王靜靜 雷建軍 梁成亮 張自坤 常培培 張占宇 賀洪軍,*

(1 德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 德州 253015；2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，廣東 廣州 510642；3 湖南省蔬菜研究所，湖南 長沙 410125)

1 翻譯控制腫瘤蛋白(TCTP)的發(fā)現(xiàn)與命名

翻譯控制腫瘤蛋白(translationally controlled tumor protein，TCTP)，又被稱為P21[1]、P23[2]或Q23[3]，廣泛存在于動物、植物及酵母中[4-5]，是一類在進化上高度保守的同源蛋白家族。TCTP是由3個不同的研究小組分別從人類乳腺癌組織[2]、小鼠肉瘤細(xì)胞系[4]、紅白血病細(xì)胞[6]和Swiss 3T3細(xì)胞[3, 7]中發(fā)現(xiàn)的。由于其cDNA最初是從人的腫瘤細(xì)胞中克隆得到的，且在翻譯水平上被調(diào)控，所以將其命名為TCTP。近年來，有研究者從過敏性疾病中發(fā)現(xiàn)一種能促使IgE+的嗜堿性粒細(xì)胞釋放組胺的物質(zhì)，序列分析表明其與TCTP序列高度同源，因此TCTP又被稱為組胺釋放因子(histamine-releasing factor，HRF)[8-9]。TCTP的編碼基因為TPT1(tumor protein translationally-controlled 1)，人類TPT1基因編碼的蛋白是一類抗凋亡蛋白質(zhì)，被稱為fortilin[10]。但以上命名僅說明了TCTP蛋白某一方面的特性，無法說明其更廣泛的功能，突顯其重要性。Pay等[11]于1992年首次發(fā)現(xiàn)植物TCTP，從懸浮培養(yǎng)細(xì)胞制備的紫花苜蓿(MedicagosativaL.)cDNA文庫中分離得到該基因，其與小鼠和人的TCTP的同源性分別為42.70%和40.80%。

2 TCTP基因的研究領(lǐng)域及分布

大量研究表明，TCTP不僅存在于腫瘤細(xì)胞中，也存在于菌類、酵母、昆蟲、植物和除腎細(xì)胞外的哺乳動物的正常細(xì)胞中[12-15]。TCTP的高度同源性和普遍性揭示其可能是細(xì)胞中的看家基因[16]。

研究表明，TCTP蛋白具有多種生物學(xué)功能，包括調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進程[17]、鈣離子結(jié)合[18-19]、微管結(jié)合[20]、組胺釋放[8]、炎癥反應(yīng)[21]、應(yīng)激反應(yīng)[22]、抗凋亡[23-24]、抗瘧疾[14]等生命活動，以及參與細(xì)胞增殖與分化[25]和細(xì)胞骨架重排[26]等，且其可作為腫瘤逆轉(zhuǎn)的靶標(biāo)和青蒿素類藥物的作用靶點，保護癌細(xì)胞免受外部應(yīng)激誘導(dǎo)，在腫瘤發(fā)生與逆轉(zhuǎn)中起關(guān)鍵作用[27-29]。此外，有研究表明TCTP與線蟲類的產(chǎn)卵量[30]、細(xì)胞存活和轉(zhuǎn)移[31]、基因組穩(wěn)定性[32]、雷帕霉素靶點(target of rapamycin, TOR)信號傳導(dǎo)通路調(diào)控[33-34]以及抗病毒反應(yīng)[29]等直接相關(guān)，表明TCTP潛在的應(yīng)用價值極高。

截至目前，Genebank收錄的同源核酸序列1 122條，EST序列974條。SCI共收錄關(guān)于TCTP的文獻616篇，其中生物化學(xué)和分子生物學(xué)占66.07%、遺傳學(xué)占56.17%、細(xì)胞生物學(xué)占38.31%、腫瘤學(xué)占23.86%，關(guān)于TCTP基因的研究主要集中于人和動物，而關(guān)于植物方面的報道較少，僅占9.22%，表明植物TCTP的研究相對滯后，阻礙了其進一步應(yīng)用。

3 植物TCTP基因的結(jié)構(gòu)、表達與功能

早期已克隆得到南瓜、橡膠樹、擬南芥、草莓、紫花苜蓿、西瓜、麻瘋樹、荔枝、木薯、小麥、卷心菜等植物的TCTP基因[35]。近年來，大量研究者陸續(xù)對山茶花[20]、棉花[36]、桑樹[37]、水稻[38]、刺槐[39]、黃瓜[40]、番茄[41-42]等植物開展TCTP基因克隆與表達分析研究。對植物TCTP基因的研究報道主要集于以下三個方面：一是植物TCTP基因的結(jié)構(gòu)；二是植物TCTP基因的表達特性；三是植物TCTP基因的功能。

3.1 植物TCTP基因的結(jié)構(gòu)

TCTP是一類分子量為18～26 kD的親水蛋白，與其他任何蛋白家族均未顯示出明顯的序列相似性[15, 43]。但Thaw等[14]發(fā)現(xiàn)TCTP與Mss4/Dss4在結(jié)構(gòu)上非常相似，TCTP與Mss4/Dss4蛋白家族構(gòu)成結(jié)構(gòu)超家族。同時TCTP蛋白還是TOR信號網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[44-45]，其生成和表達受到轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的調(diào)節(jié)[46-48]。TCTP家族中有9個殘基是完全保守的，主要集中在Glu12、Leu74和Glu134殘基所在區(qū)[15]。TCTP基因編碼蛋白無跨膜結(jié)構(gòu)域，無明顯的疏水區(qū)域，親水性強，包括一個α-螺旋區(qū)和一個β-折疊核心區(qū)，不規(guī)則卷曲散布于整個蛋白質(zhì)中，具有TCTP-1和TCTP-2兩個特征結(jié)構(gòu)域，這兩個區(qū)在物種間均具有高度的序列同源性[15, 35]。林莎等[49]認(rèn)為特征域分別為微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域(microtubule binding domain，MTB)和鈣結(jié)合結(jié)構(gòu)域(Calcium binding domain，CaB)。除高度保守的核區(qū)外，TCTP還有2個保守基序，其中一個是與GTP酶結(jié)合表面相鄰的可變TCTPl基序，另一個基序含有H1和H2螺旋[20]。

植物TCTP基因的全長包括5′非翻譯區(qū)、3′非翻譯區(qū)和一個開放閱讀框。開放閱讀框的堿基數(shù)及所編碼的氨基酸殘基數(shù)大多數(shù)分別為507和168，但不同的植物個體之間也會存在微小的差別。如草莓[35]的開放閱讀框的堿基數(shù)及所編碼的氨基酸數(shù)分別為513和170，而結(jié)球甘藍[50]的開放閱讀框的堿基數(shù)及所編碼的氨基酸數(shù)分別為504和168。此外，TCTP基因5′非翻譯區(qū)和3′非翻譯區(qū)核苷酸數(shù)量也會因植物種類不同而存在差異，如麻瘋樹[49]TCTP基因5′非翻譯區(qū)和3′非翻譯區(qū)分別含有526和377個核苷酸，而巴西橡膠樹[51]的5′非翻譯區(qū)和3′非翻譯區(qū)分別含有68和255個核苷酸。

不同植物TCTP的分子量、理論等電點、酸性與堿性氨基酸的比例、帶電氨基酸的比例、極性氨基酸和疏水性氨基酸的比例基本一致，其分子量約為19 kDa，理論等電點約為4.4(麻瘋樹為4.45，草莓為4.21，橡膠樹4.37)[52-54]。植物TCTP含量最豐富的氨基酸均為Val、Lys、Leu、Glu、Asp、Gly，推測其可能是酸性的親水性蛋白質(zhì)，預(yù)測其含有31個帶負(fù)電荷的氨基酸殘基(D+E)和18個帶正電荷的氨基酸殘基(R+K)，不穩(wěn)定系數(shù)為39.22，表現(xiàn)為穩(wěn)定類蛋白質(zhì)，且具有多個磷酸化位點[37]。結(jié)球甘藍TCTP基因編碼的蛋白質(zhì)有7個特征位點，包括1個酪氨酸磷酸化位點及3個蛋白激酶C磷酸化位點、2個酪氨酸激酶Ⅱ磷酸化位點、1個酪氨酸激酶磷酸化位點、3個N-豆蔻?；稽c[50]。而Lopez等[53]在草莓的結(jié)構(gòu)研究中，僅找到1個假定酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位點、1個N-豆蔻?；稽c和1個蛋白激酶C的磷酸化位點。Thayanithy[55]發(fā)現(xiàn)某些磷酸化位點是植物TCTP特有的，這些位點可能是C型激酶的靶標(biāo)，可能參與植物TCTP的特定功能。

Hinojosa-Moya等[56]對已注冊的TCTP核苷酸和氨基酸序列進行了系統(tǒng)進化樹分析，最終將油棕、橡膠、水稻、擬南芥、甜瓜、南瓜、草莓、煙草、玉米、黃杉、大豆、苜蓿、豌豆、馬鈴薯、番茄、大麥和小麥等植物物種的代表聚為一大類，表明植物TCTP在進化上是高度保守的。且植物TCTP氨基酸之間的序列同源性明顯高于動物TCTP氨基酸序列之間的同源性[57]。此外，與核酸相比，不同植物TCTP的氨基酸序列有著更高和更廣泛的相似性，如陳玉芹等[35]研究表明，擬南芥TCTP的核酸序列與牽牛、草莓、橡膠樹、南瓜、卷心菜的同源性分別為73%、76%、78%、77%和85%，而其氨基酸序列的同源性分別達到了80%、85%、86%、87%和94%，且擬南芥、牽牛、草莓、橡膠樹、南瓜、卷心菜的TCTP氨基酸序列不存在導(dǎo)肽酶切位點；雷朋等[37]研究表明桑樹TCTP序列也不具有信號肽，且鷹嘴豆、蘋果、毛果楊、梅花、白梨與桑樹TCTP的氨基酸序列相似度很高。植物TCTP不僅在序列上高度保守，其結(jié)構(gòu)與非植物種類也有一定的相似性，二者均具有相同的GTP酶結(jié)合面[58]。擬南芥TCTP可結(jié)合4種AtRab GTP酶(AtRABA4a、AtRABA4b、AtRABF1和AtRABF2b)，并與果蠅dRheb GTP酶相互作用[17]。Li等[54]研究發(fā)現(xiàn)橡膠樹TCTP和人TCTP蛋白具有高度相似的3D結(jié)構(gòu)、α-螺旋和β-折疊區(qū)域的空間組織。Hinojosa-Moya等[56]發(fā)現(xiàn)植物TCTP與其他物種的G蛋白反應(yīng)區(qū)域僅存在微小差別。

3.2 植物TCTP基因的表達特性

錢家偉等[59]研究表明，在不同的組織和細(xì)胞中，以及在同一組織的不同發(fā)育階段，TCTP的表達水平均存在顯著差異。Wang等[48]研究表明，TCTP表達的差異主要取決于細(xì)胞或組織的類型、發(fā)育階段、胞外的信號反應(yīng)以及生長信號和細(xì)胞因子。植物中TCTP基因的表達也同樣存在組織特異性，且在不同部位的表達強度因植物種類不同而存在差異，如麻瘋樹TCTP基因在根、莖、葉、果實、胚、種子胚乳中均有表達，但在不同部位不同時期的表達量存在差異，在莖、Ⅰ期胚乳、胚中表達最豐富，而在Ⅱ期胚乳和花中表達最弱[49]。結(jié)球甘藍TCTP基因在根、莖部表達，而在葉部不表達，且在根部的表達量高于莖部[50]。桑樹TCTP基因在根、莖部和葉片中均有表達，且在根部表達量最高，莖中次之，葉片中最低[37]。也有研究發(fā)現(xiàn)，草莓果實成熟階段TCTP表達量增加，且在完全紅熟的草莓果實中表達量達到最高[53]。梁小蓮等[51]研究發(fā)現(xiàn)同一橡膠樹的膠乳、葉片和樹皮的表達量基本一致，這可能與其所選的部位有關(guān)。TCTP在分裂活躍的組織中表達水平較高，如擬南芥TCTP在分生組織和擴大的細(xì)胞中表達量增加[58]。

研究表明，植物TCTP基因的表達極易受到外部環(huán)境條件的影響，如在高溫或高鹽脅迫下，結(jié)球甘藍TCTP基因的表達會增加[50]。短日照植物矮牽牛在黑暗條件下，其TCTP的表達水平逐漸升高，且隨著外界遠紅光照射時間延長而表達量受到抑制[60]。鋁脅迫能誘導(dǎo)耐鋁大豆根部TCTP積累量的增加，而對鋁敏感的大豆品種影響不明顯[61]。此外，TCTP的表達可能還受植物激素的影響，如番茄TCTP與煙草組氨酸激酶NTHK1相互作用能促進植株生長[62]；巴西橡膠樹HbTCTP基因的轉(zhuǎn)錄受到乙烯和茉莉酸甲酯(Methyl jasmonate，Me-JA)調(diào)控，乙烯處理8 h時表達量最高，然后隨著處理時間的延長而下降；Me-JA處理下HbTCTP基因的表達量在8 h和48 h出現(xiàn)2個高峰[54]；乙烯處理0.5 h后，膠乳TCTP的表達量增加，而割膠機械損傷會抑制TCTP的表達[51]。

3.3 植物TCTP基因的功能

與動物TCTP相比，對植物TCTP的功能研究報道并不常見，根據(jù)TCTP結(jié)構(gòu)上的相似性，推測植物TCTP與動物TCTP可能具有相似的功能[44]。如Brioudes等[17]將果蠅中的TCTP基因?qū)氲絋CTP被敲除的轉(zhuǎn)基因擬南芥中后，其生長速度得到恢復(fù)。植物應(yīng)激相關(guān)基因的過量產(chǎn)生能夠促進大腸桿菌細(xì)胞的生長[63-64]。木薯TCTP能提高大腸桿菌鹽脅迫耐受性[65]，表明植物和動物中的TCTP基因功能有共同之處。由圖1可知，植物TCTP是一種多功能蛋白[66]，目前對植物TCTP基因功能的研究主要集中于與生長的相關(guān)性、抗逆性、抗病蟲性等方面。

圖1 植物TCTP的功能簡圖Fig.1 The functional sketch of plant TCTP

3.3.1 TCTP與植物生長的相關(guān)性 植物TCTP對細(xì)胞生長和分裂具有重要作用，能有效促進植物生長[59]。如Woo等[67]發(fā)現(xiàn)豌豆TCTP與根冠細(xì)胞的分裂相關(guān)。Brioudes等[17]研究認(rèn)為TCTP對有絲分裂具有促進作用，將TCTP轉(zhuǎn)化至煙草中，得到的轉(zhuǎn)基因植株較對照相比生長明顯加快，生長期縮短30%左右[68]。相反，通過RNA干涉手段沉默擬南芥植株TCTP基因則表現(xiàn)為葉片增長變緩，根系生長受阻，生長減緩[58]。干涉TCTP基因在芥藍中的表達，其植株也表現(xiàn)為生長減緩，對逆境的抵抗力減弱[69]。Rpf41(TCTP同系物)的RNAi干涉載體的導(dǎo)入使得刺槐根莖長、鮮重和結(jié)瘤數(shù)均減少[39]。TCTP還有可能參與細(xì)胞脫分化過程，且在細(xì)胞脫分化中起上調(diào)作用[52]。Hoepflinger等[70]研究發(fā)現(xiàn)AtTCTP的超表達顯著降低了煙草葉片中的細(xì)胞死亡，說明植物TCTP具有保護細(xì)胞的作用。植物TCTP在擬南芥上研究最多，由圖2可知，其有AtTCTP1和AtTCTP2兩條序列，AtTCTP1在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、控制細(xì)胞程序化死亡和信號應(yīng)激反應(yīng)中起重要作用[17, 70]，AtTCTP2對植株的長距離信號傳導(dǎo)和再生能力是必不可少的[71]。此外，Oliver等[58]通過敲除TCTP基因得到了一個雄性不育個體，該個體能夠形成正?；ǚ矍一ǚ勰苊劝l(fā)，但花粉管生長受阻。譚曉風(fēng)等[72]發(fā)現(xiàn)一條TCTP同源基因序列可能與油茶種子胚胎發(fā)育及種子成熟相關(guān)，且高度表達。但Lliso等[73]研究表明，在柑桔果實后熟階段TCTP表達水平降低。以上研究表明，TCTP對植物的營養(yǎng)生長與生殖生長均具有一定的調(diào)節(jié)作用。

3.3.2 TCTP與植物的抗逆性 植物TCTP對逆境的反應(yīng)敏感，尤其是對溫度、光照、鹽堿、重金屬等的敏感度較高[74]。Kimiyo等[60]從矮牽牛中分離到一個與暗誘導(dǎo)有關(guān)的TCTP基因；Vladimir等[75]研究表明TCTP可能與植物的耐鹽性相關(guān)；Santa Brígida等[65]研究表明，木薯受鹽脅迫后，植株體內(nèi)TCTP表達量會增加。此外，TCTP還與蓮子的耐熱性相關(guān)[76]。Li等[54]研究發(fā)現(xiàn)橡膠樹HbTCTP在高鹽脅迫下呈現(xiàn)波形表達模式，在處理48 h時表達量最高；在遭受機械損傷時，HbTCTP的表達水平呈先下降后升高的變化趨勢，最后保持不變；在低溫脅迫條件下，HbTCTP的表達量隨著脅迫時間的增加而增加，在48 h時表達量最高；而在干旱脅迫條件下，HbTCTP的表達量呈先增加后降低的變化趨勢。OsTCTP基因在水稻抗汞方面起著重要作用[77]。番茄SlTCTP在煙草中超表達時，可以促進植物生物量的增加，且在高鹽和滲透脅迫下參與光合作用、脂肪酸代謝和水運輸相關(guān)基因的表達[41]。在低溫(4℃)和高溫(35℃)脅迫下，桑樹Ma-TCTP基因在不同部位的表達量均上升，說明其參與植株的溫度逆境脅迫反應(yīng)[37]。擬南芥AtTCTP的超表達能提高植株的抗旱性[78]，黃瓜CsTCTP的超表達能提高植株對高溫脅迫的抗性，但卻降低了植株對干旱和氯化汞的耐受力[40]，這可能是由于不同植物對外界刺激的響應(yīng)機制不完全相同。在煙草中HbTCTP的超表達能夠增強對H2O2介導(dǎo)的氧化應(yīng)激的耐受性并降低衣霉素誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡率[79]。綜上，植物TCTP在對抗逆境脅迫方面起著重要作用。

3.3.3 TCTP與植物的抗病蟲性 植物TCTP對植物抗病蟲性研究已有相關(guān)報道。如Alfenas-Zerbini等[80]在鑒定植物-病毒互作反應(yīng)中基因表達差異時，用馬鈴薯Y病毒和辣椒黃色花葉病毒接種感病番茄，發(fā)現(xiàn)TCTP基因起正調(diào)節(jié)作用。擬南芥中棉花GhTCTP1基因的超表達增強了植株對綠桃蚜(Myzuspersicae)的抗性，并可通過遺傳操作來改善棉花的蚜蟲抗性[36]。在白粉病感染期間，小麥TCTP基因表達水平逐漸升高[81]。Fan等[82]通過2-D凝膠分析發(fā)現(xiàn)TCTP(XP-004134215)參與黃瓜對白粉菌(Sphaerothecafuliginea)的響應(yīng)。Meng等[83]研究表明黃瓜TCTP基因?qū)Π追鄄∑鹭?fù)調(diào)控作用，降低該基因的表達能增強黃瓜對白粉病的抗性，而該基因的超表達會導(dǎo)致黃瓜對白粉病的抗性降低。水稻感染稻癭蚊后TCTP基因的表達量在24 h時下降，并在120 h時又開始上升[84]。番茄和煙草的TCTP有助于成功感染馬鈴薯Y病毒，且健康株中TCTP位于表皮細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)，而感染株中TCTP全部位于細(xì)胞質(zhì)中[42]。此外，TCTP還受病原體應(yīng)激調(diào)節(jié)，如小麥TaTCTP在條銹菌和白粉病脅迫下才起作用[81, 85]。但植物TCTP對病蟲害的抗性機制較復(fù)雜，尚需進一步更深入的研究。

4 展望

圖2 TCTP基因在擬南芥中的表達Fig.2 Expression of TCTP gene in Arabidopsis

圖3 植物TCTP的調(diào)控機理Fig.3 The regulation mechanism of plant TCTP

TCTP是一種多功能調(diào)控因子，既能促進植物細(xì)胞增殖、分化與再生，又能增強植株抵御生物或非生物脅迫的能力，其表達受到轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的調(diào)節(jié)，同時具有一定的組織和時間特異性。近年來，關(guān)于動物中TCTP研究較深入，而在植物中的研究相對較少，尤其是關(guān)于植物中的分子功能與生理機制、細(xì)胞定位以及具體的調(diào)控機理的研究尚鮮見報道。Fernanda等[42]首次對植物TCTP進行了細(xì)胞定位，感染株與健康株中的TCTP所處位置不同，表明馬鈴薯Y病毒可能是通過改變TCTP的定位以促進該病毒的感染。棉花TCTP可能通過水楊酸(salicylic acid, SA)途徑介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因植物對蚜蟲的抗性[36]；TaTCTP1可能通過乙烯信號途徑參與小麥對低溫和高鹽等逆境的抗性反應(yīng)[85]；煙草NtTCTP通過與馬鈴薯Y病毒的外殼蛋白(coat protein，CP)蛋白互作而表現(xiàn)出對該病毒的強抗性[86]；黃瓜CsTCTP1通過調(diào)節(jié)某些防御相關(guān)基因或ABA信號通路相關(guān)基因的表達參與對白粉病的防御，而CsTCTP2則通過調(diào)節(jié)TOR信號通路相關(guān)基因的表達參與其中[83]。AtTCTP的超表達通過調(diào)控ABA介導(dǎo)的氣孔運動而增強了擬南芥對干旱的忍受力[78]；AtTCTP1通過與Rab GTPases的相互作用參與調(diào)節(jié)TOR信號傳導(dǎo)[41]；AtTCTP2通過其mRNA和蛋白質(zhì)的長距離轉(zhuǎn)運而促進煙草不定根的形成[71]。番茄TCTP的超表達能夠促進煙草生長及脅迫能力的提高，TCTP基因的表達與參與光合作用、脂肪酸代謝和水運輸?shù)南嚓P(guān)基因呈正相關(guān)，同時與乙烯的生物合成呈負(fù)相關(guān)。綜上，植物TCTP的調(diào)控機理極為復(fù)雜(圖3)，還有很多方面需要進一步深入研究，如調(diào)控其表達和互作的相關(guān)基因種類，不同植物品種或同一品種不同部位的差異性表達，植物TCTP潛在的應(yīng)用價值等。這些方面的研究可全面解析植物TCTP基因的生理生化功能與調(diào)控機理，對調(diào)控植株生長和培育抗逆農(nóng)作物新品種具有重要意義。