羅海霞，安 銀，戴 星，王順莎，郭自強

（貴州師范大學生命科學學院，植物生理與發(fā)育調控重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

蛋白質折疊是真核細胞的一個基本過程，但它也被認為是一個容易出錯的過程，細胞已經(jīng)進化出一個敏感的蛋白質質量控制系統(tǒng)，以最大限度地減少未折疊或錯誤折疊蛋白質的積累。當植物經(jīng)歷不利的環(huán)境脅迫條件或達到不同的發(fā)育階段時，對蛋白質折疊的需求發(fā)生變化，并且必須迅速去除錯誤折疊或受損的蛋白質以防止聚集和毒害?！暗鞍踪|質量控制”最初僅指保護內質網(wǎng)中分泌蛋白和膜蛋白正確折疊和組裝的過程（Hurtley and Helenius，1989），如本文所述。產(chǎn)生正確折疊的蛋白質和消除受損和錯誤折疊的蛋白質之間的平衡被稱為蛋白質穩(wěn)態(tài)或蛋白質平衡。蛋白沉積網(wǎng)絡確保蛋白質的正確翻譯、構象和亞細胞定位，這些對于細胞分裂、增殖和在不斷變化的生長條件下的生長至關重要。植物細胞包含內質網(wǎng)、高爾基體、葉綠體、線粒體、液泡和過氧化物酶體；每一個細胞器都有一個獨特的蛋白質補充物來支持不同的功能，如蛋白質合成、代謝、光合作用和能量產(chǎn)生。盡管葉綠體和線粒體都有各自的基因組，分別編碼～85 和～50個額外的蛋白質，但大多數(shù)細胞器蛋白質是在細胞核中編碼的。蛋白質體內平衡過程中不同細胞器和細胞核之間的協(xié)調對于維持植物細胞在發(fā)育和環(huán)境反應過程中的動態(tài)蛋白質平衡至關重要。在多次不成功的蛋白質折疊嘗試后，折疊循環(huán)終止，錯誤折疊的蛋白質被選擇通過蛋白酶體介導的蛋白質降解途徑降解。錯誤折疊的蛋白質的積累以及新合成的和預先存在的蛋白質的聚集可能對細胞產(chǎn)生毒性作用。當?shù)鞍踪|折疊需求超過蛋白質折疊能力時，未折疊或錯誤折疊的蛋白質可能積累，并且未折疊的蛋白質反應（UPR）被激活以增加伴侶蛋白和折疊催化劑、蛋白酶體介導的蛋白質降解的成分和自噬的水平。鑒于每個蛋白質質量控制步驟的不同方面，用于修復錯誤折疊、未折疊或受損蛋白質的蛋白質機器應該優(yōu)先用于蛋白質降解的蛋白質機器，因為修復、再折疊是減少植物細胞器中錯誤折疊、未折疊蛋白質數(shù)量的更節(jié)能的方法。本文旨在總結近年來我們對植物細胞器中蛋白質質量控制以及蛋白質穩(wěn)態(tài)過程中不同細胞器與細胞核之間通訊的研究進展。

1 ER中的蛋白質折疊

傳統(tǒng)的分泌途徑始于胞質溶膠合成的跨膜和分泌蛋白通過Sec61 轉位子復合物轉運到內質網(wǎng)，然后由囊泡轉運到高爾基體，分泌蛋白被轉運到質膜或細胞外基質。一些液泡蛋白也通過晚期內體從高爾基體轉移到液泡中。在擬南芥中，大約三分之一的蛋白質被預測與分泌途徑中的內質網(wǎng)或其他細胞器相關。一旦帶有中間信號肽的新生多肽通過易位機制進入內質網(wǎng)腔，利用分子伴侶/共分子伴侶、N-糖基化和二硫鍵形成，幾個蛋白質折疊過程立即開始。結合蛋白（bip）是熱休克蛋白70 家族的成員，是新生蛋白進入內質網(wǎng)腔時與新生蛋白相互作用的主要伴侶。

1.1 bip防止蛋白質聚集

bip防止蛋白質聚集，并幫助非自然展開的蛋白質獲得其正確折疊的狀態(tài)。作為一種ATP 酶，bip經(jīng)歷了蛋白質結合和ATP水解的循環(huán)；其他輔因子如DnaJ蛋白與結合ATP的bip相互作用，催化ATP 水解。bip1bip2bip3 三重擬南芥突變體中三個bip基因的失活導致花粉死亡，而低階突變體在受精過程中顯示花粉管生長減少。

1.2 OsERdj7與蛋白質折疊

OsERdj7 是水稻中含內質網(wǎng)結構域的DnaJ 蛋白之一，在水稻中充當Hsp70的共伴侶。水稻胚乳中OsERdj7的下調損害內質網(wǎng)蛋白折疊，并導致內質網(wǎng)腔中醇溶蛋白的不正確沉積，形成網(wǎng)狀結構，而不是在野生型種子中觀察到的蛋白體。擬南芥溫敏雄性不育1（TMS1）編碼一種Hsp40 蛋白，它通過DnaJ 結構域與BiPs 相互作用以刺激ATPase 酶活性，TMS1 的突變會損害花粉管的生長。AtERdj3B 還與BiP 相互作用，是生殖發(fā)育所必需的，特別是在高溫下。這些結果表明了參與內質網(wǎng)受體蛋白折疊和體內平衡的分子伴侶/協(xié)同伴侶對植物發(fā)育至關重要。

2 蛋白質輸入與蛋白酶介導的葉綠體和線粒體降解

葉綠體和線粒體都有內共生起源，它們都有相似的基因表達機制、蛋白質折疊過程、成熟因子和蛋白酶，所有這些都來自原核起源。帶有N 端靶向信號的葉綠體和線粒體蛋白是在胞質核糖體上合成的，并在胞質伴侶Hsp70 和Hsp90 的幫助下被運送到各自的細胞器表面。隨后，葉綠體前體蛋白被表面受體識別，并通過外葉綠體和內葉綠體被膜中的轉運子復合體運輸?shù)交|中。類似地，線粒體前蛋白通過線粒體外膜（TOM）和內膜（TIM）中的轉位復合體轉運到線粒體基質中（Ghifari et al.，2018）。由于轉位蛋白復合體的孔徑較小，在轉位過程中穿過葉綠體或線粒體雙層膜的多肽鏈必須展開。在它們到達葉綠體基質或線粒體基質后，前蛋白受到蛋白水解處理，在此過程中，它們的前序列被特定的處理肽酶切割掉。得到的N-末端截短的蛋白質被進一步折疊或分類，以通過分子伴侶轉移到細胞器內的靶標，如類囊體膜，生理受損的蛋白質會被蛋白酶迅速去除，其中大部分是原核來源的。植物中至少有20 種細胞器蛋白酶。葉綠體和線粒體中蛋白質循環(huán)的主要蛋白酶包括無處不在的AAA+家族的ATP 酶、CLP、FtsH、LON 蛋白酶和DEG 蛋白酶。這些蛋白酶不僅能降解進口蛋白質，還能降解質體或線粒體編碼的底物。例如，類囊體膜相關的FtsH 蛋白酶FtsH2 主要作用于降解光損傷的光系統(tǒng)II（PSII）反應中心蛋白，如D1和D2。

3 結論和未來展望

在植物發(fā)育和環(huán)境適應過程中，內質網(wǎng)、葉綠體和線粒體中蛋白質穩(wěn)態(tài)的維持已經(jīng)取得了顯著進展，許多植物特異性特征被揭示。盡管如此，我們離全面理解植物中的蛋白質穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡還有很長的路要走。這一領域最重要和最具挑戰(zhàn)性的問題是:在植物細胞器中如何感知蛋白質穩(wěn)態(tài)過程中指示不平衡的信號。有證據(jù)表明，膜相關轉錄因子可以感知、轉導與內質網(wǎng)或線粒體中錯誤折疊的蛋白質積累相關的信號，以調節(jié)參與這些細胞器中蛋白質穩(wěn)態(tài)的基因的表達，但其他蛋白質是否也可以感知這些細胞器中錯誤折疊的蛋白質積累目前尚不清楚。

許多植物細胞器是相互連接的。內質網(wǎng)是由相互連接的小管和扁平池組成的中心網(wǎng)絡，與其他亞細胞隔室相連，如高爾基體、線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、液泡、細胞核和質膜。細胞器和細胞核之間建立了實質性的交流，從而維持蛋白質的穩(wěn)態(tài)。如上所述，內質網(wǎng)中錯誤折疊的蛋白質積累導致細胞核中下游普遍定期審議相關基因的調節(jié)，液泡中蛋白酶活性的增強，胞質溶膠中的ERAD，以及內質網(wǎng)吞噬作用的啟動，以去除內質網(wǎng)中錯誤折疊的蛋白質。線粒體產(chǎn)生的ROS 激活內質網(wǎng)膜相關的轉錄因子，然后調控下游參與清除線粒體ROS的基因。在植物蛋白質動態(tài)平衡期間，逆行信號也會觸發(fā)從葉綠體或線粒體到細胞核的信號。質網(wǎng)膜相關轉錄因子NAC013 和NAC017 能夠整合來自線粒體和葉綠體的活性氧信號，并將信號轉導至調節(jié)基因的線粒體。尚不清楚是否存在更常見的因子來控制這些細胞器中的蛋白質穩(wěn)態(tài)和細胞的后續(xù)命運。因此，今后進一步了解蛋白質穩(wěn)態(tài)過程中不同細胞器之間的協(xié)調是很重要的。

總之，越來越多的證據(jù)表明，多條途徑確保了蛋白質的正確折疊，并及時消除了內質網(wǎng)、葉綠體和線粒體中錯誤折疊的蛋白質。在植物發(fā)育和環(huán)境脅迫響應過程中，這些細胞器和細胞核之間的多邊通訊信號是維持細胞器蛋白質穩(wěn)態(tài)所必需的。了解細胞器蛋白質動態(tài)平衡的潛在分子機制對于進一步提高植物的穩(wěn)健性和抗逆性至關重要。