藻類與高等植物中植物螯合肽PCs的研究進展

張瑜　侯和勝

摘 要：植物螯合肽（PCs）是重金屬螯合肽，對高等植物、真菌、微藻中有毒重金屬的解毒起著重要作用。介紹了PCs生物合成和功能的最新研究進展。

關鍵詞：植物螯合肽；植物螯合肽合酶；重金屬結合肽；高等植物；藻類

中圖分類號：Q946.5 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.004

1985年，研究人員將從經鎘處理后的高等植物懸浮細胞中分離出來的重金屬結合肽稱作植物螯合肽（PCs），。此后，PCs不斷從一些真核生物中找到，包括高等植物、真菌和微藻。PCs不但可經Cd誘導合成，也可通過一些其他有毒的、重要的重金屬誘導合成，如Hg、Cu、Zn等。許多生理學研究指出，PCs的作用包括重金屬脫毒和重要金屬離子細胞內水平平衡的保持。1999年，PCs合成酶基因在高等植物和裂殖酵母中的存在被確定和描述。此后，PCs基因和PCs合成酶相似基因已確定存在于蠕蟲和原核生物器官中。這些發現指出PCs在蠕蟲以及一些與真核生物光合有機體相似的原核生物和菌類中對重金屬脫毒起著重要的作用。

1 PCs的結構和功能

PCs的主要結構通常含有（γ-Glu-Cys）n-Gly形式。PCs通過重金屬如Cd，Cu，Zn，Hg，Ag和As形成復合物。幾個不同鏈長度的PCs分子接連著合成并立即與重金屬形成復合物。例如在一個PCs-Cd復合物的結構模型中，Cd協調地從單個或復合的PCs分子中結合1個，2個，3個或最大容量4個S原子，最終導致形成無定形的復合物[1]。PCs鏈越長，每個分子具有更強的pH穩定性和金屬結合能力[2]。

重金屬的毒性是因為生物直接結合金屬離子而導致的功能性蛋白的失活，或者因為活性氧化物（ROS）加速增加導致的活性氧損傷[3-4]。在高等植物中， PCs的誘導合成是經重金屬脅迫后與金屬形成復合物以此來脫毒[5]。一個抗氧化活性分析顯示，PCs分子在體外對ROS如H2O2和O2-有很強的去污活性。而且，對這些ROS耐受性的增強已經在綠藻杜氏鹽藻（ATCC30929）中獲得實現，通過用Zn對杜氏鹽藻進行預處理導致PCs合成[6]。這些研究揭示了PCs不但對重金屬的螯合，而且對由重金屬引起的氧化脅迫的緩解都起著重要作用。

2 PCs的生物合成途徑及其調控

PCs的生物合成由植物螯合肽合成酶（PCs合成酶）催化，這種酶需要重金屬作為活化因子。Cd是這種酶最有效的催化劑，而其他重金屬對它的催化程度都要比Cd小。

1999年，3個試驗組分別證明了編碼PCs合成酶的基因，即擬南芥AtPCS1基因、裂殖酵母SpPCS基因和小麥TaPCS基因。預測的由AtPCS1，TaPCS1和SpPCS編碼的氨基酸序列分析顯示，N端區域高度保守，而C端區域則不定。

在高等植物中， PCs合成酶通常是組成酶，即使暴露于重金屬下，它的基因也不會被誘導。通過對擬南芥AtPCS1基因的Northern和RT-PCR分析已證明這點，研究還發現即使暴露于像Cd、Zn或Cu這樣的重金屬，或者氧化脅迫、鹽脅迫、茉莉酸或水楊酸處理[7-8]，也沒有AtPCS1轉錄調控。然而在植物發育的早期階段，發現用Cd處理的擬南芥AtPCS1 mRNA水平比沒用Cd處理的要高2倍。由此看來，在特異器官和發育階段對有毒重金屬需要很強的防御，PCs合成酶基因的表達可能被調控。

除了重金屬能激活PCs合成酶，PCs合成酶也可被細胞內的GSH水平調控。眾所周知，GSH的合成受氧化脅迫調控。高等植物中外源性應用或內源性產生的H2O2能增加GSH水平[9]。Xiang和Oliver指出[10]，經暴露于Cd后，PCs合成受到多樣水平調控（多層次）。在他們提出的模型中，Cd通過激活PCs合成酶從GSH中誘導PCs的合成，并且提出GSH的合成不但通過GSH生物合成途徑的轉錄激活，也需要靠ROS的內源性產物如H2O2的刺激。在杜氏鹽藻中可能存在相似的重金屬誘導PCs合成的調控機制。在這類綠藻中，經Zn處理的細胞中PCs合成水平明顯要高于那些經Cd處理的細胞[11]。杜氏鹽藻這個獨特的特征是由于經Zn處理后導致細胞內H2O2水平增加從而促使GSH有很大的通量，而且與高等植物相比，Zn更加能活化PCs合成酶。

3 原核藻類PCs合成酶基因的確定與描述

通過使用NCBI-BLAST tool（http：//www.ncbi.nim .nih.gov/blast/）來確定一些原核藻類中編碼PCs合成酶相似蛋白的基因，這些原核藻類包括藍藻發菜（一種淡水藻類）PCC7120（DDBJ/GenBank/EMBL accession no.AF384110），原綠球藻MIT9313（BX572098），多變魚腥藻ATCC29413（NCBI accession no.ZP_00162897），點狀念珠藻（ZP_00107402）和紅海束毛藻 IMS 101（ZP_00324863）。編碼預測蛋白的這些基因有共同特點：同真核生物一樣，PCs合成酶N端區域高度同源，但是比真核生物PCs合成酶序列保守N端少了4個半胱氨酸殘基（真核生物PCs合成酶保守的N端區域有5個半胱氨酸）。盡管發菜PCC7120中編碼蛋白（NsPCs）的alr0975基因與真核生物PCs合成酶基因很相似，但是，即使在用Cd處理的細胞內也沒有PCs的積累，也沒觀察到alr0975基因表達。然而，在大腸桿菌里表達的重組NsPCs，在體內外都能催化PCs合成。根據這些結果，NsPCs似乎是在真核生物中發現的PCs合成酶的最原始形式。

4 重金屬脫毒系統的獲得和功能性進化

在光合生物中，高等生物的葉綠體被認為起源于藍藻和異養真核生物細胞之間的共生體。在高等植物中全長的PCs合成酶可能是從藍藻中進化來的。相反，在真核藻類中，一個PCs合成酶基因也沒被確定，盡管已經在一些品系中證實，在某種程度上有與高等植物相似的PCs被誘導合成。正如上面所說，在杜氏鹽藻中，PCs合成不是被Cd而是被Zn誘導的[10]。而且，優越的PCs亞類不是PC2或PC3，而是PC4。

對高等植物和藍藻中的PCs合成酶同源基因序列分析顯示，包括NsPCs藍藻合成酶都展現PCs合成酶N端保守區域的高度同源，盡管NsPCs缺少C端易變區域，而且在高等植物PCs合成酶的N端區域有5個半胱氨酸殘基。而且，重組的NsPCs可在大腸桿菌細胞內和體外起到PCs合成酶的作用。根據這些結果，藍藻PCs合成中這些PCs的合成特征與高等植物中的那些不同，杜氏鹽藻的PCs合成酶同樣有與高等植物酶不同的結構和功能。如果PCs合成酶基因在真核微藻如杜氏鹽藻中被確定，那么PCs合成酶功能的進一步研究和它們的變化，就可能為這個酶通過真核藻類的方式，從藍藻到高等植物的分子進化過程的說明提供重要信息。例如NsPCs被認為代表植物PCs合成酶的進化起源。然而，在藍藻發菜PCC 7120中，既沒有PCs的積累，也沒有編碼NsPCs的alr0975基因的表達。所以，NsPCs被建議是PCs合成酶原始的或祖先形式，而且它的基因表達的調控機制，與目前在高等植物中表達的已有全長的PCs合成酶的調控機制不同。

5 總結與展望

PCs對植物的重金屬解毒有很重要的作用[12]。在高等植物中，PCs研究的比較清楚，PCs合成酶也已被確定，但在藻類中其研究還不完善，相信隨著生物技術的不斷進步，這一領域必將取得巨大進展。

參考文獻：

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