植物G蛋白信号转导课件

（四） 小G蛋白

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有20~30KD而得名，同样具 有GTP酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。第一个被发现的小 G蛋白是Ras，它是ras基因[5]的产物。其它的还有Rho，SEC4，YPT1 等，微管蛋白β亚基也是一种小G蛋白。 小G蛋白的共同特点是，当结合了GTP时即成为活化形式，这时可作 用于下游分子使之活化，而当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶） 则回复到非活化状态。这一点与Gα类似，但是小G蛋白的分子量明显 低于Gα。 在细胞中存在着一些专门控制小G蛋白活性的小G蛋白调节因子，有 的可以增强小G蛋白的活性，如鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor, GEF）和鸟苷酸解离抑制因子（Guanine nucleotide dissociation Inhibitor, GDI），有的可以降低小G蛋白活性，如GTP酶 活化蛋白（GTPase activating protein, GAP）。
G蛋白的种类已多达40余种，大多数存在于细 胞膜上，由α、β、γ三个亚基构成，总分子 量为100kDa左右。其中β亚单位在多数G蛋 白中都非常类似，分子量36kDa左右。γ亚 单位分子量在8-11kDa之间。根据βγ两个亚 基的不同可以将G蛋白分为Gs、Gi、Go、 Gq、G?及Gt等六类。这些不同类型的G蛋 白在信号传递过程各种发挥不同的作用。
小的功能

小G蛋白：近年来研究发现小G蛋白，特别是一些 原癌基因表达产物有着广泛的调节功能。Ras蛋白 主要参与细胞增殖和信号转导；Rho蛋白对细胞 骨架网络的构成发挥调节作用；Rab蛋白则参与 调控细胞内膜交通（membrane traffic）。此外， Rho和Rab亚家庭可能分别参与淋巴细胞极化 （polarization）和抗原的提呈。某些信号蛋白通 过SH-3功能区将酪氨酸激酶途径同一些由小G蛋 白所控制的途径连接起来，如Rho（与Ras有30% 同源性）调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或解 离，从而影响细胞形态。这一事实解释了某些含 有SH-3的蛋白同细胞骨架某些成份相关联或调节 它们的功能

G蛋白的基本结构：100kD左右，由α、β、γ三种 亚基组成，在天然电泳中β与γ仍紧密结合在一起。 α亚基分子量在39-46kD之间，差别最大，被用作 G蛋白的分类依据。其共同的特点是，具有一个 GTP结合位点，本身具有GTP酶的活性，即可以把 GTP水解成GDP和无机磷酸；在某些G蛋白的α亚 基上，有些特殊的氨基酸（Arg或Cys）残基可被 特定的细胞毒素所修饰，从而调节其生理功能。 在一级结构中有几个高度保守的结构域，即P区域、 G'区域和G区域。P与G'区域都与GTP结合及GTP酶 活力有关；G区域则与GTP结合，并与腺苷酸环化 酶相互作用有关。另外，与受体接触的是Gα的C 端的α螺旋等。
巨大G蛋白
植物中还有另外一类G蛋白，称为“超大G蛋 白”( extra large G p rotein，XLGs) [[ 12 ] Lee Y R，et. Plant Mol Biol， 1999，[ 13 ] Assman A M. Heterotrimeric and unconventional GTP binding proteins in plant cell signaling. Plant Cell, 2002]。在拟南芥中鉴定到3个、在水稻中鉴定出4 个XLG基因。这些XLG基因编码的蛋白是通常多细 胞生物G蛋白的两倍大，其C端与植物G蛋白GPA1 的同源性约50% ，其N端富含色氨酸，且含有核 定位位点。生化分析表明,拟南芥XLG1是一种GTP 结合蛋白。然而目前尚未有关于XLG能和常规Gβγ 发生相互作用的证据，因此，对植物XLGs的功能 研究有待深入。
植物G蛋白信号转导
主讲人：李鹏
生物体在生长发育过程中不断地与环境进行物质交换，
因此，负责识别、转导、感知环境信号的转导途 （signaling transduction pathway）成为人们感兴趣的研究 对象，尤其是比原核生物更完善、更精细的真核生物的信 号转导途径。从已经研究过的动物细胞胞内信号系统来看， 胞内信号是通过位于细胞膜上的，与膜结合的中介蛋白质 将信息转导到胞内的，这种中介蛋白质是一种鸟苷酸结合 蛋白质，称为G蛋白。G蛋白主要有两类：一类是与膜受 体偶联的异三聚体G蛋白 (Heterotrimeric GTP binding proteins)；另一类是非膜蛋白，称为小G蛋白（Small GTP binding protein）。

β亚基分子量为36kD左右，各种G蛋白的β 亚基在肽图和免疫化学特性及氨基酸序列 方面很相似，γ亚基分子量在7-8kD之间， 各种G蛋白之间γ亚基也比较相似但个别的 也有些区别；它与β亚基非共价紧密结合。
小G蛋白

G蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，它们能够固定于细 胞膜内侧，主要是通过对起亚基上氨基酸残基的脂化修饰 作用，这些修饰作用把G蛋白锚定在细胞膜上。能够激活 腺苷酸环化酶的G蛋白称为Gs,对该酶有抑制作用的称为Gi。 当Gs处于非活化态时，为异三聚体，α亚基上结合着GDP， 此时受体及环化酶亦无活性；激素配体与受体结合后导致 受体构象改变，其上与Gs结合位点暴露，受体与Gs在膜上 扩散导致两者结合，形成受体-Gs复合体后，Gsα亚基构象 改变，排斥GDP，结合了GTP而活化，α亚基从而与βγ亚 基解离，同时暴露出与环化酶结合位点；α亚基与环化酶 结合而使后者活化，利用ATP生成cAMP；一段时间后，α 亚基上的GTP酶活性使结合的GTP水解为GDP,亚基恢复最 初构象，从而与环化酶分离，环化酶活化终止，α亚基从 新与βγ亚基复合体结合。重复此过程。

在细胞内还存在另一类G蛋白，这类G蛋白具有鸟 核苷酸的结合位点，有GTP酶活性，其功能也受 鸟核苷酸调节，但与跨膜信息传递似科无直接相 关。在结构上不同于前述的G蛋白，分子量较小， 在20-30kDa之间，不是以α、β、γ三聚体方式存 在，而是单体分子，因此被称为小G蛋白（small G proteins）。如ras表达产物为一种小G蛋白。小 G蛋白同ras蛋白具有同源性，同属于ras超家族 （ras superfamily）。哺乳动物G蛋白中属ras超 家族约有50多个成员，根据它们序列同源性相近 程度又可以分为Ras、Rho和Rab三个主要的亚家 族。
（1）Gs：细胞表面受体与Gs（stimulating adenylate
cyclase g protein,Gs）偶联激活腺苷酸环化酶，产生cAMP
第二信使，继而激活cAMP依赖的蛋白激酶。 （2）Gi：细胞表面受体同Gi（inhibitory adenylate cyclase g
protein,Gi）偶联则产生与Gs相反的生物学效应。
一、G蛋白的概念和分类
G蛋白是利用GDP（二磷酸鸟 苷）（图中紫色的部分）来控制信 息的传递的分子开关。结合着GDP 的G蛋白是不活跃的。当GDP的被 GTP（三磷酸鸟苷）取代后，G蛋 白就可以传递信息了。G蛋白形式 多样，大部分传递信息。这里展示 的是在术语上称为heterotrimeric G 蛋白的分子，因为它们由三条分子 链构成：α链(茶色)、β链（蓝色） 和γ链（绿色）。这从中红色的部 分是在α链/亚基表面的对信号传递 起重要作用的部分。
二、调节异三元G蛋白信号途径的因子
1、G蛋白偶联受体（GPCR） 2、G蛋白信号转导调节子（RGS） 3、鸟苷酸解离抑制因子（GDI ） 4、蛋白下游的效应分子
G蛋白偶联受体（GPCR）


与G蛋白偶联的多种受体具有共同的结构功能特点：分子 量40-50kDa左右，由350-500氨基酸组组成，形成7个由 疏水氨基酸组成的α螺旋区段，反复7次穿越细胞膜的脂质 双层。肽链的N末端在胞膜外，C末端在细胞内。N末端上 常有许多糖基修饰。从功能上看，受体的识别区域并不象 一般想象的那样在胞膜的外部，实际上是由7个跨膜区段 间通过特定氨基酸残基之间的相互作用形成复杂的空间构 象。配体结合于识别区域之后，即导致整个受体构象的变 化。受体肽链的C末端和连接第5和第6个跨膜区段的第三 个胞内环是G蛋白结合部位。 由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP 信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。
（3）Gt：可以激活cGMP磷酸二酯酶，同视觉有关。 （4）Go：可以产生百日咳杆菌毒不导致的一系列效应。
（5）Gq：同PLC偶联，在磷脂酰肌醇代谢途径信号传递过
程中发挥重要作用。
1 G蛋白的基本结构和种类
G蛋白(Gprotein/GTP binding protein)是能与 鸟嘌呤核苷酸结合，具有水解GTP生成GDP，即 具有GTP酶(GTPase)活性的蛋白。G蛋白是一个超 级家族(GTP-binding proteins superfamily)，包括 膜受偶联的异源三聚体G蛋白(Heterotrimeric GTP binding protein).异源三聚体G蛋白，分子量大 (100kD左右)，是受鸟嘌呤核苷酸调控的超级家族 的信号传导分子；而小G蛋白，分子量小(2030kD)，为单体，可能号传导无直接联系。
G蛋白在细胞膜内传递信息。当一个特定的荷尔蒙或神经递质（比如 肾上腺素）结合到受体上后，受体被激活。受体的分子形状改变了，它得 以结合到G蛋白上。这导致了G蛋白释放GDP并和GTP结合。GTP（图上显 示为红色）引发了一系列变形反应，G蛋白因此分裂成两部分。α亚基成 为自由亚基，和结合在它上面的GTP一起沿着细胞膜移动并最终和腺苷酸 环化酶结合，苷酸环化酶被激活。活跃的苷酸环化酶生产出大量可以在细 胞内传递信息的环腺苷酸（cAMP）。同时结合在α亚基上的GTP将变成 GDP，G蛋白将回到不活跃状态。
YangZ(2002)SmallGTPase:versatilesignalin gswitches inplants.ThePlantCell,14:S375-S388