摘 要 铜/锌超氧化物歧化酶（Cu，Zn-SOD）能清除植物体内有害的活性氧（ROS），参与植株遭受逆境胁迫时的应激反应等过程。铜分子伴侣（CCS）可以传递铜离子到Cu，Zn-SOD当中，并将其激活生成有活性的酶分子，依赖CCS协助是Cu，Zn-SOD主要的激活途径。植物在铜缺乏的环境下会诱导启动子结合蛋白（SPL7）和小RNA398（miR398）的表达，miR398通过降解编码Cu，Zn-SOD的mRNA抑制Cu，Zn-SOD的生成，从而调控植物体内铜平衡。本文主要对植物Cu，Zn-SOD激活和调控途径进行综述。
关键词 Cu，Zn-SOD ；CCS ；miR398 ；SPL7 ；调控途径
分类号 Q943.2
Abstract Superoxide dismutases （Cu，Zn-SODs） are important antioxidant enzymes that catalyze the disproportionation of superoxide anion to oxygen and hydrogen peroxide to guard cells against superoxide toxicity. The major pathway for activation of copper/zinc SOD （CSD） requiring the CCS copper chaperone to insert copper and activate SOD1 through oxidation of an intramolecular disulfide. Expression of miR398 and SPL7 （for SQUAMOSA promoter binding protein-like7） are induced in response to copper deficiency and miR398 is involved in the degradation of mRNAs encoding copper/zinc superoxide dismutase. This paper reviewed on plant Cu， Zn-SOD activation and regulatory pathways.
Keywords Cu，Zn-SOD ； CCS ； miR398 ； SPL7 ； regulatory pathways
1972年，美国Richardson实验室首次获得了可供X射线晶体结构分析的Cu，Zn-SOD（CSD）晶体[1]。1982年，JA Tainer等从牛血红蛋白中得到了由SOD1基因编码的Cu，Zn-SOD的三维结构，并建立了以其结构为基础的酶催化机制和快速反应机制[2]。在Cu，Zn-SOD成熟过程中，铜离子的获得是关键步骤，热力学分析显示，Cu，Zn-SOD利用铜结合位点逐渐增强的亲和力，才实现了铜离子在含铜蛋白之间的传递[3]。铜分子伴侣（copper chaperone for SOD1， CCS）可以传递铜离子到Cu，Zn-SOD当中，并将其激活生成有活性的酶分子。第一个描述酵母和人类CCS的是Valentine & Gralla[4]1997年发表于Science的一篇文章，此后，CCS就被广泛发现存在于真核生物中，并和Cu/Zn-SOD一起表达。目前，拟南芥、水稻、玉米、大豆、土豆、龙眼[5]等植物的CCS已被克隆。
最近的研究表明，Cu，Zn-SOD的表达受到miRNA的调控。植物在铜缺乏的环境下会诱导生成启动子结合蛋白（SQUAMOSA promoter binding protein-like7，SPL7），SPL7直接和miR398启动子结合并激活其表达，miR398通过降解编码Cu，Zn-SOD的mRNA从而抑制了Cu，Zn-SOD的生成，此时铜离子则参与到植物体内另一个重要的含铜蛋白-质体蓝素的合成过程当中，保证了植物的正常生长[6]。
1 Cu，Zn-SOD激活途径
1.1 CCS的研究进展
分子进化分析显示，CCS的中心结构域和Cu，Zn-SOD高度同源[7]，其N端结构域对激活Cu，Zn-SOD起决定性作用[8]。CCS基因启动子区域包含了与植物生长素和应激响应有关的顺势作用元件，会被植物生长素，赤霉素，果糖，蔗糖，葡萄糖等诱导表达。不同植物组织中的CCS表达量也有所差异，Trindade[9]将马铃薯CCS启动子融合荧光色素基因，发现CCS在皮质区，如茎、匍匐枝和块茎表达水平最高，根部和花表达水平较低。植物在衰老状态下，CCS的表达量也会随之增加[10]。
Cohu等[11]发现，当拟南芥CCS无效突变后，Cu，Zn-SOD活性会随之丧失，这说明拟南芥细胞质和叶绿体中的Cu，Zn-SOD需要CCS才能激活。细胞X连锁凋亡抑制蛋白（X-linked inhibitor of apoptosis，XIAP）也需要CCS传递铜离子，XIAP的环指结构包含E3泛素连接酶活性，通过泛素蛋白酶体途径可促进XIAP自身或与其相互作用的蛋白分子泛素化而降解，因此XIAP被认为是通过对含铜蛋白的降解从而调控铜离子平衡的。有趣的是CCS与XIAP的互相作用而导致的泛素化却能增强CCS对Cu，Zn-SOD的活性而不是自身蛋白酶体的降解[12]。这些研究表明CCS在调控植物体内铜离子平衡过程中发挥特殊作用。
1.2 依赖CCS的CSD激活途径
近几年来，关于依赖CCS激活Cu，Zn-SOD的机制已被阐明。SOD1前体多肽内由于第144位上含有一个脯氨酸（pro），这个结构阻止了5.5 处两个半胱氨酸（cys）分子内二硫键的形成，所以SOD1前体多肽内并没有二硫键[13]。锌离子在铜离子与SOD1结合之前首先进入金属结合位点。在氧胁迫条件下，SOD1前体比成熟的Cu，Zn-SOD更容易形成有害的多聚体。锌离子插入后，SOD1构象发生变化，形成了适合Cu-CCS复合体结合的状态。CCS结构域III通过静电识别捕获Cu1+并和Cys残基连接。之后CCS构象转变，提高了和SOD1之间的互相作用。接下来Cu-CCS和SOD1形成了二聚体复合物，氧气攻击被CCS-SOD1复合物捕获的Cu1+，伴随氧化还原反应的发生Cu1+插入到SOD1当中，氧气的存在还促进了硫醇基的氧化，最后引起SOD1中Cys57和CCS中与Cu1+离子连接的Cys229分子间二硫键的形成。Cu1+进入SOD1金属位点后诱导Cys残基周围分子构象的改变，促进了分子间二硫氧化物到分子内的二硫氧化物的转变。经过快速重排CSD1分子内二硫键形成，然后活性酶分子被释放[13-14]（图1）。