植物谷胱甘肽过氧化物酶研究进展
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植物学通报 2005, 22 (3): 350￣356Chinese Bulletin of Botany
①国家重点基础发展规划项目(2003CB114305)和国家自然科学基金项目(30370765)资助。②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: songcp@henu.edu.cn收稿日期: 2004-08-26 接受日期: 2005-03-02 责任编辑: 白羽红
专题介绍植物谷胱甘肽过氧化物酶研究进展①
１，２苗雨晨 １白 玲 １苗 琛 ２陈 珈 １宋纯鹏②
1(河南大学生命科学学院 开封 475001)2(中国农业大学植物生理生化国家重点实验室 北京 100094)
摘要 氧化胁迫可诱导植物多种防御酶的产生, 其中包括超氧化物歧化酶(SOD, EC1.15.1.1)、抗坏血酸过氧化物酶(APX, EC1.11.1.11)、过氧化氢酶(CAT, E.C.1.11.1.6 )和谷胱甘肽过氧化物酶(GPXs,EC1.11.1.9)。它们在清除活性氧过程中起着不同的作用。GPXs是动物体内清除氧自由基的主要酶类,但它在植物中的功能报道甚少。最近几年研究表明, 植物体内也存在类似于哺乳动物的GPXs家族, 并对其功能研究已初见端倪。本文综述了有关GPXs的结构以及植物GPXs功能的研究进展。关键词 氧化胁迫, 谷胱甘肽过氧化物酶, 磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶
Progress in Plant Glutathione Peroxidase1,2MIAO Yu-Chen 1BAI Ling 1MIAO Chen 2CHEN Jia 1SONG Chun-Peng②
1(College of Life Sciences, Henan University, Kaifeng 475001)
2(State Key Laboratory for Plant Physiology and Biochemistry, China Agricultural University,
Beijing 100094)
Abstract Oxidative stress in plants induces several antioxidant enzymes, including superox-ide dismutase (SOD, EC 1.15.1.1), ascorbate peroxidase (APX, EC 1.11.1.11), catalase (CAT, E.C.1.11.1.6) and glutathione peroxidase (GPX, EC1.11.1.9), which have specific roles in scav-enging reactive oxygen species. Glutathione peroxidases are a family of key enzymes involvedin scavenging oxyradicals in animals. Only recently has evidence for the existence of thisenzyme in plants been reported. However, the information about the function of plant GPXs islimited, according to our current knowledge. The paper reviews the structure of GPXs and theprogress of plant GPXs.Key wordsOxidative stress, Glutathione peroxidase, Phospholipid hydroperoxide glutathioneperoxidase (PHGPX)
植物是一个需氧代谢的有机体。在呼吸和光合作用过程中, 线粒体、叶绿体和过氧化物酶体均可导致活性氧(Reactive OxygenSpecies, ROS)含量的提高。当ROS积累到一定水平时, 将会对植物造成一定的伤害。同动物细胞一样, 植物为了防御氧化胁迫, 也存3512005苗雨晨等: 植物谷胱甘肽过氧化物酶研究进展在着一套相应的酶促和非酶促解毒体系(Grene, 2002)。植物体清除ROS的酶促系统主要包括SOD (superoxide dismutase)、APX(ascorbate peroxidase)、CAT (catalyse)和GPX (glutathione peroxidase)。SOD是一类含金属离子的酶, 它作为清除ROS的第一道防线, 其功能是将.O2-歧化为H2O2, 然后由APX和CAT再分解多余的H2O2(Asada, 1994)。另外, APX和CAT结合H2O2的机制有所不同, 前者需要抗坏血酸作为底物, 并与H2O2的亲合力较强; 后者虽然可直接分解H2O2, 但它与H2O2的亲合力相对于前者较弱。因此CAT在清除胁迫产生的H2O2时也存在一定的局限性。从近几年研究结果来看, 不同的抗氧化酶在不同组织不同细胞器中发挥着作用, 这说明植物体存在一个复杂的防御系统。与植物不同的是动物清除ROS的主要酶类是谷胱甘肽过氧化物酶, 根据其亚细胞定位、氨基酸序列不同以及结合底物的特异性,它又可分为几种不同的同功酶(Ursini et al.,1995; Arthur,2000), 并且GPXs多数以GSH(glutathione)作为底物催化分解生物体内产生的H2O2。直到最近几年, 在植物中也开展了GPXs功能研究, 这些酶在结构、底物的特异性及植物组织的分布上有很大的不同, 对抵御外界胁迫起了很重要的作用。因此, 植物中同样也存在属于GPX家族的酶类, 但人们对于其功能和结构特性认识还有限, 还需要进行大量的工作。1 动物GPXs的结构与功能Mills(1957)最初发现了具有抗氧化作用的GPX, 其功能被认为防御红血球氧化而引起的溶血, 命名为谷胱甘肽过氧化物酶。这是过去一直认为经典的GPX, 而现在把具有这种功能的酶命名为GPX-1。Rotruck(1973)等研究表明硒是抗氧化酶GPXs催化活性中心的一个重要组分。后来Flohe研究小组纯化了该酶,并进一步分析了分布在细胞中并作用于各种有机过氧化物和H2O2的GPX, 是由4个各含1个硒半胱氨酸的蛋白质亚基构成的四聚体, 并以离子化硒醇(selenol)形式形成酶的氧化还原活性中心(Flohe et al., 1973)。大量研究表明,哺乳动物GPXs有较高的催化活性, 可迅速清除体内产生多余的活性氧。目前, 根据GPXs包含的半胱氨酸残基不同, 可简单分为含硒和不含硒两大类。GPX-1存在于动物细胞的胞质中, 代谢分解H2O2和胆固醇以及长链脂肪酸在内的一系列组织过氧化物(Sunde, 1987)。它以谷胱甘肽为催化底物, 消除过量H2O2对组织造成的氧化损害。因此, 研究GPX-1常常与谷胱甘肽还原酶的活性联系在一起, 因为该酶不断地催化氧化态的谷胱甘肽生成还原态的谷胱甘肽, 激活GPX-1以抵御氧化损害。大量研究表明, GPX-1是一个含有4个相同亚基的四聚体蛋白, 每个亚基各含1个硒代半胱氨酸残基,其分子量为22~23 kD。研究牛的GPX-1蛋白三维结构显示, 其4个球形亚基的表面凹陷中都有一个硒代半胱氨酸, 它是酶的活性中心(Epp et al., 1983)。如用半胱氨酸取代GPX活性中心的硒代半胱氨酸, 却大大降低了该酶的活性(Rocher et al., 1992)。GPX-2是存在于胞质中的一种四聚体GPX, 也称为胃肠型GPXG, 即GPXG1。其蛋白质与GPX-1有65%的同源性, 并且具有相似的底物, 二者都能分解体内产生的H2O2和脂肪酸羟基过氧化物, 但不能分解磷脂氢过氧化物(Chu et al.,1993)。另外具有独特性质的同功酶GPX-3是一种糖基蛋白, 它的分子量大约为23~25 kD, 与GPX-1有40%~50%的同源性。GPX-3的mRNA大多数发现于肾脏, 尤其是近端小管的表皮细胞中。有研究表明, GPX-3有较低含量的GSH存在时, 就会显示其氧化还原活性, 并且硫氧还蛋白还原酶以及硫氧还蛋白系统也能作为GPX-3的电子供体, 以提高胞液35222(3)中电子供体的浓度, 提高了该酶的活性, 可作为胞外的抗氧化剂。但是GPX-3是否和其他同功酶一样具有相似的特性, 有待于进一步研究。GPX-4或磷脂氢过氧化物GPX(Phosphol-ipid hydroperoxideglutathione peroxidase,PHGPX)是人们公认的第4类含硒谷胱甘肽过氧化物酶, 其分子量约为20~22 kD, 与上述3种结构比较发现, 它是一个单聚体, 不但以磷脂氢过氧化物为底物, 又能作用于H2O2和多数脂类氢过氧化物(Maiorino et al., 1991)。这种特性可能与其单体结构有关, 它比四聚体GPX结合的底物更为广泛。除此之外, 还有一些不同种类的GPXs, 它与GPX-1也有较高的同源性。另外, 谷胱甘肽-S-转移酶(GlutathioneS-transferases, GSTs)家族多数也具有GPX的活性。这类酶是非硒依赖性的GPX, 它主要防御组织内的氢基过氧化, 不能直接分解H2O2。要想清楚理解GSTs这方面的特性可以参看相关的文献综述(Hayes and Mclellan,1999)。2 植物GPXs功能最初开展植物体内GPX的研究是从烟草(Nicotiana sylvestris)的叶片里克隆了与动物依赖硒的GPXs有较高同源性的cDNA(Criquiet al.,1992)。后来从柑橘(Holland et al.,1993)、拟南芥(Sugimoto and Sakamoto,1997)、大白菜(Eshdat et al., 1997)、菠菜(Sugimoto et al.,1997)、向日葵(Roeckel-Drevet et al., 1998)、番茄(Depege et al.,1998)、豌豆(Mullineaux et al., 1998)、水稻(Li et al., 2000)和中国大白菜(Jung et al., 2002)等分离得到了类似的基因。研究发现, 植物基因组GPXs核苷酸序列携带的是一个半胱氨酸残基, 替代了动物基因组GPXs核苷酸UGA终止密码子处插入的硒代半胱氨酸。前已述及, 动物含硒代半胱氨酸残基的GPX有较强的催化活性, 而植物中多数为半胱氨酸, 这大大降低了GPXs在植物中的催化作用(Stadman,1996)。近年来, 从衣藻和高等植物中也分离得到类似硒代半胱氨酸残基的GPX基因(Yokota et al.,1988; Shigeoka et al.,1991)。后来从萌发的大麦和芦荟中纯化了一个16 kD的四聚体含硒蛋白(Sabeh et al.,1993; Huang,1994), 但还没有直接证据表明植物硒代半胱氨酸GPXs的分子结构特征。Fu等(2002)以衣藻为材料并利用分子生物学和生物化学技术研究了编码GPXs基因的UGA终止密码子处同样存在一个硒代半胱氨酸, 这与报道的动物含硒GPXs有较大的相似性, 并且从蛋白水平上也证实了该酶的催化活性。然而, 也有人在研究柑橘体内的GPXs时, 用硒代半胱氨酸残基取代了半胱氨酸残基, 却没有出现类似哺乳动物GPXs的活性。因此, 对于植物体内GPXs的结构与功能认识仍然有限。最近, 模式植物拟南芥GPXs的功能研究也得到了初步进展。Milla等(2003)通过分析拟南芥基因组序列和EST序列发现, 有7种推测为GPXs的同功酶, 分布在3条染色体上, 分别定位在胞质、叶绿体、线粒体和类囊体等亚细胞器中。它们在内含子和外显子等结构上有很大的区别, 并且多数具有较保守的结构域。研究表明, 非生物胁迫条件下AtGPX家族受不同的信号转导途径所调节, 并且分析其启动子区域, 与人类相比较, 具有相似的抗氧化反应元件。上述结果提示: 植物体内的GPX也可能有多种家族成员, 其家族成员可能在进化的不同时期以及不同的胁迫被招募来控制不同的发育途径和防御反应。从现有的研究结果来看, 不同的环境胁迫(如病原菌侵染、高盐和重金属等)下, 表达GPXs的mRNA水平将稳步提高。因此, GPXs在植物氧化信号转导过程中可能起着重要作用。
