蛋白质磷酸化在油菜素内酯信号通路中的作用
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摘要 油菜素内酯是植物体内一类重要的类固醇激素，参与调控植物生长发育过程。对拟南芥的大量研究基本阐明了BR信号转导网络中的主要通路。在BR信号转导过程中，蛋白质可逆磷酸化参与了多个重要环节的调控。该文综述了植物体内BR信号转导过程中蛋白质磷酸化的作用。
中图分类号 S183 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）06-0222-02
Regulation of Reversible Protein Phosphorylation for Brassinosteroids Signaling
JIN Yu-dan DAI Shao-jun *
（Alkali Soil Natural Environmental Science Center，Northeast Forestry University / Key Laboratory of Saline-alkali Vegetation Ecology Restoration in Oil Field，Ministry of Education，Harbin Heilongjiang 150040）
Abstract Brassinosteroids（BRs） were a class of steroidal hormones，played an essential role in a wide range of processes during plant growth and development.Some investigations on Arabidopsis thaliana had elucidated the major pathways in BR signaling network. In BR signaling，a series of reversible protein phosphorylation regulated several key pathways. In this paper，the roles of reversible protein phosphorylation in BRs signaling were reviewed.
Key words brassinosteroids；receptor kinase；reversible protein；phosphorylation
油菜素内酯（Brassinosteroids，BRs）是由40多种多羟基甾醇衍生物组成的一种广泛存在于植物体的类固醇激素。BR调节植物生长发育的很多过程，如细胞伸长、维管发育、光形态建成、繁殖以及胁迫响应等过程[1-4]。蛋白质可逆磷酸化对BR信号转导起重要调节作用。
1 蛋白质可逆磷酸化调节BR信号感知与转录因子激活
BR信号通路中的组分主要包括BR不敏感蛋白（brass-inosteroid insensitive 1，BRI1）、BRI1相关受体激酶（BRI1-associated receptor kinase，BAK）、BR不敏感的糖原合成激酶-3-似激酶（glycogen synthase kinase-3（GSK3）-like kinase brassinosteroid-insensitive 2，BIN2）、磷酸酶bri1抑制子（bri1 suppressor 1，BSU1），以及转录因子BR抗性1（brassinazole-resistant 1，BZR1）和BR抗性2/bri1-MES-抑制子1（brassin-azole-resistant 2/bri1-EMS-suppressor 1，BZR2/BES1）。BR信号通过受体蛋白激酶BRI1的感知，经过一系列信号转导过程，通过转录因子BES1或BZR1进入细胞核来调节BR目标基因表达[4]。蛋白质可逆磷酸化作用在此过程中具有重要作用。
当无BRs存在时，BRI1激酶抑制子（BRI1 kinase inhibitor 1，BKI1）与BRI1作用，抑制BRI1与其他共受体蛋白作用，使BRI1处于非活化状态[3]。转录因子BES1或BZR1被BIN2磷酸化，转录活性受到抑制[5]。磷酸化状态的BES1或BZR1受到14-3-3蛋白的抑制作用，无法进入细胞核中行使转录活性，而是滞留在细胞质中，被26S蛋白酶体识别并降解，这导致BR信号通路处于抑制状态[5-6]。
当BRs存在时，BRI1通过其胞外结构域感知BR信号，BKI1抑制子从质膜上解离下来，BRI1结合共受体BAK1形成复合体，从而激活BRI1的激酶活性[3]。激活后的BRI1将BR信号转导到下游的2种蛋白质：BR信号激酶（brassinos-teroid-signalling kinases，BSKs）和组成型差异生长蛋白1（con-stitutive differential growth1，CDG1）[7-8]。BSKs和CDG1都是蛋白激酶，被BRI1磷酸化后，可以进一步将BSU1磷酸化[7]，被磷酸化的BSU1的磷酸酶活性被激活，进而将BIN2去磷酸化。去磷酸化的BIN2失去激酶活性，不能进一步磷酸化下游转录因子BES1或BZR1[7]。此时的转录因子BES1或BZR1在PP2A磷酸酶的作用下去磷酸化，进入细胞核，调节相关基因的表达[6]。
2 蛋白质可逆磷酸化调节BR受体激酶活性
BR受体BRI1与BRI1共受体BAK1是参与BR感知与信号转导的2种蛋白质。它们都属于丝氨酸/酪氨酸蛋白激酶家族。BRI1类似于动物受体酪氨酸激酶（RTKs）和转化生长因子β（TGF-β）受体激酶，包含一个配体结合的胞外结构域、一个单一的跨膜序列和一个胞质激酶结构域（cytoplasmic kinase domain，CD）。CD包含一个具有催化功能的激酶结构域（catalytic kinase domain，KD）和侧面调节序列（flanking regulatory sequences，FRS）。FRS包括近膜区（juxtamembrane region，JM）和C末端（C-terminal，CT）结构域[9]。BR可以直接与BRI1的胞外结构域结合，导致BRI1的胞质激酶结构域发生自身磷酸化作用，从而被激活[10]。Wang等[10]利用BRI1免疫沉淀反应，在BR处理的拟南芥（Arabidopsis thaliana）幼苗中鉴定到KD、JM和CT结构域上的11个磷酸化位点，并发现这些氨基酸残基的磷酸化作用受到BR调节。此外，Oh等[11]利用磷酸化抗体试验证明了BRI1上Y831和Y956是自身磷酸化位点，并且Y956的磷酸化作用对于激酶活性是必需的，因为将Y956突变成F956之后，BRI1不能被激活。
BR信号的转导需要BRI1与BAKs蛋白发生二聚化作用和磷酸化作用。Wang等[10]通过LC-MS/MS分析，鉴定到多个BAK1的磷酸化位点，功能验证试验发现T455残基的磷酸化对于BAK1激酶功能是必需的，对应BRI1上T1049残基的磷酸化也是激酶功能和BR信号必需的。
3 蛋白质可逆磷酸化调节BR受体抑制子、蛋白磷酸酶和蛋白激酶的活性
Wang等[3]利用酵母双杂交试验发现BRI1互作蛋白BKI1，对BR信号起负调节作用。BKI1是膜相关蛋白，当无BR存在时，BKI1可能通过阻断BRI1与BAK1之间作用，使BRI1处于非活化状态[3]。BKI1的C末端存在20个氨基酸残基的保守序列，可以与BRI1结合，抑制BRI1和BAK1的相互作用。BKI1中富含Lys-Arg结构域上的Y211以BR和BRI1依赖的方式被磷酸化，导致BKI1从膜上解离，失去阻断BRI1与BAK1作用的功能，不再抑制BRI1的激酶活性[12]。
对拟南芥蛋白质组学研究鉴定到了一些胞质受体激酶家族（receptor-like cytoplasmic kinase subfamily，RLCK-XII）的成员。其中，BSKs和CDG1可被BRI1磷酸化，正调节BR信号通路。BRI1最可能磷酸化BSK1的S230位点，激活BSK1活性[8]。Kim等[7]利用转基因试验证明CDG1和其同系物CDG1-like1（CDL1）正调节BR信号转导过程。CDG1中的S44、S47和S234位点可被BRI1磷酸化，若这些磷酸化位点突变，会使CDG1失去活性，无法激活BR信号通路[7]。
BSU1是具有N端Kelch-repeat结构域的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶，可将BIN2去磷酸化。Kim等[13]发现，在体外BSU1与BSK1作用，而不直接与受体激酶BRI1和BAK1作用，BRI1可磷酸化CDG1的S234残基，激活CDG1激酶活性，CDG1磷酸化BUS1的S764残基，激活BSU1磷酸酶活性，BSU1在BR信号中被磷酸化位点为S395，S444和S764[7]。
被磷酸化的BSU1可以进一步磷酸化BIN2的Y200位点，使其失活[7]。Wang等[14]假设BIN2可以使转录因子BES1或BZR1磷酸化，导致BES1或BZR1降解，然而由于BR促进BIN2的失活，导致BES1或BZR1磷酸化水平降低且亚细胞定位改变，非磷酸化形式的转录因子在细胞核中积累，调节BR响应基因表达[2]。此外，Vert等[15]研究发现BIN2磷酸化BES1或BZR1，抑制了BES1或BZR1与DNA的结合能力及其与其他转录因子的二聚化作用，从而抑制BES1或BZR1的转录活性。然而，Ryu等[16]对BES1或BZR1功能和亚细胞定位分析发现，非磷酸化状态的BES1或BZR1可以进入细胞核调节基因表达，磷酸化的BES1或BZR1在14-3-3蛋白作用下，被运出细胞核或者不能进入细胞核。
4 蛋白质可逆磷酸化调节BR信号通路转录因子的活性
参与BR信号应答的2种转录因子是BES1和BZR1。BIN2可以磷酸化BES1或BZR1特殊的Ser和Thr残基，磷酸化的BES1或BZR1与14-3-3蛋白结合，从细胞核中运到细胞质中[16]，或滞留在细胞质中[13]，使其转录活性受抑制。
Tang等[17]研究证明，胞质蛋白磷酸酶2A（protein phosp-hatase 2A，PP2A）对BR信号起正调节作用，PP2A使BZR1或BES1去磷酸化，激活其转录活性，促进BR响应基因的表达。PP2A全酶是由一个脚手架亚基A、一个调节亚基B和一个催化亚基C组成[18]。PP2A的B亚基直接与BZR1上富含Pro-Glu-Ser-Thr（PEST）的结构域结合[17]。PEST结构域对PP2A磷酸酶活性是必需的，只有当PEST结构域存在的条件下，PP2A才能够使BZR1的S173位点的去磷酸化，同时S173位点也是BIN2作用位点。
5 总结与展望
磷酸化作用是对蛋白质进行翻译后修饰，能够调节蛋白质的活性和功能。对于BR信号通路中，受体激酶及其下游的多种激酶、磷酸酶与转录因子等蛋白质的活性都受到可逆磷酸化的调节。目前，有些蛋白质的磷酸化位点已经清楚，但还有哪些磷酸化蛋白质可能参与此过程，有哪些潜在磷酸化位点，蛋白质间的相互作用关系等问题仍有待研究。
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