于定群，湯浩茹，張勇，羅婭，劉澤靜

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，四川 雅安 625014

綜 述

高等植物葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的研究進(jìn)展

于定群，湯浩茹，張勇，羅婭，劉澤靜

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，四川 雅安 625014

葡萄糖-6-磷酸脫氫酶是植物戊糖磷酸途徑中的一個(gè)關(guān)鍵性調(diào)控酶。其主要生理功能是產(chǎn)生供生物合成需要的 NADPH及一些中間產(chǎn)物；此外還參與各種生物和非生物脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。文中主要從葡萄糖-6-磷酸脫氫酶同工酶與調(diào)節(jié)機(jī)制等方面探討了其生物學(xué)功能，再?gòu)拿{迫耐受、基因克隆、酶的缺失和替代等方面的研究進(jìn)行綜述, 并對(duì)已發(fā)表的高等植物中的G6PDH氨基酸序列進(jìn)行聚類分析，為今后該酶的研究提供參考。

葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，脅迫耐受，基因克隆，缺失替代，聚類分析

Abstract:Glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) catalyzes the first and rate-limiting step of the oxidative pentose phosphate pathway, existing in both cytosolic and plastidic compartments of higher plants. Its main function is to provide reducing power (NADPH) and pentose phosphates for reductive biosynthesis and maintenance of the redox state of the cell. In addition, the expression of this enzyme is related to different biotic and abiotic stresses. In this review, we analyzed the isoenzyme, regulation and biological function of G6PDH. Meanwhile, we summarized the progress work of G6PDH involved in stress resistance, gene cloning, enzyme-deficiency and cluster analysis. Problems should be solved were also discussed.

Keywords:G6PDH, stress tolerance, gene cloning, enzyme-deficiency, cluster analysis

戊糖磷酸途徑是植物體中糖代謝的重要途徑，其主要生理功能是產(chǎn)生還原性的供生物合成需要的NADPH[1-2]，以及可供核酸代謝的磷酸戊糖和氨基酸與脂肪酸合成的一些中間產(chǎn)物[3]；同時(shí)在保持植物細(xì)胞的氧化還原平衡方面也起到非常重要的作用[4-6]。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(Glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PDH，EC1.1.1.49) 催化戊糖磷酸途徑的第一步不可逆氧化反應(yīng)，是關(guān)鍵性調(diào)控酶[7](圖 1)。動(dòng)物體內(nèi)G6PDH為X染色體連鎖遺傳，它的缺乏會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞代謝紊亂[8]、視網(wǎng)膜血管堵塞[9]、酮病[10]等，嚴(yán)重者會(huì)危及生命。而它的過表達(dá)會(huì)引起人體脂質(zhì)代謝異常[11]，卻能增加果蠅的壽命[12]。在植物中，許多研究者從多種途徑研究其與植物生長(zhǎng)發(fā)育及各種環(huán)境脅迫的關(guān)系，以期更清楚地闡述戊糖磷酸途徑及該酶可能的生理功能。文中就G6PDH的生物學(xué)特性、對(duì)各種逆境環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制、基因克隆、酶的缺失替代等方面的研究進(jìn)行綜述，并對(duì)已發(fā)表的高等植物中的G6PDH氨基酸序列進(jìn)行聚類分析，為今后該酶的研究提供參考。

圖1 G6PDH參與植物體內(nèi)戊糖磷酸途徑及抗氧化代謝示意圖Fig.1 Role of G6PDH as rate-limiting step of the PPP for biosynthesis and anti-oxidant activity in higher plants.GS-SG: oxidized glutathione; GSH: reduced glutathione; Glc: glucose; Suc: sucrose; Hex: hexoses; G6P:glucose-6-phosphate; 6PG: 6-phosphogluconate; Ru5P: ribulose-5-phosphate; R5P: ribose-5-phosphate; E4P:erythrose-4-phosphate; SOD: superoxide dismutase; GR: glutathione reductase; GPx: glutathione peroxidase; CAT:catalase.

1 G6PDH的生物學(xué)特性研究

G6PDH是磷酸戊糖途徑的限速酶，控制著這條途徑的碳流和還原力NADPH的產(chǎn)生[13-14]。G6PDH催化產(chǎn)生的NADPH不僅為細(xì)胞內(nèi)某些生物大分子的生物合成提供了還原力，而且是還原型谷胱甘肽 (Glutathione，GSH) 再生的唯一還原力[15]，因此G6PDH在細(xì)胞抵抗氧化脅迫的過程中起著重要的作用。

1.1 植物G6PDH同功酶類

在所有植物的胞質(zhì)和質(zhì)體中幾乎都能檢測(cè)到高濃度的G6PDH同工酶[16]。質(zhì)體G6PDH氨基酸序列比胞質(zhì)G6PDH多一段約60個(gè)氨基酸左右的轉(zhuǎn)運(yùn)肽序列，該序列具有組織特異性，在不同的植物，即使同一植物體內(nèi)同工酶間的這段序列差異也較大 (圖 2)。目前，已在植物中發(fā)現(xiàn)了多種形式的G6PDH的同工酶類型，如在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了6種G6PDH的同工酶類型，其中2種為胞質(zhì)，4種為質(zhì)體類型[17]。根據(jù)其氨酸序列的差異及蛋白免疫特性，又可將質(zhì)體G6PDH分為兩類：P1類型和P2類型。P1的主要特性是被還原失活；P2相對(duì)不易受到NADPH的反饋抑制。而且P2具有比P1更高的活性，P1僅在葉片等綠色組織中表達(dá)較高，P2在大多數(shù)組織中都有較高的表達(dá)，尤其在根中表達(dá)量最高[18]。

1.2 植物G6PDH的調(diào)控

植物同時(shí)存在胞質(zhì)和質(zhì)體氧化戊糖磷酸途徑。雖然G6PDH在提供NADPH過程中扮演著重要的角色，但胞質(zhì)中的G6PDH沒有變構(gòu)調(diào)節(jié)的性質(zhì)，而可能受到其他復(fù)雜的調(diào)控。而質(zhì)體類型的G6PDH除了受到NADPH的反饋抑制之外，還受到硫氧還原蛋白/鐵氧還原蛋白系統(tǒng)的調(diào)節(jié)[19]。此外，其他環(huán)境因子，如：光照、氮同化、氧化脅迫、高鹽、病原菌、糖等，也會(huì)在mRNA水平或酶活力水平調(diào)控 G6PDH酶活力。Hauschidl和von Schaewen[20]發(fā)現(xiàn)，胞質(zhì)G6PDH活性不受滲透壓變化、磷酸化及氧化脅迫的影響，而質(zhì)體G6PDH的活性受磷酸化及光暗條件的影響。因?yàn)樵诠庀?，光合作用提供充足的NADPH，為了避免無(wú)效耗能，質(zhì)體G6PDH往往鈍化失活。除了這種反饋抑制外，Ben和Anderon[21]還發(fā)現(xiàn)，光照可以調(diào)節(jié)G6PDH從葉綠體類囊體中釋放入基質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該酶的調(diào)控。

近年來，基因組水平上的分析表明，G6PDH酶活力還受到細(xì)胞內(nèi)氧化還原環(huán)境的調(diào)節(jié)。Wenderoth等[22]發(fā)現(xiàn)，如果將馬鈴薯質(zhì)體G6PDH氨基酸中的Cysl49和Cysl57中的任何一個(gè)替換為Ser，該酶活性就不再受氧化還原調(diào)節(jié)，證明了這兩個(gè) Cys殘基為氧化還原調(diào)節(jié)位點(diǎn)。為了查明質(zhì)體G6PDH氧化還原位點(diǎn)的保守性，Wendt等[23]比較了來自馬鈴薯、煙草、菠菜等8種植物與紅藻、綠藻共10個(gè)G6PDH氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)質(zhì)體G6PDH的輔酶結(jié)合區(qū)存在6個(gè) Cys殘基，其中 3個(gè)是非常保守的，包括Cysl49和Cysl57。說明，保守氨基酸序列中Cys的氧化還原修飾也是 G6PDH酶活力的調(diào)控方式之一。

圖2 不同來源的G6PDH氨基酸序列比對(duì)Fig.2 Amino acid sequence alignment of G6PDHs from different kinds of organisms.Arabidopsis thaliana: AtCy,At3g27300.1; AtP, At5g35790.1; AtP2, At5g13110.1.Hordeum vulgare: HvP2, CAL44728.Populus trichocarpa: PtP2,estExt_Genewise1_v1.C_LG_I7789.Dunaliella bioculata: Db, AJ132346.Homo sapiens: HsCy, NP_001035810.1. Pentagram:cysteine residues.

2 G6PDH與植物生長(zhǎng)發(fā)育及各種環(huán)境脅迫的關(guān)系

植物處于各種各樣的環(huán)境之中，許多研究報(bào)道認(rèn)為，G6PDH的活性涉及到植物細(xì)胞內(nèi)許多生理生化過程以及對(duì)不同環(huán)境脅迫耐受的過程。

2.1 G6PDH與植物生長(zhǎng)發(fā)育

在與植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系方面，研究較多的是G6PDH酶活力與種子發(fā)芽、休眠和一些次級(jí)代謝產(chǎn)物等的關(guān)系。趙永華等[24]發(fā)現(xiàn)，呼吸抑制劑NaN3可以增加西洋參種子萌發(fā)過程中G6PDH的活性，加速西洋參種子休眠的解除，且低溫能促進(jìn)NaN3的這種作用。Huang等[25]研究發(fā)現(xiàn)，水稻G6PDH基因在幼穗中的表達(dá)明顯高于根、葉和胚，表明水稻G6PDH與穗發(fā)育密切相關(guān)，可能是水稻幼穗 PPP代謝活躍為其發(fā)育提供所需的磷酸戊糖和其他一些中間產(chǎn)物。徐一蘭等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，油菜開花后G6PDH活性逐漸增加，花后24～31 d達(dá)最高峰，并且與含油量也呈極顯著正相關(guān)。陳超[27]還發(fā)現(xiàn)，G6PDH還具有抗氧化作用，能夠延長(zhǎng)紅豆杉細(xì)胞活力，從而提高紫杉醇產(chǎn)量。

在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，戊糖磷酸途徑是普遍存在的一條糖的分解代謝途徑，但在不同的組織中所占的比重不同[28]。它除提供能量外，還為其他生物合成提供多種原料。G6PDH通過調(diào)控戊糖磷酸途徑的代謝通量，從而為油料作物脂肪酸合成提供NADPH，促進(jìn)含油量增加；為某些代謝活躍的組織中核苷酸的合成提供 5-磷酸核糖，為芳香族氨基酸合成提供4-磷酸赤蘚糖。此外，此途徑生成的核酮糖-5-磷酸可轉(zhuǎn)化為核酮糖-1,5-二磷酸參與光合作用，增加糖類物質(zhì)的積累。G6PDH正是通過促進(jìn)這些物質(zhì)生成，從而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育。

2.2 G6PDH參與植物生物脅迫的應(yīng)答

G6PDH與其他防御反應(yīng)指標(biāo)酶類似，參與植物防御反應(yīng)，因它能提供更多的還原力NADPH，所以能減輕過敏反應(yīng)中的氧脅迫。葉建仁等[29]研究松樹針葉組織G6PDH活性和抗松針褐斑病的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)抗病針葉中的G6PDH活性明顯高于感病針葉，并認(rèn)為植物染病時(shí)，戊糖磷酸途徑的中間產(chǎn)物可能與抗病過程中防衛(wèi)反應(yīng)有關(guān)。Sindelar和Sindelarova[30]用馬鈴薯花葉病毒侵染煙草后發(fā)現(xiàn)，隨著侵染時(shí)間延長(zhǎng)，胞質(zhì)和質(zhì)體G6PDH酶活力均呈線性增加。

植物受到病原微生物侵染后，機(jī)體內(nèi)發(fā)生一系列的變化，主要表現(xiàn)在細(xì)胞死亡和活性氧產(chǎn)生。一方面細(xì)胞的死亡可以有效地阻止病原菌侵染和傳播；另一方面機(jī)體內(nèi)發(fā)生一系列的抗氧化代謝，產(chǎn)生活性氧。Scharte等[6]和 Asai等[31]研究發(fā)現(xiàn)，植物在病原菌侵染后，伴隨著過敏性細(xì)胞死亡和活性氧產(chǎn)生，G6PDH酶活力增加。G6PDH催化產(chǎn)生的 NADPH可以直接通過質(zhì)膜上的NADPH氧化酶的作用脫氫，清除活性氧；也可以通過細(xì)胞內(nèi)一系列抗氧化酶的相互作用，清除活性氧，消除細(xì)胞危害 (圖1)。

2.3 G6PDH參與植物非生物脅迫的應(yīng)答

在低溫脅迫方面，Sagisak[32]研究發(fā)現(xiàn)，在低溫貯藏下楊樹枝條內(nèi)G6PDH活性明顯增加，而這種酶的鈍化或失活會(huì)導(dǎo)致枝條凍害的發(fā)生；Lin等[7]在楊樹中發(fā)現(xiàn)，G6PDH可能參與超氧化物歧化酶 (Superoxide dismutase，SOD) 和過氧化物酶 (Peroxidase，POD) 活性的調(diào)節(jié)和抗凍性的低溫誘導(dǎo)。在鹽脅迫方面，王曉敏[15]發(fā)現(xiàn)不僅在鹽脅迫而且在正常的生長(zhǎng)環(huán)境下，G6PDH對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)的GSH水平都起著非常重要的作用；Valderrama和 Corpas[33]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫導(dǎo)致了G6PDH和其他脫氫代謝酶類的活性增加，從而降低活性氧水平，由此說明，G6PDH是植物抗鹽氧化過程中的一個(gè)抗性酶；Nemoto和Sasakuma[34]發(fā)現(xiàn)，0.15 mol/L NaCl處理 2 h 之后，小麥G6PDH表達(dá)量開始積累，到12 h時(shí)達(dá)到最大值。此外，在紫花苜蓿受重金屬銅脅迫[35]，大豆受干旱脅迫時(shí)[36]，也發(fā)現(xiàn)G6PDH的活性有不同程度的提高。

植物在不適宜的環(huán)境時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的應(yīng)答反應(yīng)，活性氧的產(chǎn)生便是其中之一。G6PDH催化產(chǎn)生 NADPH通過與其他抗氧化酶 SOD、POD、過氧化氫酶 (Catalase，CAT)、谷胱甘肽還原酶 (Glutathione reductase，GR)、谷胱甘肽過氧化物酶 (Glutathione peroxidase，GPx) 等的相互作用清除有害的活性氧 (圖1)。如果生物體缺乏這些保護(hù)酶機(jī)制，則很難在逆境中存活。

3 植物G6PDH基因的克隆及表達(dá)

1994年，Graeve等[37]首次從馬鈴薯的cDNA文庫(kù)中分離了馬鈴薯胞質(zhì)G6PDH基因，該基因與動(dòng)物[38]、酵母[39]中獲得的G6PDH的核苷酸相似性明顯高于細(xì)菌來源的G6PDH基因，推導(dǎo)的氨基酸序列缺少轉(zhuǎn)運(yùn)肽序列以及其對(duì)二硫蘇糖醇 (Dithiothreitol，DTT) 的不敏感都證明了該cDNA編碼的是胞質(zhì)G6PDH。1995年，F(xiàn)ahrendorf等[40]克隆得到苜蓿G6PDH基因，該基因的氨基酸序列沒有轉(zhuǎn)運(yùn)肽序列，也沒有相應(yīng)得氧化還原Cys位點(diǎn)，屬于胞質(zhì)基因。2000年，Nemoto和Sasakuma[34]利用DDRT-PCR技術(shù)結(jié)合RACE的方法克隆得到小麥胞質(zhì)G6PDH基因。隨后，Schaewen等[41]利用RT-PCR結(jié)合RACE技術(shù)首次得到了來源于馬鈴薯的質(zhì)體G6PDH基因，其氨基酸序列 N 端明顯長(zhǎng)于胞質(zhì)基因，推測(cè)其為轉(zhuǎn)運(yùn)肽序列。Knihgt等[42]在煙草中獲得了質(zhì)體G6PDH基因，并且還得到了該基因的基因組序列。序列比對(duì)分析表明，該基因?qū)儆?P2類的質(zhì)體G6PDH，其基因組大小為7 kb，包括10個(gè)外顯子，編碼593個(gè)氨基酸，IDHYLGKE是G6PDH的底物激活位點(diǎn)，在該基因的上游找到了可能的RNA聚合酶II結(jié)合位點(diǎn) (TATA box) 和2個(gè)可能的重要啟動(dòng)子元件，一個(gè)是與亞硝酸鹽調(diào)節(jié)有關(guān)的 NIT2結(jié)合位點(diǎn) (TATCTA/G)，另一個(gè)是熱激因子結(jié)合位點(diǎn)HSF (AGAAA)。他們發(fā)現(xiàn)，在煙草根和葉片中，KNO3能誘導(dǎo)該基因增強(qiáng)表達(dá)，而且根誘導(dǎo)增強(qiáng)的倍數(shù)要高于葉。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，黃驥等[25]和 Hou等[43]利用新型電子克隆的方法分別克隆得到水稻胞質(zhì)和質(zhì)體G6PDH基因。最近，林元震等[44-45]克隆了楊樹的G6PDH基因并獲得該基因上游的啟動(dòng)子序列，該序列具有啟動(dòng)子的基本元件TATA-box、CAAT-box，而且還包含多個(gè)脅迫誘導(dǎo)元件，如低溫誘導(dǎo)元件LTR，鹽誘導(dǎo)元件GT-1，抗凍、缺水、脫落酸、抗寒元件MYB和MYC，以及光響應(yīng)元件L-box、G-box、3AF-1、TC豐富區(qū)等。這些研究從基因的角度印證該酶參與各種環(huán)境脅迫的應(yīng)答。

目前已在為數(shù)不多的植物中分離了G6PDH基因，但是隨著基因組學(xué)和測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)獲得越來越多的G6PDH基因，為通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良植物品種奠定基礎(chǔ)。

4 植物G6PDH的缺失和替代

隨著 Hannond等[46]、Zamore等[47]和 Gisela[48]RNAi作用機(jī)制模型的提出，RNAi已被廣泛用作研究基因功能的一種手段[49-51]。早在 2004年，Debnam等[52]研究了在轉(zhuǎn)入內(nèi)源的質(zhì)體 P2型的G6PDH基因的有義鏈和無(wú)義鏈后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因煙草中P2型G6PDH基因的表達(dá)發(fā)生了巨大的改變，但對(duì)胞質(zhì)G6PDH酶活力并沒有顯著的影響。并且發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)入有義鏈的比轉(zhuǎn)入無(wú)義鏈的蔗糖、葡萄糖和果糖的含量高。接著，Scharte等[6]將擬南芥根在氮饑餓誘導(dǎo)中高度表達(dá)的質(zhì)體 P2型G6PDH基因，經(jīng)過改造后轉(zhuǎn)入易感病型煙草，用于胞質(zhì)型G6PDH基因的表達(dá)，并使用RNAi技術(shù)干擾其內(nèi)源的胞質(zhì)G6PDH基因表達(dá)，由此獲得了胞質(zhì)G6PDH同工替代植株。研究發(fā)現(xiàn)，胞質(zhì)同工替代酶提高了植物的防御能力，增強(qiáng)了植物的抗性。有意思的是在同工替代的植株中，同工替代酶的含量降低，說明同工替代系植株的抗性和酶含量是兩個(gè)獨(dú)立的過程，并且酶的質(zhì)量而非數(shù)量對(duì)植物非常重要。他們認(rèn)為同工替代酶在優(yōu)化代謝途徑方面顯示出更大的潛力。最近，Asai等[31]將內(nèi)源的胞質(zhì)類型的G6PDH基因和兩種質(zhì)體類型的G6PDH基因 (P1和P2) 分別轉(zhuǎn)入煙草，干擾內(nèi)源基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)在P2型基因沉默的植株過敏性細(xì)胞死亡和活性氧等物質(zhì)含量下降，認(rèn)為質(zhì)體P2型G6PDH與植物過敏性細(xì)胞死亡和活性氧的產(chǎn)生相關(guān)。

5 已報(bào)道的植物G6PDH的關(guān)系

參照Cardi等[53]的方法，利用從NCBI蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索獲得的擬南芥質(zhì)體P2-G6PDH的蛋白質(zhì)序列，采用 BlastP 或者tblastn的方式在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中和其他基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行搜索。所有的數(shù)據(jù)獲得來自 NCBI database (http://www.ncbi.nlm.nih.gov),Arabidopsis thaliana(http://www.arabidopsis.org/),Oryza sativa(http://rice.plantbiology.msu.edu/),Sorghum bicolor(http://genome.jgipsf.org/Sorbi1/Sorbi1.home.html),Populus trichocarpa(http://genome.jgipsf.org/poptr1_1/Poptr1_1.home.html)。核苷酸序列比對(duì)采用 ClustalW (www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html)，分子量和等電點(diǎn)的采用ExPASy (http://www.expasy.org/tools/pi_tool.html)，轉(zhuǎn)運(yùn)肽切割位點(diǎn)采用 ChloroP[54]和 TargetP[55]預(yù)測(cè)，系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建采用 MEGA 4的 NJ構(gòu)建[56]。

將擬南芥胞質(zhì)、質(zhì)體P1和P2三種類型，大麥 P2類型，楊樹 P2類型，杜氏藻以及人的G6PDH氨基酸序列進(jìn)行序列比對(duì)。其分別代表單/雙子葉植物、木本植物、低等植物、哺乳動(dòng)物以及胞質(zhì)、P1、P2三種類型的G6PDH氨基酸序列的差異，結(jié)果見圖2。不同來源G6PDH的序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)，胞質(zhì)和質(zhì)體源于不同的進(jìn)化歷程。胞質(zhì) G6PDH約含有 510個(gè)氨基酸，分子量約58 kDa；P2比 P1多 10個(gè)左右氨基酸，約含有590個(gè)氨基酸，分子量約為66 kDa。質(zhì)體氨基酸序列在N-端比胞質(zhì)G6PDH多一段約60個(gè)氨基酸左右的轉(zhuǎn)運(yùn)肽序列，該序列在被運(yùn)輸入質(zhì)體之后將被切除，切后的蛋白質(zhì)序列與胞質(zhì)的蛋白質(zhì)類似。7種 G6PDH序列均含有保守的 rossman結(jié)構(gòu)域、活性部位以及 NADP+結(jié)合位點(diǎn)。這結(jié)果與Wakao和Benning[17]以及Cardi等[53]的結(jié)果一致，但與 UniProtKB/Swiss-Pro數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)不同，因此有必要對(duì)該酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。此外，在保守的 NADP+結(jié)合位點(diǎn)結(jié)構(gòu)中第3位的氨基酸不同，在胞質(zhì)中為苯丙氨酸，而在質(zhì)體和人體中則為亮氨酸，這可能與特定區(qū)域NADP+的結(jié)合有關(guān)。

根據(jù)擬南芥 P2序列分析質(zhì)體序列中的半胱氨酸的保守性，發(fā)現(xiàn) 5個(gè)半胱氨酸殘基，即Cysl38、Cysl68、Cys176、Cys187 和 Cys235。其中Cysl68、Cys176、Cys187在高等植物及藻類植物中都是高度保守的。Cysl38在一些植物的 P1中為色氨酸，在藻類中為亮氨酸；而Cys235在一些植物的P1中為絲氨酸氨酸，在藻類中為甘氨酸。而且藻類與質(zhì)體類型G6PDH氨基酸序列相似性大，支持綠藻是高等植物祖先的觀點(diǎn)。

已報(bào)道的37條高等植物G6PDH氨基酸序列聚類結(jié)果見圖3，序列的分子量、等電點(diǎn)及預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)肽切割位點(diǎn)見表1。所選擇的37條序列相似性從80%～99%，可聚為3類，即Cluster I為胞質(zhì)類型、Cluster II為質(zhì)體P2類型和Cluster III質(zhì)體P1類型。Cluster I包含單子葉植物和雙子葉植物2個(gè)子群，各類群內(nèi)序列相似性大。單子葉植物子群包含禾本科大麥、小麥、玉米、高粱等植物，雙子葉子群包含擬南芥、煙草、馬鈴薯、楊樹等植物。在質(zhì)體類型Cluster II和Cluster III中同樣如此。植物胞質(zhì)或質(zhì)體同一類型的酶氨基酸序列可能會(huì)有多條，如楊樹質(zhì)體P2和擬南芥的胞質(zhì)中發(fā)現(xiàn)兩條G6PDH序列，這可能源于基因的特殊復(fù)制事件。這些與Wakao和Benning[17]、Asai等[31]和Cardi等[54]的研究結(jié)果一致。此外，等電點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果表明，P2的等電點(diǎn)大于P1的等電點(diǎn)大于胞質(zhì)的等電點(diǎn)，這可能與其適應(yīng)不同的環(huán)境以及酶活性調(diào)控有關(guān)。

圖3 高等植物37條G6PDHs的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of 37 G6PDHs in higher plants.Cy: cytosolic-G6PDH; P1: P1-G6PDH; P2: P2-G6PDH.

表1 序列名稱和登錄號(hào)Table 1 Sequence and accession number

續(xù)表1

6 展望

雖然隨著基因組和蛋白質(zhì)組的發(fā)展，許多研究者獲得了大量轉(zhuǎn)錄序列，但是分析催化特定生化通路中單一路徑反應(yīng)的酶，仍然是一種十分重要的策略[57]。

已有研究報(bào)道人體的G6PDH晶體結(jié)構(gòu)[58]及三維結(jié)構(gòu)模型[59]，以探討G6PDH缺失突變體對(duì)機(jī)體的影響。但植物G6PDH結(jié)構(gòu)的研究目前還未見報(bào)道。G6PDHs作為植物PPP途徑中起關(guān)鍵性調(diào)控酶，對(duì)其結(jié)構(gòu)研究將有助于更深入了解該酶調(diào)控機(jī)制，從而進(jìn)一步了解此G6PDHs在植物中的規(guī)律和功能，為基因改良植物做準(zhǔn)備。

雖然眾多研究認(rèn)為質(zhì)體P2型G6PDHs在植物中發(fā)揮著重要的作用，推測(cè)其可能是因?yàn)橘|(zhì)體G6PDH保守氨基酸序列中的Cys殘基的氧化還原修飾有關(guān)，但其半胱氨酸的具體氧化還原調(diào)節(jié)的分子機(jī)理仍然不清楚。因此，今后有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，以了解其具體調(diào)控機(jī)制。

由于RNAi具有高度的序列專一性和有效的干擾活力，因此，它可以在不破壞基因結(jié)構(gòu)或不引起基因突變的情況下，敲除某種基因，以研究它的功能。已有研究表明RNAi能夠在哺乳動(dòng)物中抑制特定基因的表達(dá)，制作多種表型，而且抑制基因表達(dá)的時(shí)間可以控制在發(fā)育的任何階段，產(chǎn)生類似基因敲除的效應(yīng)。但是，它用于轉(zhuǎn)基因植物G6PDHs的研究才剛剛開始。因此，有必要運(yùn)用這種新技術(shù)，研究各種質(zhì)體和胞質(zhì)G6PDHs基因參與植物生長(zhǎng)發(fā)育及抵抗各種生物和非生物的環(huán)境脅迫的調(diào)控機(jī)制，將有利于我們?nèi)娴卣J(rèn)識(shí)G6PDH的功能。

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Research progress in glucose-6-phosphate dehydrogenase in higher plants

Dingqun Yu, Haoru Tang, Yong Zhang, Ya Luo, and Zejing Liu

College of Horticulture,Sichuan Agricultural University,Ya'an625014,Sichuan,China

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Received:December 9, 2011;Accepted:February 21, 2012

Supported by:Scientific Research Fundation of the Education Department of Sichuan Province (No. 09ZB050).

Corresponding author:Haoru Tang. Tel/Fax: +86-835-2882515; E-mail: htang@sicau.edu.cn

四川省教育廳青年基金項(xiàng)目 (No. 09ZB050) 資助。