家族中的成員，它們負責調控不同發(fā)育階段極性細胞的縱向增殖。研究發(fā)現(xiàn)，ROT4基因突變體植株的葉子短圓，花器官和花序也短，這種表型與細胞增殖減少有關。DVL1基因突變體的基因表型與ROT4相似，圓形葉子，葉柄和角果短[6]。

1.3 富含半胱氨酸的分泌型多肽

SCR/SP11是S位點富含半胱氨酸蛋白質/S位點蛋白質11，由油菜花藥絨氈層細胞分泌的一種小分子多肽，為油菜S位點控制自交不親和性的必需組分。這種分泌的多肽由78～81個氨基酸殘基組成，呈現(xiàn)多型性。參與S位點的蛋白質有2個，一個是S位點糖蛋白質（SLG），另一個是S位點受體激酶（SPK），它們都專一性地在柱頭表面表達。目前，SLG蛋白質的作用尚不清楚。SPK是雌株自交不親和的關鍵組分，編碼具有Ser/Thr蛋白質激酶活性的跨膜受體[7]。對S位點區(qū)域的進一步研究發(fā)現(xiàn)，花藥和花粉的絨氈層細胞有專一基因編碼SPK的配體，即SCR/SP11，它們是花粉自交不親和的決定因子。

RALF多肽為迅速堿化因子，由49個氨基酸組成，是在分離煙草中系統(tǒng)素時同時發(fā)現(xiàn)的。將機械損傷的細胞加入到懸浮培養(yǎng)的番茄細胞時，培養(yǎng)基會迅速堿化。這表明損傷細胞會產生一些物質，調控未損傷細胞的質子外流。在這個過程中發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)素和RALF。RALF可引起培養(yǎng)基等介質快速堿化，但不像系統(tǒng)素那樣會激活防御系統(tǒng)。番茄RALF前體cDNA編碼115個氨基酸的多肽，信號肽位于N端，RALF位于C端。目前，RALF前體是如何加工形成成熟的多肽尚不清楚。但發(fā)現(xiàn)在RALF前體中存在2個雙精氨酸的堿性模體，一個位于距RALF序列N端的兩氨基酸處，可能負責加工前體蛋白質形成RALF，另一個在RALF內部，是RALF發(fā)揮作用后迅速降解的位點。RALF的受體可能位于質膜上，其組分包括相對分子質量為25 ku和120 ku的2種蛋白質。此外，富含半胱氨酸的分泌型多肽還包括LAT52、TPD1、EA1、EPF、LURE、STOMAGEN和EC1。胞外翻譯后修飾小分子多肽將在后面進行介紹[8]。

2 翻譯后修飾

翻譯后修飾通過改變靜電荷、親水性和構象而改變多肽的物理化學性質，從而調節(jié)它們與目標蛋白質的特異性結合能力。目前，已發(fā)現(xiàn)3種多肽翻譯后的修飾作用，即酪氨酸硫酸化、脯氨酸羥基化和羥脯氨酸阿拉伯糖基化。

2.1 酪氨酸硫酸化

具有酪氨酸硫酸化翻譯后修飾的多肽信號為PSK、PSY和RGF。它們的修飾化是通過酪氨酸硫化轉移酶（Tyrosylprotein sulfotransferase，TPST）催化的，它催化硫酸根從3-磷酸腺苷5-磷酰硫酸（PAPS）轉運至酪氨酸的酚基。盡管對酪氨酸硫酸化的研究未完全清楚，但它至少需要1個天冬氨酸N端殘基與酪氨酸相連。純化的擬南芥TPST為順式高爾基體定位的62 ku跨膜蛋白質。它在擬南芥整株植物中都表達，但在根的頂端分生組織中表達量最高。而擬南芥缺失TPST酶的突變體植株矮化、葉片淺綠，地上組織過早衰老，明顯的短根表型，根分生組織活性顯著下降[9]。

2.2 脯氨酸羥基化

除了PSK沒有脯氨酸殘基外，其他所有翻譯后修飾小肽都有羥脯氨酸殘基。脯氨酸羥基化是由脯氨?；?4-羥化酶（Prolyl-4-hydroxylase，P4H）催化介導的。P4H是一個跨膜蛋白質，位于內質網和高爾基復合體。到目前為止，已經有13個P4H基因在擬南芥中被鑒定出來。盡管有一些序列與脯氨酸羥基化有關，但尚未鑒定出存在共有序列決定植物分泌多肽的脯氨酸羥基化。阻斷P4H表達會阻礙根毛的生長和分化，但這種表型可能是失調的細胞壁蛋白質而不是失調的多肽信號造成的[10]。

2.3 羥脯氨酸阿拉伯糖基化

羥脯氨酸殘基存在于很多分泌多肽中，如PSY1、CLV3、CLE2、CLE9和CLE-RS2，它們進一步通過O-連接的阿拉伯糖鏈修飾。研究表明，存在于富含羥脯氨酸系統(tǒng)素（Hydroxyproline-rich systemin，HypSys）的糖肽是阿拉伯糖苷。這種多肽修飾后主要存在于胞外蛋白質的大家族中，即富含羥脯氨酸的糖蛋白質，包括伸展蛋白質、富含脯氨酸蛋白質和阿拉伯半乳聚糖蛋白質。羥脯氨酸O-連接阿拉伯糖轉移酶（Hydroxyproline O-arabinosyltransferase，HPAT）負責羥脯氨酸第四位形成β鍵與阿拉伯糖相連。最近，擬南芥HPAT已被鑒定出來，它是高爾基體定位的跨膜蛋白質，屬于糖轉移酶GT8家族。擬南芥HPAT基因缺失突變體中會導致多重表型，包括促進下胚軸伸長、細胞壁增厚缺陷、早開花和早衰老[11]。此外，缺失HPAT1和HPAT3酶的雙突變體能明顯抑制花粉管伸長，導致雄性配子體傳輸障礙。

3 蛋白質水解加工

蛋白質水解加工是植物翻譯后修飾小肽生物合成中關鍵的一步，但很多證據表明，植物多肽的水解加工機制與動物多肽不同。首先，植物多肽前體靠近成熟多肽區(qū)沒有成對的堿性氨基酸相鄰。其次，植物多肽不是靠酶去切割堿性氨基酸的。油菜花離體試驗表明，在CLV3前體多肽中，加工酶會切除N端的1個精氨酸殘基。蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）CLE36成熟肽上游也存在加工酶切割甲硫氨酸和絲氨酸殘基。最后，植物多肽的最初加工切割位點并不直接決定成熟多肽的邊界區(qū)域。總之，植物多肽的水解加工是一個復雜的過程，在最初的肽酶水解后還有超蛋白質酶解對其修飾加工[12]。

4 翻譯后修飾小肽的結構與功能

翻譯后修飾小分子肽有如下特征：長度上一般少于20個氨基酸殘基，典型的長度約10個氨基酸殘基。它們是從大的具有N端分泌信號多肽前體水解加工形成的，至少具有1個翻譯后修飾過程如酪氨酸硫酸化、脯氨酸羥基化和羥脯氨酸阿拉伯糖基化。酶的修飾基團與多肽的結合位置、水解加工酶影響的多肽鏈的長度，對于多肽信號生物功能及其與受體的相互作用非常重要。

4.1 PSK

PSK（Phytosulfokine）是含有5個氨基酸的硫酸肽，能夠促進植物生長，影響植物細胞培養(yǎng)中的細胞密度。體外試驗表明，PSK能促進百日草（Zinnia elegans）葉肉細胞管狀分子分化、體細胞胚胎發(fā)生和花粉萌發(fā)。遺傳試驗表明，PSK通過控制成熟細胞的大小參與根和下胚軸的伸長，調控細胞壽命，誘導農桿菌腫瘤生長。除了調控植物生長和發(fā)育外，PSK還參與植物免疫應答。PSK是由1個約80個氨基酸多肽前體通過酪氨酸硫酸化和蛋白質水解加工形成，其中枯草桿菌蛋白質酶和絲氨酸蛋白質酶等參與水解加工[13]。

4.2 翻譯后修飾CLE家族小肽

CLE（CLV3/embryo surrounding region）是一個大的分泌蛋白質家族，包括CLV3等。這些多肽在C端有一段14個氨基酸的CLE保守區(qū)域。CLE家族主要包括32個多肽，如CLV3、TDIF、CLE8、CLE40、CLE41、CLE44和CLE45等。CLE家族主要包括2種類型：A類型和B類型。A類型主要包括CLE多肽，影響地上部和根分生組織的發(fā)育。B類型包括TDIF/CLE41/CLE44，能抑制木質部導管分化，但對地上部和根分生組織的發(fā)育沒有影響[14，15]。

CLV3（CLAVATA3）是含有羥脯氨酸O-阿拉伯糖鏈的由13個氨基酸組成的糖肽。平衡莖尖分生組織干細胞的更新和分化。CLV3基因編碼的分泌型多肽只在莖尖分生組織中心帶的最外層細胞特異性表達。WUS（WUSCHEL）-CLV反饋調節(jié)環(huán)控制莖尖分生組織干細胞穩(wěn)態(tài)，WUS基因的編碼產物是維持干細胞數量的內源性信號分子，CLV3作為負調控因子通過抑制WUS基因而維持干細胞的正確位置和數量[14，15]。CLV3基因編碼96個氨基酸的分泌型多肽前體，隨后在體內被水解加工和翻譯后修飾，形成12或13個氨基酸的成熟多肽，其第七位的羥脯氨酸殘基進一步通過β-1，2糖苷鍵與L-阿拉伯糖相連。

管狀分子分化抑制因子（Tracheary element differentiation inhibitory factor，TDIF）是含有12個氨基酸的多肽，其中2個脯氨酸羥基化，它在維持管狀干細胞群中起重要作用。百日草中的TDIF與擬南芥中的CLE41和CLE44序列同源。韌皮部分泌的TDIF/CLE41/CLE44會增強原形成層細胞的分裂，但抑制形成層細胞到木質部細胞的分化[16]。

CLE-RS是含有羥脯氨酸O-阿拉伯糖鏈13個氨基酸的多肽，自動調控豆科植物的結瘤。百脈根中結瘤的自動調控就是由CLE-RS1和CLE-RS2基因觸發(fā)的，它們在根中能被根瘤菌誘導。CLE45具有促進高溫下花粉管生長的作用[16]。植物生殖階段開花植物容易受到周圍溫度變化的影響，而這些植物在一定溫度范圍內都能正常產生種子。正常條件下CLE45基因優(yōu)先在雌蕊的柱頭表達，當溫度升高后，其可在傳輸通道表達。

4.3 HypSys

系統(tǒng)素是含有18個氨基酸的多肽，發(fā)現(xiàn)于受傷的番茄葉片中。它是茉莉酸信號轉導途徑的一個組成部分，合成蛋白質酶抑制劑等防御蛋白質參與植物免疫反應。隨后分別從煙草中發(fā)現(xiàn)新的系統(tǒng)素類型，即HypSys。從煙草（Nicotiana tabacum）鑒定出的HypSys I和HypSys II都是含有18個氨基酸的多肽，N端具有分泌信號[17]。HypSys是一個高度糖基化的寡肽家族，參與茄科植物的防御反應。HypSys是積累在維管束薄壁細胞的細胞壁基質的前體蛋白質，植物受傷后，蛋白質酶釋放出來在細胞壁基質使之形成成熟蛋白質。

4.4 IDA

IDA（Inflorescence deficient in abscission）是一類參與花器官脫落的多肽，由77個氨基酸組成，有高的等電點值，N端有信號肽，具有疏水性，C端是保守區(qū)域。IDA是一個新的類似于CLV3的配體，為一類可溶性蛋白質，能夠與其受體結合啟動下游的信號傳遞。在花器官脫落過程中，IDA一直在花器官離區(qū)表達起作用。擬南芥的IDA基因有5個，命名為IDA1-5。過量表達IDA基因的擬南芥株系表現(xiàn)出花器官的提前脫落，而且花柄、莖生葉、花序等都自基部提前脫落，果莢提前開裂[18]。這表明IDA多肽是一個脫落的正調控因子，IDA基因所產生的多肽是通過受體激酶HAESA來引發(fā)擬南芥花器官的脫落，HAESA是一種位于質膜上的富含亮氨酸重復的類受體蛋白質激酶（LRR-RLK）。

4.5 PSY、CEP和RGF

PSY1是含18個氨基酸的分泌型多肽，含有1個硫酸化的酪氨酸殘基和L-阿拉伯糖的糖鏈。PSY1在擬南芥各種組織中均表達，具有促進細胞增殖和膨脹的作用，其表達方式和生理活性與PSK類似。CEP1（C-terminally encoded peptide 1）是含15個氨基酸的分泌型多肽，有2個羥脯氨酸殘基，在側根發(fā)育中起重要作用，主要在側根原基表達。RGF1是含有13個氨基酸的分泌型多肽，有1個硫酸化的酪氨酸，其在根干細胞維持和運輸擴增細胞增殖中起重要作用。RGF（Root meristem growth factor）基因家族包含11個基因，編碼C端保守區(qū)域的多肽，其成熟多肽就是從C端保守區(qū)域加工而成的[3，16]。

5 小結與展望

陸地植物包括苔蘚和蕨類植物均有植物多肽酪氨酸硫酸化、脯氨酸羥基化和羥脯氨酸阿拉伯糖基化過程。這表明翻譯后修飾化在植物中具有重要作用。一般來說，翻譯后修飾化均需要共同的硫酸根供體PAPS底物和阿拉伯糖供體UDP-L-阿拉伯糖底物，這些供體的合成都需要消耗能量ATP，所以翻譯后修飾化多肽要比非修飾化多肽消耗更多能量，但它們在生物進化過程中保留了下來，這進一步說明了翻譯后修飾化對植物的重要作用。通過對擬南芥信息資源蛋白質數據庫研究發(fā)現(xiàn)，約1 086個基因編碼含50～150個氨基酸殘基的分泌型多肽，但很多尚未鑒定出來，未來可通過基因組學和轉錄組學尋找更多新的多肽信號。

參考文獻：

[1] MATSUBAYASHI Y， SAKAGAMI Y. Peptide hormones in plants[J]. Annu Rev Plant Biol， 2006，57：649-674.

[2] ALBERT M. Peptides as triggers of plant defence[J]. J Exp Bot， 2013， 64： 5269-5279.

[3] MATSUBAYASHI Y. Posttranslationally modified small-peptide signals in plants[J]. Annu Rev Plant Biol，2014，65：385-413.

[4] 蔣細兵，余迪求.植物多肽激素研究概況[J].云南植物研究，2008，30（3）：333-339.

[5] 李 琛，宋秀芬，劉春明. 高等植物中的多肽激素[J].植物學通報，2006，23（5）：584-594.

[6] BAHYRYCZ A，■ D. Plant signaling peptides： Some recent developments[J]. J Pept Sci， 2007， 13：787-797.

[7] YAMADA M， SAWA S. The roles of peptide hormones during plant root development[J]. Curr Opin Plant Biol， 2013， 16： 56-61.

[8 ] MURPHY E， DE SMET I. Understanding the RALF family： A tale of many species[J]. Trends Plant Sci， 2014， 19： 664-671.

[9] MATSUZAKI Y， OGAWA-OHNISHI M， MORI A， et al. Secreted peptide signals required for maintenance of root stem cell niche in Arabidopsis[J]. Science，2010， 329： 1065-1067.

[10] VELASQUEZ S M， RICARDI M M， DOROSZ J G， et al. O-glycosylated cell wall proteins are essential in root hair growth[J]. Science， 2011， 332： 1401-1403.

[11] OKAMOTO S， SHINOHARA H， MORI T，et al. Root-derived CLE glycopeptides control nodulation by direct binding to HAR1 receptor kinase[J]. Nat Commun， 2013， 4： 2191.

[12] WESTFALL C S，MUEHLER A M， JEZ J M. Enzyme action in the regulation of plant hormone responses[J]. J Biol Chem， 2013， 288： 19304-19311.

[13] 彭麗桃，蔣躍明，楊書珍.植物多肽信號分子的特點和功能[J].生物化學與生物物理進展，2002，29（6）：877-880.

[14] MIYAWAKI K， TABATA R， SAWA S. Evolutionarily conserved CLE peptide signaling in plant development， symbiosis， and parasitism[J]. Curr Opin Plant Biol，2013，16：598-606.

[15] 吳錦斌，宋 銀，喬 睿，等.CLE多肽參與植物分生組織維持與分化平衡的信號轉導研究[J].生命科學，2013，25（4）：421-426.

[16] LEASURE C D， HE Z H. CLE and RGF family peptide hormone signaling in plant development[J]. Mol Plant， 2012， 5： 1173-1175.

[17] PEARCE G. Systemin，hydroxyproline-rich systemin and the induction of protease inhibitors[J]. Curr Protein Pept Sci， 2011，12：399-408.

[18] AALEN R B，WILDHAGEN M，ST？覫I M，et al. IDA： A peptide ligand regulating cell separation processes in Arabidopsis[J]. J Exp Bot， 2013， 64： 5253-5261.收稿日期：2014-12-16

基金項目：國家高技術研究發(fā)展“863”計劃項目（2012AA021701）；江蘇省自然科學基金項目（BK20141081）；南京市生物學重點學科建設項目（2014）

作者簡介：華 春（1963-），女，江蘇江陰人，教授，主要從事植物生理學研究，（電話）13675138903（電子信箱）hc3501988@163.com。