【分享】抗冻蛋白研究进展
关键词 抗冻蛋白 分类 抗冻机制 基因
抗冻蛋白(AFP)又被称为热滞蛋白(thermal hysteresis protein,THP),是最初从极区海鱼血清中发现的一种具有抗冻活性的蛋白质。以后又陆续在昆虫、螨、蜈蚣、植物、真菌和细菌中发现。它们均具有降低溶液冰点的共同特性。抗冻蛋白能特异地吸附于冰晶表面,抑制动植物体液内冰核的形成与冰晶的生长,进而非依数性地降低溶液冰点,维持体液的非冰冻状态。
1分类及特点
1.1鱼类抗冻蛋白
鱼类抗冻蛋白尽管都具有降低冰点的活性,但在结构和组成上又存在有较大的差异。根据其结构和化学组成,可将它们分为4大类:AFP-I . AFP-II . AFP-III、AFP-IV。
1.1.1 AFP-I
相对分子量较小,约为3300-4500,丙氨酸含量可达60%,有11个氨基酸重复序列,二级结构为具两亲性的α螺旋,三级结构特点是有四个重复的冰结合模块,链的面形成扁平的冰结合面,且氨基酸和糖的末端都有一个弹性的帽子结构。这类AFP分布最为广泛,主要从冬季比目鱼(winter flounder)和杜父鱼(sculpin)鱼类中分离得到。AFP-I在鱼体内分为两种:一种由肝脏分泌,进入血液循环,称为肝型AFP-I;另一种为皮肤型,广泛分布于皮肤、鳃、鳍和胃等与环境直接接触组织的细胞内。
1.1.2 AFP-II
分子量为11000-24000,富含半肤氨酸,二级结构为β折叠,是鱼类AFP中分子量最大的一类。目前仅从少数几种鱼类如海渡鸦(sea raven),胡瓜鱼(smelt)和鲱鱼(herring)的血清中分离得到。这三种鱼的AFP-11都与动物凝集秦C的糖识别结构域(carbohydrate- recognition domain, CRD)同源,但是不能与糖结合。AFP-11的冰结合位点相当于凝集素C的糖结合位点。
1.1.3 AFP-III
分子量为6500-14000二级结构为R夹层,其三级结构为球状,主要从几种Zoarcoid科的鱼)的血清中分离得到,如大头鳗鲡(eel pout)和狼鱼(wolffish)。这类AFP一般具有较高的序列同源性。
1.1.4 AFP-IV
也称抗冻糖蛋白(AFGP),分子量约为12300,Gln的含量高达17%,具有“丙氨醛丙氨醛苏氨酸”重复序列,其中苏氨酸联有一个二糖“半乳糖-N-乙酞氨基半乳糖”的多聚体,二级结构是左手延伸“β-折叠”螺旋,二糖对着多肤骨架卷起形成一个稳定的、疏水的氢原子结合位点;三级结构是延伸的杆状结构,很可能是由血脂运载蛋白进化而来,产生的冰晶为六角梯状体(hexagonal trapezohedra)。主要分布于南极的notothenioids和北方的cods中。
1.2昆虫抗冻蛋白
上世纪60年代,Ramsay(1964)在黄粉甲(Tenebrio molitor)幼虫中首先发现一种导致冰点低于溶点的物质,后经stone(1968)证明这种物质是抗冻蛋白。以后又在多种昆虫中发现抗冻蛋白并进行了深入研究。
昆虫抗冻蛋白的分子量大都在7-20kD之间,从对昆虫抗冻蛋白的分子结构分析,昆虫的抗冻蛋白中含有比鱼类更多的亲水性氨基酸,氢键和二硫键的形成是抗冻蛋白活性所不可缺少的。昆虫抗冻蛋白结构上呈现多样性,然而却执行着同样的抗冻功能。在抗冻蛋白折叠的一侧有两行苏氨酸残基,能够与冰晶表面的棱柱和基面很好的匹配结合。有些昆虫抗冻蛋白则和某些鱼类抗冻蛋白结构相似。昆虫有两种类型:(1)右手β螺旋型,主要存在于黄粉甲 (2)左手β螺旋型,主要存在于云杉卷叶蛾(choristoneura fumifera)。
1.3植物抗冻蛋白
1992年,加拿大Griffith等才第一次明确岢龃佣?诼笾谢竦弥参锬谏鶤FP。稍后,美国圣母大学的Duman实验室在多种植物中发现了有热滞效应的蛋白质。中国学者也先后从沙冬青( Ammopiptanthus monglicus)和唐古特红景天(Rhodiola algida)叶片中分离到了植物抗冻蛋白并对其进行了研究。
植物抗冻蛋白研究起步较晚,分子量一般较大(桃树抗冻蛋白PCA60分子量50kD;甜杨抗冻蛋白60kD),分子结构特征复杂,且与其他种类抗冻蛋白有类似结构。植物抗冻蛋白分布十分广泛,是抗冻植物对冬季低温较普遍的适应机制。从已经发现的种类来看,表现为热滞活性(thermal hysteresisactivity , THA)较低,部分植物AFP与其他蛋白有同源性,与植物低温抗性密切相关,一般低温可诱导抗冻蛋白基因的表达。
2功能与作用机制
2.1功能
抗冻蛋白分子能特异地吸附于冰晶表面,阻止冰晶生长,非依数性(non-colligative)降低溶液冰点,但不影响溶液的熔点,导致熔点与冰点之间出现差异,从而完成其抗冻功能。AFP浓度是影响热滞活性的因素。抗冻蛋白可改变冰的生长习惯,冰晶在纯水中通常沿着平行于基面(basal plane)的方向(a-轴)伸展,而在晶格表面方向(c-轴)伸展很少。在AFP溶液中, AFP分子与冰表面相互作用导致水分子在晶格表面外层的排列顺序发生改变,冰核会变得沿着c-轴以骨针形、纤维状生长,从而改变了冰晶的正常空间构型。
2.2作用机制
目前,科学家对其作用机制并无定论,主要有“偶极子-偶极子”假说、氢原子结合模型假说和刚体能量学说等。
抗冻蛋白分子是通过接触而与水分子相互作用的。由于抗冻蛋白分子量较大,故与冰中水分子有多个接触位点。当温度降低,水分子结合成冰晶时,抗冻蛋白分子结合在冰晶表面,一方面造成了空间位阻,影响水分子的继续结合,另一方面,在与冰晶表面水分子结合时,破坏了水分子之间的氢键,使水分子内部化学键发生细微的改变,从而难以于冰晶结合。所以在抗冻蛋白较低浓度时,抗冻活性随浓度增加而增加,当达到一定值时,抗冻活性不再增加。但是抗冻蛋白与冰晶的结合,抑制了冰晶沿着a -轴的正常生长,但当温度降低超过其冰点时,水分子可从c-轴结合到冰晶上,造成纤维状结晶。
抗冻蛋白与冰晶结合时可能存在协同性,并且每个吸附于冰晶表面上的抗冻蛋白分子的所有位点不一定都与冰晶表面结合。
3基因的研究
3.1特点
抗冻蛋白基因的表达主要受温度控制,这与抗冻蛋白的功能有关。低温诱导抗冻蛋白基因活化,以增加生物对寒冷的适应能力。现已鉴别出的鱼类抗冻蛋白的编码基因在其基因组中均为多拷贝基因,极地鱼抗冻蛋白冬季表达量明显高于夏季。植物抗冻蛋白基因也是通过温度控制其表达,但在某些植物中ABA浓度起一定的调控作用。
3.2基因的定位与克隆
近年来,基因的定位与克隆工作已经初见成效。1998年Wonrall等从胡萝卜分离到AFPs基因,标志着第一个植物AFPs基因的克隆成功,Yeh等(2000)从冬黑麦的叶片中克隆到具有几丁质酶活性的抗冻基因CHT9和CHT46,同年,Sidebottom和Worrall从黑麦草中克隆到11.7 kD的AFPs的cDNA。2002年,Huang和Duman从欧白英中克隆得到一种AFPs基因sthp-64。尹明安等(2001)成功地从中国胡萝卜和英国胡萝卜中克隆到AFPs基因,这是我国首次获得植物AFPs基因。范云等(2002)以胡萝卜基因组DNA为模板,通过PCR扩增得到长为1099 bp的抗冻蛋白基因。北京林业大学已从高大乔木的甜杨中分离克隆出长为1004 bp的抗冻蛋白基因PsAFP(林善枝等2003)。
3.3基因的表达
人们用基因工程的方法,诱导抗冻蛋白基因的表达,以获取大量的AFP产品,也取得了一定成果,如Solomon等将AF P-I基因导入大肠杆菌中,得到了AFP稳定而高水平的表达,而且所得蛋白质仍具有抗冻活性;此外,用基因工程的方法制造特定氨基酸突变的AFP,也是研究AFP抗冻机制的一条重要途径。目前,科学家们正致力于直接将抗冻蛋白基因整合到动、植物的基因组中并使之能稳定地表达,产生基因的定位研究。
4问题及展望
目前,对抗冻蛋白的研究虽已取得一定成果,但在抗冻机制的研究方面没有一个准确模型的建立,一些抗冻蛋白是多基因控制,其基因定位困难,对基因表达与信号调节的过程仍不够明确,抗冻蛋白各家族系统关系研究不清。
抗冻蛋白有广泛的应用前景,如将抗冻蛋白基因整合到动、植物的基因组中并控制其表达,可使某些动植物获得抗寒性状,可在临界温度以下生长,这可以选择性的扩大动植物种群的地理分布或人工养殖(种植)所需条件。抗冻蛋白在动物细胞、胚胎的冷冻保存,果实、种子的低温保存等方面也有广阔的发展前景。
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最后编辑于 2005-02-23 · 浏览 2114