 Botanical Research 植物学研究, 2012, 1, 9-12 http://dx.doi.org/10.12677/br.2012.12002 Published Online July 2012 (http://www.hanspub.org/journal/br) Calcineurin B-Like Proteins and Their Interacting Protein Kinases Qing Shen, Wanli Guo, Lixi Jiang College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou Email: jianglx@zju.edu.cn Received: May 9th, 2012; revised: May 20th, 2012; accepted: Jun. 10th, 2012 Abstract: Calcium is a critical messenger in several biological processes. Cellular calcium signals are de- tected and transmitted by Ca2+ sensor such as calcium-binding proteins. Calcineurin B-Like protein (CBL) family represents a group of such calcium sensors and plays a key role in decoding calcium signals by spe- cifically interacting with and regulating a family of protein kinases CIPKs (for CBL-interacting protein kinases). Many researches have revealed that several CBL proteins and CIPKs are important components of abiotic stress responses and ion transport processes. Here, we discuss structures and functions of CBLs and CIPKs and how specific Ca2+ signal responds are realized. Keywords: CBL; CIPK 类钙调神经磷酸酶 B亚基蛋白 CBL 和它们的 作用激酶蛋白 CIPK 沈 清，郭万里，蒋立希 浙江大学农业生物技术学院，杭州 Email: jianglx@zju.edu.cn 收稿日期：2012 年5月9日；修回日期：2012年5月20 日；录用日期：2012 年6月10日 摘 要：Ca2+作为第二信使介导大量的信号传递，在许多生命过程中发挥重要的作用。Ca2+信号通过 Ca2+感受器即 Ca2+结合蛋白来解码并传递。类钙调磷酸酶 B蛋白CBL(Calcineurin B-Like Protein)便是 其中一类Ca2+结合蛋白。通过与其特定的激酶蛋白CIPK(CBL-Interacting Protein Kinase)作用，在Ca2+ 信号传导通路，尤其是一些逆境信号传导通路中发挥重要作用。本文主要围绕CBL 和它们的作用蛋白 CIPK，在其结构、功能以及它们如何对信号做出不同反应的机制上对一些已经得到的共识和最新获得 的成果进行概述。 关键词：CBL；CIPK 1. 引言 植物细胞通过 Ca2+作为第二信使介导大量的信 号传递，是信号传导网络的核心元件。细胞胞质内不 同时间、空间的游离 Ca2+浓度变化调控着植物的生长 发育过程，如花粉管和根毛的发育[1]。细胞内 Ca2+的 另一个重要功能是对生物和非生物胁迫产生应激反 应[2]，如胁迫下气孔的孔径变化、共生作用、光作用 等。在这些信号传导过程中，Ca2+结合蛋白(Ca2+-Bind- ing Proteins)起到了关键的信号传递作用，其时空表达 模式、亚细胞定位和与 Ca2+结合的亲和力决定了信号 传导途径不同的和植物对特定逆境信号的特殊反应。 Ca2+结合蛋白(也可称之为 Ca2+感受器)主要包括 3大 Copyright © 2012 Hanspub 9  类钙调神经磷酸酶 B亚基蛋白 CBL 和它们的作用激酶蛋白 CIPK 类：钙离子依靠蛋白激酶 CDPK(Calcium Dependent Protein Kinase)、钙调蛋白 CaM(Calmodulin)和类钙调 磷酸酶 B亚基蛋白CBL(Calcineurin B-Like Protein)。 CDPK 是一类特殊的 Ca2+结合蛋白，它同时包含Ca2+ 结合域和反应器——类蛋白激酶结构。而CaM 和CBL 则只拥有Ca2+感受器，所以他们需要和其他信号传导 构件相作用来完成Ca2+信号的传导。CaM 是Ca2+信号 传导途径中发现较早，研究比较成熟的 Ca2+感受器， 它通过与各种信号传导构件广泛作用来传导 Ca2+信 号。这些传导构件包括转录因子、生理代谢所需各类 酶、细胞结构蛋白等。CBL则是最新发现的一类Ca2+ 结合蛋白，因为与动物的钙调磷酸酶蛋白的B亚基非 常类似而得名[3,4]。与CaM不同的是CBL 主要与一类 丝/苏氨酸蛋白激酶 CIPKs 相互作用进行 Ca2+信号的 传导。以前认为CBL 只与 CIPK作用传导 Ca2+信号， 但最新的发现表明拟南芥 CBL3 也与新的蛋白 AtMTAN (5’-Methylthioadenosine Nucleosidase)相互作用[5]。本 文主要围绕CBL 和它们的作用蛋白CIPK，在它们的 结构、功能以及它们如何对信号做出不同的反应的机 制上对一些已经得到的共识和最新取得的成果进行 概述。 2. CBL和CIPK 蛋白的结构 CBL 家族在水稻和拟南芥中分别含有 10 个基因 [6,7]，所有的 CBL 蛋白都含有保守的 Ca2+结合结构域 EF(Elongation Factor)手型结构[7]。EF 手型结构是一种 螺旋–环–螺旋的结构模式，其中环为主要的钙离子 绑定结构。通过控制环的大小 EF 手型结构可以特异 性的绑定钙离子。典型的 EF 手型结构中环的部分包 含12 个氨基酸，它利用第 1、3、5、7、9和12 位上 的氨基酸与钙离子作用。这其中第 1位上的Asp，第 6 位上的 Gly和第 12 位上的 Glu 是所有氨基酸中最保守 的，体现了它们在结构和钙离子绑定功能上的重要作 用，如 Gly 能够维持环结构的稳定性，该功能不能为 其他任何氨基酸所替代[8]。CBL 蛋白家族各个蛋白都 拥有 4个EF 手型结构，但拥有的典型完整EF手型结 构的数量却表现出很大的差异。CBL1 和CBL9 具有两 个典型完整的 EF 手型结构，CBL6、CBL67、CBL610 只有一个，而剩下的成员(在拟南芥中)则一个也没有 [8]。并且很多EF 手型结构第12 个氨基酸位点上发生 了氨基酸的替换，从而影响了它们与钙离子的结合。 这些典型完整的 EF 手型结构的数量和结构上的差异 在一定程度上表现出了不同CBL 蛋白对钙离子的亲 和程度不同。根据 N末端结构域的不同，可以把 CBL 家族分为两个主要的大类：第一类包括CBL1，CBL4， CBL5，CBL8 和CBL9，他们具有短的(43~48 个氨基 酸)N 末端，同时该端具有脂肪修饰位点，但在 CBL8 中退化。脂肪修饰位点对CBL 的亚细胞定位非常重 要，如 CBL4 末端脂肪修饰位点的豆蔻酰化可以帮助 其定位于细胞膜[8]；第二类包括 CBL2，CBL3，CBL6， CBL7 and CBL10，这类蛋白具有长的 N末端域，该结 构域类似K+通道结合蛋白域(K+-Channel Interacting Proteins (KCIP))，并且没有脂肪修饰位点[9-11]。 通过与钙离子绑定，CBL 发生了构象的转变，从 而促进了它与 CIPK 的作用，但是具体机制还不是很 清楚。已经发现的与CBL 相近的 CaM的构象转变， 可以给我们一些启示。在没有绑定钙离子时，CaM 呈 现出一个封闭的构象。钙离子的结合则启动了 CaM 构象的转变，使得 CaM 呈现出一个开放的状态，两 边各由一对 EF 手型结构组成的球型结构呈现出近 90˚ 的夹角。开放的构象暴露出大面积的疏水表面，从而 为后面的目标作用蛋白提供了作用点[12]。 CIPK 家族在拟南芥含有25 个基因。CIPK蛋白 由两部分组成：激酶结构域(又称催化结构域)和C端 相对较不保守的调节结构域。两者被一段连接结构连 接。在调节结构域中有一段保守的 NAF结构域(根据 其最显著的 3个氨基酸 N，A和F命名)，它是 CBL 的结合位点，同时对激酶结构域中的活性环结构起到 自抑制的作用。CBL 在NAF 部位的结合解除了 NAF 对活性环结构的抑制作用，启动了该结构的自磷酸化 从而激活CIPK 的活性[8]。 3. CBL和CIPK 蛋白的功能 众所周知，蛋白的表达模式以及亚细胞定位在一 定程度上暗示着该蛋白可能的功能。通过对 CBL 蛋 白进行定位，发现他们主要定位在细胞膜和液泡膜 上。考虑到这两大膜系统充当着两大钙离子库(细胞外 钙离子和液泡内钙离子)的边界，这个现象正好印证了 CBL 在钙离子信号传导中充当着信号感受器的作用。 对CBL 蛋白功能最早的报道为对拟南芥高盐逆 境的研究。在该研究中，工作者发现了对盐浓度高度 Copyright © 2012 Hanspub 10  类钙调神经磷酸酶 B亚基蛋白 CBL 和它们的作用激酶蛋白 CIPK 敏感(Salt Overly Sensitive)的突变体 sos1 、 sos2和sos3。 进一步的研究揭示了CBL/CIPK 在其中的作用。现在 的研究成果认为拟南芥中 CBL4(sos3)与CIPK24 (sos2) 在质膜上相互作用，激活 H+/Na+交换体(sos1)，从而 从细胞内泵出有毒的/过量的钠离子[13-15]，而液泡膜定 位的 CBL10 与CIPK24 相互作用的结果与 CBL4 的一 致[11]。最近报道在大麦的研究上也发现了 CBL4参与 到对盐逆境的调节过程中的类似现象[16]。 对CBL1 的研究则发现 CBL1通过调节逆境相关 转录因子的表达从而表现出对干旱、高盐和低温的耐 受性[17]。另外，对水稻 CBL8 的研究同样发现CBL8 响应了干旱和盐胁迫[18]。通过低温处理水稻，研究人 员发现 CBL2的表达量异常增高，进一步的亚细胞定 位发现 CBL2 主要定位于液泡膜，从而揭示出了 CBL2 在糊粉层细胞液泡化过程中发挥的重要作用[19]。此 外 研究人员发现 CBL9 通过与 CIPK3 的结合来调节 ABA 在种子萌发的中作用[20]。CBL9 和CBL1 与 CIPK1 的作用则形成了依赖和非依赖ABA 的反应体 系，主要响应干旱、冷和盐[1]。最新的发现表明拟南 芥CBL3 与新的蛋白AtMTAN(5’-Methylthioadenosine Nucleosidase)相互作用调控乙烯或多胺的生物合成， 从而调控植物生长发育和环境胁迫响应[5]。 这些功能在一定程度上说明了CBL 蛋白以及其 作用蛋白 CIPK 在钙离子信号传导尤其是逆境信号传 导中的重要性。 4. 信号特异性的实现 如引言中所述，很多植物体内的生理生化反应以 及对体外生物、非生物的应激都是通过钙离子信号来 传导的。把目光聚焦在 CBL-CIPK体系上，我们依然 可以发现细胞对体内、外信号做出的形形色色的生理 生化反应。但问题是，细胞是如何从及其相近的细胞 质游离钙离子浓度变化中提取出不同的信号从而做 出不同而又特异的反应的呢？这里列举了本人比较 认可的几种解释。 首先，钙离子信号本身具有特异性。钙离子信号 并不仅仅只有钙离子浓度的变化，还包含着时间和空 间的信息[6]，如细胞质游离钙离子浓度增高的频率、 持续时间以及亚细胞位点等信息[1]。细胞的膜系统从 另一方面促进了钙离子信号的复杂化，如钙离子通过 细胞内膜和细胞质膜的速率可以作为一个特殊的信 息参量[1]。 其次，CBL和CIPK 的时空表达，亚细胞定位和 CBL 对钙离子的亲和性从另一个方面解释了钙离子 信号的特异性。正如上文结构部分所述，不同的CBL 家族成员对钙离子的亲和性不同。此外在不同生长发 育时期，不同的组织、细胞、亚细胞结构内某个 CBL 蛋白的表达量多少可以在很大程度上决定钙离子信 号的传导途径的选择，从而做出截然不同的生理生化 反应[6,8]。该原理对于CIPK 一样适用。 另外，CBL 本身以及其对 CIPK 的选择性和亲和 性也在一定程度上决定了信号的特异性[6]。CBL 通过 和CIPK 结合传导钙离子信号。但是不同的 CBL 蛋白 对作用的 CIPK 激酶蛋白具有选择性，并且表现出不 同的亲和性，这在一个方面为钙离子信号的特异性提 供了可能。此外在CBL-CIPK结合体中，CBL发挥着 重要的信号传导路径选择作用。如上文所述CBL1 和 CBL9 两个蛋白都可以和 CIPK1 结合，当CIPK1 和 CBL1 结合时，该结合体能够引起细胞对高盐的抵抗 力。当CIPK1 和CBL9结合时，该结合体能够对 ABA 的反应发挥作用[1]。 5. 展望 随着全球气候的异常变化，世界范围的粮食作物 因为逆境因素(如干旱、冻害、盐渍、酸性土壤等)而 减产或绝收，直接影响到人们的生活及其它方面。在 此背景下，植物抗逆，特别是作物的抗逆研究和抗逆 育种显得尤为重要。现代分子生物学技术的迅速发 展，促使人们摆脱费力耗时的传统育种方式，进而通 过转基因等遗传手段大量地改造现有农作物，以期在 短时间内获得抗逆、优质、高产、环保的农作物新品 种。正如本文 CBL 和CIPK 蛋白的功能部分所述，许 多CBL 家族蛋白通过与他们特定的激酶蛋白相互作 用可以在植物抗旱、冷、高盐等方面发挥作用，从而 在分子抗逆育种上表现出极大地潜力。不过对这些资 源的研究总体上还处于传统生理学研究和传统的作 物育种领域，与发掘和利用这些资源的要求差距甚 远。相信通过对它们的环境胁迫耐性等位基因的克 隆，抗逆机理研究和通过转基因手段跨物种利用的研 究将更好的推进对CBL 和CIPK 的认识和利用。 Copyright © 2012 Hanspub 11  类钙调神经磷酸酶 B亚基蛋白 CBL 和它们的作用激酶蛋白 CIPK Copyright © 2012 Hanspub 12 参考文献 (References) [1] A. 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