植物环核苷酸门控离子通道的研究进展

环核苷酸（CNMPs）是一类重要的信号分子，如3′，5′-环磷酸腺苷（cAMP）和 3′，5′-环磷酸鸟苷（cGMP）是动植物生命活动中信号通路的重要元件［1］。在动物中，细胞受外部信号刺激从而激活胞内嘌呤核苷酸环化酶（NCs），催化其底物核苷酸三磷酸合成CNMPs。胞内CNMPs 可由磷酸二酯酶（PDEs）代谢分解为非活性的单磷酸核苷［2］。动物中CNMPs 信号传递的主要分子开关有CNGCs 和超极化激活环核苷酸门控阳离子通道（HCNs）［3］。

植物中CNMPs是通过质谱分析法首次被发现［4］。研究证明，CNMPs 在调节植物发育和抵御胁迫反应中起重要作用，但其分子机制还需要进一步研究［5］。在植物蛋白质提取物中可检测到PDE 活性［6］，但目前并不能通过基因水平证明植物中存在PDE 同系物。此外，尽管有一些研究表明植物中CNMPs 可以激活一些蛋白酶［3，7］，但仍缺乏生理生化分析，试验存在争议。还有猜测CNMPs 可作为基因启动子中的特定调节元件［8］。目前，环核苷酸门控通道已被证实含CNMP 绑定结合域，是植物细胞CNMPs 调控的主要分子开关。已知存在两类CNMP 绑定结合 域 ，即 GAF［9］（mammalian cGMP-binding PDEs，Anabaena adenylyl cyclases（ACs），E. coliFhlA）和环核苷酸结合域（CNMP-binding domain，CNBD）。研究表示，CNMP 绑定结合域可能不局限于GAFs 和CNBDs，通过对植物CNMP 相互作用组分析，发现了一种完全不同于已知的CNMP 绑定结合域的蛋白质组，说明植物CNMPs 可能调控下游多个信号通路，参与多种联级反应［10］。目前，已知植物CNMPs 调节下游效应蛋白的有蛋白激酶、cAMP 激活的交换蛋白（EPAC）和环核苷酸门控离子通道（CNGCs）。其中，CNGCs 是主要的研究对象。CNGCs 是普遍存在植物细胞中非选择性阳离子通道和分子开关，可将胞内环核苷酸信号转导为节律性调控离子波动的信号以及调控细胞各种生理反应，参与植物的生长和发育过程，以及抵御各种胁迫反应。

在大麦糊粉层表达文库中筛选钙调蛋白（CaM）时，首次发现植物CNGCs家族基因［11］。随后，在其他植物中也发现了CNGCs［12-15］，如拟南芥（Arabidopsist?haliana）、水稻（Oryza sativa）、烟草（Nicotiana tabacum）、番茄（Solanum lycopersicum）、菜豆（Phaseolus vulgaris）、梨（Pyrus bretschneideri）、抱子甘蓝（Brassica oleracea）、小麦（Triticum aestivum）、枣树（Ziziphus jujubaMill.）等。根据CNGCs 氨基酸序列相似度及功能可以分为多个亚家族。如拟南芥CNGC 家族根据系统发育关系被细分为5 个亚家族（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳa 和Ⅳb）［16］。TaCNGCs 被分为 4 个亚家族Ⅰ～Ⅳ［17］。目前对于植物CNGCs 的基因组特征、系统发育比对研究较为清楚。随着对植物CNGCs 的深入研究，其生理学作用及调控分子机制有了进展和突破，建立了CNGC 分子调控新模型［18-20］。

本研究从植物环核苷酸门控离子通道的分子结构特性、调节和离子选择性以及功能进行了详细综述，总结植物环核苷酸门控离子通道在植物生长发育以及胁迫反应的新进展，对今后植物环核苷酸门控离子通道的研究方向进行展望，以期为植物环核苷酸门控离子通道研究提供参考。

1 植物CNGCs 的结构特征

植物CNGCs 与Shaker 型K+受体电压门控通道结构相似，其N 末端和C 末端都在质膜内侧，有6 个跨膜区（S1～S6），其中S4 为带正电荷的跨膜区，在S5和S6 之间有参与离子门控的P 环。对梨和拟南芥CNGCs 结构的研究发现，S4 为电压传感器样功能域并且在该基序中具有许多带正电荷的残基，表明植物的CNGCs 具有微弱的电压传感器功能。用电生理学分析验证了CNGC 是电压门控的离子通道［21］。P 环无规则卷曲的部分影响通道离子的选择性和电导，这一点与对离子无选择性的动物CNGCs 不同。植物CNGCs 的C 末端含有高度保守的CNBD，CNBD的 αC 螺旋即 CaMBD 可结合 CaM，而动物 CNGCs 的CaMBD 位于 N 端，二者不同［14，22］，如图 1 所示。植物CNBD 序列不同于动物离子通道，包含绑定环核苷酸配体磷酸根和糖的磷酸盐结合域（PBC），以及影响配体的选择性和结合亲和力的hinge 域［15］。CaMBD 位于 CNBD 的 C 端，二者重叠部分使 CaM 与CNMPs 竞争结合CNGC，从而引起通道蛋白的构象和状态改变。研究发现AtCNGC20 与CaM 结合是通过独特的异亮氨酸-谷氨酰胺即IQ 基序，且该基序与CNBD 的α-螺旋相邻但不重叠［23］。经进一步的研究发现，AtCNGCs 家族部分成员也含有IQ 基序［11］。此外，AtCNGC11/12 的 IQ 位点域通道的功能紧密相关，当IQ 基序位点突变会破坏通道与CaM 结合，导致部分或全部通道功能丧失［24］。此外，位于核心IQ 序列N 端2 个丙氨酸残基对结合CaM 起重要的决定作用。通过对20 个AtCNGCs 的IQ 序列酵母双杂交（Y2H）分析，结果显示只有部分IQ 序列与钙调素保守结构域相互作用。IQ 基序的近端和远端区域均不能与CaM 发生相互作用，这一发现表明CaM 的结合能力很可能取决于 IQ 基序位置［18］。

文章来源：《植物研究》 网址: http://www.zwyjzz.cn/qikandaodu/2021/0610/1494.html