PPR蛋白家族在植物生长发育中的研究进展

Research Progress of PPR Protein Family in Plant Growth and Development

摘要: PPR (pentatricopeptide repeat)蛋白家族是最大的蛋白质家族之一，其主要定位于陆生植物线粒体与叶绿体中。研究表明，PPR蛋白在植物生长发育过程中起着至关重要的作用。本文对PPR蛋白结构特征及分布展开简单的介绍并围绕PPR蛋白的功能进行详细阐述，PPR蛋白作为序列特异性RNA结合蛋白，参与植物细胞器mRNA转录后加工(编辑、加工、剪接等)，并影响植物的生长发育、细胞质雄性不育恢复和胚胎发育。本文旨在阐明PPR蛋白在植物生长发育中的作用，为探究PPR蛋白在植物生长发育分子机制提供研究思路和科学依据。

Abstract: PPR (pentatricopeptide repeat) protein family is one of the largest protein families, which is mainly located in mitochondria and chloroplasts of terrestrial plants. Studies have shown that PPR proteins play a vital role in plant growth and development. In this paper, the structural characteristics and distribution of PPR proteins are briefly introduced and the functions of PPR proteins are elaborated in detail. As a sequence-specific RNA binding protein, PPR proteins are involved in the post-transcriptional processing (editing, processing, splicing, etc.) of plant organelle mRNA, and affect plant growth and development, cytoplasmic male sterility recovery and embryonic devel-opment. The purpose of this paper is to clarify the role of PPR protein in plant growth and devel-opment, and to provide research ideas and scientific basis for exploring the molecular mechanism of PPR protein in plant growth and development.

1. 引言

PPR (pentatricopeptide repeat)广泛存在于真核生物中，是一类包含三角形五肽重复结构域的蛋白质。它在陆生高等绿色开花植物中种类尤为丰富，在拟南芥中存在450多个成员 [1] ，而在哺乳动物和酵母中只有不到20个成员 [2] [3] 。大量的研究及N端信号肽定位预测分析表明PPR蛋白主要定位于线粒体和叶绿体，参与mRNA转录及转录后加工的各个环节，确保细胞器转录产物的成熟、稳定、拼接、编辑和翻译 [4] [5] 。科学家们自发现这个蛋白家族以来，已对植物PPR蛋白的生物学和分子功能进行了广泛研究 [6] 。但由于细胞器基因转录与转录后加工等环节较为复杂，使得对于PPR蛋白的功能研究存在一定困难。大多数PPR蛋白的生物学功能及其参与植物逆境生长发育的分子机理仍不清楚，因此该蛋白家族是植物界中最为神秘的家族之一 [7] 。

PPR蛋白家族的功能取决于它们识别和结合特定靶RNA序列的能力 [8] [9] 。从遗传角度来看，植物PPR蛋白的功能缺失突变体表型主要表现在以下三个方面：(1) 线粒体或叶绿体形态异常和功能的缺失；(2) 植物生长发育受阻；(3) 出现细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)或胚胎致死 [8] 。此外，PPR蛋白的生物学功能还包括植物逆境防御调控等。

2. PPR蛋白结构特征及其分布

2.1. PPR蛋白结构特征

PPR蛋白典型结构特征是含有多个串联重复序列，并且该结构的氨基酸是以发卡状α-螺旋的形式存在的 [10] 。最近研究表明，在拟南芥中，PPR基因中一共含有3种基序：一种为P基序(motif)，编码35个氨基酸；另外一种为S基序(PPR-like small motif)，编码31个氨基酸；还有一种为L基序(PPR like long motif)，编码35~36个氨基酸 [11] 。因此，根据包含基序结构的不同，PPR蛋白家族可分为两个亚家族，即P亚家族和PLS亚家族，而依据它们的C末端保守结构域的不同，PLS亚家族蛋白质又可进一步划分为四个亚族，即PLS、E、E+和DYW亚族，这四个亚族蛋白的功能似乎与RNA编辑密切相关。

随着PPR蛋白研究的深入，在对PPR结构分类有了更为细致的划分。Lurin等(2004) [12] 、Cheng等(2016) [13] 以及Wang等(2020) [14] 依据α-螺旋的差异对PPR基序进行重新的定义(如图1)。P基序根据第一个螺旋不同分为P1与P2；而L基序依据第二个螺旋的差异分为的L1与L2；同样，S基序也分为了常规的S1和由32个氨基酸组成的S2基序；此外，Cheng等(2016) [13] 新命名了一种SS基序，这种基序同时存在与S1和P1基序重叠的序列；同时，Cheng等(2016) [13] 对C端的E、E+、DYW基序也重新进行了定义，提出了两个新的由34个氨基酸组成的基序——E1和E2。因此，PLS亚家族被分为以下6个亚类：PLS亚类、E1亚类、E2亚类、E+亚类、DYW亚类以及其他亚类。

参考Lurin等(2004) [12] 、Cheng等(2016) [13] 以及Wang等(2020) [14] 并作部分修改。

Figure 1. Classification and motif structure of PPR proteins

图1. PPR蛋白的分类及其基序结构

2.2. PPR蛋白分布

随着生物信息学的发展，对PPR蛋白家族有了更深入的认识。从基因结构分析角度而言，大多数PPR蛋白无内含子且各个结构域十分保守；从宏观的生物体角度而言，PPR基因存在于所有真核生物中，且几乎不存在于原核生物和原生生物基因组中 [15] 。此外，该基因在植物中数目庞大，无论是拟南芥 [12] 还是水稻 [15] 或者是毛果杨 [16] 中均存在PPR蛋白家族。研究发现，除拟南芥PNM1与GRP23蛋白定位在细胞核以外，绝大多数PPR蛋白主要定位在叶绿体或者定位在线粒体，还有一些PPRR蛋白是叶绿体和线粒体的双定位，如玉米PPR2263等 [10] 。此外，像拟南芥PNM1这类特殊的PPR蛋白即定位于线粒体， 也定位于细胞核中 [17] 。

3. PPR蛋白生物学功能

近年来的研究表明，PPR蛋白在植物生长发育调控中扮演着极为重要的角色。作为序列特异性RNA结合蛋白，其主要是在细胞器RNA的转录后加工(包括：RNA编辑、顺式及反式拼接及转录产物的成熟和稳定)发挥作用。PPR蛋白功能缺陷会导致植物生长发育异常，甚至胚胎致死。下文将重点介绍PPR蛋白参与叶绿体和线粒体RNA加工、细胞雄性不育的恢复以及PPR基因突变导致的细胞致死方面的功能。

3.1. PPR蛋白参与叶绿体和线粒体RNA加工

叶绿体是植物进行光合作用的反应场所。植物在经历光合作用的同时，也不断经历着光合氧化应激反应。叶绿体作为半自主细胞器，需自己编码部分蛋白质，还需核基因编码蛋白质协助其加工与成熟，PPR蛋白也就参与其中。目前研究表明，PPR蛋白中参与叶绿体RNA编辑的主要为PLS类PPR蛋白家族，而参与叶绿体RNA的剪接、稳定和成熟则主要是P类PPR蛋白家族。拟南芥CRR4 [18] 是首个已鉴定的参与叶绿体RNA编辑的PPR蛋白，随后相继发现拟南芥CRP1和PGR基因均可参与叶绿体的RNA编辑。同时，在叶绿体RNA剪接过程中，PPR蛋白通过切除叶绿体RNA前体中Ⅱ类内含子来完成RNA加工的。目前，已发现多种PPR蛋白参与叶绿体Ⅱ类内含子剪接，如：拟南芥PDM3和PDM4，它们均通过调控叶绿体基因ndhB和clpP-1的内含子的剪接，来影响拟南芥叶绿体的发育，同时这两个基因也可对叶绿体RNA前体进行选择性剪接 [19] 。

此外，PPR蛋白可使植物叶绿体中RNA转录本稳定性得到增强，进一步使转录末端成熟。它主要通过结合在转录本5’或3’末端，抑制核酸外切酶的降解作用，从而加强RNA的稳定性。已有多个PPR蛋白已被证实参与了叶绿体RNA的稳定与成熟，如：拟南芥PPR10，它通过结合在多顺反子ORF的间隔序列(约为18个核苷酸)，在抑制5’-3’或3’-5’核酸外切酶的活性的同时，保证了多顺反子的正确加工，从而促进RNA成熟 [20] 。

线粒体作为能量代谢主要场所，也是含有遗传表达系统的半自主细胞器。迄今为止，已经在多种真核生物中证实线粒体RNA的加工需要PPR蛋白，但对于PPR蛋白在植物线粒体中的作用机制知之甚少。研究表明，在拟南芥中，大约有60%的PPR蛋白以线粒体的复合体I(NADH脱氢酶)的亚基为靶点 [21] [22] 。复合体I中的亚基包括nad1、nad2、nad3、nad4、nad4L、nad5、nad6、nad7和nad9这九种。如：ABA OVERLY SENSITIVE 8 (ABO8)负责线粒体nad4第3个内含子的剪接 [23] ；MITOCHONDRION-MEDIATED GROWTH DEFECT 1 (MID1)负责线粒体中nad2第1个内含子的剪接 [24] ；PENTATRICOPEPTIDE REPEAT 19(PPR19)特异性结合nad1转录本3’端末端的特定性序列，并稳定nad1中第2个外显子和第3个外显子 [25] 。在玉米中，DEK35基因突变均会导致nad4第一个内含子剪切效率降低；并参与 NADH脱氢酶复合体I的一些内含子的拼接 [26] 。上述基因的突变往往造成复合体I活性降低、ROS增多。除复合体I亚基外，目前尚未有PPR蛋白参与线粒体复合体II mRNA加工过程的报道。少部分PPR蛋白参与复合体III、IV和V线粒体复合体II mRNA加工。除上述的五种电子传递链复合体外，由线粒体编码的细胞色素c合成基因也参与mRNA加工过程。

其中，PLS型PPR蛋白质通常负责RNA编辑为，也与mRNA剪接有关。例如，SLOW GROWTH 2 (slo2)突变体中nad1-2、nad1-40、nad4L-110和nad-739这四个RNA编辑位点存在缺陷，并且mttB-144、mttB-145和mttB-666这三个编辑位点编辑效率明显降低 [27] 。MITOCHONDRIAL EDITING FACTOR 35 (MEF35)在rpl16-209、cob-286、nad4-1373均有RNA编辑缺失的情况 [27] 。总而言之，无论是线粒体还是叶绿体，PPR蛋白对它们RNA转录后加工的各个环节而言，都是至关重要的。但迄今为止，关于PPR蛋白的作用机制尚未十分明确。

3.2. PPR蛋白参与细胞质雄性不育恢复

PPR蛋白也参与细胞质雄性不育恢复。细胞质雄性不育(CMS)是指核基因和细胞质基因共同控制的花粉败育的母系遗传现象。CMS在农作物杂交制种中有重要的作用，它广泛应用于农作物育种生产实践中 [28] [29] 。研究表明，在CMS系统中，核基因组含有能够恢复植物花粉活力的核恢复基因(Rf)，该基因可以使线粒体中CMS相关基因的表达发生改变，所以Rf基因通常被认为是细胞质雄性不育的关键基因。Rf基因首先被从矮牵牛属植物中分离得到 [8] ，迄今为止，在水稻、油菜和萝卜等植物中均已成功分离获得Rf基因，这些Rf基因可编码PPR蛋白 [30] 。

Rf基因编码的PPR蛋白定位在线粒体中，它能调控雄性不育基因的表达量下降，从而达到育性恢复的目的 [31] 。Rf基因研究最为深入的农作物是水稻。研究表明，水稻的育性恢复基因RF1a [32] 、RF1b [32] 、RF4 [20] 均编码PPR蛋白。牵牛花中控制CMS的两个Rf基因同源性很高，分别是编码591个氨基酸的PPR591基因和编码592个氨基酸的PPR592基因 [33] ；此外，通过对CMS的棉花进行全基因组分析，结果表明CMS和恢复大部分与PLS亚族的PPR蛋白有关 [34] 。

3.3. PPR基因突变导致胚胎致死

胚胎致死是指在高等动植物中，个体在达到性成熟前便死亡的现象。通过反向遗传学的方法表明，许多PPR基因突变具有致死效应，突变后胚胎的形态将发生改变，并最终导致死亡。拟南芥和玉米的PPR基因突变体的表型具有很高的相似性。定位在线粒体的PPR蛋白突变体通常表现出种子发育异常或胚胎致死，植株生长迟缓等表型。如：EMBRYO-DECTIVE 175 (EMB175)作为第一个被鉴定出来定位在线粒体中的拟南芥PPR基因，其突变体在胚胎发育过程中由球形胚转变为心形胚之前即停止发育 [35] 。拟南芥GLUTAMINE-RICH PROTEIN 23 (GRP23)基因亦是拟南芥胚胎发育所必需的，grp23突变体的胚胎发育受到抑制，胚胎发育将会停止在16个细胞的球形胚时期 [36] 。

4. 展望

PPR蛋白在植物的生长发育中具有重要功能。PPR基因突变会影响植物细胞器mRNA转录后加工(编辑、加工、剪接等)，从而影响植物的生长发育、细胞质雄性不育恢复和胚胎发育。随着PPR蛋白家族成员数目逐年增加，许多PPR基因影响植物生长发育的作用机制尚有待分析。通过上文，我们已经了解到PPR 蛋白可以对线粒体与叶绿体编码基因的转录本进行修饰和加工，但其具体的调控网络和特异性还有待进一步的探究。此外，我们也了解到PPR蛋白可以使植物的雄性不育得到恢复，然而，如何将这一功能应用于农业生产和遗传育种还有待探究，为解决这些难题，今后对于PPR蛋白家族的研究仍旧具有重要价值。