1、第一章 細胞信號轉導（signal transdution）教學時數：4學時左右。教學目的與要求：使學生了解細胞信號轉導的定義和內容；掌握受體和和跨膜信號轉換的過程，植物細胞第二信使的種類及重要作用。教學重點：細胞信號轉導的定義、研究內容；受體和跨膜信號轉換；細胞內的第二信使系統。教學難點：細胞受體和跨膜信號轉換。本章主要閱讀文獻資料：1.翟中和編：細胞生物學，高等教育出版社。2.王鏡巖主編：生物化學（第三版），高等教育出版社。3.宋叔文、湯章城主編：植物生理與分子生物學（第二版），科學出版社。4.王寶山主編：植物生理學(2004年版)，科學出版社。本章講授內容：生長發育是基因在一定時間、空間

2、上順序表達的過程，而基因表達除受遺傳信息支配外，還受環境的調控。植物在整個生長發育過程中，受到各種內外因素的影響，這就需要植物體正確地辨別各種信息并作出相應的反應，以確保正常的生長和發育。例如植物的向光性能促使植物向光線充足的方向生長，在這個過程中，首先植物體要能感受到光線，然后把相關的信息傳遞到有關的靶細胞，并誘發胞內信號轉導，調節基因的表達或改變酶的活性例如：光質光受體信號轉導組分光調節基因向光性反應對于植物來講，在生命活動的各個階段都受到周圍環境中各種因素的影響，例如溫度、濕度、光、重力、病原微生物等等。有來自相鄰細胞的刺激、細胞壁的刺激、激素等等刺激，連接環境刺激到植物反應的分子途徑就

3、是信號轉導途徑，細胞接受信號并整合、放大信號，最終引起細胞反應，這種信息在胞間傳遞和胞內轉導過程稱為植物體內的信號傳導。植物細胞信號轉導（signal transdution）主要研究植物感受、傳導環境刺激的分子途徑及其在植物發育過程中調控基因的表達和生理生化反應，即細胞耦聯各種（內部或外源）刺激信號與其引起的特定的細胞生理效應之間的一系列反應機制。植物細胞信號轉導的模式生物體在不同的生長發育階段，自身也不斷產生各種信號，以調節其本身的生命進程，如激素、營養物質等。生物在受到各種信號刺激后產生一系列的生理生化變化。從信號刺激到生理生化變化是一個非常復雜的過程，它包括信號 被細胞各種受體（rec

4、eptor）接受 轉化為細胞內的特定的信息 傳導至細胞內不同的效應子（effecor）。生物的信息傳導是生物學研究的一個重要領域，一直受到人們的普遍重視。一、環境刺激和胞外信號 植物一生時刻處于大量的環境信號（刺激）中，例如，機械刺激、溫度變化、光照、氣體、重力、觸摸、病原微生物等致病因子、污染物傷害、水分過多或不足等。當這些環境刺激作用于植物體的不同部位時，會發生胞間的信號傳遞。胞間信號包括物理的（電）信號和化學信號（生長物質等）。人們認為環境刺激是植物細胞信號轉導過程中的初級信使（primary messenger），它可以通過誘發胞間信號（配體）的產生 再經細胞受體和跨膜信號轉換等 將胞

5、間信號在胞內（通過第二信使）進行放大和傳遞。化學信號 (chemical signals )細胞感受刺激后合成并傳遞到作用部位引起生理反應的化學物質。植物激素是植物體主要的胞間化學信號。如當植物根系受到水分虧缺脅迫時，根系細胞迅速合成脫落酸(ABA)，ABA再通過木質部蒸騰流輸送到地上部分，引起葉片生長受抑和氣孔導度的下降。而且ABA的合成和輸出量也隨水分脅迫程度的加劇而顯著增加。這種隨著刺激強度的增加，細胞合成量及向作用位點輸出量也隨之增加的化學信號物質稱之為正化學信號(positive chemical signal)。然而在水分脅迫時，根系合成和輸出細胞分裂素(CTK)的量顯著減少，這樣

6、的隨著刺激強度的增加，細胞合成量及向作用位點輸出量隨之減少的化學信號物質稱為負化學信號(negative chemical signal)。當植物的一張葉片被蟲咬傷后，會誘導本葉和其它葉產生蛋白酶抑制物（PIs）等，以阻礙病原菌或害蟲進一步侵害。如果傷害后立即除去受害葉，則其它葉片不會產生PIs。但如果將受害葉的細胞壁水解片段（主要是寡聚糖）加到葉片中，又可模擬傷害反應誘導PIs的產生，從而認為寡聚糖是由受傷葉片釋放并經維管束轉移，繼而誘導能使PIs基因活化的化學信號物質。物理信號（physical signal） 指細胞感受到刺激后產生的能夠起傳遞信息作用的電信號和水力學信號。電信號傳遞是植

7、物體內長距離傳遞信息的一種重要方式，是植物體對外部刺激的最初反應。植物的電波研究較多的為動作電波（action potential，AP），也叫動作電位，它是指細胞和組織中發生的相對于空間和時間的快速變化的一類生物電位。植物中動作電波的傳遞僅用短暫的沖擊（如機械震擊、電脈沖或局部溫度的升降）就可以激發出來，而且受刺激的植物沒有傷害，不久便恢復原狀。一些敏感植物或組織（如含羞草的莖葉、攀緣植物的卷須等），當受到外界刺激，發生運動反應(如小葉閉合下垂、卷須彎曲等見錄像)時伴有電波的傳遞。植物細胞對水力學信號(壓力勢的變化)很敏感。玉米葉片木質部壓力的微小變化就能迅速影響葉片氣孔的開度，即壓力勢降低

8、時氣孔開放，反之亦然。二、受體和跨膜信號轉換（一）細胞受體細胞受體是指存在于細胞膜、細胞內部或細胞器膜及內部的某些天然的化學物質。至今發現的受體絕大多數是蛋白質。它可特異識別信號并與其結合，然后將信號在細胞內放大、傳遞 啟動一系列細胞內的生化反應 最終導致植物的形態變化。細胞受體具有特異性、高親和性和可逆性等特征。位于細胞表面的受體稱為細胞表面受體，在很多情況下信號分子不能跨過細胞膜，它們必須與細胞表面受體結合，經過跨膜信號轉換，將信號轉入胞內，并進一步通過信號轉導網絡系統來傳遞和放大信號。位于亞細胞組分如細胞核、液泡膜上的受體叫做細胞內受體，一些信號（如甾類物質）是疏水性小分子，不經跨膜轉換

9、，而直接擴散入細胞，與細胞內受體結合，在細胞內進一步傳遞和放大。由于受體與信號物質的結合是細胞感應胞外信號，并將此信號轉換為胞內信號的第一步，所以受體是將胞外信號轉換為胞內信號的關鍵。 受體可特異識別信號并與其結合，然后將信號在細胞內放大，傳遞 啟動一系列細胞內的生化變化 最終導致植物的形態變化。一般來說，胞間信號（配體）分子首先與細胞膜上的受體結合 經跨膜信號轉換 將胞外信號在在胞內通過第二信使放大并傳遞 然后引起細胞內的生理生化變化。也有一些信號可以進入細胞，與細胞內部的受體結合進一步調節基因轉錄等過程。（二）跨膜信號轉換信號與細胞表面的受體結合之后，通過受體將信號轉導進入細胞內，這個過程

10、稱為跨膜信號轉換。跨膜信號轉換通過細胞膜上的受體與配體結合來實現。G蛋白是連接受體發生跨膜信號轉換的重要物質之一。胞間信號從產生位點經上距離傳遞到達靶細胞，靶細胞首先要能感受信號并將胞外信號轉換為胞內信號，然后再啟動下游的各種信號系統，并對原初信號進行放大以及激活次級信號，最終導致植物的生理生化反應。異三聚體GTP結合蛋白（簡稱G蛋白）是生物信息傳導中的一個重要成員。G蛋白是一個龐大的家族，幾乎所有的真核生物都有G蛋白，根據其亞基組分以及相對分子質量（Mr）大小的不同，G蛋白分為兩大類。一類是異源三體G蛋白（heterotrimeric G protein）；另一類是小G蛋白（small G

11、protein），或者叫單體G蛋白（monomeric G protein）。小G蛋白的Mr通常為2030kD。而異源三體G蛋白是由、三個亞基組成。其中亞基（G）的Mr最大，在3954 kD之間，亞基（G）和亞基（G）的Mr分別為3536 kD和810kD（各書對其分子量的說法不一）。也有人根據G蛋白的功能分類。異三聚體GTP結合蛋白亞基上氨基酸殘基的酯化修飾作用，經G蛋白結合在細胞膜面向胞質溶液的一側。受體蛋白的氨基端位于外側，羧基端位于內側，一條單肽鏈形成幾個螺旋的跨膜結構。羧基端具有與G蛋白相互作用的區域，受體活化后直接將G白激活，進行跨膜信號轉換。異源三體G蛋白的GTP結合位點在亞基（

12、G）上。G具有GTP酶的活性，還與受體相互作用。在分子結構上，小G蛋白與異源三體G蛋白亞基有許多相似之處。它們都能結合GTP或GDP，結合了GTP之后都呈活化態，GTP被水解成GDP后蛋白都呈非活化態。真核生物中G蛋白研究的歷史并不長。1971年首次報道與G蛋白有關的研究，大部分研究工作動物和低等真核生物（主要是酵母）。大量實驗結果表明，G蛋白是一類比較保守的調節蛋白，普遍存在于真核生物細胞中，在生物信息傳導中起重要作用。人們相信，在植物中也應當有G蛋白的生物信息傳導。證明G蛋白在植物中存在，簡單而直接的方法是證明植物中有GTP結合和GTP水解的生化過程。Hasunuma等（1987）在黃化豌

13、豆下胚軸中發現GTP結合蛋白。用同樣的方法，他們還檢測到浮萍也有GTP結合蛋白。米勒（Miller1987）發現菠菜葉中有GTP結合蛋白，他們推測類囊體蛋白激酶的活力可能受G蛋白的調節。Korolkov（1990）認為，由于異源三體中的G和小G蛋白都有GTP酶活力，因此，測定細胞各組分GTP酶活力也是檢測G蛋白存在的一種方法。迄今為止，已在多種植物中發現了GTP結合蛋白。如1990水稻，1990綠藻，1987豌豆和浮萍，1988擬南芥、蠶豆、鴨跖草，1988西葫蘆，1993大麥，1981燕麥等。還有一些結果表明，在有些植物中測得的GTP結合蛋白屬于小G蛋白，如綠藻（1992、1993）、西葫蘆

14、（1988）、豌豆（1991、1993）等。（但異源三體G蛋白的基因也已從不同的植物分離到。）克拉克（Clark 1993）發現豌豆核膜經紅光照射2min，GTP結合活性增加。如果紅光照射后，再用遠紅光照射4min，紅光促進GTP結合的現象即消失。根據這一結果推測，G蛋白很可能在光信息傳導中起調節作用。這一推測也得到了另一些實驗室的一些實驗結果的支持。已經知道花色素的合成和葉綠素a/b結合蛋白基因的表達需要光信號的誘導。扎伊娜等（Zaina1990）觀察到，在水稻葉鞘中，吲哚乙酸處理可以促進細胞組分與GTPS的結合。（GTPS是GTP的相似物，G的GTP結合位點能夠識別GTPS，并能與GTPS

15、結合，結合后G蛋白呈活化狀態）。證明植物G蛋白可能在激素信號傳導中起作用。Fairly-Grenet等（1991）發現，用GTPS處理蠶豆葉片后，保衛細胞向內（inward）的鉀離子流降低，而用GDPS處理，則可以增加內向的鉀離子流。他們根據這一結果推測，G蛋白對鉀離子的內向流動有負調節作用。植物G蛋白的研究起步較晚，因此，對于植物G蛋白在信息傳導中的分子機理和生理功能這些重要的方面知道的不多。G蛋白自身的活化和非活化作為一種分子開關，將膜外的信號轉換為膜內的信號并進一步放大信號G蛋白參與跨膜的信號轉換依賴于自身的活化和非活化狀態的循環來實現。例如，在動物細胞中，非活化狀態G蛋白的亞基上結合G

16、DP，當細胞受到環境刺激時，配體（即信號物質）與受體結合，受體的構象發生變化，排斥GDP，結合GTP而活化。活化后G蛋白的亞基與、亞基脫離，并與下游組分（如腺苷酸環化酶）結合，通過水解ATP形成cAMP（環腺苷酸）分子。同時它本身的GTP水解為GDP，亞基與腺苷酸環化酶并重新與、結合。即G蛋白的活化發生在信號物質與受體結合后，失活發生在其完成任務后（第二信使分子形成后）。活化：信號物質 + 受體 受體構象發生變化 + G蛋白 受體-G蛋白復合體 G蛋白構象發生變化結合GTP而活化失活：活化的G蛋白 + 腺苷酸環化酶 激活腺苷酸環化酶 ATP cAMP+PPi G蛋白的GTP水解為GDP一個配體

17、結合的受體可激活多個G蛋白，每個G蛋白激活一個腺苷酸環化酶，每個腺苷酸環化酶又可催化形成大量的cAMP。這樣使信號放大很多倍。cAMP作為第二信使進一步通過以后的信號轉導途徑傳遞和放大信號。（三）細胞內的第二信使系統如果把細胞外的各種刺激信號作為細胞信號轉導過程中的初級信號或第一信使，那么則可把由胞外刺激信號激活或抑制的具有生理調節活性的細胞內因子稱為細胞信號轉導過程中的次級信號或第二信使。胞外信號 跨膜轉換 第二信使傳遞和放大 引起細胞內的生理生化反應。1.鈣離子（Ca2+）植物細胞內的游離鈣粒子是細胞信號轉導過程中重要的第二信使，Ca2+在植物細胞內分布不均衡，一般情況下，靜息態的植物細胞

18、質中Ca2+濃度較低，而細胞壁、內質網、線粒體和液泡中Ca2+濃度則較高，因此細胞壁被稱為胞外鈣庫，內質網、線粒體和液泡被稱為胞內鈣庫。細胞受刺激后，細胞質中Ca2+濃度可能發生一個短暫的明顯的升高或發生梯度分布或區域分布的變化，例如：伸長的花粉管具有明顯的Ca2+梯度，頂端區域濃度最高，亞頂端之后隨之降低，在花粉管持續伸長過程中，這一區域的濃度變化呈現周期性上升和回落。胞質Ca2+繼而與鈣結合蛋白如鈣調蛋白（CaM），鈣依賴型蛋白（CDPK）等結合起作用。注意：鈣通道和鈣泵在質膜和胞內鈣庫膜上的運輸方向相反。細胞質中Ca2+的主要功能是與鈣結合蛋白結合，如鈣調素（CaM）、鈣依賴型蛋白激酶等

19、。細胞信號反應過程中胞內外Ca2+的相互作用質膜鈣通道：從胞外或胞內鈣庫向細胞質釋放Ca2+質膜鈣泵：從細胞質向細胞外或胞內鈣庫運送Ca2+Ca2+/nH+反向運輸體,從細胞質向胞內鈣庫運送Ca2+植物細胞鈣離子運輸系統幾乎所有的胞外刺激信號（如光照、溫度、重力、觸摸等物理信號和各種植物激素、病原菌誘導因子等化學物質）都可能引起胞內游離鈣粒子濃度的變化，而這種變化的時間、幅度、頻率、區域化分布等不盡相同，所以有可能不同刺激信號的特異性，可靠Ca2+濃度的不同形式化來體現。胞外刺激信號可能直接或間接地調節這些鈣粒子的運輸系統，引起胞內游離Ca2+濃度變化，以致影響細胞的生理生化活性。如保衛細胞質

20、膜上的內向鉀離子通道可被鈣離子抑制，而外向鉀離子和氯離子通道則可被鈣離子激活等。2.鈣調素（calmodulin，CaM）一種耐熱的球蛋白，以兩種方式起作用：1）直接與酶結合，使酶活化；2）與Ca2+結合，形成Ca2+CaM復合物，然后再與酶結合使酶活化：（Can2+CaM）mE 鈣調素（calmodulin,CaM）是最重要的多功能Ca2+信號受體，由148個氨基酸組成的單鏈的小分子（分子量為1700019000）酸性蛋白。CaM分子有四個Ca2+結合位點。當外界信號刺激引起胞內Ca2+濃度上升到一定閾值后（一般10-6mol），Ca2+與CaM結合，引起CaM構象改變。而活化的CaM又與靶

21、酶結合，使靶酶活化而引起生理反應。目前已知有十多種酶受Ca2+-CaM的調控，如多種蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase、Ca2+-ATP酶、 Ca2+通道等。這些酶被激活后，參與細胞分裂、激素活化、運動、蛋白質磷酸化等過程，最終調節植物的生長發育。在以光敏色素為受體的光信號傳導過程中Ca2+-CaM的信號系統也起著重要的調節作用。生長素、光、摩擦等都可引起CaM基因活化，使CaM含量增加。 A.鈣調素呈啞鈴形，長為6.5nm，每個啞鈴球是有2個Ca2+結合位點，長的中心螺旋形成啞鈴柄，無Ca2+結合時，兩個球部沿著中心螺旋折疊。B.形成Ca2+-CaM復合體后，結合到靶酶上。Ca2+-C

22、aM復合體的形成使CaM與許多靶酶的親和力大大提高。蔡南海實驗室用光敏色素A缺失的番茄單細胞突變系，研究了完整葉綠體中多種光系統色素蛋白質及酶基因到達所必需的光信號傳導過程。將信號系統中各組分，如phyA、G蛋白激活劑，Ca2+及CaM、cGMP、cAMP等以及它們的不同組合微注射入單細胞內，隨后對葉綠體內多種色素蛋白和酶系在基因活化、轉錄、翻譯三個水平進行觀察，研究后發現：光刺激后，上游的光敏色素與G蛋白激活對完整葉綠體發育及花色素苷合成是共同必須的；Ca2+-CaM系統參與PS捕光色素、ATP合成酶、Rubisco等光誘導產生，但不參與誘導花色素苷合成，因而只形成不成熟的葉綠體；而在動物視

23、覺系統細胞光感應中起重要作用的cGMP在植物花色素苷誘導中起決定作用，并與Ca2+-CaM一起誘導PS和Cyt b6/f的合成。3.三磷酸肌醇（inosiol 1，4，5 - triphosphate，IP3）IP3和DAG是在環境信號（如光、激素等）刺激下，由質膜內側膜脂轉變而來。IP3是水溶性的，可從質膜擴散到細胞質，然后與內質網或液泡膜上的IP3-Ca2+通道結合，使通道打開。Ca2+迅速釋放到細胞質，使胞質中Ca2+升高，引起生理反應。該過程，即IP3 促使Ca2+庫釋放Ca2+ 增加細胞質Ca2+的信號轉導，稱為IP3/Ca2+信號傳遞途徑。4.二酯酰甘油（diacylglycero

24、l，DAG）DAG是脂溶性的，停留在膜上，與蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）結合并使其活化。PKC進一步使其他激酶磷酸化，調節細胞的繁殖和分化等。該過程稱為DAG/PKC信號傳遞途徑。5.環腺苷酸（cAMP）動物細胞中重要的第二信使，植物細胞中是否存在，尚有爭議。（四）信號轉導中的蛋白質可逆磷酸化蛋白質可逆磷酸化是指蛋白質的磷酸化與脫磷酸化作用，分別由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化完成。磷酸的供體和受體分別是ATP或GTP和ADP或GDP。蛋白質的磷酸化與脫磷酸化作用在細胞信號轉導中有級聯放大信號的作用。即蛋白激酶具有系列反應，前一個反應的產物是后一個反應中的催化劑。每反應一步

25、就使信號放大一次。1.蛋白激酶蛋白激酶可對其底物蛋白質所特定的氨基酸殘基進行磷酸化修飾，從而引起相應的生理反應，以完成信號轉導過程。此外，由于蛋白激酶的底物既可以是酶，也可以是轉錄因子，因而它們既可以直接通過對酶的磷酸化修飾來改變酶的活性，也可以通過修飾轉錄因子而激活或抑制基因的表達，從而使細胞對外來信號作出相應的反應。蛋白激酶是個大家族，植物中約有2%-3%的基因編碼蛋白激酶。根據磷酸化靶蛋白的氨基酸殘基的種類不同，蛋白激酶有絲氨酸/蘇氨酸激酶、酪氨酸激酶和組氨酸激酶等3 類，它們分別將底物蛋白質絲氨酸/蘇氨酸、酪氨酸和組氨酸殘基磷酸化。有的蛋白激酶具有雙重底物特異性，既可使絲氨酸或蘇氨酸殘

26、基磷酸化，又可使酪氨酸磷酸化。在植物中，目前已知的蛋白激酶至少有30多種，它們的作用也表現在多個方面，包括向光性、抗寒、抗病、根部的向地性、光合作用、自交不親和性以及細胞分裂等。鈣依賴型蛋白激酶：與Ca2+結合后被活化。蛋白激酶中研究得較多的是最初從大豆中得到的依賴于鈣離子的蛋白激酶(calcium dependent protein kinase，CDPK)，CDPK有一與鈣結合位點。一般來說，CDPK在其氨基端有一個激酶活性域，在其羧基端有一個類似CaM的結構區域，在兩者之間還有一個抑制域。當位于CDPK上類似CaM的結構區域上的鈣離子結合位點與Ca2+結合后，抑制被解除，酶就被活化。大豆

27、、玉米、胡蘿卜、擬南芥等植物中都存在這類蛋白激酶。現已知的可被CDPK磷酸化的作用靶（或底物分子）有細胞骨架成分、膜運輸成分、離子通道、質膜上的質子ATP酶等。如從燕麥中分離出與質膜成分相結合的CDPK成分可將質膜上的質子ATP酶磷酸化，從而調節跨膜離子運輸的調控。除CDPK類外，還有與光敏色素密切相關的鈣依賴型蛋白激酶、同時受鈣離子和鈣調素調節的蛋白激酶等。近年來在水稻篩管汁液中也測出一個分子量為17000高度磷酸化的蛋白質以及另一個分子量為65000，具有蛋白激酶活性的蛋白質，蛋白激酶的活性依賴于Ca2+的存在。篩管汁液內依賴Ca2+的蛋白激酶的發現，說明篩管內存在著信號傳導系統。許多植物的SE-CC復合體與周圍細胞基本上是共質體隔離的。它一方面在篩管液流中傳遞著激素等化學信號物質，另一方面又可憑細胞表面質膜上