高等植物的FKBP家族：探索蛋白质相互作用因子的结构和功能外文翻译资料

高等植物的FKBP家族：探索蛋白质相互作用因子的结构和功能

原文作者：Peter J. Gollan, Mrinal Bhave a, Eva-Mari Aro b

单位：斯威本科技大学生命与社会科学学院环境与生物技术中心

摘要：FK506结合蛋白(FK506-binding proteins, FKBPs)既是免疫抑制剂的受体，同时也被认为是脯氨酰异构酶(prolyl isomerase, PPIase)，催化脯氨酰键结构转变。FKBPs的特征是其至少包含一个FK506结合域(FKBd)、一个脯氨酸的受体位点和一个PPIase催化的活性位点。FKBPs在大多数生物中形成多样化的家族，其中最大的FKBP家族出现在高等植物中。植物FKBPs是一种分子伴侣，它与特定的蛋白质伴侣相互作用，调节复杂的细胞发育过程。最近的研究发现，植物的FKBPs以复杂的协调机制调控植物的胁迫反应和发育过程，新的互作伴侣的发现拓展了其对植物基因表达和光适应的影响范围。本文在这些最新发现的基础上，对高等植物FKBP家族的分子、结构特征和功能作用进行了验证，并讨论了区域保守和变异对一个多样化、多用途和复杂的伴侣家族的发展的意义。

关键词：FK506结合蛋白 脯氨酸异构酶 免疫亲和素 分子伴侣 植物 应激反应 磷酸化

1.引言：

FK506结合蛋白(FKBPs)最初被鉴定为FK506和雷帕霉素的细胞靶点，是由土壤细菌产生的大环内酯类，被用作免疫抑制剂^[1,2]。FKBPs加入了不相关的环孢素结合环蛋白(CYP)，这种蛋白是免疫抑制剂受体中的一类蛋白作为免疫亲和素^[3]。在免疫细胞中，FK506-FKBP和环孢素-CYP复合物与钙依赖性磷酸酶钙调磷酸酶(CaN)相互作用，阻断参与其免疫应答所需要的基因的表达所需的磷酸化信号通路，而与FKBP结合的雷帕霉素则与雷帕霉素的激酶靶点(TOR)相互作用，引起的细胞周期阻滞也是免疫抑制的^[4]。FKBP和CYP的另一个特征是“肽基-脯氨酰基异构酶”(PPIase)活性。也就是说，催化脯氨酸残基在顺式和反式构型之间的肽键旋转能力^[1,2,5]。免疫亲和素与非免疫亲和素 PPIase parvulin 都具有此特性^[6]。

FKBPs 在真核生物中形成巨大的蛋白质家族，其中最大的是在高等植物中，在拟南芥^[7]和水稻^[8]中分别有23种和29种亚型。自二十年前被发现以来^[9]，植物FKBPs被证实参与了多种细胞过程，包括细胞发育，应激反应，转录调控和影响叶绿体功能^[10,11]，但是目前还很难确定植物FKBPs的具体作用。最近的研究结果表明，植物FKBPs主要通过与蛋白质配体的特异性互作来调节蛋白质功能，FKBP序列和结构的变化促进了分子伴侣蛋白家族的进化。在这篇综述中，我们研究了FKBP家族在高等植物中的进化和细胞功能，并总结了FKBPs在蛋白质磷酸化中的功能。2.植物FKBP结构域的组成

2.1 FKBP506结合域

FKBPs的特征是至少包含一个FK506结合域(FKBd)，这是脯氨酸和脯氨酸类似物(如FK506和雷帕霉素)的受体位点，也是PPIase催化的活性位点。的FKBd序列大约由110个氨基酸组成具有保守的三级结构^[12–14] （图1），主要包含六个反向平行的beta;片，这些beta;片通过许多暴露于溶剂的环相连接，其中一个环包含一个短的alpha;螺旋（图2)。这些结构beta;折叠形成一个与螺旋相对立的凹面，朝向蛋白质中心的疏水侧链形成疏水腔，可容纳脯氨酸^[15]。根据原FKBP序列中的位置将循环指定为30s，40s，50s和80s（图1），其与结合在FKBP活性位点的底物相互作用，也与结合在FKBd外围的次级蛋白相互作用，例如哺乳动物的CaN和TOR^[16]。尽管FKBd具有很强的保守性，但仍有相当大的可能不与药物配体结合，且缺乏可测量的PPIase活性（见图1），表明该结构域具有另一种主要功能，这将在下文中加以讨论。

图1. FK506 结合域的氨基酸比对。对齐的结构域来自智人（HsFKBP12; Genbank登录号NP_463460.1），水稻（OsFKBP12;LOC_Os06g27970），拟南芥（Arabidopsis thaliana）

（AtFKBP12; LOC_At5g64350，AtFKBPPW;小麦，FC_At5g，45）和III取自PDB加入 3JYM^[72])。粗体数字表示原始FKBP序列中第一个和最后一个残基的位置。横线跨越了智人 FKBP12的三级结构的alpha;螺旋（a）和beta;折叠（b）区域（PDB登录号2PPN^[79])。括号显示标记的循环区域。阴影表示保守残基，虚线表示比对中的间隙。

2.2多域FKBP

植物FKBP的大小范围从最小的拟南芥中的12kDa亚型（AtFKBP12）开始，包括单个FKBd^[17]，到小麦中发现的77kDa亚型（wFKBP77）^[18]。除了必需的FKBd外，植物和其他物种中的大型FKBP还包含功能域，这类FKBd通常重复串联三次（图3和表格1）。同样常见的是四三肽重复（TPR）单元，它们形成反向平行的alpha;-螺旋结构域，通常为其与大型多用途热休克分子伴侣HSP90相互作用提供位置^[19]。钙调蛋白（CaM）结合域（CaMBds）通常位于大型植物FKBP的C末端，并已证明可以与钙传感器CaM主动结合^[20,21]。尽管CaM是一种哺乳动物FKBP的复杂调节剂，它既控制相邻TPR处的HSP90相互作用，又控制远端FKBd处的底物结合，但尚未明确钙信号在植物FKBPs的功能中的具体作用^[22]。这些研究表明对于植物中的某些多结构域FKPBs，可能有类似的钙调节作用。3.植物FKBP的功能及作用

3.1应激反应中的重复FKBPs

多域亚型FKBP62和FKBP65，通常分别被称为ROF1和ROF2，在拟南芥中它们具有85%的序列同源性^{[19, 23]}，是植物基因组中发现的几组同源FKBP重复子之一。Breiman和同事^[24,25]发现ROF1和ROF2通过调节几种参与热应激恢复的小热休克蛋白(sHSPs)的表达，二者在拟南芥长期耐热性的形成过程中起拮抗作用。ROF1通过TPR与HSP90结合，HSP90又与热休克转录因子HsfA2结合，然后将ROF1-HSP90-HsfA2复合物转运至细胞核，诱导sHSPs和ROF2^[24]的表达。ROF2通过与ROF1在其FKBd位点结合，阻断核ROF1-HSP90-HsFa2复合物，从而抑制热休克^[25]后恢复期sHSP的表达。与HsfA2基因敲除的效果相似，ROF1基因敲除后要经过2-3天的恢复期，这严重影响了植物适应高温的能力，而rof2突变体和过表达ROF1基因的植物比野生型获得了更好的长期耐热性^[24,25]。最新研究发现ROF2通过控制K 离子内流^[26]来调节细胞内的pH和膜极性，并且在rof1/rof2双敲除突变体对酸抑制的敏感性高于单敲除ROF1或ROF2敲除^[26]，进一步证明ROF1和ROF2基因具有协同作用。

同源ROF1/ROF2基因对存在于小麦^[18,27]、水稻^[28]和玉米^[29]中，其结构域和表达谱与拟南芥同源，这表明FKPB在植物获得耐热性的过程中的拮抗作用是高等植物的一种保守机制。哺乳动物中的一对ROF1/ROF2类似物，FKBP52和FKBP51，在应激反应中也是起拮抗作用，它们通过TPR介导与HSP90^[30]的相互作用与糖皮质激素受体(GR)或许多其他类固醇激素受体结合。FKBP52促进与配体结合的GR的细胞核转位，导致应激反应基因FKBP51表达水平增高，其中FKBP51是GR转位的拮抗剂^[31,32]。通过ROF1/ROF2等拮抗性的FKBP对及其同源物，我们发现了更为深入的应激反应调节机制，这可能说明其他FKBP对也具有类似的协同作用。

水稻异构体OsFKBP20-1a和OsFKBP20-1b具有85%的同源性，在高温和干燥条件下均有表达，但表达量不同。Ahn等人的^[33]研究表明，OsFKBP20-1a在所有组织中均有高度表达，并在温度和干旱胁迫后表达量快速升高，而OsFKBP20-1b只有在胁迫24小时后才有高度表达。FKBPs和OsFKBP20-1b均存在于水稻细胞核中，OsFKBP20-1b同时存在于胞质^[33]中。OsFKBP20-1a和SUMO-偶联酶(Sce)之间的物理互作被认为参与热应激反应介导^[34]，而OsFKBP20-1b的互作伴侣尚未确定。参与植物胁迫反应的第三组FKBP重复序列定位于ER，但它的功能尚不清楚。AtFKBP15-1和AtFKBP15-2有70%相似性，并且二者表达量在热刺激作用下明显升高^[7,35]。最近在玉米中鉴定到这个组的第三个重复子，在高温下，ZmFKBP15-3表达量明显升高，而ZmFKBP15-1和ZmFKIPB15-2在高温下正常表达^[29]。

图2： FK506结合域原型。智人FKBP12三级结构的晶体结构（PDB登录号2PPN^[79]），beta;链（蓝色），螺旋（红色）和环（白色）为图1中对应的结构。五个疏水残基分别根据FKBd核心在HsFKBP12中的位置进行着色和标记。

表1 高等植物FKBP异构体的结构和功能

图3.水稻FKBPs的结构域组成。FK506结构域（蓝色）在所有植物FKPB同源型中都是保守的。叶绿体（浅绿色）和类囊体（深绿色）定位的信号肽出现在腔FKBP亚型的N末端，如OsFKBP13所示。多域同源型通常包含其他FKBds（OsFKBP64和OsFKPB65），用于HSP90相互作用的四肽重复序列（红色）、钙调蛋白结合域（黄色）和跨膜锚定位点（黑色）。OsFKBP54a和其他核同工型具有包含赖氨酸基序（黑色竖线）的基本域（粉红色）。数字代表水稻FKBP中的氨基酸位置^[8]。

3.2 FKBP 对植物发育至关重要

拟南芥中的FKBP42被命名为TWISTEDDWARF1(TWD1)，twd1突变体中根和枝条的生长受到阻碍和根生长螺旋旋转^[21,36]。这种表型是由于生长素的运输中断而引起的，生长素是一种控制细胞伸长和分裂的植物激素，因为TWD1与细胞生长素外侧的ATP结合盒(ABC)转运蛋白相互作用^[37,38]。Geisler及其同事的大量研究显示，TWD1的单个FKBd与ABCB1和ABCB19转运蛋白的C末端结合（分别称为PGP1和PGP19），调节质膜中功能性生长素转运蛋白的形成^[37–41]。TWD1已从质膜和液泡膜中分离出来^[21]，并通过C端膜锚固定^[42,43]。最新的结果表明，TWD1位于内质网的胞质表面，已假设其在进入分泌途径时充当ABCB的伴侣^[44]，但这仍然存在争议。TWD 1C末端功能性CaMBd的重要性尚不清楚^[21,45]，相邻的TPR结构域与膜转运蛋白ABCC1和ABCC2（也分别称为多药耐药蛋白MRP1和MRP2）之间的相互作用并非必需^[38,45]。有趣的是，TWD1 TPR靶向在ABCC1和ABCC2中也存在的CaMBds，这些转运蛋白参与液泡中的砷、镉和汞的螯合^[46]，尽管体外TPR-CaMBd的相互作用不受钙或CaM的影响^[3​​8]，其参与钙的调节作用的可能性仍有待证明。TWD1 TPR也与HSP90结合^[21]，但是这种相互作用的重要性仍然未知。

FKBP72通过参与极长链脂肪酸（VLCFA）的合成从而在植物发育中起着至关重要的作用，这些脂肪酸是几种重要脂质产物的组成部分，包括膜磷脂和鞘脂，这对于正常的细胞分裂和分化是必不可少的^[47]。FKBP72功能异常会导致VLCFA合成中断，从而导致细胞分裂失控^[48]，进而导致形成拟南芥属称为“PASTICCINO”的突变表型^[17,49]。AtFKBP72（PAS1）被认为是通过与参与VLCFA合成的酶，包括脱水酶（PAS2）、羧化酶（PAS3）和还原酶（CER10，ECR）相互作用而在ER中作为VLCFA延伸复合物组装的支架lt;

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