【摘要】：植物蛋白激酶在信号传递过程中越来越受到关注。促细胞分裂剂激活性蛋白激酶（MAPK）是一类存在于各种真核生物体中的丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶。它被上游激活因子MAPKK磷酸化而激活，并通过将底物蛋白上的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化而传递信号。它与其他一些信号分子组成MAPK级联信号通路，接受外界刺激信号，将信号转入细胞内，影响特定基因的表达，它的作用受到不同因子的调节。文章主要介绍了植物体中的MAPK的结构特点、分类以及其在病原信号传导中的作用。 【关键词】：植物蛋白激酶；MAPK；MAPK级联；信号传导
蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程是生物体中普遍存在的一种调节机制,几乎涉及所有的生理和病理过程,如糖代谢、细胞的生长发育、光合作用、基因表达、神经递质的合成与释放、不良环境的适应、甚至癌变等等,它在细胞信号转导中起重要作用[1] 。蛋白质的磷酸化作用由蛋白激酶催化,这方面的研究最初集中在酵母和动物领域,植物蛋白激酶的研究起步较晚,但近年来发展很快。
1. 植物蛋白激酶的类型
迄今已从拟南芥、烟草、小麦、玉米、水稻、黑麦、燕麦、豌豆、大豆、苜蓿、菠菜、番茄、苹果、土豆和十字花科等的植物中发现许多蛋白质激酶或其基因。根据hanks 和hanter以及stone和walker的分析，可把这些酶归入4类蛋白质激酶之中（表1），但目前尚未在植物体系中发现第Ⅳ类蛋白质激酶。
表1 植物蛋白质激酶特性及可能作用
2. MAPK的结构特点和分类
植物MAPK 级联激酶的研究开始于90 年代初,但近几年发展很快[2] ,现已在植物中发现了大量MAPK家族成员,而且在植物中识别出的MAPK数量比在动物和酵母中还多,不少编码MAPK和一些编码MAPKK与MAPKKK的基因也已从植物中分离到。
MAPKs是一类丝氨酸，苏氨酸fSer， r1蛋白激酶．广泛存在于真核生物中。与一些其他的信号分子组成MAPK级联途经。MAPK级联途径有三类激酶组成并通过依次磷酸化将逆境信号传递下去．即MAPKs- MAPKKs- MAPKKKs。在拟南芥等植物中已经分离鉴定出几条
MAPK信号传导通路[3]。另外水稻等植物中一些MAPKs的上游基因MAPKKs MAPKKKs或MAPKs基因也已经被分离并验证。这就为今后研究植物中的信号传导机制打下了有力基础。
2.1 植物中MAPKs的结构特点
对MAPKs最早研究始于哺乳动物和酵母．近年来在拟南芥、苜蓿、烟草、水稻、玉米等高等植物中也取得了很大的进展。植物MAPKs与动物和酵母中的MAPKs非常相似．分子量大多在38 55KD之间，都含有11个保守的蛋白激酶亚区。在其Ⅶ和Ⅷ 亚区之间也存在一个催化区域．其中保守的TxY基序在此起关键作用。与动物和酵母的不同之处在于．植物TxY中的X常为E或D，而动物和酵母中常为烫贴E、P或G，因此TDY真空泵叶片基序为植物所特有。TxY基序在三维结构上定义”T环结构(T．1oop)”，T环是一个接近活化位点的表面环状结构．它被认为是决定MAPK激酶活性的关键结构．在调节蛋白激酶活化状态中起着非常重要的作用。除了X氨基酸不同之外，不同植物MAPKs在T环长度上也不同。TxY基序中x氨基酸的和T环氨基酸长度可以影响植物MAPKs的底物特异性．并且T环长度在控制自主磷酸化上起关键性的作用。
2.2 植物中MAPKs的分类
目前已经从高等植物中分离出数量众多的蛋白激酶．仅在拟南芥基因组序列测定过程中就发现了20种MAPKs、10种MAPKKs、60种MAPKKKs，同样在其他高等植物中也发现大量MAPKs．例如水稻中的BWMK1．紫花苜蓿的SIMK和SAMK．烟草中的SIPK、WIPK等。根据被MAPKKKs磷酸化的保守的TxY基序可以将MAPKs家族分为两个亚家族，一类含有TEY基序，另外一类含有TDY基序。根据它们的结构特点以及序列比较又可以将含有TEY二维液相谱基序的亚家族分为三类。目前对MAPKs的研究主要集中在A、B、D三类，对C类MAPKs的研究相对比较少 研究发现A类MAPKs主要响应环境以及与激素有关的一些事件．拟南芥中的MPK3受一些环境胁迫所激活.[4]．并且在活性氧的刺激下也可以被激活：另外与MPK3同源性比较高的烟草中的WIPK参与伤诱导的信号转导．一些生物以及非生物胁迫也可以激活烟草中的SIPK。对B类MAPKs的研究相对A类要少一些．但研究发现B类MAPKs也参与了由环境胁迫引起的细胞内信号传导。以及细胞分裂过程中的一些事件。例如．对拟南芥中MPK4的研究表明生物胁迫以及非生物胁迫都可以引起MPK4的激活[5]：紫花苜蓿中MMK3以及烟草中NⅡ6在细胞分裂周期中被激活．并且在细胞分裂末期特异定位于成膜体上。D类MAPKs区别于前三类显著的特点是其TDY基序．另外它也缺少其他三类MAPKs中
所共有的C端的CD区域。目前已经报道的水稻中的BWMK1和紫花苜蓿中的TDY1都属于此类[6]。
3. MAPK在病原信号传导中的作用
除了非生物胁迫以外．植物还经常受到病原菌的侵袭。真菌、细菌、病毒等植物病原菌通过机械损伤、昆虫介导、气孔等途径进入植物细胞致使植物产生病害。病原菌侵染植物后。常常在其侵染部位出现枯斑．这是由于被侵染的细胞及其周围一些细胞致病死亡所造成的[7]．称为过敏反应。在此过程中包括一系列细胞内信号的传递、多种抗逆相关基因的表达以及抗逆相关蛋白的激活、乙烯的产生等。
3.1 MAPKs在植物对病原侵害的反应中的作用
MAPKs在植物对病原侵害的反应中起重要作用不仅一些调控抗病基因表达的转录因子如PBF．1、G／HBF．1等的激活需要磷酸化。病原信号的传递也需要MAPKs的参与。水稻的一个MAPK因．OsBWMK1可以调控PR基因的表达。体外试验中OsBWMK1还可以磷酸化转录因子OsEREBP1．从而增强其与DNA的结合能力。OsBWMKl基因转化烟草可以增
强其抵御病原菌侵害能力．在各种病原菌信号的刺激下．OsBWMK1可以瞬时快速激活．并且在其转录后5 10min达到最大活性。但是在蛋白质水平上却不是这样。据分析这可能是植物使MAPKs在蛋白质水平上维持一个稳定状态．以使其对这些不良环境作出快速的应答 在机械损伤处理的烟草叶子中也发现一个蛋白激酶WIPK的快速积累．在转基因烟草中过表达WIPK后可以抑制其本底水平的表达．进而抑制了植物对机械损伤等伤信号的应答。而番茄中WIPK的一个同源基因也与其试验结果一致．它们感受伤信号的刺激．引起植物体内茉莉酸合成。此外还发现．乙烯在病原菌和机械损伤的胁迫反应中起到重要的作用 例如．一些PR基因可以在施加外源乙烯时被激活表达。植物对病原菌比较明显的反应之一就是Ca2+的积累[8]．拟南芥AtMKP1的同源基因NtMKP1可以与CaM 相互作用．一个CaM类似物在烟草叶片的损伤以及led电子灯箱控制器TMV引发的过敏反应中也有增加．这些都可能说明Ca2+与MAPKs信号途径之间存在一些必然的联系[9]。
水杨酸是一种介导抗病反应的分子,能够激活蛋白激酶。SIPK最早就是发现于SA处理的烟草悬浮细胞中的。SA能迅速诱导SIPK对MBP 磷酸化的催化,5 min内SIPK活性达到峰值,45 min 后降至本底水平。同水杨酸类似,寡糖素和TMV (烟草花叶病毒)也能激活SIPK,一些蛋白类激发子如从丁香假单胞菌菜豆致病变种( Phytophthora spp. ) 中提取的2 种elicitin以及
叶霉病菌( Cladosporium fulvum) 的Avr9 等都能诱导SIPK的活性。家居智能系统WIPK和ERMK是2 种能被病原激发子诱导的MAPK, 两者具有较高的同源性, 属同一类MAPK[21]目前WIPK和ERMK的具体功能尚不清楚,但由于WIPK激酶的激活所
需时间与细胞死亡的时间一致,Zhang等[10]认为WIPK 可能与细胞的程序性死亡(programmed cell death) 有关。
3.2 植物免疫反应与MAPK级联
植物病原信号传递研究进展很快, 最近Asai等[11]揭示出拟南芥免疫反应中一条完整的MAPK级联途径。为研究拟南芥免疫反应的信号传递,他们首先建立了一个能由鞭毛蛋白诱导早期防卫基因转录的叶肉细胞体系,利用这一体系在拟南芥中到一个富含亮氨酸重复序列(leucine2rich2repeat , LRR) 浮油回收机的受体激酶-FLS2。FLS2 是鞭毛蛋白的受体,具有类似动物TLRs (toll2like receptors) 的免疫反应识别结构,能够识别免疫抗原(鞭毛蛋白) [12]。通过抑制剂处理、RT2PCR 分析和基因瞬间表达检测等手段,发现FLS2 下游依次是MEKK1、MKK4/MKK5 和MPK3/MPK6 ,它们分别为MAPK 的级联组分-MAPKKK、MAPKK 和MAPK。MPK3/MPK6 能够调节WRKY22/ WRKY29 ,而WRKY22/ WRKY29 是防卫基因表
达的转录激活因子。当将鞭毛蛋白涂在叶肉细胞上时,叶肉细胞的FLS2识别鞭毛蛋白, 并依次引发MEKK1、MKK4/MKK5、MPK3/MPK6 和WRKY22/ WRKY29 活性变化,最后诱导防卫基因转录和防卫蛋白合成而产生免疫反应。
4. 结语
MAPKs级联途径是细胞内复杂信号网络系统的一部分．它在植物抗逆反应的信号传导途径也越来越复杂，一个组分同时在几个不同的信号通路中起作用．一个信号刺激可以激活不同的MAPKs信号通路．不同的信号刺激也可以激活同一个信号通路，一些成熟的研究方法的应用也大大增进了我们对这些的了解，如用MBP测定MAPK活性，激酶抑制剂和基因突变，免疫沉淀法，酵母双杂交，RNA干涉以及网络模式法，随着对其机理的深刻了解，可以让我们进一步了解某些疾病的发生。
参考文献
[1] del Pozo O,Pedley K F, Martin G B. MAPKKKalpha is a positive regulator of cell death associated with both plant immunity and disease [J]. The EMBO Journal ,2004 , 23 : 307223082.
[2] Menke F L, van Pelt J A, Pieterse C M, et al. Silencing of t he mitogen2activated protein kinase MPK6 compromises disease resistance in Arabidopsis[J] . Plant Cell , 2004, 16 : 8972907.
[3] He C, Fong S H, Yang D, et al. BWMK1, a novel MAP kinase induced by fungal infection and mechanical wounding in rice [J]. Mol. Plant2Microbe Interact., 1999, 12: 106421073.
[4] Song F, Goodman R M. OsB IM K1, a rice MAP kinase gene involved in disease resistance responses [J]. Planta , 2002, 215 : 99721005.
