1 引言Rab蛋白又称GTP酶，是小G蛋白Ras超家族中的主要成员，几乎存在于所有真核生物的具膜细胞器上。细胞内不同定位的Rab蛋白在功能和运输过程上构成了一个复杂的调控网络，主要参与细胞内的膜转运过程，此外Rab蛋白也在信号转导、细胞增殖、激素调节等方面起作用[1]。由稻瘟病菌引起的稻瘟病遍布世界各地和各个生长时期，是水稻的重要病害之一，能引起水稻的大幅度减产。此外，稻瘟病毒还能侵染玉米、小麦等多种禾本科植物，严重影响了粮食的生产与安全。近年来，有研究者发现，囊泡运输途径可能与稻瘟病菌的致病机制有重要关系，而囊泡运输又与Rab蛋白密不可分，因此有研究者从Rab蛋白入手探究稻瘟病菌的致病性，明确不同的Rab蛋白在稻瘟病菌中的功能与作用机制，已取得了一定的进展[2]。目前关于Rab蛋白与稻瘟病菌致病性之间的研究较少，明确Rab蛋白在稻瘟病菌中的功能作用，有助于进一步发现稻瘟病菌的致病机理，减轻稻瘟病在水稻等禾本科植物中的蔓延。本文将综述Rab蛋白的结构特点、循环调节机制，以及Rab蛋白在稻瘟病菌中的研究进展，这有助于进一步探究囊泡运输与稻瘟病菌侵染植物的机制，进而推动减少因稻瘟病而到带来的粮食减产。2 Rab蛋白介绍2.1结构特点Rab蛋白分子量仅为20-30KD，由200个左右的氨基酸组成。不同的Rab蛋白的氨基酸序列相似程度较高，约有55%-80%，常将序列相似度大于75%的蛋白质归为同一种蛋白的不同亚型，如Rab6a,，Rab6b和Rab6c就是同一种蛋白的不同亚型，行使的功能并不完全相同[3]。对小鼠、酵母、拟南芥等不同真核生物体内的Rab蛋白进行X-射线晶体衍射发现，这些生物体内的不同Rab蛋白都具有与小G蛋白相似的结构特点[4,5]。Rab蛋白的C端和N端灵活可变，不同Rab蛋白的C端和N端序列和长度均不同，但在C末端常以2个半胱氨酸残基为结尾，这个特殊结构被证明与膜的结合有关[6]。而且Kent等人[8]发现Rab蛋白C端的不同序列和异戊二烯化修饰与Rab蛋白被特异性地定位到相应细胞器上实现特定功能有关[8]。Rab蛋白还含高度保守的G结构域，它由6个疏水的β片层，5个亲水的α螺旋和5个连接β片层与α螺旋的多肽环组成，其中6个β片层形成疏水的核心，并被亲水的α螺旋包围，再由多肽环连接这些β片层与α螺旋[4]。Rab蛋白与GTP、GDP结合后发生构象改变的区域（分子开关区域），包括开关I和开关Ⅱ，都位于多肽环上，而且GTP、效应蛋白等的结合位点也位于此。因此Rab蛋白的G结构域对研究它的功能和机制具有重要意义。2.2作用Rab蛋白在囊泡运输、葡萄糖转运、植物生长发育等过程中起着不可忽视的作用。齐慧杰等已对多种Rab蛋白在植物囊泡运输中的不同作用进行了阐述，分析Rab蛋白参与囊泡运输的机制。Rab蛋白在内质网、高尔基体、质膜、液泡等间的运输、融合、生物合成有关。由此可见，Rab蛋白在囊泡运输中发挥着巨大的作用，而且可能作用机制各有不同。此外，在植物激素信号转导过程中发现了Rab蛋白的身影，而且Rab蛋白还参与根毛和花粉管的顶端生长，与植物的生物和非生物胁迫响应有关，但这些作用都是以囊泡运输为基础，进而使Rab蛋白参与到这些功能中，推动行使相关功能。不论是葡萄糖转运，还是激素信号转导，抑或是生长发育，都能发现Rab蛋白，而这些功能的实现都依赖囊泡运输。因此，可以说囊泡运输参与到了生命活动的全过程，而研究Rab蛋白在囊泡运输中的作用机制也极具研究意义。3 Rab蛋白囊泡运输中的循环机制及相应蛋白3.1循环机制同一个Rab蛋白在细胞中一直以失活和活化两种形式交替存在，且一般失活的Rab蛋白存在于细胞质中，活化的Rab蛋白在细胞膜上。Rab蛋白与GDP结合以失活状态存在于细胞质中，当它被Rab保护蛋白识别结合后，在RabGGT酶作用下使Rab蛋白的C末端的半胱氨酸发生不可逆的异戊烯化[3,9,10]。随后被GDI（GDP解离抑制因子）识别并结合形成Rab-GDI复合体，之后被特异性地运输到特定靶细胞膜。当Rab-GDI复合体被GDF（GDI置换因子）识别后，将GDI从Rab蛋白上置换出来，并催化Rab-GDP蛋白与膜结合，此时，GEF（鸟苷酸交换因子）识别多肽环上的分子开关区域，促进Rab蛋白释放GDP与GTP结合，同时Rab蛋白构型改变。活化的Rab-GTP蛋白与效应蛋白相互作用，当Rab完成其使命后，GTP被GAP（GTP 酶激活蛋白）催化水解成GDP，Rab-GDP则被释放回到胞质溶胶中，以待新一轮的循环再利用。此外，一些未被GEF识别的Rab-GDP蛋白会再次被GDI识别转运至细胞质中等待再循环或被转运至临近细胞膜表面[11,12]。3.2 与囊泡运输相关的Rab蛋白大多数真核生物的囊泡运输过程包括泡囊形成、转运、黏附、锚定及融合，不同的Rab蛋白参与不同阶段的囊泡运输。胞吐是指经胞吞或胞饮摄入的物质在胞内降解后的残渣被排除细胞外。目前发现的参与胞吐过程的Rab有Rab1、Rab11、Rab8和Rab27。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中Rab1参与调控内质网、高尔基体间的运输和自噬过程；Rab11则调控蛋白质在内质网、高尔基体间的循环转运过程；Rab8调控囊泡与质膜的融合促使囊泡内物质向胞外分泌；Rab27则被证实与神经突触的物质分泌有关[13,14]。胞吞作用是将胞外的大分子或颗粒状物质通过质膜包裹，再内陷形成囊泡的过程，它与细胞信号转导、神经递质运输等功能相关。Rab5蛋白被发现与稻瘟病菌早期囊泡运输和内涵体融合有关，因此目前对Rab5在稻瘟病菌中的效应蛋白、特性、机制等的研究也较多。此外，Rab7则与晚期囊泡运输过程有关，它主要调控内涵体、溶酶体、高尔基体间的运输。自噬过程是将自身细胞内的一些蛋白质、细胞器等包被入囊泡内，在运输至溶酶体附近并与其融合，进而降解被包裹的内容物。自噬又与囊泡的形成、运输、粘附、融合的过程相关[13]。经研究发现，Rab5、Rab11、Rab23、Rab32等参与自噬体的形成，Rab7、Rab24等蛋白促进自噬体的成熟，Rab8a则被证实与自噬体的分泌相关。综上发现，囊泡运输的不同过程需要多种蛋白质间相互作用，不同Rab蛋白在不同的发育阶段表达量不同，而且同一种Rab蛋白也可能多条调节途径有关。可以推测，即使是同一蛋白的不同亚族在囊泡运输中的作用机制也会有所不同，进而构成囊泡运输体系，但可以肯定的是Rab蛋白贯穿于囊泡运输的全过程，且通过囊泡运输实现生物体的其他功能。4 Rab蛋白在稻瘟病菌中的生化特性4.1Rab蛋白在稻瘟病菌中的发现与表达目前已发现稻瘟病菌中含11个假定的Rab蛋白，分别是MGG_06962.6、MGG_01179.6、MGG_01185.6、MGG_06241.6、MGG_04143.6、MGG_08144.6、MGG_06135.6、MGG_01079.6和MGG_07191.6[6]，这些蛋白的结构与Rab蛋白的主要结构相同，都含灵活多变的C端和N端以及高度保守的G结构域。利用生物分析学的方法与软件，建立稻瘟病菌Rab蛋白和真菌Rab蛋白的系统进化树，张冬梅等人认为真菌种类的分化迟于Rab蛋白的分化[6]。利用荧光定量PCR、生物信息学等方法对稻瘟病菌的四个生长发育阶段——菌丝、孢子、芽管、附着孢进行研究分析发现，不同的Rab蛋白在稻瘟病菌的不同发育阶段的相对表达量呈现各自的特点[13]，同一种Rab蛋白在不同组织和不同阶段的表达量也有明显的差异，如MoRab1在稻瘟病菌的各个发育阶段均有表达，但呈现明显差异，在孢子时期表达最多，而MoRab8在芽管发育阶段表达量最高，在附着孢时期最低。此外，研究者通过对稻瘟病菌中的一些Rab蛋白进行基因敲除得到相应突变体以研究Rab蛋白与稻瘟病菌生长之间的关系。结果发现，MoRab51敲除突变体与野生型相比，菌丝生长速度和产孢能力显著下降，不能萌发分生孢子和形成附着孢，不仅如此，将MoRab51敲除突变导入水稻离体叶片中发现该水稻叶片未得稻瘟病，生长良好，进一步观察发现，MoRab51敲除突变菌株内，囊泡数量明显较多且小，这说明了MoRab51在调控稻瘟病菌的致病过程中起着不可忽视的作用。因此推测稻瘟病菌的致病性与Rab蛋白的囊泡运输功能密切相关，若控制Rab蛋白的囊泡运输功能可能有助于控制稻瘟病毒在禾本科植物中的侵染[15]。4.2Rab蛋白与其他蛋白的相互作用蛋白质之间的相互作用存在于生命活动的全程中，构成了细胞生化反应网络中的一个主要组成部分，与信号调控、转导等有关。因此，研究蛋白质间的相互作用一直都是研究重点、热点，目前研究蛋白质间相互作用的高通量分析法主要有酵母双杂交系统、表面等离子共振技术等。找到Rab蛋白的互作蛋白，有便于进一步研究确定效应蛋白，进而分析Rab蛋白与效应蛋白的互作机制。林维杰在2011年通过实验探究了与MoRab5蛋白的互作蛋白，并取得了一定进展。他采用pulldown、酵母双杂交等技术来寻找并筛选MoRab5的互作蛋白，找到了约40个互作蛋白，如由MGG_07752编码的蛋白等，这些互作蛋白有的与囊泡组成有关，有的与mRNA的转录、延伸有关，它们都有一个共同特征，即均参与调控细胞的各种生命活动。因此，若进一步分析互作机制，有助于揭示Rab蛋白如何调控囊泡运输介导稻瘟病菌的致病性。齐尧尧等以Rab5的同源蛋白MoRab5s为研究对象发现，两个亚型MoRab5A和MoRab5B在稻瘟病菌中的功能有所不同[13]。活化状态下的MoRab5B靶定于早期内涵体上，促进早期内涵体的融合并以内吞作用进入内涵体；而活化状态下的MoRab5A虽然也能靶定于早期内涵体上，但经pull-down等方法发现它并不能促进早期内涵体的融合，还发现Rab5的效应蛋白Rabaptin-5也能与MoRab5A和MoRab5B相互作用。此外，若对MoRab5A和MoRab5B分别进行基因敲除得到突变体，然后转入培养出现MoRab5A的敲除突变体可能有致死性的影响，而MoRab5B的敲除突变体的结果则与上述MoRab51的敲除突变体相似，都是囊泡数增加且变小，感染水稻未出现稻瘟病。这些研究都明显揭示了Rab蛋白的诱导在稻瘟病菌的致病过程中的重要地位。在植物、酵母菌等动物中的已被发现并证实多种Rab蛋白的效应因子及其相互作用，如Rab7的效应蛋白有RILP、ORP1L等，分别调控囊泡运输的不同过程。关于稻瘟病菌中Rab蛋白的效应蛋白的研究较少，有研究者采用PCR、酵母双杂交技术等手段筛选与MoYpt7（稻瘟病菌中的Rab蛋白）的互作蛋白，得到不同基因编码的约10种互作蛋白，如由MGG_06562编码的泛素连接酶、MGG_06742编码的TFIID等，但未具体研究它们之间的互作和效应机制。5 总结与展望近年来的研究充分证明囊泡运输在稻瘟病菌侵染植物的过程中起着不可忽视的作用。目前已对Rab的结构和循环机制已有一定的认识，为进一步研究稻瘟病毒的致病机制与Rab蛋白的关系奠定了坚实的基础。运用生物信息分析等方法找到了约11种Rab蛋白在稻瘟病菌中，并通过绘制进化树推测哺乳动物的Rab蛋白是从真菌中进化而来的，如哺乳动物中的Rab5是由稻瘟病菌的MoRab5B蛋白进化而来的。不同的Rab蛋白在囊泡运输中的功能各有不同，即使同一种蛋白的不同亚型也有所不同，而且大部分Rab蛋白在稻瘟病菌中的不同阶段和时期的表达量不同。此外筛选Rab蛋白的效应蛋白，并通过敲除基因等方法研究发现稻瘟病菌中的一些Rab蛋白与它的致病性密切相关，一些敲除基因突变体甚至能使稻瘟病菌丧失致病性，如MoRab51敲除突变体等。然而目前对Rab蛋白与效应蛋白间的作用如何调控囊泡运输过程的机制研究较少，尚未明确具体作用机制，若能结合前人的研究结果，在已知某一特定蛋白的效应蛋白的基础上，进一步分析研究它们之间的协同过程，明确调控机制，有助于进一步了解稻瘟病毒的致病机理，为控制稻瘟病毒在水稻等禾本科植物中的侵染提供一定的理论基础，此外也会推动进一步研究Rab蛋白在囊泡运输中的机制。 参考文献[1]齐慧杰,秦晓惠,刘凌云.植物Rab蛋白家族的研究进展[J].生物技术通报,2016,32(06): 7-12.[2]Atkinson HA. Live-cell imaging of endocytosis during conidial germination in the rice blast fungus, Magnaporthe grisea. Fungal Genet Biol. 2002, 37: 233-244.[3]杨永敏,郭建,李玉宏,黄晓玮.Rab蛋白在囊泡转运中的作用及影响[J].中国科学:生命科学,2019,49(07):788-797.[4]王芳,刘超.植物Rab蛋白的分类与功能[J].中国生物化学与分子生物学报,2014,30(08):752-760.[5]Chattopadhyay D，Langsley G,Carson M,et al.Structure of the nucleotide-binding domain of Plasmodium falciparum rab6 in the GDP-bound form[J].Acta Crystallogr D Biol Crystallogr,2000, 56( Pt 8):937-944.[6]张冬梅,方坤海,石振华,王爱荣,鲁国东,王宗华.稻瘟病菌Rab族蛋白的结构及演化分析[J].热带作物学报,2009,30(02):198-204.[7]Kent L.Rossman,Channing J. Der,Krister Wennerberg.The Ras superfamily at a glance[J].Journal of Cell Science,2005,118(5):843-845.[8]Casey P.J, Seabra M.C. Protein prenyltransferases[J].J Biol Chem,1996,271( 10):5289- 5292.[9]Müller M.P, Goody R.S. Molecular control of Rab activity by GEFs,GAPs and GDI.Small GTPases,2018,9:5–21.[10]Goody R.S, Rak A, Alexandrov K. The structural and mechanistic basis for recycling of Rab proteins between membrane compartments. CMLS Cell Mol Life Sci, 2005, 62: 1657–1670.[11]尹洪金,钱桂生,王关嵩.Rab蛋白研究进展[J].免疫学杂志,2012,28(07):633-636+ 641.[12]柴琳琳,万瑛,吴玉章,等. Rab4蛋白的细胞内定位及其活性改变对DC内源抗原递呈的影响[J]. 免疫学杂志,2012,(10).[13]齐尧尧. 稻瘟病菌Rab蛋白的定位与生化功能分析[D].福建农林大学,2015.[14]Rapak A,Seabra MC,Hume AN,et al.Rab27a regulates the peripheral distribution of melanosomes in melanocytes[J].The Journal of Cell Biology,2001,152(4):795-808.[15]张冬梅. 稻瘟病菌Rab蛋白功能研究[D].福建农林大学,2009.
论文作者:王秀婷
论文发表刊物:《中国保健营养》2019年第7期
论文发表时间:2020/1/16
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