植物谷胱甘肽还原酶的生物学特性及功能_林源秀

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1220 ； 接受日期： 20130225 收稿日期： 2012*
植 物 中 的 谷 胱 甘 肽 还 原 酶 （ glutathione GＲ： EC1. 6. 4. 2 ） 利 用 NADPH （ reduced reductase， form of nicotinamide- adenine dinucleotide phosphate ） 作为唯一还原力和电子供体， 催化氧化型谷胱甘肽 （ oxidized glutathione disulfide， GSSG ） 生成还原型谷
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GSH） ， 胱甘肽（ reduced glutathione， 对维持细胞内高 ［1 ， 2 ］ GSH / GSSG 比率有重要作用 ． 同时， GＲ 作为抗 氧化酶类， 通过参与植物抗坏血酸谷胱甘肽循环 （ ascorbate- glutathione cycle， AsAGSH cycle ） ， 并与
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Tel： 13608264028 ； Email： htang@ sicau． edu． cn Tel： 13608264028 ；
Ｒeceived： December 20 ， 2012 ； Accepted： February 25 ， 2013
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第6 期
林源秀等： 植物谷胱甘肽还原酶的生物学特性及功能
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SOD ） 、 超氧化物歧化酶 （ superoxide dismutase， 抗坏 APX ） 以及磷 血酸过氧化物酶 （ ascorbate peroxidase， 酸戊 糖 途 径 的 关 键 酶—葡 萄 糖 6 磷 酸 脱 氢 酶 （ glucose6phosphate dehydrogenase， G6PDH ） 相互作 ． 此 用（ Fig． 1 ） ， 共同清除植物体内多余的 ＲOS 叶绿体 GＲ 还对植物体内另一种抗氧化剂—抗 外， AsA ） 的再生有重要作用 ． 坏血酸 （ ascorbic acid， 本文参考国内外文献， 对 GＲ 生物学特性， 酶基因缺 失的影响等方面进行综述， 同时对已报道的 GＲ 进 行系统进化分析， 以期更清楚地阐述 GＲ 的作用机 制、 进化过程、 表达调控途径及其与植物各种环境胁 ， 迫的关系 为今后该酶研究提供参考．
Fig. 1 system
The role of GＲ enzyme in plant ＲOS scavenging Diagrammatic summary indicates the network of
和缬氨酸（ Val） ． 另外， 大多数植物叶绿体 GＲ 比胞 质 GＲ 在氨基酸序列 N 端多一段富含丝氨酸 （ Ser ） 和苏氨酸（ Thr） 的转运肽序列， 该序列约 60 个氨基 酸组成， 在不同物种中差异较大． 但是在三角褐指 藻叶绿体 GＲ 氨基酸序列中未发现转运肽 （ Fig. 2 ） ， 这说明在藻类植物中， 叶绿体 GＲ 和胞质 GＲ 被分 隔在不同的细胞区域中， 并且不能跨膜运输． 另外， ILPN］DG 在胞质 GＲ 中存在约 5 个氨基酸残基（ ［ ［ TS］ ［ KQ］ ） 的胞质 GＲ 特殊结构域， 这与 Tahmasebi 等 研究结果一致． 推测是由于叶绿体和胞质 GＲ 在进化过程中功能域的选择进化所导致 ． 比对结果 植物来源的 GＲ 比来自大肠杆菌、 酵母、 人 还显示， 类的 GＲ 氨基酸序列 C 末端多出 18 ～ 36 个氨基酸， 尽管有关这段序列的功能研究还未见报道 ， 但已有 其可能与植物在逆境条件下形成不同的 学者推测， GＲ 同工酶有关［12］． 1. 3 植物 GＲ 同工酶类 目前， 植物中已检测出多种形式的 GＲ 同工酶 类型． 豌豆中至少有 8 种 GＲ 同工酶， 定位于叶绿
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类型的 GＲ 无论是核苷酸还是氨基酸序列差异明 显． 高等植物的叶绿体 Gr 基因在结构上包含 10 个 ［10 ］ 外显子， 而胞质 Gr 基因包含 16 个外显子 ． 胞质 Gr 基因 5' 端有 1 段含有增强子的非编码的内含子 ［11 ］ 区， 而叶绿体 Gr 基因中则没有这段序列 ． 利用从 NCBI （ national center for biotechnology information， http： / / www． ncbi． nlm． nih． gov ） 数据库中得到的拟 南芥、 大 麦、 毛 果 杨、 三角褐指藻的叶绿体和胞质 GＲ 氨基酸 全 长 序 列， 大 肠 杆 菌、 酵母以及人类的 GＲ 氨基酸全长序列， 分别代表了单 / 双子叶植物、 木本植物、 藻类植物的叶绿体和胞质 GＲ， 细菌、 真 GＲ． DNAman 菌以及哺乳类动物的 利用 软件进行 7 种来源的 结果发现 （ Fig. 2 ） ， 蛋白质多序列比对， GＲ 均包含 1 个 Ｒossman 结构域、 1 个活性部位、 1个 NADP （ nicotinamideadenine dinucleotide phosphate ） 结合位点以及 1 个 FAD（ flavin adenine dinucleotide） 结合位点． 其活性部位中被 4 个氨基酸残基分隔开 的半胱 氨 酸 残 基 （ Cys ） （ GGTCV［I / L］ＲGCVPKK ［ I / L］ LVY） 高度保守， 且第 6 位的氨基酸在叶绿体 GＲ 中为亮氨酸（ Leu ） ， 质体中为异亮氨酸 （ Ile ） ， 而 藻类植物的第 6 位和第 7 位氨基酸均与细菌、 真菌 以及人类的 GＲ 氨基酸相同， 分别为天冬氨酸（ Asp）
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different metabolites with redox properties for the ＲOS detoxification． GＲ catalyzes GSSG into GSH using NADPH， which produced by G6PDH． And together with MDAＲ （ monodehydroascorbate reductase ） and DHAＲ （ dehydroascorbate reductase ） ， GＲ provides redox coupling of ascorbate and glutathione，which are antioxidants and play important role in ＲOS scavenging system［5］
· · 综述
植物谷胱甘肽还原酶的生物学特性及功能
林源秀， 顾欣昕， 汤浩茹
( 四川农业大学园艺学院， 雅安 625014 ) *
GＲ: EC 1. 6. 4. 2 ) 是 植 物体 内 一 种 重要 的 抗氧化 酶 摘要 谷胱甘肽还原酶 ( glutathione reductase， GSSG ) 还 原 成还 原型谷 类， 其主要的生理功能是将氧化型谷胱甘肽 ( oxidaized glutathione disulfide， GSH) ， ＲOS) 的清除提供还原力， 胱甘肽( reduced glutathione， 从而为活性氧( reactive oxygen species， 保护植物免受伤害． 文中主要从 G r 基因及其氨基酸 序列 的 比较 等 方面 分 析 了 该 酶 的 生 物学 特 性; 又对植物逆境响应， 酶基因的缺失等方面 的研究 进 行综 述， 阐释 了 GＲ 酶 在 植 物体 内 的作 用 原 理、 在逆境胁迫中抗逆表达调控途径及其作用机制; 并对已有的研究成果进 行总 结分 析， 探讨 了 GＲ 酶 可能的起源及系统进化过程， 为今后该酶的研究提供理论参考． 关键词 谷胱甘肽还原酶; 生物学特性; 表达调控; 进化分析 中图分类号 Q554
Characteristics and Biological Functions of Glutathione Ｒeductase in Plants
LIN YuanXiu，GU XinXin，TANG HaoＲu *
（ School of Horticulture，Sichuan Agricultural University，Ya'an 625014 ，Sichuan ， China）
Iቤተ መጻሕፍቲ ባይዱSN 10077626 CN 113870 / Q
中国生物化学与分子生物学报 http： / / cjbmb． bjmu． edu． cn Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology
2013 年 6 月 29 （ 6 ） ： 534 ～ 542
Abstract Glutathione reductase （ GＲ； EC 1. 6. 4. 2 ） ，one of the most important bioactive antioxidants in plants，works in the glutathione reducing reaction to generate reduced glutathione （ GSH ） from its oxidized form （ oxidized glutathione，GSSG ） ． In this reaction，GＲ helps scavenging reactive oxygen species （ ＲOS） as reducing power and protects plants from ＲOS damage． In this review ，we focused on GＲ biological functions and characteristics by study their distribution and comparing gene and amino acid sequences． In order to make the discussion clearly，we summarized a huge amount of relative research progresses - plants' GＲ functions in stress conditions and enzymedeficiency researches． As a result，a conclusion on GＲ functions in plant in vivo was made，particularly on the expression and regulation functions of GＲ pathway and physiological functions of metabolic products． Further，we discussed its possible origins of GＲ and made a hypothesis on its evolutionary process based on former research results and our theoretical analysis． This review will make a significant reference for further researches on GＲ． Key words glutathione reductase； biological characteristics； expression regulation； evolution analysis 谷胱甘肽是由 γ谷氨酸与半胱氨酸及甘氨酸 GluCysGly ） ， 组成的三肽 （ γ是植物体内主要的低 分子量巯基化合物， 对清除活性氧 （ reactive oxygen species， ＲOS） 和外源性有害物质及其代谢产物有重 要作用