植物內質網分子伴侶BiP研究進展

張廣旭 王康君 孫中偉 郭明明 李強 陳鳳 樊繼偉

摘 要：植物內質網分子伴侶BiP是一類重要的功能蛋白，在內質網中發揮著重要功能，不僅參與內質網腔中的蛋白合成，而且也與內質網未折疊蛋白反應UPR相關，并在此反應中扮演重要角色。近年來，植物內質網伴侶分子BiP研究取得較大進展。該文對BIP的結構與功能、BiP的表達模式和調控機制以及BiP的表達水平與蛋白合成和UPR反應的關系等進行了綜述，以期對植物BiP的深入研究提供參考。

關鍵詞：植物BiP;結構與功能;表達模式;蛋白合成與UPR反應

中圖分類號 Q513 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）19-0022-04

Research Progress Endoplasmic Reticulum Molecular Chaperone BiP of Plant

ZHANG Guangxu et al.

（Institute of Lianyungang Agricultural Science of Xuhuai Area， Lianyungang 222000，China; Lianyungang Institute of Agricultural Sciences， Lianyungang 222000， China）

Abstract：Endoplasmic reticulum molecular chaperone BiP of Plant，is an important function of protein，plays an important function in the endoplasmic reticulum，which not only involved in the synthesis of protein in the endoplasmic reticulum cavities，and also associated with the endoplasmic reticulum UPR unfolded protein response and plays an important role in this response.This paper stresses the progress of endoplasmic reticulum chaperone BiP of plant ，structure and function of the BiP，and expression pattern and regulation mechanism of relationship between expression and protein synthesis and reaction of UPR to review，in order to provide reference for the in-depth study of BiP ofplant.

Key words：BiP of Plant; Btructure and Function; Expression Pattern; Protein Synthesis and UPR

內質網具有很多重要的功能，如參與蛋白合成的折疊、組裝、轉運及分泌，糖基化，合成脂質等，其中最為重要的功能之一就是對蛋白初體的質量控制[1]。這些蛋白初體的質控主要由內質網腔內的伴侶蛋白如結合蛋白BiP及蛋白二硫鍵異構酶PDI等一些主要分子伴侶所完成。其中BiP在蛋白合成過程中參與了折疊、組裝等過程，對蛋白合成發揮了重要作用。

1 BiP的結構與功能

BiP是結合蛋白Binding Protein的簡稱，它是內質網內主要的伴侶蛋白之一，屬于HSP70家族成員。在BiP蛋白的N端含有1個ATPase結合域，在C端有1個蛋白結合域。ATPase結合域能夠有序地循環進行磷酸化和去磷酸化，進一步使BiP蛋白能夠與未折疊蛋白結合或釋放[2，3]。BiP蛋白的C末端存在1個KDEL或HDEL滯留信號，使其能夠被滯留在內質網腔內。

BiP與進入內質網的未折疊蛋白質相互結合，進而防止多肽鏈不正確地折疊或聚合。BiP蛋白結合與ER中蛋白的疏水部分結合，能夠防止蛋白質的變性或降解，使其正確地折疊。在這結合過程中BiP同其他的分子蛋白的疏水部分伴侶或折疊酶相互協調作用，共同促進來自內質網膜上由多聚核糖體合成的未成熟的蛋白初體或多肽鏈進行折疊或組裝。BiP蛋白N端的ATPase與磷酸氨基酸結合，促進多肽鏈的折疊加工，當多肽鏈加工完成后，ATPase水解去磷酸化后成為活化狀態，此時BiP蛋白C端的蛋白結合域與多肽鏈的疏水部分結合，有蛋白質的BiP釋放被結合的蛋白，BiP蛋白進行下一輪的過程。若釋放的蛋白依舊處于未折疊狀態，BiP將重新與這種蛋白結合起來，同時還可幫助2種不同蛋白共同裝配。BiP伴侶蛋白不僅參與多肽鏈的折疊過程，同時也參與內質網關聯降解ER-associated degradation（ERAD）的蛋白降解過程。當內質網腔內未折疊或錯誤折疊的蛋白積累水平較高時，BiP誘導ERAD反應，以便清除這些不正常積累的蛋白或多肽鏈[2]。BiP分子伴侶蛋白可防止新合成的蛋白質在轉運過程中發生變性或斷裂。有研究表明，利用重組DNA技術，把酵母中編碼BiP蛋白的基因突變成溫度敏感型后，每當提高細胞培養的溫度時，BiP的功能就不會發生作用，蛋白質向ER的轉移也會停止，進一步可推測由于BiP功能的喪失，導致了蛋白質在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的轉移。

2 BiP基因的表達特點

目前BiP基因已經在水稻、玉米、擬南芥、大豆等植物中全部或部分獲得，對其表達特點也有了初步了解。BiP的功能決定了BiP基因在植物的所有器官中都有表達，但由于不同器官的功能不同，因此BiP的表達種類、表達水平及表達時間可能也有所差異。據報道，水稻BiP家族中BiP1主要是在水稻種子成熟過程中表達[1];擬南芥有3個BiP基因，其中BiP2在所有組織中均有表達[4]。正常生長條件下BiP可以持續表達，但當植物處在高溫或是用還原劑（DTT）或蛋白糖基化抑制劑（衣霉素）處理時，細胞內質網內未折疊蛋白或錯誤折疊的蛋白積累水平明顯上升，為緩解內質網壓力，一些BiP基因就會被誘導而特異表達[5-7]。BiP基因被誘導表達的這種過程稱之為內質網壓力反應或未折疊蛋白反應（UPR）。

Reginaldo A.等[8]通過克隆大豆BiP基因（gsBiP6 and gsBiP9），并獲得了其上游啟動子序列，將其與GUS報告基因進行結合，進一步導入煙草中獲得含目的基因的植株，分析其組織特異性表達情況，同時通過啟動子缺失實驗證明在BiP基因的上游有2個順式作用元件：CRD1（?358 to ?211，on gsBiP6）、CRD2（?211 to ?80）。CRD1激活BiP啟動子在所有被分析組織中的最低量表達，而CRD2是組織特異性表達所必需的，它激活BiP在分生組織和韌皮部細胞的表達，同時CRD2含有生長素作用元件，猜測BiP在某些組織的表達與生長素相關。

3 植物BiP研究進展

BiP對內質網的功能發揮至關重要，尤其是在蛋白合成過程對多肽鏈或蛋白初體的折疊、組裝以及在內質網壓力應激反應過程中發揮重要作用，因此目前對BiP的研究已取得了重大進展，在水稻、擬南芥、小麥、大豆等作物中均有報道，多集中在BiP表達水平對蛋白合成尤其是對種子儲藏蛋白的影響，以及在UPR反應或內質網壓力反應（如在各種脅迫條件）中的表達模式及重要作用等。

3.1 BiP的表達水平對種子儲藏蛋白的影響 在種子成熟過程中，儲藏蛋白會特異大量合成，并由內質網沉積在蛋白體PB內，這一累積過程主要受內質網分子伴侶如BiP、PDI等介導。Yasuda等[9]以水稻為材料，探討伴侶蛋白的作用及其與種子儲藏蛋白積累水平變化之間的聯系，通過把BiP基因、PDI基因與胚乳特異啟動子Glutelin Promoter結合，獲得轉化株，在植株胚乳中過表達BiP和PDI，以觀察分子伴侶BiP和PDI的過表達對種子儲藏蛋白的影響。結果發現，PDI過表達植株的種子外形和種子蛋白含量與野生型WT相差無幾，但BiP過表達植株的種子則呈現不透明的表型，具體表型為粉質和皺縮特征，且種子內儲藏蛋白和淀粉含量水平都低于野生型。Wakasa等[2]在研究水稻胚乳中BiP1表達水平變化引起其他內質網質量控制基因表達時構建了一系列轉基因株系，發現在這些轉基因植株中BiP1是以不同濃度在胚乳中特異積累。對BiP1基因顯著過量表達或強烈抑制，可改變種子的表型和胚乳細胞的胞內結構，同時使胞內儲藏蛋白濃度、淀粉積累和籽粒重量降低。進一步分析發現，轉基因植株中的其他許多分子伴侶和分子共伴侶基因的表達也發生了誘導，且BiP1 KD株系中的表達水平要高于BiP1 OEmax水平。通過水稻原生質體瞬時表達系統研究表明，擬南芥中的轉錄因子AtbZIP60的水稻同源蛋白Os06g0622700參與激活了一些分子伴侶基因的表達，使得BiP1表達略微增加，同時伴隨著鈣連蛋白和類蛋白質二硫鍵異構酶蛋白水平的增加，進一步導致了種子儲藏蛋白的增加，但是不改變胞內結構和種子的表型。這些研究結果表明BiP的積累水平不同，對種子儲藏蛋白的積累水平及各種蛋白組分都會產生不同程度的影響，同時也表明BiP的表達可能受某些轉錄因子的調節，并與其他伴侶蛋白或元件共同應對分泌蛋白的轉運與組裝。

3.2 BiP與內質網壓力或UPR反應 BiP蛋白可以作為未折疊蛋白反應UPR的反應器。由內質網壓力導致的蛋白聚集與某些蛋白構象疾病相關，如老年癡呆癥和帕金森綜合癥等[10，11]。在動物細胞中，ER壓力反應至少由3種明顯的細胞內信號轉導途徑構成：在不正常的蛋白重折疊和降解過程中，有2種bZIP類型的轉錄因子（ATF6和XBP1）參與其中[12];翻譯抑制，是由內質網相關激酶PKR或真核生物翻譯抑制因子2亞基eIF2a所調節[13，14];細胞凋亡，是由內質網相關激酶PKR和另外2個轉錄因子（ATF4和C/EBP同源蛋白）所調節[15，16]。內質網壓力反應或未折疊蛋白反應UPR在植物中的研究主要集中在擬南芥。現有的研究結論表明植物中的內質網壓力反應的分子機制與人類和酵母的反應機制可能存在差異。擬南芥和水稻中有類似于酵母中的ATF6和IRE結構的基因，但XBP1和PEPK相關的同源基因還沒有在植物中得到證實。擬南芥中有些BiP基因表達直接由1個被稱為AtbZIP60的轉錄因子調節，AtbZIP60有1個跨膜結合域（TMD），在功能與結構上等同于水稻內質網壓力反應中的ATF6基因。當內質網沒有受到壓力應激反應時，ATF6和 AtbZIP60通過C端的跨膜結合域與BiP互作而定位于內質網腔內，但當內質網內感受到壓力應激反應時，C端的跨膜結合域就會被粘附在高爾基體的表面，細胞質內含有亮氨酸鋅指結構的N端激活域轉移進細胞核內，再通過與內質網壓力反應元件（ERSE）結合而參與一些內質網壓力反應相關基因的表達，包括BiP[17-19]。造成細胞內質網壓力反應的因素有很多，如高溫、強光及各種脅迫（包括生物及非生物脅迫）等，這些因素都可以引起細胞內質網壓力，使BiP的表達發生變化，以應對這一反應。William等在研究溫度對BiP的mRNA和蛋白積累水平的影響時發現，當把小麥置于37～40℃高溫時，BiP蛋白和mRNA的積累水平在種子不同生長時期變化很大。種子發育的早期階段，BiP的mRNA積累在高溫下呈現升高的趨勢，但在后期卻呈現下降趨勢;而BiP蛋白在種子發育早期積累較少，而在后期卻有所增加[20]。據報道，光的變化也能引起某些BiP在特異組織中的表達水平發生變化，從而調節分泌蛋白的積累水平[21]。

在由各種脅迫引起的UPR反應的研究中，非生物脅迫造成的影響研究相對較多，特別是干旱脅迫，鹽脅迫等。Maria等[22]構建了BiP過表達轉基因大豆植株，在BiP過表達情況下給予植株干旱處理，然后對比轉基因植株與野生型植株的性狀差異，發現BiP過表達的植株對干旱的忍耐力比野生型更強，且對干旱反應表現不敏感;與野生型相比，在同樣的干旱條件下，轉化株的葉片含水量更高，枯萎程度也更小，氣孔關閉數目也較少。此外，轉化株中與干旱相關的一些生物因素，如脯氨酸和葡萄糖的含量及其他在干旱條件下被誘導表達的基因等與不處理的植株相比沒有明顯變化，這表明由于BiP的過表達可能關閉了某些干旱誘導基因的表達，使得轉化株對干旱的忍耐力增強，延遲了其對干旱反應的敏感性;相反，BiP缺失表達或表達被抑制的植株對干旱反應的敏感性增加，對干旱的忍耐力也顯著下降。Julio cezar等[23]在研究菠菜BiP的脅迫反應時發現，在應對由干旱和DTT或衣霉素引起的脅迫時，BiP蛋白的磷酸化反應也不相同，這可能與2種脅迫導致BiP表達的趨勢不同所致。

4 展望

盡管目前對植物BiP的研究已取得了重大進展，對水稻、玉米、擬南芥、大豆等植物均有涉及，且多集中在BiP的表達模式、BiP的表達水平與種子儲藏蛋白的關系，以及BiP與各種脅迫導致的UPR反應的關系等，但對小麥BiP的研究報道相對較少。小麥是我國重要的糧食作物，開展小麥BiP研究對保障我國糧食安全具有重要意義。如何利用BiP在種子儲藏蛋白合成過程中的重要作用來改善小麥蛋白含量及品質，如何利用BiP在脅迫反應中的表現來增強小麥的抗脅迫反應的能力，這些問題將是今后研究的熱點。

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