关于ABA信号转导核心组份PP2C的研究进展分析

姜 丽，冷 平

(中国农业大学园艺学院,北京 100193)

PP2C蛋白磷酸酶（protein phosphatase 2C，PP2C）是一类丝氨酸/苏氨酸残基蛋白磷酸酶，以单体酶的形式广泛存在于生物体中，参与多种信号途径[1]。据统计，PP2C在人类基因组中发现大约有15个，在线虫中近8个，在果蝇中有10个，酵母中仅有7个，而在拟南芥中有80个，表明植物的PP2C较其他的真核生物更具多样性[2-3]。高等植物中PP2C广泛参与ABA的各种信号途径，包括ABA诱导的种子萌发与休眠、保卫细胞和离子通道的调控以及气孔关闭、生物与非生物胁迫等。作为大多数信号途径的负调控因子，PP2C能直接与激酶结合，与其他调控蛋白结合，以及直接与DNA结合调控相关基因的表达[4]。PP2C是高等植物中最大的蛋白磷酸酶家族，其参与的多条信号转导途径虽然调控机制不同，但酶催化活性都依赖于Mg2+或Mn2+的浓度。植物PP2C的C端催化结构域高度保守，而N端功能各异[5]。其结构的多样性表明 PP2C在信号转导机制中具有不同的功能，其表达模式及细胞定位特性也各不相同[6]。本文将从主要PP2C的功能以及PP2C的调控进行综述。

1 主要PP2C的功能

1.1 ABl1和ABl2

PP2C蛋白磷酸酶ABI1和ABI2是ABA信号转导的关键因子，是ABA信号转导网络调控中研究的焦点[7-8]。1998年Rodriguez PL等人发现拟南芥abi2-1突变体在种子萌芽期和营养生长时ABA响应表现出ABA不敏感。该实验中ABI2与ABI1是80%的氨基酸序列相似性。Gly（168）Asp abi2-1蛋白表现出PP2C活性降低[9]。此外，Rodriguez PL等人进行了拟南芥PP2C分子克隆，发现拟南芥中的新PP2C AtP2C-HA（ABI1/ABI2的同源物）（数据库进入编号AJ003119）。AtP2CHA cDNA包含1536个bp的开放阅读框，编码511个氨基酸的蛋白。比较ABI1，ABI2 AtP2C-HA的基因结构，发现他们是属于一个基因家族的基因。ABA处理会上调AtP2C-HA基因的表达[10]。显性突变体abi1-1会显著降低种子和营养组织对ABA的响应，并且曾作为ABI1基因唯一的突变等位基因。1999年Gosti F等人分离了拟南芥ABI1基因的7个新等位基因，作为abi1-1突变体的基因内的回复突变等位基因。发现施用ABA时，这些回复突变等位基因比野生型在抑制种子萌发和幼苗根生长方面更敏感，也表现出增加种子休眠和适应干旱胁迫，表明对内源ABA更高的响应。在增强ABA敏感性方面，回复突变等位基因相对于野生型是隐性的，表明ABA-超敏感表型是由于ABI1功能缺失导致的。这7个干扰抑制突变体是ABI1的PP2C域的保守区域的错义突变体，每一个相对应的回复突变等位基因编码的ABI1蛋白，在离体酶催化实验中，没有可检测的PP2C活性。这些结果表明ABI1缺失PP2C活性导致ABA响应的加强。因此，野生型ABI1磷酸酶是ABA响应的负调控因子[11]。2001年Merlot S等人分离并且描述了第一个ABI2的还原功能等位基因abi2-1R1。abi2-1R1的离体磷酸酶活性比野生型ABI2蛋白低大约100倍。abi2-1R1植株表现出野生型ABA敏感性。双突变体（abi2-1R1和缺失ABI1的功能等位基因）在ABA响应上比每个亲本单突变体都敏感。数据表明野生型ABI2磷酸酶是ABA信号转导的负调控因子，在控制ABA作用时ABI1和ABI2磷酸酶功能冗余。在响应ABA时ABI1和ABI2的磷酸酶活性增加。在ABA信号转导通路中，ABI1和ABI2在负反馈调控环中起作用[12]。在拟南芥保卫细胞的ABA信号转导网络中钙通道被活性氧激活，2001年Murata Y等人发现PP2C突变体abi1-1阻断ABA激活钙通道。在abi1-1中ABA不会诱导活性氧的产生，过氧化氢激活的钙通道和过氧化氢诱导的气孔关闭不会被阻断，表明abi1-1会减弱ABA感知和产生活性氧之间的ABA信号转导。abi2-1会阻断ABA激活钙通道，但与abi1-1相比较，abi2-1会减弱过氧化氢激活钙通道和过氧化氢诱导的气孔关闭。abi2-1中ABA会诱导活性氧产生[13]。2006年Yoshida R 等人发现abi1-1突变体非abi2-1突变体，强烈抑制ABA-依赖的SRK2E/OST1的激活。甚至在abi1-1和abi2-1突变体中渗透胁迫会激活SRK2E/OST1。SRK2E/OST1的C端域 II 与ABI1相互作用，在调控气孔关闭中起着至关重要的作用[14]。2009年Komatsu Kenji等人对苔藓（the moss Physcomitrella patens）中的PpABI1A 和 PpABI1B进行了研究，为拟南芥与苔藓之间的PP2C介导的ABA信号转导是进化守恒的提供了遗传证明[15]。同年，Yoichi Sakata等人也对苔藓中PP2C介导的ABA信号转导进行了研究，同样发现基本的陆生植物苔藓和模式植物拟南芥共享保守的ABI1相关的PP2Cs介导的ABA信号转导通路。转基因过表达abi1-1苔藓表现出形态建成的改变，转基因植株比野生型具有更长的茎，在非胁迫条件下颈卵器持续生长且几乎没有孢子体。PP2C介导的ABA信号转导涉及苔藓的非生物胁迫响应和其生长发育调控[16]。2012年Brandt Benjamin 等人发现ABI1、ABI2以及PP2CA下调卵母细胞中CPK6（ Ca2+-dependent protein kinase）介导的SLAC1的活性。ABI1直接以SLAC1目标（下调），直接去磷酸化SLAC1的N端，揭示了早期ABA信号转导核心的另一个分支。同时发现ABI1的点突变会打断了PYR1-ABI1的相互作用，阻断了ABA信号转导[17]。2015年Li Chengxiang等人在水稻中发现AtABI1 和 AtABI2同源基因OsABI-LIKE2（OsABIL2），在水稻的ABA信号转导中也起着负调控的作用。过表达OsABIL2会导致ABA不敏感和显著改变植物发育表型，包括气孔密度与根形态，促进了对干旱胁迫的高敏感[18]。同年，Mitula Filip等人发现在拟南芥中ABI1可以调节ABA激活的MAPKKK18，并且促进MKKK18的蛋白酶体降解[19]。

1.2 HAB1

HAB1是ABA信号转导的负调控因子。2004年Saez A等人在拟南芥中通过CaMV35S启动子组成性表达HAB1，与野生型比较，在种子与营养组织中均降低对ABA敏感性。在外源ABA存在时，HAB1的隐性T-DNA插入突变体hab1-1突变体表现出ABA高度敏感，抑制种子萌发，但蒸腾速率与野生型相似[20]。2009年Vlad Florina等人发现PP2Cs调控OST1的活性。在离体中HAB1使OST1去磷酸化并失活。活体中，HAB1和ABI1、ABI2与OST1相互作用[21]。2015年Chen JinHuan等人在胡杨中也发现了ABA响应的负调控因子PeHAB1[22]。同年，Wang Zhijuan等人发现HAB1经历可变剪接会产生两个剪接变体，编码HAB1.1和HAB1.2，它们在ABA介导的种子萌发和发芽后生长实验中发挥着对立的作用。HAB1.2主要是ABA存在时形成，会抑制种子发芽和发芽后的生长。HAB1.2会与OST1相互作用，但不能抑制OST1激酶活性，因此HAB1.2是ABA信号转导的正调控因子。同时，确认了HAB1的可变剪切与分子多样性的潜在调控因子RBM25（RNA-recognition motif-containing protein）[23]。

1.3 AHG3/AtPP2CA

2001年Tahtiharju S等人为了阐明AtPP2CA在低温驯化中的功能，通过反义抑制使相关基因沉默。转基因反义植株表现出明显的加强抗低温胁迫能力，在低温胁迫和种子萌芽期间均加强了对ABA的敏感性。AtPP2CA在低温驯化中是ABA响应的负调控因子[24]。2006年Yoshida T 等人发现AHG3（ABAHypersensitive germination3）与AtPP2CA相同。在离体与活体中，ahg3-1错义突变体导致PP2C活性丢失，为PP2C是ABA信号转导的负调控因子提供了具体的证据。拟南芥AHG3/AtPP2CA缺失突变体与ABI1、ABI2、HAB1、HAB2缺失突变体比较，在萌芽期有最强的ABA超敏感性。在种子中AHG3/AtPP2CA是最活跃的PP2C。AHG3/AtPP2CA主要在种子中的ABA响应中起着重要作用。PP2Cs功能重复，但是在独特的组织或发育时期的ABA响应中，赋予不可或缺的生理功能[25]。2009年王婕等人进行了拟南芥PP2CA2基因T-DNA插入突变体功能分析，发现PP2CA2基因作用于拟南芥ABA胁迫应答信号途径，激活胁迫相关转录因子。PP2CA2基因转录受到环境胁迫的诱导，在转录水平上受ABA的正调控[26]。2011年蒋燕分析了AtPP2CA在调节拟南芥气孔运动中的作用，发现了拟南芥中PP2CA调控气孔运动与PLDα1参与微管控制不同，PP2CA可能与微管并列地、各自独立地调控着气孔运动，并无直接作用[27]。2014年王宏等人对耐盐杜梨蛋白磷酸酶基因PbPP2C进行了研究，发现其与拟南芥AHG3亲缘关系最近，与杜梨耐盐和耐干旱胁迫存在紧密关联[28]。

1.4 其他成员

AHG1（ABA-Hypersensitive Germination1）也编码一种PP2C。2007年Nishimura Noriyuki 等人发现AHG1在种子发育与萌芽期具有特异性功能，部分功能与AHG3相似。拟南芥ahg1-1突变体在种子萌芽期和萌芽后对ABA、NaCl、KCl、甘露醇、葡萄糖、蔗糖表现出高敏感性，但在成龄植株中无显著表型。ahg1-1稍稍积累更多的ABA，增加了种子的休眠。在干种子中AHG1 mRNA更高，并且在种子成熟后期增加，表达机制与ABI5相似[29]。2008年刘丽霞等人对ZmPP2C进行了研究，发现ZmPP2C与冰叶日中花植物中的MPC9同源性较高，与拟南芥中PP2C类蛋白的F类同源性较高。ZmPP2C定位于细胞核，过量表达ZmPP2C基因抑制拟南芥在胁迫下的萌发率和根的伸长，降低了转基因拟南芥对逆境胁迫的抗性。过量表达ZmPP2C基因降低了转基因玉米的抗旱性[30]。2012年Lim Chae Woo等人发现拟南芥中的AtAIP1属于组A PP2C，aip1核突变植株表现出在种子发芽期和苗期降低对ABA和葡萄糖敏感性。AIP1与ABA介导的信号转导相关联，并作为ABA的正调控因子[31]。HAI-1也是拟南芥组A PP2C的一个分支，HAI-1基因有被证明影响种子和植物对ABA的反应。2013年Zhang JiHong等人发现，HAI-1（AT5G59220）在拟南芥中编码核蛋白，可以被ABA和伤口高度诱导，当HAI-1基因被抑制时抗胁迫能力略有提升[32]。

2 PP2C的调控

2.1 PP2C与PYL相互作用

2009年Park Sang-Youl等人发现通过启动蛋白的PYR/PYL家族抑制PP2C[33]。同年Ma Yue等人确认了ABI1和ABI2的相互作用因子，命名为ABA受体的调控因子组分（RCARs）。离体中RCAR1与ABA连接，介导ABA-依赖的ABI1或ABI2的钝化，与PP2C的作用相拮抗[34]。Miyazono Ken-ichi等人发现在ABA信号转导中，ABA-依赖的PYL1抑制ABI1，PYL1连接ABA形成PYL1-ABA-ABI1晶体结构。PYL1通过启动蛋白特异性结合位点与ABA连接，因此在关闭的盖子表面形成疏水口袋。ABA-PYL1通过疏水口袋与ABI1紧密相互作用，像塞子一样覆盖ABI1的活性位点[35]。Santiago Julia 等人发现PYL5属于BET V1超家族（ Bet v1-like superfamily），是细胞核和细胞质ABA受体，通过抑制组A PP2Cs来激活ABA信号转导，通过PYL5介导的组A PP2C的抑制增强了抗干旱胁迫的能力[36]。此外，Fujii Hiroaki等人发现在ABA存在时，PYR/PYL受体蛋白会阻断SnRK2s和PP2Cs之间的相互作用，因此防止PP2C介导的SnRK2s去磷酸化，导致SnRK2激酶的激活[37]。2010年Nishimura Noriyuki等人通过生成YFP标记ABI1，并在活体中通过质谱分析ABI1复合物来确认ABI1相互作用蛋白。结果表明在拟南芥中ABI1可以和几个PYR/PYL/RCAR家族成员相互作用，PYR1与ABI1的相互作用可以被ABA快速刺激[38]。2013年Bai Ge等人对大豆中ABA受体与PP2C相互作用方式进行了研究，发现GmPYLs可以与AtABI1和两个GmPP2Cs以多种方式相互作用，大部分亚组ⅠGmPYLs以ABA-依赖的方式与PP2Cs相互作用，大部分亚组Ⅱ和Ⅲ GmPYLs以ABA-不依赖的方式与PP2Cs相互作用，亚组Ⅲ GmPYL23不与测试的PP2Cs相互作用[39]。2014年Zhang FangYuan等人发现了艾（Artemisia annua L.）中的 AaPP2C1会与AaPYL9相互作用，并参与ABA信号通路的负调控，是ABA信号转导的负调控因子[40]。2015年Li Chengxiang等人发现了水稻的AtABI1 和 AtABI2同源基因OsABILIKE2（OsABIL2）在活体与离体中均能与OsPYL1、SAPK8、SAPK10相互作用，OsABIL2的磷酸酶活性会被ABA-boud OsPYL1抑制。与其他仅存在细胞核的组A PP2Cs不同，OsABIL2在细胞核与细胞质中均存在。OsABIL2与OsPYL1相互作用主要在细胞质。ABA处理会调节OsABIL2在细胞质与细胞核中的分布，表明了ABA信号激活的不同机制[18]。同年Li Juan等人发现HAB1会和ABA-依赖的PYL10相互作用并被其抑制[41]。

2.2 其他相互作用及调控

2001年Meinhard M等人发现过氧化氢会灭活ABA信号转导中的负调控因子，是ABI1的调控因子[42]。2002年Himmelbach A等人发现同源域蛋白ATHB6是ABI1的下游目标[43]。2004年唐玉林等人发现ABI1与AtGluRS发生相互作用时，ABI1C-端的第262-434位氨基酸是极为关键的接触位点，包含蛋白磷酸酶PP2C特征信号（FFGVYDGHG）的区域（122-262位氨基酸）可显著强化其相互作用[44]。同年，章文华等人发现磷脂酶D（PLD）α1及其衍生物磷脂酸（PA）调控ABI1，通过共沉淀证明了PA与ABI1连接，删除和专一突变位点分析发现ABI1的精氨酸73是PA-ABI1连接的重要位点。PLD α1衍生的PA抑制ABI1 的功能，从而促进ABA信号转导。ABI1是脂质信使PA的直接作用目标[45]。2006年Mishra G、章文华等人继续发现PLDα1与PP2C以及异源三聚体GTP连接蛋白（G蛋白）相互作用介导ABA影响气孔。PLDα1产生的PA与ABI1连接，对ABA促进的气孔关闭进行信号传递。PLDα1和PA与G蛋白的Gα亚基相互作用介导ABA抑制气孔张开[46]。同年，Kuhn JM等人发现在ABA超敏感核mRNA帽结合蛋白突变体abh1中AtPP2CA转录被下调，abh1中AtPP2CA的下调不是由于AtPP2CA的pre-mRNA的受损RNA剪切。在abh1中表达35S：：AtPP2CA融合物部分抑制abh1超敏感性[47]。AtMYB44属于拟南芥R2R3 MYB亚组22 转录因子家族，2008年Jung Choonkyun 等人发现过表达AtMYB44表现出减弱PP2C编码基因表达，atmyb44敲除突变体表现加强PP2C编码基因表达。因此，过表达AtMYB44会降低编码PP2C基因的表达从而加强转基因拟南芥植株的抗非生物胁迫的能力[48]。2011年Sun Haili等人发现了ABI2在ABA信号转导中发挥作用的至关重要位点CPL，CPL是ABI2保持磷酸酶活性和与PYL5/9相互作用的重要位点。ABI2与ABA的两个受体PYL5和PYL9以及下游蛋白激酶SnRK2.6相互作用需要CPL。ABI2需要CPL来介导ABA信号转导[49]。2014年袁飞飞等人对甘蓝BolABI1进行了研究，发现BolABI1除了典型的PP2C结构域外，还含有一个磷酸基团结合位点，ABA受体结合框（ABAbox）以及SnRK3和相互作用的结构域。BolABI1基因受干旱胁迫诱导表达，甘蓝BolABI1具有蛋白磷酸酶的活性，能够与BolOST1发生蛋白质间相互作用，参与ABA信号转导途径[50]。2015年，Kong Lingyao等人发现可以通过PUB12和PUB13调节ABI1的水平，ABI1会与PUB12和PUB13相互作用，但只有在体外实验时与ABA受体相互作用时被泛素化[51]。

3 结语

ABA是一种重要的植物激素，其在调控植物的生长发育以及应对生物与非生物胁迫中发挥着显著作用，目前关于ABA信号转导的研究成果主要是PYR/PYL/RCAR-PP2C-SnRK2相互作用，其中 ABA信号转导的核心组分PP2C在ABA信号转导中主要是负调控因子，对其研究具有重要意义。目前已发现ATHB6是PP2C作用的下游目标，PA可直接作用于PP2C，关于PP2C作用的其他下游目标以及调控PP2C的因子仍有待发现。此外，除ABA信号转导途径，PP2C是否在其他激素的信号转导中也发挥作用有待探索。

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