植物中新生多肽结合复合体研究进展

王晓静，马忠友，孙林静，孙 玥，刘学军

（天津市农作物研究所，天津300384）

植物中新生多肽结合复合体研究进展

王晓静，马忠友，孙林静，孙 玥，刘学军

（天津市农作物研究所，天津300384）

新生多肽结合复合体（nascentpolypeptide-associated complex，NAC）是由α和β共2个亚基组成的异源二聚体复合物，广泛存在于细胞质中。NAC在古细菌、酵母和动植物中均有分布，且具有保守结构域，说明NAC在生物体生长发育过程中具有重要作用。目前，对动物和人中NAC的报道较多，但植物中NAC的生物学功能研究较少。主要介绍了NAC的发现、不同物种中NAC的分类及结构，并且对植物中NAC的生物学功能研究进行了总结归纳。

新生多肽结合复合体；保守蛋白；功能研究

NAC由α-NAC和β-NAC共2条链组成，体内和体外实验证实，α-NAC和β-NAC可以形成一个稳定的异源复合体，其能够在蛋白质翻译过程中阻止新生多肽在合成之后与错误的蛋白分子结合[1]。核糖体是蛋白质生物合成的工厂，NAC的2个亚基都可以在核糖体上与新生多肽直接作用，它们是核糖体输出通道的动力组成部分，给新生多肽的形成提供保护作用，并且阻止不合适的蛋白相互作用，最后新生多肽在信号分子的指导下进行正确的折叠和定位[2]。NAC具有蛋白翻译和基因转录的双重功能，同时也是新生多肽从细胞质中进入内质网和线粒体的一个桥梁[3-5]。

生物体的NAC具有重要的生理功能，小鼠、线虫和果蝇中NAC基因缺失会导致胚胎死亡[6-8]。患有阿尔兹海默病（Alzheimer's disease，AD）或Down氏综合症（Down syndrome，DS）患者的额叶质细胞内，α-NAC的基因表达量比正常人低[9]，表明组成NAC复合体的2个亚基表达不均衡可能会导致人类疾病。

近年来，关于植物中NAC的研究报道逐渐增多，本研究系统归纳总结了NAC的发现、不同物种中NAC的分类及结构、植物中NAC的生物学功能，为NAC的基础研究及作物的育种应用工作提供一定的学术参考价值。

1 NAC的发现及生物学功能

NAC于1994年首次被定义并从细胞质中纯化出来，纯化后的NAC由2个不同亚基组成，分别命名为α-NAC和β-NAC。在分子交联实验中，NAC可以和所有的被测新生多肽交联结合，虽然NAC可以广泛地与从核糖体上合成的新生多肽结合，但是却观察不到已经与信号肽结合的新生多肽的交联信号，于是推断NAC的主要功能可能是阻止新生多肽在刚刚合成之后与不适当的蛋白分子结合，以保证新生多肽与信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）或胞质内分子伴侣的正确结合。体外实验证明，NAC也可以阻止新生多肽在内质网上的不正确定位[1]。

NAC在细胞质中广泛分布，并且在不同的组织中含量不同，大约为3～10 μmol/L，NAC在核糖体进入内质网膜上的结合位点起调节作用，并且共同调节新生多肽的细胞内定位[10]。根据NAC与核糖体的结合和释放循环，Lauring等提出，NAC是按照数量级别（1∶1）将在核糖体中合成的新生多肽链释放到细胞质中，而不是按照一个氨基酸接着一个氨基酸的方式，因此，NAC在蛋白质翻译过程中对新生多肽的准确合成，例如新生肽链的正确折叠和细胞定位起一定的作用。NAC有助于新生多肽在内质网上的正确定位，蛋白的信号肽序列指导着新生多肽与内质网之间的正确结合。NAC与核糖体新生多肽结合，SRP与NAC一起，保证新生多肽与核糖体的模型结构之间不发生不必要的结合。当SRP选择了与核糖体结合的信号时，NAC可以防止没有信号肽的新生多肽链与内质网之间的结合[11]。根据化学交联实验，NAC的2个亚基都可以在核糖体上和新生多肽相互作用，但是β-NAC与核糖体的结合能力比α-NAC更加紧密，β-NAC可以单独结合在核糖体上并且阻止内质网和异位蛋白的结合，推测β-NAC在核糖体的M位点或者靠近这个位点结合在核糖体上[12-13]。

研究者通过酵母双杂交实验寻找和拟南芥转录起始因子eIF4E相互作用的蛋白，发现BTF3（basic transcription factor-3，BTF3）是和β-NAC高度同源的蛋白质，其中eIF4E是一个主要的翻译起始复合体的重要组成部分，并且在调节翻译起始过程起作用，表明拟南芥的β-NAC可能在翻译起始过程中有调控功能，并且（或者）在调节eIF4E复合体的循环形成过程中起作用[14]。

2 不同物种中NAC的分类及结构

在古细菌的基因序列中，发现只有一个基因与NAC的亚基同源性很高。在酵母中，NAC拥有3个同源蛋白，称为EGD复合体（enhancerofGal4p DNA binding，EGD），包括1个α-NAC（Egd2p）和2个β-NAC（Egd1p和Btt1p（Btf Three）），其中，Btt1p在酵母细胞中的蛋白表达量非常少，大约为Egd1p的1%，Egd2p可以分别与Egd1p和Btt1p形成异源二聚体。在人类细胞中，α-NAC的命名有NACA和SkNAC（splicing variant of NAC），β-NAC的命名有BTF3b（basic transcription factor-3b，BTF3b）和BTF3a（basic transcription factor-3a，BTF3a）。在线虫中，NAC分别由α-NAC（inhibitor of cell death-2，ICD2）和β-NAC（inhibitor of cell death-1，ICD1）2个亚基组成。在拟南芥中，和α-NAC同源性较高的蛋白共有5个，分别位于1号、3号（2个）、4号和5号染色体上；和β-NAC同源性较高的蛋白命名为AtBTF3（basic transcription factor-3，BTF3），位于1号染色体上。在水稻中，和α-NAC同源性较高的蛋白共有3个，分别位于1号、3号和5号染色体上；和β-NAC同源性较高的蛋白共有3个，分别位于3号（2个）和5号染色体上（表1）。

表1 NAC的不同亚基

在生物进化过程中，NAC是一个比较保守的蛋白家族，在古细菌和真核生物中均有分布，但是，古细菌的NAC（aeNAC）只是由2个α-NAC亚基组成的同源二聚体，在酵母和其他真核生物中，α-NAC和β-NAC这2个亚基组成异源二聚体。根据不同物种的同源序列比较，得知NAC的2个亚基分别由不同的结构域组成，一类是在α-NAC和β-NAC均存在的NAC结构域，一般位于亚基的N端；另一类是只在α-NAC的C端存在的UBA结构域（ubiquitin-associated domain,UBA），其中，某些物种的β-NAC含有入核信号[19]，表明NAC的2个亚基具有不同的生物学功能。aeNAC虽然没有β-NAC亚基，但α-NAC亚基包含有NAC和UBA共2个结构域[20]（图1）。古细菌和真核生物的NAC均含有保守的NAC结构域，暗示它们可能起源于同一个基因，但是在进化过程中由于基因复制产生了2个（酵母和小鼠等）或者更多个（拟南芥和水稻等）不同的基因。

3 NAC在植物中的生理功能

3.1 NAC影响植物的生长发育过程

近年来，在丹参、玉米和水稻等植物中相继克隆出BTF3（β-NAC）基因，并对其生物学信息及表达模式进行了分析[21-23]。在btf3基因沉默的烟草植株中，植株叶片颜色变黄，并且叶形态发生严重扭曲，但烟草整体生长水平没有发生明显变化。同时，BTF3蛋白的缺失导致烟草细胞中叶绿体形状变小，叶绿素含量下降，H2O2的含量上升。通过BTF3-GFP融合蛋白的荧光显微观察，发现BTF3主要定位在细胞核中。通过观察btf3基因沉默的烟草植株，发现除了叶绿体，线粒体的发育也受到影响，说明BTF3可能与新生多肽在蛋白质翻译过程中的细胞定位有关[24]。

Ma等[25]研究结果表明，小麦的TaBTF3也参与叶绿体、线粒体以及叶肉细胞结构的变化；亚细胞定位实验显示，TaBTF3主要在细胞质和细胞核中分布。与普通小麦相比，TaBTF3沉默的转基因小麦中，叶绿素含量显著下降，MDA和H2O2的含量上升，叶肉细胞结构严重破坏，与叶绿体和线粒体合成相关基因的表达量上升；又通过蛋白质质谱分析技术寻找参与到TaBTF3调控网络中的蛋白质，结果发现，TaBTF3沉默的转基因小麦与转入GFP的对照转基因小麦相比，很多蛋白质的表达量发生了显著变化，并且预测其中的20个蛋白质在TaBTF3的调控网络中发挥重要作用[26]。在水稻中，OsBTF3对植株的生长发育具有重要的调控作用，与野生型对照株相比，过量表达OsBTF3的转基因株系在叶绿素含量、叶绿体数量、光合速率、叶片大小、株高、节间长方面显著增加或增强；而RNAi株系的指标则明显降低或减弱[27-29]。

BTF3对植物的花器官形成及种子发育也具有调控作用。研究者通过蛋白质组差异表达分析影响枸杞雄性不育的蛋白质，发现在雄性不育突变体YX-1的花药中，BTF3（β-NAC）的表达量下调[30]。Osβ-NAC沉默的转基因植株相比对照植株，花粉活力明显降低，种子数量减少[31]。

3.2 NAC影响植物对逆境胁迫的响应

植物在生长发育过程中会受到各种胁迫，由于它不能随意移动，因此在长期的进化过程中形成了有效对抗外界胁迫的能力。近几十年来，越来越多的研究者通过蛋白质组学的方法来寻找植物在生长环境改变后，表达量发生动态变化的新功能蛋白。其中，α-NAC是通过水稻差异蛋白质组学分析获得的一个响应盐和低温胁迫的新蛋白，分别在150mmol/L NaCl或4℃的胁迫处理条件下，α-NAC表达量均下调[32-33]。

在高盐胁迫处理后，水稻OsBTF3基因的表达量受到显著抑制；过量表达OsBTF3的转基因T2植株对高盐和低温胁迫抗性显著增强，而RNAi转基因株系的抗性则减弱，说明OsBTF3可能在水稻对高盐和低温胁迫反应中起着非常重要的调控作用[34]。

有研究者在烟草灰霉病中纯化出一个蛋白激发子PebC1，经过同源序列比对后发现，其与α-NAC的同源性很高。在小麦中，PebC1的诱导可以加快小麦的苗期生长速度，并且提高其干旱抗性。在番茄中，PebC1的诱导不仅可以提高植株对番茄灰霉病的抵抗能力，并且在PebC1处理后，番茄植株中和植物抗病调节相关的苯丙氨酸解氨酶（PAL），过氧化物酶（POD），多酚氧化酶（PPO）的活性都有不同程度的增加[35]。在盐土植物互花米草（Spartina alterniflora）中克隆到的β-NAC，可以响应非生物逆境胁迫。当互花米草植株受到盐害、干旱、冷胁迫或者在一定浓度ABA处理后，叶和根中Saβ-NAC的表达量有不同程度的变化。在拟南芥中过量表达Saβ-NAC后，转基因拟南芥在正常生长环境下生长不受影响，但是对盐害和干旱有比较强的抵抗力，同时在非生物胁迫条件下，过量表达Saβ-NAC的转基因拟南芥植株中叶绿素含量、脯氨酸含量增加，并且离子动态平衡也加强[36]。在小麦中，Taβ-NAC沉默的转基因植株对冻害和干旱的抵御能力均下降[37]。

4 总结与展望

植物在生长发育过程中会受到干旱、高温、高盐等非生物胁迫和细菌、真菌、病毒等生物胁迫，这些胁迫严重影响了植物的正常生长发育。NAC在生物界广泛分布并且其序列在各物种间具有高度保守性，说明NAC在生物体生长发育过程中具有重要作用。近年来，对β-NAC的功能研究报道逐渐增多，尤其对β-NAC在植物逆境胁迫响应过程中的功能研究逐步深入，进一步说明NAC在植物的逆境胁迫中有功能。但是，对NAC生物学功能的研究仍处于初期阶段，已取得的一些结论还需要更多的实验数据来探索其作用机制。

近年来，结构生物学的迅速发展为蛋白质的功能研究提供了新的途径，通过X光晶体衍射已经得到人NAC部分晶体结构，并且通过蛋白质的同源模建，推测出很多物种的NAC三维结构，因此，可以通过分析NAC的空间结构深入理解NAC的功能。NAC亚基的NAC结构域对于NAC异源二聚体的形成有重要作用，UBA结构域虽然对于二聚体的形成没有作用，但是可以使二聚体更加稳定。NAC的2个亚基数量的平衡对于生物体的生理意义有很大的作用，当这种平衡被打破时，就会导致生物体的各种疾病甚至死亡，在动物和人类中，研究NAC的功能可以帮助诊断和治疗帕金森、恶性肿瘤等疾病；在植物中，对NAC功能的深入研究可以与植物的抗病和抗逆分子机制相结合，为农作物的分子育种提供新的技术手段。

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Research Progress on Nascent Polypeptide-associated Com plex in Plant

WANG Xiaojing，MA Zhongyou，SUN Linjing，SUNYue，LIU Xuejun
（Tianjin Institute ofCrops，Tianjin 300384，China）

Nascent polypeptide-associated complex（NAC）is a kind of very abundant heterodimeric cytosolic protein complex composed ofα andβ subunits.NAC has conserved domainsand iswidely distributed in M.marburgensis,H.sapiens,plantsand animals, which indicates that NAC plays an important role in the process of growth and development.Recently,a few reports about the molecular characterization of NAC are conducted,while its function remains largely unknown in plant species.This paper mainly introduces the discovery of NAC,the classification and structure of different species of NAC,and finally summarizes the biological function of NAC in plantspecies.

nascentpolypeptide-associated complex;conserved protein;functional study

Q946

A

1002-2481（2016）07-1041-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.07.35

2016-03-02

国家科技支撑计划项目（2013BD0508）；农业部转基因专项（2011ZX08001-004）；天津市农业科学院院长基金项目（15005）

王晓静（1984-），女，山西大同人，助理研究员，博士，主要从事水稻基因功能研究工作。刘学军为通信作者。