乙烯信号简史 | 乙烯信号开山之作：受体ETR1的鉴定

李白在《蜀道难》中有“剑阁峥嵘而崔嵬，一夫当关，万夫莫开”的诗句广为流传。在信号通路中，受体是激素分子引起细胞内部反应的第一道关卡。它就好比那当关的勇士，不攻克这一关，任它有千军万马，细胞内也仍是风平浪静，没有丝毫反应。由此可见，受体在信号转导通路中的关键性作用。

我们在上一讲中提到过，1988年Bleecker等人在Science上报道了一个乙烯不敏感突变体，当用乙烯处理时，它无法表现出正常的“三重反应”，如鹤立鸡群一般，高傲地俯视着脚下的野生型，并且在其生长发育的各个时期，所有组织和器官都表现出乙烯不敏感的表型。另外，突变体的乙烯结合能力也大大降低。基于以上结果，作者推测，ETR1很可能在乙烯信号的早期发挥作用，并且可能作为受体发挥作用。

1993年，Elliot M. Meyerowitz实验室和Bleecker合作，在Science上发表了一篇文章Arabidopsis Ethylene-Response Gene ETR1: Similarity of Product to Two-Component Regulators。他们通过染色体步移（Chromosome walking）的方法，成功克隆到了ETR1基因。ETR1位于一号染色体的末端，编码了738个氨基酸。序列比较发现，和野生型比，etr1-1突变体中ETR1基因的N端一个碱基的替换导致氨基酸发生C65T的突变。

通过染色体步移方法定位到ETR1基因（Chang等，1993）

对于ETR1表达模式的分析发现，该基因在拟南芥的根、茎、叶、花和幼苗中都有表达，并且不存在可变剪切。此外，乙烯处理不影响ETR1 mRNA的表达。以ETR1基因片段和拟南芥基因组杂交，可检测到多个片段，说明拟南芥基因组可能编码多个和ETR1序列类似的类似基因。在此后的研究中，科研工作者们慢慢揭示了乙烯受体家族复杂的功能分化，我们后续再讲。ETR1蛋白分析结果表明，其N端没有发现保守的结构，但是C端和参与原核生物信号转导的双组份系统具有很高的相似性，暗示着它们可能具有相似的作用机制。

将etr1-1基因组序列转化到拟南芥中，可引起转基因黄化苗出现乙烯不敏感的表型，而转化正常ETR1基因的转基因植株的乙烯反应正常，说明etr1-1突变体的表型确实是由于ETR1基因的突变导致，这就敲实了ETR1在乙烯信号中的功能。

etr1转基因株系的乙烯反应表型（Chang等，1993）

1995年，BLeecker实验室报道，在从拟南芥中提取ETR1蛋白时，提取出来的蛋白的大小总是为147kD左右，而根据基因的CDS预测的蛋白大小是79kD左右，二者存在着约两倍的关系。同时，当从异源表达ETR1的酵母中提取蛋白时，也出现类似的情况。可是，当用还原剂二硫苏糖醇处理后，蛋白大小即可变为79kD，说明ETR1蛋白可能通过二硫键形成二聚体。将ETR1蛋白分段研究发现，其N端参与了二聚体的形成。将N端的半胱氨酸分别进行点突，发现第4位和第6位的半胱氨酸介导了二聚体的形成。

ETR1第4位和第6位的半胱氨酸介导了二聚体的形成（Schaller等，1995）

1999年，Bleecker实验室再次在Science上发文A Copper Cofactor for the Ethylene Receptor ETR1 from Arabidopsis，报道了铜离子可作为辅助因子和ETR1的N端结合，影响ETR1与乙烯的亲和性。另外，文章中还揭示了etr1-1突变的分子机制：etr1-1中的点突变导致蛋白无法和铜离子结合，进而导致和乙烯的亲和性降低，无法识别和传递乙烯信号，导致乙烯不敏感的表型。

铜离子作为ETR1的辅助因子影响乙烯的亲和性（Rodrıguez等，1999）

虽然ETR1基因早在1993年就已经被克隆了，但是限于当时的技术手段，ETR1蛋白的亚细胞定位一直是个不解之谜。通过蛋白结构分析发现，ETR1 N端含有一个跨膜结构域，但是序列分析并未为其亚细胞定位提供任何可参考的信息。直到2002年，G. Eric Schaller实验室在THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY 杂志上发表题为Localization of the Ethylene Receptor ETR1 to the Endoplasmic Reticulum of Arabidopsis的文章，综合使用了双水相萃取、蔗糖梯度离心和免疫电镜等技术，确定ETR1蛋白主要定位在内质网上，该定位主要由其N端决定。并且，乙烯的结合并不会改变ETR1的亚细胞定位。

免疫电镜显示ETR1定位在内质网上（Chen等，2002）

看完ETR1的研究历史，不仅感慨，小小的一个基因，竟然需要多个实验室合作，花费了近十年的时间才研究清楚它的基本功能。以今天的观点来看，简直有点不可思议。归根到底，主要原因是当时的实验方法和实验工具还比较落后。再看看我们现在的科研环境，要做某一方面的研究，成熟的体系都是现成的，这就大大加快了我们的研究进程。

当然，凡事有利就有弊。上世纪末，克隆出一个基因就能发个CNS级别的文章，而现在我们即使把功能做得非常深入，能发个CNS的子刊就不错了。唯一不变的是，每一篇文章背后，都蕴藏着科研人员大量的心血和汗水。所以，当我们读每一篇文献时，请心怀敬畏。

【参考文献】

Bleecker, A. B., Estelle, M. A., Somerville, C., & Kende, H. (1988). Insensitivity to ethylene conferred by a dominant mutation in Arabidopsis thaliana.Science,241(4869), 1086-1089.

Chang, C., Kwok, S. F., Bleecker, A. B., & Meyerowitz, E. M. (1993). Arabidopsis ethylene-response gene ETR1: similarity of product to two-component regulators.Science,262(5133), 539-544.

Schaller, G. E., Ladd, A. N., Lanahan, M. B., Spanbauer, J. M., & Bleecker, A. B. (1995). The ethylene response mediator ETR1 from Arabidopsis forms a disulfide-linked dimer.Journal of Biological Chemistry,270(21), 12526-12530.

Rodrıguez, F. I., Esch, J. J., Hall, A. E., Binder, B. M., Schaller, G. E., & Bleecker, A. B. (1999). A copper cofactor for the ethylene receptor ETR1 from Arabidopsis.Science,283(5404), 996-998.

Chen, Y. F., Randlett, M. D., Findell, J. L., & Schaller, G. E. (2002). Localization of the ethylene receptor ETR1 to the endoplasmic reticulum of Arabidopsis.Journal of Biological Chemistry,277(22), 19861-19866.