干旱、寒冷和盐害等环境胁迫是影响植物生长发育的主要因素，植物在受到环境胁迫信号刺激后，可以表达多种响应蛋白，如转录因子、蛋白激酶、渗透调节物质合成酶、自由基清除酶、水分通道蛋白和脱水蛋白(dehydrin)等。这些基因的表达及其产物的相互作用提高了植物适应不良环境的能力。目前，许多胁迫响应蛋白的功能已确定，然而脱水蛋白的功能仍然不清楚。脱水蛋白属于  LEA  (late  embryogenesis  abundant  protein)Ⅱ蛋白家族，在种子成熟的脱水耐受过程中发挥重要作用。大部分种子在发育的晚期都要经历一个脱水的过程，然后进入休眠。即使环境中有大量的水分来源，种子细胞内的水分仍然逆水势而行。在没有经过生理脱水之前，大豆体细胞胚的萌发率很低，经过干燥处理后，萌发率大为增加，而脱水蛋白的表达与此过程紧密相关。有些种子脱水蛋白仅在胚胎发育后期大量出现，而水稻、野生稻和豌豆种子中的脱水蛋白在胚胎早期就已经开始表达，且其蛋白积累与胚胎干重的增加相平行。脱落酸(ABA)可诱导脱水蛋白的表达，ABA  缺陷型和  ABA  不敏感型突变体在种子成熟后期蛋白质合成减少，种子不耐脱水；施加外源ABA或有活性的ABA类似物后则表现正常．ABA含量分析表明在未脱水的大麦芽和根中，ABA  含量分别为100  ng/g和70  ng/g干重组织，而在脱水后分别增加到2500  ng/g和1700  ng/g，说明  ABA  和脱水蛋白参与种子成熟脱水过程。但也有相反意见，Still  发现脱水蛋白基因的表达虽然在时间上先于种子获得抗脱水的时间，但脱水蛋白的大量积累却是在种子获得抗失水能力之后，并且在抗脱水能力较强的籼稻(Oryza  saltiva，含水量低达2％时种子仍能存活)和抗脱水能力较差的野生稻(Zizania  plaustris，含水量低于6％时即不能存活)之间，脱水蛋白的表达量没有区别；同时，ABA  在不耐脱水的野生稻胚轴中的积累量比籼稻高两倍，因此认为种子的耐脱水能力与脱水蛋白和  ABA  的累积无关。另外，Giordani  等发现向日葵(Helianthus  annuus  L)的  ABA  缺失突变体  w-1中，脱水蛋白的  RNA  的积累量在胚胎发育期大为减少，而在胚胎发育后期脱水蛋白的转录水平不受  ABA  的影响。所以，有关脱水蛋白在种子脱水过程中的作用机制仍有待于进一步深入研究。  



脱水蛋白最初在种子中发现，随后的研究表明脱水蛋白广泛存在于细菌、藻类和高等植物的各个组织和器官中，干旱、低温和高盐等引起脱水的环境因素以及  ABA  均能诱导其在绿色组织中的表达，推测脱水蛋白在植物受到干旱失水时，能够部分替代水分子，保持细胞液处于溶解状态，从而避免细胞结构的塌陷，稳定细胞结构，尤其是膜结构；起分子伴侣和亲水性溶质的作用，在水分胁迫时稳定和保护蛋白质的结构及功能。近年来，结构研究(  NMR  )显示复苏植物侧茎垂头菊(  C.plantagineum  )重组脱水蛋白  Dsp16  具有多种松弛的构象状态。紫外吸收(  Ultraviolet  absorption  )和圆二色谱(CD)显示大豆(Glycine  max)重组脱水蛋白  rGmDHN1  在溶液中处于亲水和无结构状态，在12—80℃  该蛋白存在无序结构和  PⅡ(poly(l-pro-line)-type)构象状态的平衡，随着温度的升高  PⅡ构象降低。因此，低温下脱水蛋白保持高度的松弛构象，可能是防止生物大分子免受冰冻、脱水、离子毒害和渗透胁迫伤害的分子基础。目前，多种脱水蛋白基因在植物中已被克隆，并在原核表达系统中获得表达，利用免疫杂交技术和转基因技术对脱水蛋白的功能和表达调控进行了广泛的研究，揭示脱水蛋白具有金属离子结合特性和抗氧化活性，本文主要综述脱水蛋白的结构、功能及其作用机制方面的研究进展。  



1    脱水蛋白的一级结构特征  



脱水蛋白长为82—575个氨基酸残基，分子质量为9—200ku，目前已从多种植物中分离纯化了脱水蛋白，并对其氨基酸组成和序列进行了分析。豇豆幼苗35  ku的脱水蛋白富含Gly，Thr，Asp，Glu，Ser，Ash  和  Gln  等，表明该蛋白可能具有高度的亲水性。拟南芥脱水蛋白  LTI30  中，Gly，His，Lys  和  Thr  等亲水性氨基酸占总量的56％，未发现有Cys，Pro，Arg  和  Val  的存在。因此认为脱水蛋白富含  Gly  和  Lys，缺乏  Cys  和  Trp。玉米脱水蛋白G50(17.8  ku)的结构预测分析表明，无序化部分占了75％，内部缺少折叠区，受热难使其凝聚，因此在100℃以上的水溶液中仍能稳定存在，显示脱水蛋白具有热稳定性和高溶解性。  



脱水蛋白一级结构保守性强，具有  K，S  和  Y  等3个高度保守区域，通常以  YSK  的顺序结合在一起，中间夹有低保守性、高重复性的φ片段。Y  片段为(V/T)DEYGNP，位于  N  末端，通常有1—3个串连拷贝，推测与植物和细菌中蛋白的核定位有关口；K片段(EKKGIMDKIKEKLPG)由15个氨基酸组成，在肽链中存在1—12个拷贝，该片段序列类似于阿朴质蛋白(apolipoproteins)和α核蛋白(α-synucleins)中的脂结合  A2  型α螺旋片段，二级结构预测分析显示  K  片段可能形成α螺旋结构。例如，CD  分析显示35  ku  豇豆(Vigna  unguiculata)脱水蛋白在10％  SDS  溶液中，超过15％的氨基酸形成了二级α螺旋结构，75％的氨基酸形成随机卷曲结构；另外，纯化的玉米脱水蛋白  G50  中也有15％的氨基酸形成了二级α螺旋结构。G50  没有任何疏水位点却能参与疏水相互作用，推测  K  片段形成的兼性α螺旋结构可能赋予  G50  参与疏水相互作用的潜力。因为兼性α螺旋结构同时具备亲水和疏水两种特性，脱水蛋白通过  K  片段可能参与部分变性蛋白质及膜的疏水相互作用，防止蛋白质和膜进一步变性。另外，脱水蛋白可能也和部分变性的蛋白质暴露的疏水界面相互作用，防止蛋白质在干旱或低温胁迫下产生低水势时凝聚，所以推测  K  片段形成的α螺旋结构可能是脱水蛋白维持干旱组织中蛋白质和膜稳定的结构基础。S  片段是一个可磷酸化的丝氨酸簇，一般位于  K  片段之间，或紧跟  K  片段，该片段的磷酸化可能与核定位信号有关，参与脱水蛋白的入核过程。高度极性的φ片段通过氢键与大分子的极性头部相互作用，覆盖暴露的大分子疏水表面，防止其凝结。由于φ片段的存在增加了极性氨基酸片段的比例，加强了脱水蛋白结构的亲水性，通过与极性大分子以及与核质和胞液中的低分子量组分如糖、氨基酸和水分子间的亲水性相互作用而显现出来。由于  K  片段和φ片段的存在，脱水蛋白能够通过形成一个保护层而保护变性的高分子，在各种组织中都起到稳定细胞结构的作用。  



脱水蛋白在胞液、细胞器和细胞核中均有分布，但是有些只存在于细胞溶质和细胞核中，因此涉及脱水蛋白的核转运过程，而定位于细胞核中的脱水蛋白可能具有调节转录的作用。尽管脱水蛋白的进核机制尚未得到完美的解释，但是某些证据显示  S  片段的磷酸化作用在脱水蛋白向细胞核运输过程中起着重要作用。如番茄脱水蛋白  TAS14  在细胞质和细胞核中均有分布，在细胞核中主要分布在常染色质和核仁中。在体内  TAS14  是一个磷酸化的蛋白质，并含有酪蛋白激酶Ⅱ(CK  Ⅱ)和依赖  cAMP  蛋白激酶(  cAMP-PK  )的磷酸化位点，体外实验证实该蛋白可被  CKⅡ  和  cAMP-PK  磷酸化。玉米脱水蛋白  RAB17  定位在细胞质和细胞核中，含有  S  片段和类似的核定位信号(  NLS  )，而  CKⅡ识别位点位于  S  片段。若  NLS  序列中有两个氨基酸发生突变，则将削弱该蛋白的核转运能力；若  CKⅡ  识别位点中有3个氨基酸发生突变将阻止该蛋白的磷酸化作用，进而妨碍其入核转运，因此  S  片段的磷酸化及稳定的氨基酸组成与脱水蛋白的入核转运密切相关。小麦脱水蛋白  WCS120  家族与冰冻忍耐性相关，免疫定位实验表明该蛋白定位在根冠组织的细胞溶质和细胞核中，在逆境条件下细胞核中的  WCS120  可能具有保护转录体(  transcriptional  machinery  )的转录作用。然而，WCS120  家族缺少  S  片段和相应的核定位信号，其向核中的运输机制不得而知，推测  K  片段可能在核转运过程中发挥作用。另外，氨基酸序列分析显示  WCS120  的富含  Gly  区域与一些病毒核蛋白同源，因此推测该蛋白可能是通过蛋白质与蛋白质之间的相互作用共转运到细胞核的。  



2    脱水蛋白的分类和表达  



脱水蛋白在一级结构含有  Y，S，K  等3个保守片段，但并非所有的脱水蛋白均含有这些片段，根据脱水蛋白结构中含有的高度保守片段将其分为5种亚类：YnSK2，Kn，KnS，SKn  和  Y2Kn  等。我们从  GenBank  中搜索出49个脱水蛋白基因，加上我们在菜豆叶片中克隆的基因  PvSR3，利用  ClustalW  及  Treeview  软件对它们及其蛋白质进行了聚类分析(图1)。分析结果显示脱水蛋白也分为5种亚类，与  Close  报道的一致，但有一个(苜蓿  Cas18)例外。属同一亚类的脱水蛋白处于一个大的分支，同一亚类中亲缘关系越近的脱水蛋白相距越近，并处于同一分支的两个亚分支上。菜豆  PvSR3  基因与  WCOR410、大麦酸性脱水蛋白  DHN8，拟南芥  LTI29，ERD10，ERD14  和  COR47  等  SKn  型脱水蛋白处于进化树的同一分支，具有更高的亲缘关系(图1)。  



YnSK2  型脱水蛋白：在这5类脱水蛋白中，YnSK2  型脱水蛋白数量最多，通常含有1—3个  Y  片段，一个  S  片段和2个  K  片段，是碱性或中性蛋白质，主要受干旱和  ABA  诱导调节。例如大麦DHN1，DHN2，DHN3，DHN4，DHN6  和  DHN9  脱水蛋白都具有相同的  YSK2  型结构，ABA  处理或干旱胁迫可以诱导其在幼苗中的积累，而低温则不会产生这种效应。大麦脱水蛋白  DHN12  也属于这类，然而只在胚胎发育时期特异表达，任何环境胁迫都不能诱导它在其他组织中表达。玉米  DHN1  是一种  YSK2  型脱水蛋白，具有2个碱性  K  片段，能与细胞膜中的酸性磷脂反应，在低温、失水等环境胁迫时能够维持细胞膜结构的稳定。厚叶旋蒴苣苔(Boea  crassifolia)线粒体  BcDh2  编码一个  YSK2  型脱水蛋白，干旱和盐胁迫以及外源  ABA  能诱导该基因的大量表达，而在低温诱导时仅有少量积累，另外当遇到损伤信号如甲基茉莉酮酸酯(Me-JA)时也有少量积累。杏仁  Parab21  编码一个  Y2SK3  型脱水蛋白，与玉米  RAB17  脱水蛋白同源，在杏仁种子中以高度磷酸化的形式存在，其表达主要受胚胎的发育程度调控，在渗透胁迫和  ABA  诱导下大量表达。拟南芥  RAB18  是富含  Gly(33％)的  Y2SK2  型脱水蛋白，分子质量为18.5  ku，等电点为7.9，ABA  处理可以诱导该蛋白大量合成。