内容发布更新时间 : 2024/5/24 5:24:31星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
提 要 概述了植物多聚半乳糖醛酸酶（PG）的作用方式、组织定位、序列结构及其功能等。对PG同工酶、序列差异性及功能多样性进行了讨论。
关键词 植物；多聚半乳糖醛酸酶；功能；综述
Structure and Function of Plant Polygalacturonases-A Review
Lu Shengmin，Xi Yufang，Jin Yongfeng，and Zhang Yaozhou
(Biochemistry Institute，Food Science and Technology Departme nt，Zhejiang University，Hangzhou 310029)
Abstract The action mode，localization，sequence structure and function of plant polygalac-turonases were summarized，and their iso-enzymes，sequence difference and function multiformity were also discussed.
Key words Plant；Polygalacturonase；Function；Review
果胶是植物细胞壁的主要成分之一，与半纤维素一起组成共同伸展的网络状结构，纤维素微 纤丝镶嵌在其中，这是Carpita等提出的植物初生壁模型〔1〕。果胶类分子的主要特 征是由α-(1→4) 连接的D-半乳糖醛酸线状链，其中有些半乳糖醛酸的羧基发生 了甲基酯化，有的在线状主链上插入了一些鼠李糖单位，这些鼠李糖残基上常带有富含阿拉 伯聚糖和半乳糖的侧链。果胶结构通过二价阳离子交联及与其它细胞壁聚体共价结合而加强 。植物细胞分化和形状巨变时，果胶网络结构发生系统性的分解，因此，果胶代谢在植物发 育过程中具有重要的作用。
许多酶与催化果胶降解有关。外切和内切多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶裂解酶、果胶甲基 酯酶和β-半乳糖苷酶通过作用于中性支链残基而使果胶聚合体的分子量降低〔2〕。 此外，还有可能存在至今未发现的酶在裂解果胶与细胞壁其它结构网络间的共价键上起作用 。人们对PG调节果胶降解已有广泛研究，本文综述植物PG的结构与功能研究进展。
1 PG的作用方式和组织定位
早在1965年，Hobson〔3〕用细胞壁蛋白粗提液体外降解纯化果胶的方法发现了果实 软化与PG活性的相关性，并将PG按作用方式分为内切多聚半乳糖醛酸酶（endo-PG）、外切 多聚半乳糖醛酸酶（exo-PG）和寡聚半乳糖醛酸酶（oligo-PG）。前者以内切方式水解断 裂多聚半乳糖醛酸链，后二者以外切方式依次
从半乳糖醛酸多聚链或寡聚链的非还原端释放 出一个单体或一个二聚体。endo-PG对底物的特异性较强，exo-PG则较弱。
Tieman〔4〕应用免疫定位法检测整个番茄果实中的PG蛋白，发现PG的积累首先出现 于心皮到果实中柱的这部分组织中，其次出现于果皮组织和其辐射状细胞的细胞壁中，在时 间上PG的积累和茄红素的积累同步，PG蛋白大多存在于细胞壁间层或初生壁，少量定位于细 胞质膜上。Pear用趋于成熟的番茄果皮为材料，应用PG-cDNA探针进行分子杂交，发现PGmRNA在果皮外层细胞和维管区细胞内含量较高〔5〕。 另外，PG也在果实、叶和花脱落区，豆荚、花药、花粉粒、花粉管及快速生长组织中被检出 ，表明PG参与植物发育的许多过程。
2 PG同工酶
Tucker等〔6〕研究番茄PG时发现共有2种同工酶，分别是PG1和PG2。PG1分子量较大 ，等电点为 8.6，热稳定性较好，出现于果实成熟的早期阶段。Brady等 〔7〕又发现，随着果实的成熟出现2种分子量较小的同工酶，即PG2A和PG2B，分子量分别 为42kD和46kD，其等电点均为 9.4。以后的研究证实PG2A 和PG2B是同一基因的产物，其差异只在于糖苷化的程度不同〔8〕。这3种同工酶均为 糖蛋白。PG蛋白的SDS变性及蛋白酶消化反应〔6〕，免疫交叉反应〔9〕表明 了PG1是PG2A或PG2B与其它亚单位的非共价复合体。Giovannoni等证明了这2种同工酶在DNA 水平上源自于同一PG基因组〔10〕。Pressey纯化出了这种能将纯化的PG2A和PG2B转 换成PG1的因子，将其命名为PG转化子〔11〕，这是一个约为100kD的糖蛋白 ，对蛋白酶敏感，但具有很高的热稳定性。由于PG转化子能在未成熟组织中被检出和某些抽 提条件下只能得到PG2同工酶，所以Pressey〔12〕认为PG1只是抽提过程中所得的假 象，并不一定存在于果实中。Knegt等〔13〕发现纯化的PG转化子与PG2形成相似于PG1的产物，将其命名为PGx，同时将纯化的PG1加热产生了类似于与PG2形成PGx的转化活性，且发现未反应的PG转化子定位于植物细胞壁。因此他们提出PG转化子的功能是负责PG或其它 蛋白结合于植物细胞壁，PG1可能是成熟过程中具生理活性的PG形式。
3 PG结构及序列的差异性
目前已被克隆的果实PG基因大约有8kb的转录单位，编码区序列一般为4kb 左右，被8个大小不一的内含子打断，每个基因组中可能只含一个PG基因拷贝。花粉专一的PG基因内含子数量较少，只有3～4个〔14〕。根据cDNA序列推导出的初生肽与成熟PG 蛋白进行的比较，发现PG蛋白在翻译时或翻译后进行了一系列的加工。PG-cDNA初生肽N-末 端部位有一典型的疏水信号序列，引导PG蛋白进入内质网腔和定位于细胞壁。PG-cDNA初生 肽有4个潜在的糖苷化位置，至今还不清楚这些位点的功能，但可以解释按
cDNA推算的PG分 子量和SDS-PAGE电泳之后的蛋白分子量之间的差异。在PG加工过程中，前导肽和羧基端13 个氨基酸被剪切，最终形成一个成熟的PG蛋白〔25〕。
将所有真核和原核PG蛋白序列排列分析表明有4个保守结构域存在，其中结构域Ⅲ中的H残基 被认为与催化反应有关〔15〕。在所有真菌和植物PG中，半胱氨酸残基的位置均有较 好的保守性。果实成熟和花粉专一的PG排列有以下不同：①果实成熟的PG有一相当长的氨基 端结构域。②在这一结构域内，大约在105位的保守的天冬氨酸残基处有一保守的小区F-G -A-〔KR〕-G-D-G，而在花粉PG中则无；这个Asp（D）残基及相应的118位的Cys残基在 大多数PG中是保守的。③335位的Cys残基只局限在花粉专一的PG中。除了这些差异之外，花 粉与果实成熟有关的PG显示了较高的序列同源性。
植物发育不同阶段的PG活性是由多基因家族编码的，并受到时空的差异表达。不同PG基因家 族成员编码的氨基酸序列差异较大。例如，番茄果实成熟有关的PG序列与1个番茄脱落区的 PG只有41%的同源性，而却与1个瓜果PG基因（MPG3）有60%的同源性，这表明PG基因家族成 员序列的差异先于主要的被子植物家族的差异的出现。
尽管许多PG序列在总长上显示了相对高的差异，但仍有一些高度保守的区域存在，尤其是在 酶的羧基端，该部分的一些高度保守的残基与催化功能有关〔16，17〕。这些保守序 列区已用于设计简并寡核苷酸引物通过RT-PCR方法克隆基因家族成员，其中包括至今克隆 的所有PG的高度保守的区域GHGISIGS，该区域可用来鉴定序列是否编码PG蛋白〔18～20 〕。
Hadfield等对众多的已克隆植物PG的氨基酸序列进行分析，将PG分成三大分化单位〔20 〕，即分化单位A（果实和脱落区，无预期的前序列），分化单位B（果实和脱落区，具预 期的前序列），分化单位C（花粉区，无前序列的外切PG）。分化单位A由非花粉组织中表达 的基因组成，编码缺乏一段预期的前序列的蛋白；分化单位B由所有的克隆编码具前序列的PG基因组成（包括番茄成熟PG）；分化单位C完全由花粉表达的基因组成，编码外切PG，反映 了PG的一种功能上的差异。然而多数的已克隆PG的生化作用方式仍不清楚，有可能在分化单 位A和B中的成员也含exo-PG。
N端的一段前序列只在PG的某一分化单位存在，这种前序列的功能至今不明，但可能以一种 非活性状态在蛋白向最终定位运送过程中起作用，也有可能将蛋白定位在细胞壁的某一专门 的位置上〔8〕。由于将删除前序列部分长度的序列重新排列可产生1个具同样3种分化单位的种系发生树，这 表明前序列并不是序列分类的依据。至今将PG分成三大分化单位的功能意义仍不清楚。
4 PG功能的多样性
PG蛋白于35年前被首次分离并被认为参与植物发育许多阶段的果胶降解，尤其是那些需要细 胞分化的阶段。例如，PG活性与器官脱落〔21〕，豆荚和花药裂开〔22〕，花 粉粒成熟和花粉管生长有关〔23〕。
在快速生长组织中已检出PG活性，表明它可能与 细胞伸长有关〔24〕。虽然PG参与植物发育的许多过程，但多数研究集中在果实成 熟、离层区和花粉上。 4.1 PG与果胶的降解
果实的软化是细胞分离的结果。细胞分离是由胞间层结构改变、细胞壁总体结构破坏以及胞 壁物质降解引起的。在果实的软化期间，果胶和半纤维素都发生了溶解和去聚化，被认为与 细胞壁的松懈及降解有关〔25，26〕。
番茄果实成熟的研究表明，果实软化伴随着可溶性果胶和果胶酸增加，并与PG活性呈明显的 相关性〔27，28〕。这种相关性也存在于其它果实中〔29〕。番茄果实中PG是 主要的细胞壁水解酶之一，这至少有4个方面的证据：①果实软化进程与PG活性增高一致。 ②体外实验中PG能直接水解未成熟果实中分离得到的细胞壁材料。③未成熟果实的果皮组织 用PG酶液处理时，其超微结构的变化与成熟时一样。④果实不能正常成熟和软化的突变体（rin，nor）都缺乏PG〔30〕。果胶降解尤其集中在成熟后期并与过熟阶段的果实变质 有关〔31，35〕。最近对成熟很快的网纹甜瓜细胞壁降解的研究表明，果实软化的启 动和早期阶段伴随着半纤维素多糖分子的降解，尤其是木葡聚糖部分(在细胞壁的“经纬模 型”假设中，木葡聚糖可能作为“闩锁”控制微纤丝的滑动〔32〕)。果实的成熟后 期（变质过熟期），果胶发生了集中的降解〔33〕。果胶的降解增大了细胞壁网络的 孔径，导致细胞壁的膨胀，这在很多果实软化后期被观察到〔34〕，也增加了酶对底 物的接触。
PG活性在仁果类鳄梨果实、核果类桃中也很高。在桃果实中，已发现3种PG同工酶活性，2 种外切酶活性，1种内切酶活性〔35〕。番茄的内切PG活性在早期果实发育期间就存 在，成熟过程中维持稳定，而桃的外切PG活性受成熟调节〔35〕。桃的内切PG活性与 离核（溶质）特性有关〔36〕。鳄梨具有高水平的PG活性，并与成熟时多聚糖醛酸的 溶解和降解在时间上相关〔31〕。以往报告缺乏内切PG活性的果实，包括草莓、苹果 、柿和瓜类，在严格的条件下，内切PG活性和PGmRNA的积累已被检测出〔37〕。如在 草莓中已检测出2种外切PG活性，一种内切PG活性，并部分纯化了PG蛋白〔38〕。瓜 类和柿子中的果胶在果实成熟时降解，但PG活性很低或检测不到。Ranwala等人曾认为瓜类 中果胶的降解由β-半乳糖苷酶催化，因为对成熟前的果实细胞壁的果胶用部分纯化的β-半 乳糖苷酶处理时，分子量下降〔39〕。但是，对成熟调节的编码功能PG蛋白的mRNA的 检测表明，瓜类在软化的后期果胶降解至少部分是PG作用的〔20〕。
改变PG基因表达的转基因番茄试验表明，PG依赖的果胶降解既不是番茄果实软化所必需的， 也不足以说明番茄果实的软化〔10，40〕，因为通过反义PG基因导入野生型番茄，PG mRNA的抑制达99%，而番茄果实能正常成熟；而将PG结构基因处于乙烯诱导的E8启动子之下 所组成的嵌合基因导入到番茄突变株rin中，虽然PG基因酶活性的表达、果胶的溶解和去聚 化恢复到野生型水平，而果实并不软化，也不改