学文网[摘要]在分析植物ABC转运蛋白分子结构特征及作用机理的基础上，综述植物ABC转运蛋白亚簇（A-H）在植物生命活动中的功能等研究进展, 并讨论了ABC转运蛋白值得进一步深入研究的科学问题。
[关键词] ABC转运蛋白亚家族功能生命活动调节
植物ABC转运蛋白又称腺昔三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporters, ABC转运蛋白),由于含有一个腺苷三磷酸(ATP)的结合盒(ATP-binding cassette, ABC)而得名。ABC转运蛋白广泛存在于真核和原核生物中,目前已知人类基因组中有48个ABC转运蛋白超家族成员。在大肠杆菌K-12 基因组中, 至少有80个编码ABC转运蛋白, 约占基因组的5%。酵母中有大约31ABC转运蛋白超家族[3]。在植物界，以水稻和拟南芥为代表的ABC转运蛋白家族多达120以上, 这是植物以适应固着生活环境, 长期进化形成的。由于植物中ABC转运蛋白种类繁多、结构复杂、功能多样，参与植物一切的生命活动过程，从而引起人们的广泛关注。自从1992年国际上首次报道从拟南芥（Arabidopsis thaliana）中克隆的AtPGP1（又称为AtMDR1）第一个植物ABC 转运蛋白至今，研究人员对植物ABC 转运蛋白进行了多方面的研究，从ABC转运蛋白基因克隆序列分析到功能验证，从ABC转运蛋白结构解析到转运机理的认识，从对大量ABC转运蛋白基因蛋白通俗命名到有统一的科学系统命名。本文旨在总结前人研究的基础上，对ABC 转运蛋白及其在植物生命活动调节中的作用研究进展作一综述。
1植物ABC转运蛋白分子结构特征
ABC转运蛋白含有1～2个接合ATP的盒(ABCs)或接合核苷酸的域(nucleotide-binding domains,NBDs)和跨膜域(transmembrane domain, TMD)。NBDs家族成员中有30%～40%的氨基酸序列同源。Walker等发现每个NBD包含3个特征序列, 即所谓“WalkerA”基序［GX4GK(ST)]、“WalkerB”基序［(RK)X3GX3L(hydrophobic)3］和一个ABC域［(LIVMFY)S (SG)GX3(RKA)(LIVMYA)X(LIVMF)(AG)］, ABC 域包括H环和Q环。WalkerA和WalkerB中间被ABC域隔开。在核苷酸结合域内有一个长约200个氨基酸的非常保守的片段, NBDs的结构特征及不同个体成员之间的多基因亲缘关系是用来对ABC蛋白超家族的亚家族进行分类的依据。每个TMD 都含有多个跨膜的α-螺旋(通常为4～6个), 形成了溶质跨膜(或者从膜的一侧移动到另一侧)的通道。NBD 位于膜的胞质面, 能结合并水解ATP供能；而TMD 能够利用NBF释放的能量选择底物并跨膜转运底物。与NBD相反, ABC 转运蛋白的TMD序列相似性却很低。
ABC转运蛋白的结构域组织形式多种多样。通常, 全分子的ABC转运蛋白包含2个NBD和2个TMD, 4个结构域结合在一起才能执行转运功能。在大多数已鉴定的真核ABC转运蛋白中, 最常见的排列方式是这4个结构域以正向方式TMD-NBD-TMD-NBD(如多药耐药相关蛋白，multidrug resistance associated protein，MRP)或相反的NBD-TMD-NBD- TMD(如酿酒酵母中作为排出胞内有毒化合物泵的pleiotropic drug resistance，PDR5)反向方式连接在一条多肽分子上, 形成全分子ABC转运蛋白。一些ABC转运蛋白像果蝇色素转运蛋白仅含有1个NBD和1个TMD为半分子的ABC转运蛋白EPP (Eye pigment precursor transporter)或重金属转运蛋白HMT(Heavy metal tolerance)。半分子的ABC转运蛋白通过形成二聚体或多聚体来实现功能, 这种二聚体可为同二聚体, 又可为异二聚体。通常情况下，NBD和TMD存在于不同的多肽上的转运蛋白称为1/4分子转运蛋白。也有许多ABC转运蛋白并没有参与运输, 而是参与DNA修复、基因表达的转录和调控等细胞过程, 如有些蛋白没有TMD域而是由两个NBD域融合在一起的RNaseL抑制剂。总之，各转运蛋白之间的氨基酸序列上虽有同源性, 但结构差异巨大, 这种差异可能与功能的差异有关。
2植物ABC 转运蛋白的作用机理
由于各种生物的ABC转运蛋白结构的相似性以及NBD的高度保守性，不同亚簇ABC转运蛋白的作用机制具有一定的相似性。外向性运输ABC转运蛋白的整个转运过程起始于细胞内侧底物与ABC转运蛋白TMD区的结合, 内向性运输ABC 转运蛋白, 先形成外周蛋白和底物的复合体, 而后与ABC 转运蛋白相互作用, 把底物传递给它的TMD 部分。目前，对ABC转运蛋白作用机理一种广为接受的假说就是，通过控制通道对膜内外的开放，偶联ATP的水解来实现对底物的转运，这是一种门控模式。当ABC 转运蛋白具有膜外结合蛋白时，从膜外向胞内转运底物的转运过程是: 在两个TMD之间存在一亲水性通道, 靠近膜外及胞质部分都有环形成的门。转运底物之前, 靠近外周质的门处于开放状态, 朝向胞质面的门处于关闭状态。跨膜转运时，膜外结合蛋白结合底物并呈送到TMD，随后信号传递到NBD，NBD结合并水解ATP，NBD水解ATP后构象发生变化并传递到TMD，TMD的构象发生变化，底物被送到通道中，通道朝向外周质的门随即关闭，这时朝向胞质的门开放，底物最终被送到胞内。从胞内把底物，比如药物转运到胞外，ABC 转运蛋白除了通道内外的门开放的顺序相反外，其他转运过程基本相同。
3植物ABC转运蛋白亚家族的功能研究
植物中ABC转运蛋白较动物和人类的多。随着拟南芥全基因组测序的完成，研究发现，拟南芥ABC转运蛋白开放阅读框(Open Reading Frame, ORF)中占有总的编码基因比例达到0.5%，由此可见，ABC蛋白在植物生命活动中占有十分重要位置。植物之所以拥有如此多的ABC转运蛋白，可能原因有：①是植物对固着生活适应的结果，植物为抵御细胞内外各种异源性的化合物或毒素毒害，在细胞水平上将异源性的物质隔离或外排到细胞外，依赖于ABC转运蛋白的复杂的细胞解毒机制是必要的；②植物代谢途径的多样性, 植物在次生代谢中产生大量种类多样的次生代谢物需要及时的跨膜转运细胞质或区室化；③植物在生长发育过程中需要各种信号分子的应答与交流, 这些信号分子在跨膜转运的过程中也需要ABC转运蛋白；④植物与微生物的相互作用互相识别以及植物对环境中化学成分直接接触都有ABC转运蛋白在其中参与重要的活动。植物ABC转运蛋白功能的多样性还体现在，一种ABC转运蛋白往往参与植物中不同的生理活动过程，而植物中某一生理活动的完成往往也是由不同的ABC转运蛋白共同参与的。我们按照国际系统命名法将ABC转运蛋白分为亚簇(亚家族A―亚家族H)，逐一论述其功能。
3.1 亚家族A的功能
亚家族A转运蛋白在植物内的功能还不够清楚，在人体内脂质、甾醇类代谢及胆固醇、视黄醇、脂蛋白运输中起作用。拟南芥基因组中有11个半转运子ABCA基因，其中7个是冗余基因，和一个全转运子ABCA基因均排列在3号染色体上，其代表性ABCA家族包括AOH和ATH。由于拟南芥中的AOH与人的ABC1转运蛋白具有高度的序列同源性，暗示其在植物体内的脂质的运输中具有一定的功能。水稻中缺少ABCA全转运子，很可能是在植物进化过程中基因缺失引起的，因为在早期陆生植物像小立碗藓中也检测到ABCA基因的同源序列。
3.2 亚家族B的功能
亚家族B主要包括药物抗性相关蛋白（Multidrug resistance relative，MDR），抗原肽相关运载蛋白体（transporter associated with antigen processing，TAP），线粒体ABC转运蛋白（ABC transporter of the mitochondria，ATM），p-糖蛋白（p-glycoprotein，p-GP），重金属耐性蛋白（Heavy metal tolerance，HMT），Lipid A 输出蛋白（Lipid A-like exporter putative，LLP）。植物中HMT家族是一类与酵母中的HMT1同源蛋白, 通过转运重金属络合物到液泡中增强对重金属的耐性。人类的这一家族转运子主要是全转运蛋白PGP与 MDR，P-型糖蛋白多重药物抗性或脂质运输。植物中这一家族蛋白功能更具多样性，如生长素、次生代谢物和异源物质的运输。拟南芥中存在的一些类似P-糖蛋白的基因产物, 但是对它们的功能了解很少。已发现的功能包括转运植物次生代谢产物（如生物碱），涉及到受体和信号肽的转运等。Helvoort等发现MDR1和MDR2作为一种“跳跃酶(flippase)”可以将单层膜上的类脂转移到另一膜上，结果导致类脂的重排和蛋白的重新分布。目前唯一研究比较清楚的是Atpgp1蛋白，Atpgp1与弱光下拟南芥下胚轴的细胞伸长有关，Atpgp1主要存在于根和茎顶端细胞的质膜上，作为输出泵转移与细胞伸长相关的多肽类激素。属于这一亚家族的如拟南芥的AtABCB4 (AtPGP4)和日本黄连ABCB1(CjMDR1)作为输入蛋白。HMT/ATM与重金属耐性相关的线粒体ABC转运蛋白是半转运子。研究资料表明，AtABCB25又称作AtATM3/STA1，功能等同酵母ATM1，协助从线粒体的基质中输出铁硫蛋白，AtABCB25在拟南芥中过表达能提高对镉和铅的抗性，AtABCB27(AtTAP2/ALS1)在提高植物对铝毒抗性方面具有重要作用。
3.3 亚家族C的功能
C亚族是ABC全转运蛋白附加一个疏水性的N端, 该家族的原初成员是人类多种药物抗性相关蛋白HsMRP1, 能从药物抗性的肿瘤细胞中输出谷胱甘肽结合物和有机酸阴离子。随后生物化学研究植物液泡固定谷胱甘肽结合物导致发现植物中的MRPs。植物ABCC亚家族形成多基因簇, 豆科植物百脉根ABCC基因是拟南芥的3倍多，如拟南芥中的AtABCC14只有一个，而在百脉根中与之同源的基因就有6个。由于ABBCC基因在植物基因组中数量大、拷贝数多, 研究其功能相对困难，因为通过插入突变使其中某个基因丧失的功能可以由基因家族中另外的成员得以补偿。AtABCC2是与叶片衰老相关的参与叶绿素代谢物的运输, 与AtABCC2在蛋白序列同源性达87%的AtABCC1或其同源基因AtABCC11、12突变并不影响AtABCC2发挥功能。研究表明，AtABCC1是将叶酸运输到液泡中, 该基因突变对氨基蝶呤是超敏感的。这一结果表明高度同源的蛋白具有相同的亚细胞定位和相似的运输特征，在植物体内可能执行不同的生理功能。另外的研究也表明，AtABCC1、2还有其他重要的生理功能, 不同AtABCC2转运蛋白突变体根系分泌物其氨基酸的含量比野生型的要高, AtABCC2突变体影响土壤根际微生物的种类和丰度。ABCC1、8、10、14在液泡膜上, ABCC1、4既在液泡膜上也在质膜上。研究发现，拟南芥中AtABCC5，玉米ZmMRP4和水稻OsMRP13等同源基因在肌醇六磷酸的运输中有重要作用，突变体分析表明上述基因突变会降低种子内的肌醇六磷酸的含量, 同时无机磷酸的含量提高。多药物抵抗相关蛋白(MRP) 转运体属于ATP结合框(ATP binding cassette, ABC)转运体超家族, 作为ATP驱动泵, MRP不仅涉及癌药物的抵抗、细胞内脱毒反应和氧化胁迫抵抗, 而且介导GSH结合物的转运。作为GSH结合物转运体的MRP, 通过从细胞中泵出GSSG 而使胞内GSH/GSSG 比率提高, 从而在细胞氧化胁迫抵抗中发挥重要作用。液泡膜上的ABC 转运蛋白主要是MRP 亚族成员, 其主要功能是参与转运一系列有毒物质到液泡, 实现液泡对它们的螯合, 从而起到对细胞的解毒作用。Tommasini等发现AtMRP1、AtMRP2和AtMRP3可以转运GSH连接复合物, 但只有AtMRP2和AtMRP3可以转运衰老叶片叶绿素降解的代谢物。Bovet等发现拟南芥的AtMRP3基因Cd2+ 浓度的上升而呈现上调表达, 并猜测其是一种解毒蛋白。拟南芥的ABCCs在液泡运输葡糖苷和O-丙二酰叶绿素代谢起作用, 当在酵母中表达时也授予酵母对镉的抗性。在玉米中的研究发现，该亚家族成员在花青素液泡分隔和调节种子肌醇含量中也有很重要作用。C亚家族的转运蛋白不仅是解毒作用, 因为拟南芥MRP蛋白AtMRP5与离子通道的调节有关, 特别是在维持K+的细胞内稳态机制以及调节气孔的开闭方面起作用。
与植物介导的抗病反应主要有三类ABC转运蛋白家族：AtABCC1、AtABCC2、AtABCC10是与病原反应相关的第一类ABC转运蛋白家族, 是RPM1依赖的Pst DC3000的专一性诱导表达的, 不依赖EDS1、PAD4 和 SA的表达, 并AtABCC1和AtABCC2在RPP2引发的H. arabidopsidis Cala2/Col-0抗性中发挥作用。与病原反应相关的第二类ABC转运蛋白家族包括AtABCC5, AtABCC6和AtABCC7。即也是不依赖EDS1、PAD4而受RPM1依赖的信号反应或EDS1-、PAD4- 和SA依赖的RPS4介导的抗性。H.arabidopsidis Cala2/Col-0和SA处理后, AtABCC6和AtABCC7转录水平增加, AtABCC7表达也受丁香假单胞菌侵染诱导[38]。AtABCC4和AtABCC12是第三类病原反应相关蛋白，这两个基因受不依赖于EDS1-、PAD4- 和SA抗性反应诱导, 但不包括RPM1-或RPS4-介导的信号传递。因此，AtABCC2 和AtABCC10是对Pst DC3000基本的抗性反应的一部分, 与AtABCC7转录调控相似。ABC转运蛋白可能参与运输细胞内产生的次生代谢物和细胞自身代谢产生毒副产物到真菌的入侵位点, 阻止病菌的进一步入侵。
3.4 亚家族D的功能
亚家族D主要是以半转运子结构形态存在的, 发挥作用的时候主要是以同源或异源二聚体形式将脂肪酸输入过氧化物酶体中。人体内健康和发病的细胞过氧化物体膜上都存在ABC半转运蛋白, 包括PMP70、ALDP、ALDR和P70R等。Imanaka等和Yamada等分别研究发现在脂肪酸代谢物如长链乙酰CoA类型的物质转移穿过过氧化物膜的过程中, PMP70和ALDP发挥重要作用。拟南芥染色体上含有编码类似PMP70蛋白的基因, 另一个编码全长的蛋白基因也与过氧化物膜上蛋白具有同源性, 这两种半转运蛋白结构不相同, 但都有特征基序, 即在N-端和C-端都含有ABC转运蛋白的特征基序“SLGEQQR”, 这两种蛋白与哺***动物的PMP-70蛋白有近30%的氨基酸同源。拟南芥中的AtPMP2就是将脂肪酸输入到过氧化物酶体中进行β-氧化和乙醛酸循环, 该基因的突变导致种子萌发缺陷。AtPMP1是质体半转运子蛋白, 功能有待进一步研究。
3.5 亚家族E和F的功能
亚家族E和F, 在这些亚家族中的基因包含两个NBDs，没有TMD结构域, 它们并没有明显的运输现象。亚家族E代表古细菌和真核生物, 这也许表明它代表一类基本的功能保守的亚家族ABC蛋白, 与一个酵母成员中的RNaseL抑制剂在蛋白序列上一致, 这就表明植物中的RLI同源族可能在RNA干扰的抑制中起作用。亚家族F在植物中的功能还没有确定,但在酵母与人类，它们有助于通过激活eIF-2a激酶活性调控蛋白翻译。
3.6 亚家族G的功能
亚家族G是以NBD-TMD反向序列结构域类型的转运子, 该亚家族在植物中广泛扩散, 在拟南芥与水稻中有多达40个成员, 具有广泛的功能多样性。在多基因进化树上发现他们具有很少的同源相似性。该亚家族最初是在黑腹果蝇内与眼色素的形成与运输相关的白褐复合体蛋白（white-brown complex，WBC）, 是由3个半分子的ABC蛋白形成的两个不同的异源二聚体。人类的ABCG5-8是异源二聚体, ABCG1-2是同源二聚体。AtABCG11-12与表皮细胞的烷烃类蜡质输出有关;AtABCG11与植物表面角质的累积有关, AtABCG19 (AtWBC19)与拟南芥对卡那的抗性有关, 在拟南芥中过表达AtABCG36基因提高植株对干旱与盐胁迫的抗性。现存的植物或真菌包含大量的亚家族G成员, 被认为都是从一个祖先WBC-like基因通过基因复制形成的。如真菌类的多种药物抗性基因PDR在对弱酸、药物、真菌剂和植物防御化合物抗性中起作用。在植物中，PDR具有类似的功能, 包括对病原物、铅、抗微生物萜类化合物和生长素类除草剂。研究表明，拟南芥中的AtPDR8蛋白介导拟南芥与病原微生物的相互作用中发挥作用。基因敲除AtPDR8导致拟南芥对丁香假单孢菌、白粉菌和马铃薯晚***病菌易感性; AtPDR8蛋白将镉外排出细胞, 与植物对重金属的抗性有关。花与根、叶表面PDR基因表达模式在各种化合物和根际信号的生产方面起着很重要作用。水稻Ospdr9基因编码一个具有反向(NBT-TMD)2结构域的ABC转运蛋白, 聚乙二醇、Cd和Zn快速显著诱导Ospdr9基因的表达, 研究表明该基因的表达与细胞内活性氧胁迫以及细胞自身氧化还原状态密切相关。
3.7 亚家族H的功能
亚家族H基因在昆虫、鱼类、棘皮动物和粘菌分布广泛，但在植物中明显缺少。它们编码反向结构域组织的(NBD TMD), 不过与亚家族G成员不相关, 可能也与药物抗性相关。
4展望
ABC蛋白作为植物细胞膜蛋白的重要组成成分, 其家族成员数量多、种类广、作用方式复杂, 参与植物细胞生命活动的许多过程, 如植物激素运输、气孔调节、次生代谢物的运输和环境胁迫响应以及植物与微生物互作中发挥重要作用。随着拟南芥和水稻等模式植物基因组计划的完成和后基因组时代的到来, 越来越多的ABC蛋白基因的鉴定、克隆和功能分析, ABC蛋白在植物生命活动过程中的重要性将得以进一步解析。
ABC蛋白是一类庞大的基因家族, 每一个植物品种中都包含有几个到几十个数目不等的家族成员。近几年来, 随着越来越多植物基因组测序的完成, 人们对ABC蛋白基因家族的认识越来越深入, 伴随着更多的科学问题随之而来, 如ABC蛋白基因家族如何演变而来的？不同家族成员的功能如何？家族成员相互之间是否存在功能关联和协调？ABC蛋白基因表达调控的机制是什么？ABC转运蛋白基因在农业生产及作物育种中的实际应用如何？对这一系列问题的解答, 还需要我们做更多深入的探讨。
参考文献：
[1] Badri D V, Loyola-Vargas V M, Broeckling C D, et al. Altered profile of secondary metabolites in the root exudates of Arabidopsis ATP-binding cassette transporter mutants[J]. Plant Physiology, 2008, (146): 762-771.
[2] Badri D V, Quintana N, El Kassisa E G, et al. An ABC transporter mutation alters root exudation of phytochemicals that provokes an overhaul of natural soil microbiota[J]. Plant Physiology, 2009, (151): 2006-2017.
[3] Chen S, Sánchez-Fernández R, Lyver E R, et al. Functional characterization of AtATM1, AtATM2 and AtATM3, a subfamily of Arabidopsis half-molecule ATP-binding cassette transporters implicated in iron homeostasis[J]. Journal of Biological Chemistry, 2007, (282): 21561-21571.
[4] Garcia O, Bouige P, Forestier C, et al. Inventory and comparative analysis of rice and Arabidopsis ATP-binding cassette (ABC) systems[J]. Journal of Molecular Biology, 2004, (343): 249-265.
[5] Goodman C D, Casati P , Walbot V. A Multidrug Resistance-Associated Protein Involved in Anthocyanin Transport in Zea mays[J]. Plant Cell, 16: 1812-1826.
[6] Helvoort A, Smith A J, Sprong H, et al. MDR1 P-Glycoprotein is a lipid translocase of broad specificity, while MDR3 P-Glycoprotein specifically translocates phosphatidylcholine[J]. Cell, 1996, 87(3): 507-517.
[7] Kim D Y, Jin J Y, Alejandro S, et al. Overexpression of AtABCG36 improves drought and salt stress resistance in Arabidopsis.Physiologia [J]. Physiologia Plantarum, 2010, 139(2): 170-180
[8] Klein M., Burla B., Martinoia E. The multidrug resistanceassociated protein (MRP/ABCC) subfamily of ATP-binding cassette transporters in plants[J]. FEBS Letters, 2006, (580): 1112-1122.
[9] Nagy R, Grob H, Weder B, et al. The Arabidopsis ATP-binding cassette protein ATMRP5/ATABCC5 is a high affinity inositol hexakisphosphate transporter involved in guard cell signaling and phytate storage[J]. Journal of Biological Chemistry, 2009, (284): 33614-33622.
[10] Pighin J A, Zheng H, Balakshin L J, et al. Plant Cuticular Lipid Export Requires an ABC Transporter[J]. Science, 2004,(306): 702-704.
[11] Raichaudhuri A, Peng M, Naponelli V, et al. Plant vacuolar ATP-binding cassette transporters that translocate folates and antifolates in vitro and contribute to antifolate tolerance in vivo[J]. Journal of Biological Chemistry, 2009, (284): 8449-8460.
[12] Rensing S A, Lang D, Zimmer A D, et al. The Physcomitrella genome reveals evolutionary insights into the conquest of land by plants[J]. Science, 2008, (319): 64-69.
[13]Rocı́o Sánchez-Fernández, Emyr Davies T G, Julian O D, et al. The Arabidopsis thaliana ABC protein superfamily, a complete inventory[J]. Journal of Biological Chemistry, 2001, (276): 30231-30244.
[14] Sarmiento C, Nigul L, Kazantseva J, et al. AtRLI2 is an endogenous suppressor of RNA silencing[J]. Plant Molecular Biology, 2006, (61): 153-163.
[15] [12]Suh S J, Wang Y F, Frelet A, et al.The ATP binding cassette transporter AtMRP5 modulates anion and calcium channel activities in Arabidopsis guard cells[J]. Journal of Biological Chemistry, 2007, (282): 1916-1924.
[16] Tommasini R, Vogt E, Fromenteau M, et al. An ABC-transporter of Arabidopsis thaliana has both glutathione-conjugate and chlorophyll catabolite transport activity[J]. Plant Journal, 1998, (13): 773-780.
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