植物中钙调素结合的转录因子研究进展
摘要：钙调素(CaM)作为一种多功能钙离子传感蛋白存在于所有真核生物中，它通过结合并调控许多下游蛋白的活性或功能来调节细胞的生理功能。这些与钙调素结合的下游蛋白被称为钙调素结合蛋白(CaMBP），CBP60s是植物所特有的钙调素结合蛋白家族之一，而拟南芥钙调素结合蛋白60s家族包含（CBP60a-f）及SARD1。本文主要阐述了植物中钙离子信号、钙离子受体蛋白、CaM结合转录因子和现阶段对CBP60s的研究进展。
关键词：钙调素 CBP60s 钙调素结合蛋白
文献综述
- Ca2 /CaM信号与基因转录调控
钙是植物生长发育所必须的矿物质元素，能够维持细胞膜的结构与功能，增强细胞壁结构的稳定性，调节生物酶活性并稳定细胞内环境。在植物生长发育中，钙离子作为第二信使扮演着至关重要的角色。Ca2 充当低温信号的传递分子诱导抗寒锻炼；细胞内高水平Ca2 持久性调控越冬木本植物的生理休眠；Ca2 对干旱、盐渍化及其渗透胁迫的调节作用。当细胞受到刺激时，胞外和胞内钙库的Ca2 分别通过质膜上的钙通道内流和通过细胞器膜上的钙通道释放到细胞质，引起胞质浓度大幅度增加产生钙信号[1]。Ca2 信使是通过细胞质基质和细胞核基质中的游离Ca2 浓度的升降行使其信使功能的，即细胞质基质和核基质中Ca2 浓度的升降是Ca2 作为第二信使传递信号功能的基础[2]。
在高等植物中，钙受体蛋白家族主要有三类：钙调素(calmodulins，CaMs)和类钙调素蛋白( CaM-like proteins，CMLs)，类钙调神经酸酶B蛋白(calcineurin B-like proteins，CBLs)和钙依赖蛋白激酶( Ca2 -dependent protein kinases，CDPKs )[3]。其中CaM是研究得最多和最为清楚的钙离子受体蛋白，CaM是一类在真核生物中高度保守的、含有148个氨基酸残基，分子量为16.7kDa的酸性小分子蛋白质。已有相当充足证据表明 CaM生理功能十分广泛，在离子转运、光合作用、酶活性调节、激素反应、基因表达等生理过程广泛参与[4]。
钙调素下游的靶蛋白叫作钙调素结合蛋白（calmodulin-binding-protein，CaMBP），CaMBP通过钙调素结合结构域（Calmodulin-binding-domain，CaMBD）与钙调素结合[5]。广义的钙调素结合蛋白(CaMBP）指能和CaM结合的所有蛋白质，其中包括已经确定其活性值接受CaM调控的各种酶类以及在体外或体内条件下能和CaM结合的蛋白。CaMBP与CaM的结合可分为依赖于Ca2 的和不依赖于Ca2 的两种类型。CaMBP在植物体内分布广泛，参与植物的多种生理活动，近年来的研究表明，CaMBP在开花调控、花粉发育及花粉萌发等生理过程中发挥重要作用[6]。
Ca2 可以直接与转录因子结合。但目前植物中只发现了1个可以直接与Ca2 结合的转录因子——AtNIG1 (NaCl-inducible gene 1)。AtCaM7是目前唯一作为转录调控因子的CaM亚型，参与调控植物光形态建成。通过cDNA表达文库筛选和蛋白质芯片等方法，人们鉴定了90多个与CaM结合的转录因子，包括CAMTA/SR、MYB、WRKY、NAC、bZIP、CBP60和MADS-box等基因家族[7]。CAMTA是一类能与钙调素结合并具有转录激活作用的蛋白。早在2000年，Yang 和 Poovaiah 从烟草(Nicotiana tabacum)幼苗中分离获得1个CaMBP，因其受乙烯诱导表达快速升高而被命名为ethylene response 1(NtER1)，其实质是1个CAMTA蛋白[8]。CAMTA/SR在植物生长发育、通用胁迫反应、防卫反应和抗冻性等方面均具重要的调控作用。通过cDNA表达文库筛选的方法，研究人员在拟南芥中鉴定了1个CaM结合蛋白WRKY7，随后发现WRKY7所在WRKYIId亚组（7个成员，WRKY7/11/15/17/21/39/74）均含有1个保守性的CaMBD，而且发现通过实验发现它们都能与CaM互作。WRKY7、WRKY11和WRKY17参与调控植物对病原菌的免疫反应。在拟南芥cDNA表达文库中筛选到CaM结合转录因子MYB2，并发现GmCaM4增强了MYB2的DNA结合活性，而且过量表达GmCaM4可通过促进脯氨酸合成酶P5CS1的表达提高植物对盐胁迫的抗性。最近，拟南芥中另一个MYB转录因子AtMYB91也被鉴定为CBP，其对KNAT1的负调控受CaM抑制。原生质体中共表达CaM增强了拟南芥CaM结合型NAC转录因子（CBNAC）对转录的抑制。CBP60g是植物特异的转录因子，其通过调控水杨酸(salicylic acid，SA)合成途径中一个重要的酶ICS1来调节植物的系统性获得抗性和对病原菌的防卫。TGA基因家族是bZIP转录因子家族中十分重要的一组，而拟南芥TGA3是植物中第1个被发现的Ca2 /CaM结合型转录因子，是碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper，bZIP)类型的转录因子。TGA连接细胞分裂素和SA信号途径，外施细胞分裂素(CTK)增强拟南芥SA合成基因的表达并提高植株抗病性，但在tga3突变体中，CTK诱导PR-1表达能力丧失，说明CTK调控的植物免疫反应可能与SA的积累有关，并依赖于转录因子TGA3[9]。此外，TGA3在调控植物氮响应与镉运输中起到重要作用。
- CBP60s的研究进展
拟南芥钙调素结合蛋白60家族（CBP60s家族）包含CBP60a-f及SARD1，其中CBP60a及CBP60g是具有钙调素结合功能的转录因子蛋白。钙调素结合蛋白60（CBP60）基因家族八个成员中的两个成员，CBP60g和系统获得性抵抗缺陷1（SARD1）是编码促进水杨酸（SA）产生，并影响SA依赖和SA独立防御基因的表达的植物免疫的正调节因子[10]。CBP60g是植物中特异性表达的钙调素结合蛋白，其激活受到钙调素和钙离子浓度调节，即存在从钙离子浓度变化到钙调素激活，直至CBP60g被激活这样一个信号模型。而且CBP60g是拟南芥特有的钙调素结合蛋白AtCBP60s家族的成员，有两个长度不同的氨基酸序列。CBP60g在抗病防御反应和由MAMPs激活的SA信号途径中起着重要的作用；作为钙调素结合蛋白，CBP60g的钙调素结合结构域位于N-末端，而这与已知的其它五个成员的钙调素结合结构域位于C-末端有所不同，且与CaM的结合是CBP60g行使抗病的功能所必需的[11]。CBP60g 抑制CAX1和CAX3液泡膜定位的钙氢转运蛋白，导致Ca2 在细胞质中存在的时间长于野生型植株，使CBP60g过表达植株对于Ca2 更加敏感。CBP60g过表达植株细胞内Ca2 储存受到了影响，导致整个植株Ca2 含量低于其他株系[12]。
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