玉米熱激蛋白研究進展

生物體在高溫、鹽漬、寒冷、干旱、饑餓、重金屬離子等環(huán)境脅迫下，能夠誘導(dǎo)合成的一類應(yīng)激蛋白——熱激蛋白(heat shock proteins，HSP)，它是一種非特異性高度保守的蛋白，HSPs作為一種逆境脅迫蛋白。能夠保護細胞抵抗環(huán)境脅迫，減輕逆境脅迫引起的傷害并對其進行修復(fù)。

1 玉米HSPs的誘導(dǎo)合成

在熱應(yīng)激條件下，誘導(dǎo)合成HSPs的現(xiàn)象普遍存在于植物界，包括酵母、大豆等。前人在玉米中發(fā)現(xiàn)，不同基因型的品種，或不同的組織部位，或不同活力的種子，熱激均能誘導(dǎo)產(chǎn)生HSP70。在玉米種子發(fā)育中后期，胚大量合成HSP70及誘導(dǎo)smHSP的積累，其中，20kD左右的HSP的種類多，分布在較寬的pI范圍，且含量豐富。HSP70家族中的特異蛋白BiP和HSP60家族中的PDI在玉米胚發(fā)育過程中Westernblot檢測，其含量基本保持恒定，表現(xiàn)出熱激不敏感。

玉米HSPs的誘導(dǎo)合成是快速且持續(xù)時間是短暫的。玉米根尖在從25℃升高到40℃的環(huán)境中熱激20min，能夠檢測到一組新的蛋白一熱激蛋白，分子量分別為87，85，79，78，77，72，70，27，22和18kD。在玉米中，HSPs的合成只能持續(xù)4h，隨后下降。在恢復(fù)到25℃2h后，這組熱激蛋白的合成快速下降，熱激處理后回到正常生長溫度要比延長熱激時間所誘導(dǎo)的HSPs合成量下降得快。有些HSPs的合成能持續(xù)較長時間，在熱激4h的玉米中，隨著HSPs合成的減少，兩種分子量為62和50kD的蛋白質(zhì)開始合成。這兩種蛋白質(zhì)至少能持續(xù)合成20h，與是否回到正常溫度無關(guān)。誘導(dǎo)大量合成HSPs的最適溫度，不同種類植物是不同的，玉米的最適誘導(dǎo)溫度為40-42℃。

除了熱應(yīng)激以外，其他的一些因素也能使玉米產(chǎn)生HSPs，如澇脅迫、脫落酸、創(chuàng)傷等，皆可誘導(dǎo)HSPs的合成。由此可見，引起HSPs產(chǎn)生的因素不僅是熱應(yīng)激，在其他許多因素作用下，也都可能誘發(fā)HSPs的合成。所以，從廣義而論，應(yīng)該將這類蛋白質(zhì)稱為應(yīng)激蛋白更為確切。

2 玉米HSPs的種類

通常根據(jù)分子量(kD)的大小，將其分為高分子量熱激蛋白(M W>50kD)和低分子量熱激蛋白(M W<50kD)兩大類，其中玉米低分子量熱激蛋白很豐富。在40℃時，玉米熱激蛋白的分子量有87、85、79、78、72、70、27、22和18kD等10種，45℃時，玉米熱激蛋白有83、81、68、65 kD等。在42℃、4h的條件產(chǎn)生的熱激蛋白為73、65、62、54和18kD等類型。

目前發(fā)現(xiàn)的玉米低分子量熱激蛋白如27、22、19和18kD等，高分子量熱激蛋白如87、85、83、81、79、73、72、70、68、65、62和54kD等。

3 玉米HSPs熱激的組織特異性表達及細胞定位

前人的報道已經(jīng)證實了玉米花粉對熱激的反應(yīng)依賴于發(fā)育的不同階段，玉米的熱激反應(yīng)具有組織特異性，40℃下對胚芽鞘、盾片、黃化葉和綠葉、懸浮培養(yǎng)的細胞、發(fā)芽的花粉粒、初生根截段生長在不同階段合成的熱激蛋白進行分析，蛋白質(zhì)進行單向凝膠電泳表明有10種左右特異性的熱激蛋白產(chǎn)生，但是具體的熱休克蛋白的分布存在著組織特異性，玉米胚芽鞘、盾片、黃化葉和綠葉、懸浮培養(yǎng)的細胞及初生根均能合成10種熱激蛋白，但萌發(fā)的花粉粒不能合成這10種熱激蛋白，只合成了58kD和92kD兩種熱激蛋白。懸浮細胞培養(yǎng)液除合成這10種熱激蛋白外，還合成了另外兩種分子量分別為22kD和68kD的熱激蛋白。初生根的成熟區(qū)域相對于未成熟區(qū)而言，合成HSPs的能力較低。不管是黃化葉還是綠葉，離體的或完整的在25℃時有低水平的組成型表達，40℃卻高水平的誘導(dǎo)表達。發(fā)芽的花粉粒沒有典型的HSPs表達，但是新產(chǎn)生92 kD、56 kD多肽。

研究熱激蛋白亞細胞水平定位一般采用蔗糖密度梯度離心法。玉米根中的5種小分子熱激蛋白存在于不同細胞器中，25 kD、72 kD定位于高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，18、29、72定位于原生質(zhì)膜、線粒體等。研究熱激蛋白在細胞器上的定位有助于了解熱激蛋白是否是某些細胞器上的功能蛋白。

4 玉米HSPs的功能

在正常溫度下，玉米小孢子至少有三個HSP家族表達(70 kD、60 kD和小分子熱激蛋白)有顯著表達。比如，組成型表達HSP70和HSP60在正常程序如蛋白折疊和細胞靶定，特別是線粒體HSP70和HSP60和葉綠體HSP60在輸入線粒體或葉綠體基質(zhì)后協(xié)助蛋白質(zhì)折疊和組裝，實驗表明玉米小孢子線粒體HSP70和大多數(shù)HSP60都具有這樣的功能。

玉米在熱脅迫下，可以誘導(dǎo)HSP101的產(chǎn)生進而提高玉米的耐熱性。研究發(fā)現(xiàn)，在熱脅迫后，恢復(fù)玉米的最適生長溫度，HSP101在3d以后消失。

5 玉米HSPs的表達調(diào)控

在熱脅迫下HSF(熱應(yīng)激轉(zhuǎn)錄因子)激活HSPs的轉(zhuǎn)錄，植物基因組通常編碼多于20種的HSFs，玉米的22個HSF亞型鑒定包含三類：HSF-A，HSF-B和HSF-C。

動物中熱激反應(yīng)衰減時分子伴侶如HSP70進入細胞核，結(jié)合到HSF1三聚體上，然后失活的HSF1引起HSF基因的轉(zhuǎn)錄。HSF結(jié)合蛋白1(HSBP1)也結(jié)合到有活性的HSF1三聚體上。這些發(fā)現(xiàn)與HSBP1在動物熱應(yīng)激反應(yīng)負(fù)調(diào)控中的作用一致，雖然蛋白與蛋白相互作用的相應(yīng)實例還沒有在植物中鑒定。EMP2是第一個描述的類似于HSBP蛋白的植物蛋白。玉米中有兩種HSBP，EMP2和HSBP2，Western分析表明EMP2和HSBP2蛋白在熱激反應(yīng)和植物發(fā)育中積累是有差別的，胚的EMP2致死性突變表明EMP2在胚胎發(fā)生的HSP轉(zhuǎn)錄下調(diào)中是必須的，HSBP2在葉中積累，而且是熱誘導(dǎo)型的。因此，分析動物的HSBP1保守區(qū)域的同源性，有助于研究EMP2對HSF活性負(fù)調(diào)節(jié)功能在玉米胚胎熱激反應(yīng)衰減過程中相互作用。雖然有關(guān)證據(jù)表明EMP2可能在HSF激活的負(fù)調(diào)節(jié)和HSR衰減起作用，還不清楚玉米中HSBP能否與HSF相互作用。

Ca²⁺也參與熱激蛋白基因的調(diào)節(jié)，孫旭彤等證實玉米細胞質(zhì)HSP70能在存在Ca²⁺條件下與鈣調(diào)素結(jié)合，推論Ca²⁺－CaM介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可能參與了熱激基因的表達和調(diào)節(jié)。