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倒霉蛋的故事

译者: ColorfulWind 原作者:Vivienne Baillie Gerritsen
发表时间:2013-07-16浏览量:1126评论数:3挑错数:0
"倒霉蛋"蛋白HAP2是植物受精过程中的重要蛋白,不仅参与花粉管定向而且参与配子融合的过程。HAP2在高等动物中不存在但在疟原虫中存在并参与其繁殖过程。阻断HAP2通路或使其失活很有可能是治疗或根绝疟疾的有效途径。

生活中我们总会需要有人指引方向,精细胞们也不例外。在植物界,像所有有性生殖生物中发生的那样,一个雄性配子需要和一个雌性配子结合才能完成受精。所有一切都是服务于此。它们的行动是如此受限(却能以各种方式完成受精,就这点来说),植物算是这个星球上最富有创造力的生物了。就其本身而论,它们借助于身边的各种能运动的东西(来帮助它们受孕):风,蜜蜂,野生动物..它们不遗余力地利用这一本领。然而在分子水平,植物们却'好动'得多。举个例子,比如花粉管的伸长。例如,在鼠耳芥(拟南芥(Arabidopsis thaliana))中,一旦花粉做好了发芽的准备,它表面就会形成一个隆起然后伸长——形成一个所谓的花粉管。这一过程牵扯了一大群分子,但仍然需要点儿什么来指引花粉管向胚珠生长。这个“什么”就是“倒霉蛋”蛋白HAPLESS 2, 或简写做HAP2.(英文单词hapless中文就是"倒霉蛋"的意思,译者注)

植物靠生殖来繁衍后代这一观念,是德国植物学家兼医生鲁道夫·卡梅拉(1665-1721)最先建立的,他在1694年的一封信中写道,“如果没有雄蕊—也就是植物的雄性性器官—的花粉使其受精,那么作为雌性性器官的花柱和子房就无法孕育出种子。”大约一个世纪之后,将其毕生精力都用在钻研植物有性生殖方面的德国神学家和博物学家克里斯汀·斯普昂格尔(1750-1816),则将植物们为了完成授粉所玩弄的那些小花招儿形容为无不尽其能的各种利用花蜜指导授粉及拟态的艺术。从那时起到现在,植物有性生殖的有关研究自然得到长足发展。而今天,得益于各种新技术的发明和运用,人们对于所有植物的传粉机制——不管是从大分子水平还是从分子水平——的理解都更加透彻。

植物们将雄性配子递送给给雌性配子的各种手段还真是令人眼花缭乱。植物学家们很有可能还未将这所有的手段全部都了然于胸。某些植物只是消极地利用风来传粉或者将花粉依附在偶然经过的动物的毛皮上——希望能以这样的方式将花粉送到同类植物的雌性配子那里去。它们也这么利用鸟儿,这样的话花粉粒就可以被带到千里之外。植物们也知道怎样去引诱昆虫进入花朵来传粉——它们会利用花的颜色,各种气味和外观等一切可以利用的东西。对于那些对花粉携带者选择更挑剔的植物们,它们甚至会想到模仿昆虫性信息素这样精巧的办法,只会引诱特定种类的昆虫前来传粉——来保证花粉能够被准确地投递给同类。

疟疾, 法尼亚 西蒙 绘(美/西非)

(承蒙绘者授权)

然而,所有上述这些都只不过是“配子游戏”的第一关。一旦花粉粒到达雌花,下一步就看花粉粒中所携带的雄性配子怎样去接近雌性配子了。当周围条件合适的时候,花粉粒会发芽。表面形成一个隆起,然后渐渐长成一个管状物——花粉管。管中是雄性配子(在拟南芥和其他被子植物中是两个雄性配子,其中之一使胚珠受精)。当花粉管伸长至胚珠,其一端就会“爆裂”开释放出雄性配子,其中一个和胚珠融合。想象一下人类的生殖系统是怎么工作的,差别并不太大。

其实整个系统还是蛮复杂的。一大群分子在花粉发芽、花粉管伸长、所谓的'植物射精'以及配子融合等各个阶段各司其职。蛋白HAP2在花粉管定向——而非花粉管伸长——以及配子融合两个阶段均发挥作用。突变型HAP2对于花粉管生长确是毫无作用,而野生型HAP2则是保证花粉管向正确的方向生长——即向胚珠附近生长——所必须的。这种特殊的天赋也或许是某种花粉“质量控制”机制。如果精细胞质量差,花粉管导向就会出错,那么雄性配子就无法到达胚珠。这也说明精细胞在受精过程中是起(表达定向蛋白等)主动作用的,(而不是一直认为的只是被动被输送到胚囊与雌性配子),这种观念在科研界正方兴未艾。

由上可知,花粉管导向和配子融合阶段都需要蛋白HAP2的参与。该蛋白在即将发芽的花粉粒中大量表达,在精细胞的质膜和胞质中都存在,并固定在其内质网膜上。那么HAP2蛋白如何协助引导花粉管向胚珠生长呢?质膜上(HAP2)蛋白N端的尖端直接插入花粉管细胞的细胞质甚至细胞骨架中,据此做好花粉管定向的准备工作,惊喜暴也开始沿着细胞骨架向插入花粉管顶端移动。当花粉管长成并爆裂的时候,精细胞就被释放出来,HAP2就继续参与配子融合的过程——事实上,HAP2是第一个在植物生殖过程中发挥定向作用的已知基因。

还有个有意思的现象:似乎HAP2在许多真核生物中都存在,但在高等动物中却不存在。这或许说明这套生殖机制更古老,高等动物的生殖机制可能与之大不相同——或许更复杂也更切合其生存需要。可是HAP2却在寄生在哺乳动物体内的疟原虫体内存在。疟原虫就是传播疟疾的罪魁祸首。在雌蚊吸饱了血找寻另一个受害者的时候,它肠道内的疟原虫就会通过配子融合进行繁殖,而人们相信HAP2正是参与了这一过程。根据世卫组织的最新估计,在2010年近220万人罹患疟疾,66万人死于此病。或许能够阻止疟原虫感染人类乃至根除疟疾的方法之一,就是找到一种能够使蛋白HAP2失活从而防治疟原虫繁殖的疫苗。如果成功的话,人类就有希望根除疟疾了。

参考文献
1. Von Besser Kiera, Frank A.C., Johnson M.A., Preuss D.
Arabidopsis HAP2 (GSC1) is a sperm-specific gene required for pollen tube guidance 
Development 133:4761-4769(2006)
PMID:17079265

2. Goodman C.D., MacFadden G.I.
Gamete fusion: Key protein identified
Current Biology, Vol. 18, No. 13, R572(2008)
PMID:18606131

3. Lavazec C., Bourgouin C.
Mosquito-based transmission blocking vaccines for interrupting Plasmodium development
Microbes and Infection 10:845-849(2008)
PMID:18656409

(译者注:为便于理解本文,还可参考http://www.guokr.com/blog/436826/)

UniProt蛋白链接

Protein HAPLESS 2, Arabidopsis thaliana , (Mouse-ear cress) :F4JP36


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不知知
2013-07-17 10:35
楼主译了好多好专业的文章啊  赞!
ColorfulWind
2013-07-17 14:54
不知知
楼主译了好多好专业的文章啊  赞!
@不知知 Thanks! 其实几年前就有将protein spotlight译成中文的想法了。受各种条件所限,最近才开始着手做。蛋白这个东东,受认知领域所限,看似离我们很遥远,其实在我们生活(包括我们身体)中无处不咋,与我们每个人都密切相关。Vivienne用艺术化的语言把蛋白们的生平、职能和我们人类的关系讲成一个个浅显易懂的小故事。读了这些故事,就算对生物学一无所知,也多少会对生物学产生些兴趣,会对我们自己身上及周边发生的一些现象,生长或疾病,多少有些更加本质的了解吧,那么,我的目的就达到了:)
不知知
2013-07-17 15:04
ColorfulWind
@不知知 Thanks! 其实几年前就有将protein spotlight译成中文的想法了。受各种条件所限,最近才开始着手做。蛋白这个东东,受认知领域所限,看似离我们...
@ColorfulWind 能系统地了解一下protein  挺好的  比起东一处西一处地看  收效好得多  对于我这种生物盲来说  确实有收获  :)
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蛋白聚光灯(Protein Spotlight) (ISSN 1424-4721)是瑞士生物信息研究中心Swiss-prot小组编写的蛋白相关的综述,每月一期。每期由Vivienne Baillie Gerritsen撰文,以一种轻松的口吻讲述一个特定蛋白或特定蛋白家族的奇闻异事或稗官野史,从2000.9迄今已经整整150期。今后会陆续翻译更新,意在帮助更多人,专业的业余的,对生命科学领域有更多了解。科学来源于生活,在严肃严谨的同时,也可以轻松有趣的:) 欢迎志同道合者加入!
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