植物细胞器中蛋白质质量控制的研究进展和未来展望

罗海霞，安 银，戴 星，王顺莎，郭自强

（贵州师范大学生命科学学院，植物生理与发育调控重点实验室，贵州 贵阳 550025）

蛋白质折叠是真核细胞的一个基本过程，但它也被认为是一个容易出错的过程，细胞已经进化出一个敏感的蛋白质质量控制系统，以最大限度地减少未折叠或错误折叠蛋白质的积累。当植物经历不利的环境胁迫条件或达到不同的发育阶段时，对蛋白质折叠的需求发生变化，并且必须迅速去除错误折叠或受损的蛋白质以防止聚集和毒害。“蛋白质质量控制”最初仅指保护内质网中分泌蛋白和膜蛋白正确折叠和组装的过程（Hurtley and Helenius，1989），如本文所述。产生正确折叠的蛋白质和消除受损和错误折叠的蛋白质之间的平衡被称为蛋白质稳态或蛋白质平衡。蛋白沉积网络确保蛋白质的正确翻译、构象和亚细胞定位，这些对于细胞分裂、增殖和在不断变化的生长条件下的生长至关重要。植物细胞包含内质网、高尔基体、叶绿体、线粒体、液泡和过氧化物酶体；每一个细胞器都有一个独特的蛋白质补充物来支持不同的功能，如蛋白质合成、代谢、光合作用和能量产生。尽管叶绿体和线粒体都有各自的基因组，分别编码～85 和～50个额外的蛋白质，但大多数细胞器蛋白质是在细胞核中编码的。蛋白质体内平衡过程中不同细胞器和细胞核之间的协调对于维持植物细胞在发育和环境反应过程中的动态蛋白质平衡至关重要。在多次不成功的蛋白质折叠尝试后，折叠循环终止，错误折叠的蛋白质被选择通过蛋白酶体介导的蛋白质降解途径降解。错误折叠的蛋白质的积累以及新合成的和预先存在的蛋白质的聚集可能对细胞产生毒性作用。当蛋白质折叠需求超过蛋白质折叠能力时，未折叠或错误折叠的蛋白质可能积累，并且未折叠的蛋白质反应（UPR）被激活以增加伴侣蛋白和折叠催化剂、蛋白酶体介导的蛋白质降解的成分和自噬的水平。鉴于每个蛋白质质量控制步骤的不同方面，用于修复错误折叠、未折叠或受损蛋白质的蛋白质机器应该优先用于蛋白质降解的蛋白质机器，因为修复、再折叠是减少植物细胞器中错误折叠、未折叠蛋白质数量的更节能的方法。本文旨在总结近年来我们对植物细胞器中蛋白质质量控制以及蛋白质稳态过程中不同细胞器与细胞核之间通讯的研究进展。

1 ER中的蛋白质折叠

传统的分泌途径始于胞质溶胶合成的跨膜和分泌蛋白通过Sec61 转位子复合物转运到内质网，然后由囊泡转运到高尔基体，分泌蛋白被转运到质膜或细胞外基质。一些液泡蛋白也通过晚期内体从高尔基体转移到液泡中。在拟南芥中，大约三分之一的蛋白质被预测与分泌途径中的内质网或其他细胞器相关。一旦带有中间信号肽的新生多肽通过易位机制进入内质网腔，利用分子伴侣/共分子伴侣、N-糖基化和二硫键形成，几个蛋白质折叠过程立即开始。结合蛋白（bip）是热休克蛋白70 家族的成员，是新生蛋白进入内质网腔时与新生蛋白相互作用的主要伴侣。

1.1 bip防止蛋白质聚集

bip防止蛋白质聚集，并帮助非自然展开的蛋白质获得其正确折叠的状态。作为一种ATP 酶，bip经历了蛋白质结合和ATP水解的循环；其他辅因子如DnaJ蛋白与结合ATP的bip相互作用，催化ATP 水解。bip1bip2bip3 三重拟南芥突变体中三个bip基因的失活导致花粉死亡，而低阶突变体在受精过程中显示花粉管生长减少。

1.2 OsERdj7与蛋白质折叠

OsERdj7 是水稻中含内质网结构域的DnaJ 蛋白之一，在水稻中充当Hsp70的共伴侣。水稻胚乳中OsERdj7的下调损害内质网蛋白折叠，并导致内质网腔中醇溶蛋白的不正确沉积，形成网状结构，而不是在野生型种子中观察到的蛋白体。拟南芥温敏雄性不育1（TMS1）编码一种Hsp40 蛋白，它通过DnaJ 结构域与BiPs 相互作用以刺激ATPase 酶活性，TMS1 的突变会损害花粉管的生长。AtERdj3B 还与BiP 相互作用，是生殖发育所必需的，特别是在高温下。这些结果表明了参与内质网受体蛋白折叠和体内平衡的分子伴侣/协同伴侣对植物发育至关重要。

2 蛋白质输入与蛋白酶介导的叶绿体和线粒体降解

叶绿体和线粒体都有内共生起源，它们都有相似的基因表达机制、蛋白质折叠过程、成熟因子和蛋白酶，所有这些都来自原核起源。带有N 端靶向信号的叶绿体和线粒体蛋白是在胞质核糖体上合成的，并在胞质伴侣Hsp70 和Hsp90 的帮助下被运送到各自的细胞器表面。随后，叶绿体前体蛋白被表面受体识别，并通过外叶绿体和内叶绿体被膜中的转运子复合体运输到基质中。类似地，线粒体前蛋白通过线粒体外膜（TOM）和内膜（TIM）中的转位复合体转运到线粒体基质中（Ghifari et al.，2018）。由于转位蛋白复合体的孔径较小，在转位过程中穿过叶绿体或线粒体双层膜的多肽链必须展开。在它们到达叶绿体基质或线粒体基质后，前蛋白受到蛋白水解处理，在此过程中，它们的前序列被特定的处理肽酶切割掉。得到的N-末端截短的蛋白质被进一步折叠或分类，以通过分子伴侣转移到细胞器内的靶标，如类囊体膜，生理受损的蛋白质会被蛋白酶迅速去除，其中大部分是原核来源的。植物中至少有20 种细胞器蛋白酶。叶绿体和线粒体中蛋白质循环的主要蛋白酶包括无处不在的AAA+家族的ATP 酶、CLP、FtsH、LON 蛋白酶和DEG 蛋白酶。这些蛋白酶不仅能降解进口蛋白质，还能降解质体或线粒体编码的底物。例如，类囊体膜相关的FtsH 蛋白酶FtsH2 主要作用于降解光损伤的光系统II（PSII）反应中心蛋白，如D1和D2。

3 结论和未来展望

在植物发育和环境适应过程中，内质网、叶绿体和线粒体中蛋白质稳态的维持已经取得了显著进展，许多植物特异性特征被揭示。尽管如此，我们离全面理解植物中的蛋白质稳态网络还有很长的路要走。这一领域最重要和最具挑战性的问题是:在植物细胞器中如何感知蛋白质稳态过程中指示不平衡的信号。有证据表明，膜相关转录因子可以感知、转导与内质网或线粒体中错误折叠的蛋白质积累相关的信号，以调节参与这些细胞器中蛋白质稳态的基因的表达，但其他蛋白质是否也可以感知这些细胞器中错误折叠的蛋白质积累目前尚不清楚。

许多植物细胞器是相互连接的。内质网是由相互连接的小管和扁平池组成的中心网络，与其他亚细胞隔室相连，如高尔基体、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、液泡、细胞核和质膜。细胞器和细胞核之间建立了实质性的交流，从而维持蛋白质的稳态。如上所述，内质网中错误折叠的蛋白质积累导致细胞核中下游普遍定期审议相关基因的调节，液泡中蛋白酶活性的增强，胞质溶胶中的ERAD，以及内质网吞噬作用的启动，以去除内质网中错误折叠的蛋白质。线粒体产生的ROS 激活内质网膜相关的转录因子，然后调控下游参与清除线粒体ROS的基因。在植物蛋白质动态平衡期间，逆行信号也会触发从叶绿体或线粒体到细胞核的信号。质网膜相关转录因子NAC013 和NAC017 能够整合来自线粒体和叶绿体的活性氧信号，并将信号转导至调节基因的线粒体。尚不清楚是否存在更常见的因子来控制这些细胞器中的蛋白质稳态和细胞的后续命运。因此，今后进一步了解蛋白质稳态过程中不同细胞器之间的协调是很重要的。

总之，越来越多的证据表明，多条途径确保了蛋白质的正确折叠，并及时消除了内质网、叶绿体和线粒体中错误折叠的蛋白质。在植物发育和环境胁迫响应过程中，这些细胞器和细胞核之间的多边通讯信号是维持细胞器蛋白质稳态所必需的。了解细胞器蛋白质动态平衡的潜在分子机制对于进一步提高植物的稳健性和抗逆性至关重要。