Biology 版 (精华区)
发信人: gadfly (gadfly), 信区: Biology
标 题: G蛋白及其偶联信号传导途径的研究进展
发信站: 烟雨漓江 BBS (2002年06月02日00:05:51 星期天), 站内信件
1 G 蛋白的基本结构和种类
1.1 G 蛋白
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（20-30kD ），为单体，可能号传导无直接联系。本文仅对与信号传导有关
的源三聚体G 蛋白研究进展进行综述。
1.2 基本结构
异源三聚体G 蛋白在SDS 电泳图上可看到α、β、γ3 种亚基。α亚基单体
分子量为39-52kD 和6-10kD；不同的G 蛋白由不同的基因编码。β、γ亚基尽管
是两个不同基因的产物，但在自然状态下，β与γ亚基以非共价紧密结合，只有
在变性条件下才能分开。G 蛋白在结构上尽管滑跨膜蛋白的特点，但它们可以通
过其亚基上氨基酸残基的脂化修饰将其锚定在细胞膜上。
1.3 种类：
G 蛋白的分类最初是以其对靶霉作用结果为依据的，例如激活腺苷酸环化酶
的G 蛋白称为刺激型G 蛋白（Gs）。目前已把G 蛋白的结构、氨基酸序列及其进
化相似性与功能等结合起来作为分类依据。身心健康为止已分离鉴定的G 蛋白有
4 个主要类型，至少有21种不同的α亚基，5 种β亚基和8 种γ亚基。
2 G 蛋白偶联的信号传导系统及各组份的结构和功能
G 蛋白偶联的信号传导系统由G 蛋白偶联受 protein coupled recptors 即
GPRs）、G 蛋白和效应器（Effector）分子组成。G 蛋白是一个分子开关，传导
由GPRs接收的信号，再以G 蛋白解离亚基作为传导物，活化相应酶和离子通道，
产生重要的第二信使，从而引起胞内相应的生物反应。当牧民的活化剂存在时，
活化的受体激活特异的G 蛋白，催化α亚基结合的鸟苷二磷酸（GDP ）转变为鸟
苷三磷酸（GTP ），从而α亚基构象改变，降低α亚基和βγ亚基的亲和力，使
三聚体分离为G α（GTP ）和G βγ。解离的G α（GTP ）和G βγ通过直接调
控下游各自的效应器将信号传到细胞细胞核中；当G α亚基与GDP 结合时，再结
合G βγ，抑制信号传导。G 蛋白直接调控腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）、
字窩 （Phospholipase ，C ）、Ca2+、K+通道以及β肾上腺素受体激酶等。
GPR 、G 蛋白和效应器的不断发现，已成为两个世纪以来的研究热点[2，4].
2.1 G 蛋白偶联受体（GPRs）的结构和功能
GPRs是一类重要的细胞表面受体，跨过细胞 磷脂层，并能传导各种细胞外
信号的蛋白质超家族。图1 所示GPRs的特点是有7 个序列高度相似的疏水跨膜区
域（Transmem-brane domain ， TMDs ）的多肽，具有结合并激活G 蛋白的能力。
图1 假想细胞膜上G 蛋白偶联受体（GPRs）的拓扑结构图[2]
Fig.1 Putative membrane tography of
G protein coupled receptors （GPRs）
GPR 与G 蛋白的偶联区位于受体胞内区。而GPR 与配体相互作用和特异性决
定的重要场所在离质膜最近的跨膜区域以及C-末端离膜近端的特异区域。因此胞
内环区域在确定受体对G 蛋白的选择性、G 蛋白与受体的相对亲和力、以及在活
化受体和传递信号等方面具有重要意义。
2.2 G 蛋白各亚基结构和功能关系
2.2.1 G α亚基：G α（GTP ）亚基是许多效应器的激活剂。从其初级结构
分析得知，它们具有一定的保守区和多变区。α亚基至少有45% ～80% 相似的氨
基酸，高度同源区域主要参与形成鸟核苷酸结合袋（Guanosine-binding pocker）
[15]. 绝大多数G α蛋白的三维结构是未知的，但G αt 和G αi 的结构特征揭
示了该亚基结构与功能关系[2].
图2 G αt-GDP 的晶体结构
Fig.2 Crystal structure of Gαt-GDP
由图2 可知，G αt 是一条深的鸟核苷酸结合沟的两个单独区域组成：一个
区域（GTPase区）含有GTP 结合基元，这个区域参与GTPase结合。此外，有磷酸
结合环，Mg2+结合区和鸟苷环结合区等共同序列。另一个区域即完整的 螺旋区
域是由一个长的中心螺旋和5 个短的螺旋组成[2，5].
G α亚基的N-末端特别是前60个氨基酸残基，可能是与G βγ二聚体互作的
位点之一。G α亚基与G βγ- 二聚体相互作用的另一个可能位点在开关区（Switc
h
I ，II）内，该区域的Cys 可能是与βγ形成化学交联，G αs 的Gly226变为Ala
会阻止开关区II的GTP 诱导的构象变化，也可防止G α亚基从G βγ- 聚体上解
离[2].
2.2.2 G βγ：G βγ亚基是通过非共价键的疏水作用紧密结合在一起的。
这两个亚基若单独表达时会导致G β亚基的不稳定和G γ亚基不折叠。G β亚基
之间同源性为58% ～90% ，而G γ亚基之间变化更大。G β亚基的初级结构中，
相对保守的N-末端一个双亲性α- 卷曲螺旋与G γ的N-末端螺旋平等且相互作用
；两个亚基的Cys 残基可以进行化学交联，并且G β的Glu10 是G βγ二聚化所
必需的。G β第二个区由7 个40-43 个氨基酸残基的重复片段组成，含有特定的
色氨酸和天冬氨酸对，称为WD40.Gβ的WD重复区域可能参与调控β亚基与γ亚基
的选择性地特异结合[6，7].
G βγ- 二聚体是通过G γ亚基和G α亚基之间的异戊二烯化与α亚基结合
成三聚体。G βγ复合体与它识辩的受体通过γ亚基的C-末端结合[6].G βγ-
二聚体是G α亚基与质膜，以及G α亚基与受体有效地结合所必须的[8].此外，
G βγ复合体还调控许多效应物活性[6].
2.3 G 蛋白主要效应器的研究
2.3.1 腺苷酸环化酶系统：腺苷酸环化酶系统是发现最早、研究最多的由G
蛋白调节的系统之一。ATP 环化酶由Gs激活而被Gi抑制，这种环化酶同工型，AC2
和AC4 是被G βγ和G αs 共同激活；AC1 型被G αs 激活而被G γ抑制，因
此不能被G 蛋白活化；AC3 ， AC5， AC6和AC9 不能与G βγ直接作用[9].
2.3.2 字� C（phospholipase C PLC ）： PLC是以G 蛋白为传导物的一
个重要信号途径，PLC β是G 蛋白的直接效应器。此酶至少存在4 个同工型。G
αq 和G βγ均能与PLC β相互作用，G αq ，G α11， Gα14和G α16都可激
活PLC β同工酶，激活程度为PLC β1 ≥PLC β3>PLC β2[9]， PLCβ4 也能被
G αq 激活。而 Gβγ亚基对该酶激活顺序为PLC β3 ≥PLC β2>>PLCβ1.G β
γ不能改变PLC β4 的活性[10].
2.3.3 G 蛋白调节离子通道：Gas 亚基在重组系统中被证明可调节至少两种
离子通道，即骨肌细胞中的Ca2+通道和抑制心肌Na+ 通道，而G αi 也能抑制Ca2+
通道而激活K+通道，在心 《巨π蚄+通道的激活能力上G βγ比G αi 更有效[2].
此外，所有G 蛋白可以长期地调节基因表达和细胞生长作用[11]. 由异源三
聚体G 蛋白途径传导的信号最终传给核转录因子的磷酸化，启动控制细胞生长基
因的转录是G 蛋白活化的Ras 调控的MAPK递级反应，引起一系列蛋白- 蛋白的互
作用和磷酸化[12].G蛋白偶联受体可能还存在潜在效应器。其功能不仅在于细胞
表面刺激的跨膜传导，还参予调控高尔基体膜和内质网膜上的信号传导[1].
3 G 蛋白基因克隆及基因工程
3.1 G 蛋白基因克隆
动物生物化学和药理学的广泛研究积累了大量的G 蛋白结构及功能的关系的
资料。近年来，应用分子克隆手段克隆了已发现G 蛋白的基因。建立了人和鼠总
DNA 文库；人脑、T 细胞、单核细胞（Monocytes ）、成粒细胞（Granulocytes）
、
肝和视网膜等7 个cDNA文库：牛脑、肾上腺、大脑皮质和脑垂体等7 个cDNA文库
：鼠（Rat ）脑、嗅觉上皮等4 个cDNA文库，和鼠（Mouse ）的4 个cDNA文库[13].
3.2 G 蛋白的基因工程及体外表达系统
由于编码G 蛋白各个亚基的cDNA序列都为已知，许多科学家采用基因工程方
法构建各种不同的重组质粒，在离体的细胞中表达相应的蛋白，以便进一步开展
该蛋白的结构和功能的关系的研究等。作为重组G 蛋白表达系统通常有：1.大肠
杆菌表达系统；2.昆虫细胞表达系统：以杆状病毒（Baculovirus ）的表达载体
重组质粒与杆状病毒共转染，然后感染昆虫细胞（如Sf9 ，或H5），大量表达G
蛋白；3.哺乳动物细胞表达系统：以腺病毒（Adenovirus）的表达载体重组质粒
与腺病毒共转染，然后去感染哺乳动物细胞如NIH3T3或293 细胞等，从而表达G
蛋白。
4 G 蛋白偶联信号传导系统在植物保护方面的研究
植物细胞必须对大量的环境信号（如光、湿、温、重力和病原物）和其它细
胞信号（如激素和营养）作出反应。有研究表明，在植物蛋 酌敢种 素的创伤诱
导机制中存在G 蛋白偶联信号传导途径[14]. 因此G 蛋白在植物信号传导途径中
可能起到重要作用。
4.1 植物G 蛋白的生化研究
植物信号传导机制知不多，但是许多研究者根据G 蛋白在生物进化过程中具
有高度保守性，以动物和一些简单真核生物G 蛋白共有特性来鉴定植物体中是否
存在G 蛋白。方法一：GTP 结合测定（GTP-binding assay ）：
通常用一个非水解GTP 类似物如GTPrs 来检测。一般而言，GTP 结合测定可
以鉴定异源三聚体和其它GTP 结合蛋白；在植物提取物中出现有结合活性的情况
相当复杂，该方法只能作为初步判别方法，还需要其它测定来证明G 蛋白是否存
在。
方法二：GTPase测定：
因为异源三聚体G 蛋白具有内在GTPase酶活性，因而GTPase活性测定不失为
G 蛋白鉴定有效方法。该方法的局限在于它对G 蛋白类型无特异性。
方法三：利用细胞毒素将ADP-ribose moiety 与异源三聚体G 蛋白一些α亚
基特殊氨基酸残基共价结合来鉴定G 蛋白。这一方法主要用于异源三聚体G 蛋白，
常用的细菌毒素有百日咳毒素（Pertussis toxin ）和霍乱毒素（Cholera tox-in
），
用这些毒素或放射性NAD+标记G α亚基，作为ADP-ri-bose 基团供体。对百日咳
毒素敏感的G 的蛋白α亚基（包括Gis 和转导素），在C-末端附近有一个半胱氨
酸，因此被百日咳毒素ADP-核糖基化更复杂。
方法四：用抗已知G 蛋白部分多肽的抗血清作免疫杂交来鉴定G 蛋白。
这是一个十分有效的方法，许多抗G 蛋白α亚基保守肽的抗体都已生产出来
了。将该方法与GTP 结合测定结合起来为植物G 蛋白鉴定提供一个强有力的证据。
抗体研究的局限性在于它要求抗体和植物蛋白的交叉反应（cross-reac-tivity ）
。
总之应用上述的一个或多个的离体的生化技术，已从17种植物的不同器官中分离
出有GTP 结合活性的蛋白40多种[14 ～17].
4.2 植物G 蛋白的分子研究
G 蛋白的生化研究为植物G 蛋白的存在提供充分证据，但要了解G 蛋白的结
构与功能关系，及其在植物信号传导途径中作用，以及进一步蛋白质分离纯化，
则必须从分子水平了解这些蛋白质。最先分离的植物G 蛋白的基因GPA1源于Arabido
psis
thaliana [18] ：在已知的G 蛋白α亚基的保守肽的基础上用简并的寡核苷酸作
PCR 得到的。GPA1基因编码的蛋白与哺乳动物Gi的转导素有36% 同源性，并且有
异源三聚体G 蛋白α亚基共有GTP-结合区[18]. 后来用GPA1作探针，采用严格性
低的杂交方法（low-strin-gency hybridization ）方法从西红柿中分离同源基
因TGA1[19]. 这两个蛋白的同源性达84%.最近，从大豆[20]、莲藕[17]、玉米[14]
中分离出与GPA1同源基因，这些基因编码的蛋白很相似（氨基酸同源序列达75%
以上）。此外还克隆了大豆[20]、水稻[16]、小麦[21]编码G α亚基的基因。
已克隆的植物G 蛋白基因除了6 种G α基因外，还从玉米（ZGβ1 ）和Arabido
psis
thaliana（AGβ1 ）等植物中分离出5 个G β基因[14]；但是迄今为止还没有发
现植物G γ基因。
4.3 G 蛋白参与植物及昆虫信号传导途径
4.3.1 在植物信号传导中的作用研究
1.光刺激的信号传导途径：在Lemna 和豆（pea ）核膜和燕麦黄化苗质膜证
实GTP 结合蛋白参与光刺激的信号传导。由此推断红光/ 远红光受体植物光敏素
可能包括有一个或多个G 蛋白调控途径[14].
2.调控K+通过：GTP 结合蛋白影响阔叶豆保卫细胞中K+流，参与调控细胞膜
K+上流入和流出[14]；调控大麦根部木质部 ” 细胞中两个内部K+通道膜开关途
径[22].
3.参与植物激素的信号传导：G 蛋白信号传导途径参与植物激素信号传导。
Hooley等[23]认为异源三聚体G 蛋白与赤霉和生长素信号传导有关。
4. G蛋白调节根瘤菌中结瘤因子的信号传导：Pringret等（1998）[24]研究
结果表明根瘤因子信号传导机制包括G 蛋白调节偶联到 酸肌醇、Ca2+、以及第
二信使活化的信号途径。
5.与植物对一些病原物的防御反应有关：Vera-Estrella 等[25]研究发现在
活化番茄对真菌病原物防御反应机制的信号传导中，GTP 结合蛋白具有调节作用。
4.3.2 G 蛋白在昆虫信号传导中的作用研究：Meller等（1995）[26]研究发
现：昆虫G 蛋白亚基结构和功能与哺乳动物相似。G 蛋白参与昆虫的信号传导途
径如下：
1.嗅觉：家蚕触角各类嗅觉感器中的信号传导途径都有G 蛋白的参与[27].
昆虫化学电信号的传导模式为：气味分子→与嗅觉感器神经表面的嗅觉受体结合
→激活G 蛋白（GX，Gi/o）→激活 字窩1产生第二信使IP3 →IP3 激活阳离子
通道[28].
2.参与昆虫内分泌腺内多种激素的分泌和释放：G 蛋白对棉铃虫性外激素生
物合成下游起调控作用[29].
3.参与一此昆虫防御物质的信号传导：如家蚕粘性血细胞中杀菌肽基因表达
的信号传导可能包括cAMP、G 蛋白、Ca2+以及蛋白激酶C （PCK ）[30]；果蝇的
生物胺具有抑制cAMP的功能，同时利用与编码G 蛋白偶联受体的基因相似性，克
隆新的生物胺膜受体家族[31].
4.参与脂肪体中能源物质的动用：在飞蝗迁飞时，昆虫脂动激素（Adipokineti
c
hormone ，AKH ）信号传导是通过G 蛋白偶联受体进行的[32]. 虫脂肪体磷脂
酸C 信号途径是由Gq激活[33].
5 G 蛋白研究发展方向及应用
随着G 蛋白偶联信号组份的结构与功能的关系以及结合区和功能的不断明确，
可为医学上新药剂的合成及创制提供理论基础；在植物保护领域，深入研究G 蛋
白在植物防御病虫侵害的信号传导途径中的调控作用，以及G 蛋白对昆虫的行为
和生理信号传导的调节作用，可为作物病虫害防治方法和可持续农业策略的创建
提供新思路。
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江畔何人初见月，江月何年初照人？
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