高等植物细胞壁成分中主要成分是多糖，包括纤维素、半纤维素、果胶物质; 此外还含有结构蛋白、酶类、木质素以及矿物质等。植物细胞壁在结构上由3层相互渗透的网组成，包括2层结构多糖网和1层结构糖蛋白网(Lamport，1966)。每层网都是交联结构，如纤维素微纤丝网通过木葡聚糖交联，果胶层网通过钙盐桥与硼酸酯键交联，而结构糖蛋白网则通过酪氨酸衍生物交联成网(Fry，1982; Epstein et al., 1984)。

细胞壁中的蛋白可分成细胞壁修饰酶与结构蛋白(Showalter，1993)。目前，学术界对植物细胞壁结构蛋白的组成主要有2种划分方法，其中一种划分认为细胞壁结构蛋白包括4类蛋白，分别是HRGP (富含羟脯氨酸的糖蛋白)、PRP (富含脯氨酸的蛋白)、GRP(富含甘氨酸的蛋白)及AGP(阿拉伯半乳糖蛋白) (Showalter，1993; Cassab，1998)。另一种划分方法是将结构蛋白分成6类，即伸展蛋白、P/HRGP(富含脯/羟脯氨酸的糖蛋白)、AGP、茄科凝集素、GRP与PRP，一般前4类归为HRGP大类(Yoshiba et al., 2001)。而对HRGP的分类多种多样，主要有以下几种划分体系:第1种分类方法中，HRGP是由茄科凝聚素、AGP及伸展蛋白组成(Tierney et al., 1987); 第2种分类HRGP包括伸展蛋白、PRP及AGP(Yoshiba et al., 2001); 第3种分类HRGP则包括伸展蛋白、RPRP(富含重复脯氨酸蛋白)、部分结瘤蛋白、阿拉伯糖胶蛋白、AGP及嵌合蛋白如茄科凝集素(Kieliszewski et al., 1994a)。一般狭义的伸展蛋白特指拥有Ser-Hyp₄模体的HRGP，而广义的伸展蛋白则指编码各种HRGP的所有基因家族成员。研究表明HRGP中的各成员是从一组有共同祖先的古老型肽进化而来，属同一基因家族(Kieliszewski et al., 1994a; 1994b)。根据目前的研究进展，本文主要针对广义伸展蛋白中除AGP外的所有HRGP基因家族成员展开综述。

伸展蛋白是一种糖蛋白，一般由1条多肽链组成，并富含羟脯氨酸残基，双子叶植物细胞壁中其含量约为干质量的1% ~ 15% (Tierney et al., 1987)。伸展蛋白是在植物细胞壁中极为冗余的结构蛋白家族(Merkouropoulos et al., 1999)，在整个植物界从单细胞的团藻(Volvox carteri) (Ertl et al., 1992)、低等的苔藓植物(Lee et al., 2005)，到高等的裸子植物、被子植物中均有表达。伸展蛋白有2个主要特征，即翻译后脯氨酸残基的羟基化、羟脯氨酸及丝氨酸残基的糖基化，有些种类伸展蛋白还进行分子内和/或分子间的交联反应。

1 伸展蛋白研究情况简介

Lamport等(1960)在美国剑桥大学首次分离出细胞壁伸展蛋白。典型的伸展蛋白具有Ser-Hyp₄重复模体，且蛋白骨架含有丰富的Hyp与Ser残基，另外也含有较多的Val，Lys，Tyr，His残基。在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组中，至少含有28个伸展蛋白类基因(Yoshiba et al., 2001)。典型的拟南芥伸展蛋白为长80 ~ 100 nm有一定弹性的棒状单体(Heckman et al., 1988)，单体呈多聚脯氨酸螺旋构象(每圈3个残基)。烟草(Nicotiana tabacum)细胞壁中有5种具典型Ser-Hyp₄模体的伸展蛋白(Hirsinger et al., 1997)。在番茄(Lycopersicon esculentum)中发现了P1，P2，P3型等几种双子叶植物典型伸展蛋白(Smith et al., 1986; Showalter，1993)，这几种伸展蛋白常被用作其他伸展蛋白对比的参照。Li等(1990)从甜菜(Beta vulgaris)中分离了一个“split-block”型伸展蛋白，这种类型伸展蛋白的Ser-Hyp₄模体被1个短的插入序列隔裂。近十几年来，其他双子叶草本植物，如矮牵牛(Petunia hybrida)、胡萝卜(Daucus carota)、大豆(Glycine max)、菜豆(Phaseolus vulgaris)、油菜(Brassica napus)等也开展了伸展蛋白研究。研究发现双子叶植物伸展蛋白有许多共性，如在双子叶植物中，都有P1，P2，P3型3种伸展蛋白单体前体; 另外，双子叶植物伸展蛋白都具有Ser-Hyp₄模体。

除了双子叶植物，在单子叶植物玉米(Zea mays)中也分离出THRGP(富含苏氨酸和羟脯氨酸的糖蛋白)、HHRGP(富含组氨酸和羟脯氨酸的糖蛋白)及THRGP2(富含苏氨酸和羟脯氨酸的2类糖蛋白)等伸展蛋白，其中后2种伸展蛋白缺乏Ser-Hyp₄模体(Kieliszewski et al., 1990; Fong et al., 1992)。

在木本植物中，对花旗松(Pseudotsuga menziesii)伸展蛋白的研究较为深入。从花旗松组培中分离的细胞悬浮液，产生2种盐洗脱的HRGP，其中1个伸展蛋白单体(命名为SP2)，含有Ser-Hyp₄模体(Fong et al., 1992)。Garcia-Mas等(1992)从巴旦杏(Prunus amygdalus)中分离了1个伸展蛋白，含有典型的SPPPP，PYHYK模体。日本Sakuma等(1996; 1997)从在玉米素处理下的欧洲黑杨(Populus nigra)细胞悬浮培养液中分离得到1个杨树伸展蛋白，共141个氨基酸残基(Accession No.BAA11854)，含有典型的Pro-Lys重复。

很多蛋白质是嵌合体，伸展蛋白也不例外，如马铃薯凝集素，与拟南芥、玉米、水稻(Oryza sativa)中发现的富含亮氨酸的伸展蛋白嵌合体(Baumberger et al., 2003)。

2 伸展蛋白主要模体与基因结构 2.1 Ser-Hyp₄

Ser-Hyp₄是伸展蛋白中第1个被认识的模体，在高等双子叶植物中，Ser-Hyp₄模体是伸展蛋白的主要标志。多个Hyp的吡咯烷环通过限制肽键的旋转使肽键固定在一个角度，形成多聚脯氨酸螺旋构象，提高了分子的不可塑性(inflexibility)，有利于伸展蛋白的自我组装，通过糖基化作用，Hyp残基上连接1 ~ 4个阿拉伯糖残基，而Ser残基上则可能连接1个单独的半乳糖(Kieliszewski et al., 1994a)。

2.2 IDT分子内交联作用功能位点Tyr-X-Tyr-Lys

在双子叶植物中，有3种伸展蛋白单体前体(即番茄的P1，P2，P3型伸展蛋白)，其中P2型模体Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Val-Tyr-Lys-Tyr-Lys，P3型模体Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Ser-Hyp-Ser-Hyp-Hyp-Hyp Hyp-Tyr-Tyr-Tyr-Lys都含有Tyr-X-Tyr-Lys模体。在过氧化物酶催化作用下，发生分子内交联与分子间交联反应，2个间隔的Tyr残基产生分子内IDT(二苯醚交联氨基酸)，侧链紧邻的2个IDT再形成di IDT(双IDT，4个酪氨酸交联)，或1个IDT与侧链紧邻的1个Tyr残基生成3-酪氨酸产物即pulcherosine (1个IDT再与1个酪氨酸残基结合)，伸展蛋白通过交联作用促进形成相互渗透的细胞壁网，有利于形成完整的细胞壁结构(Held et al., 2004)。

2.3 Pro/Thr-Hyp-Val-Tyr-Lys

伸展蛋白中RPRP与结瘤蛋白结构较为简单，主要由重复模体(Pro-Hyp-Val-Tyr-Lys)_n组成，双子叶P1型伸展蛋白模体Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Val Lys-Pro-Tyr-His-Pro-Thr-Hyp-Val-Tyr-Lys中也有类似结构，其中Val-Tyr-Lys是分子间发生交联作用的模体，过氧化物酶可催化含Val-Tyr-Lys模体的P1型伸展蛋白单体发生分子间交联(Schnabelrauch et al.，1996)。

2.4 伸展蛋白基因结构

伸展蛋白在受伤、诱导物等处理下，产生高水平表达，说明伸展蛋白基因能对多种胁迫信号产生反应，其启动子中必然存在一些相应的调控元件。油菜的伸展蛋白extA基因启动子含有对受伤与应拉力胁迫产生反应的顺式作用元件，5’端上游启动子可能含有基因激活域、抑制域、受伤激活域，还含有可能结合核蛋白的G box序列(Elliott et al., 1998)。菜豆HRGP4.1伸展蛋白基因可能在-928位至－ 251位序列区间中含有促进基因表达的顺式调控元件，而在-251位至-94位序列区间中可能含有调节本底表达的顺式调控元件(Wycoff et al., 1995)。对胡萝卜伸展蛋白基因启动子结构与功能的研究较为深入，Holdsworth等(1989)证实在胡萝卜中存在EGBF-1(伸展蛋白基因结合因子1)及EGBF-2，它们能与伸展蛋白基因5’端非翻译区序列结合，其中EGBF-1的结合位点可能产生类似于沉默子的作用。Granell等(1992)认为胡萝卜伸展蛋白启动子中，存在2个正调节元件; 并证实-719位至-609位序列区间(含第1个元件)在一定条件下结合1个EBP(伸展蛋白结合蛋白)，而-609位至-474位序列可能是EGBF-1与EGBF-2的结合位点。

根据对番茄(Showalter et al., 1991)、菜豆(Wycoff et al., 1995)、玉米(Stiefel et al., 1990)、水稻、高梁(Sorghum vulgare) (Caelles et al., 1992)等单、双子叶植物伸展蛋白基因结构的研究，发现在3’端都含有1个内含子区，这可能是单、双子叶植物伸展蛋白基因共同的特征。此外还发现皱叶烟草(Nicotiana plumbaginifolia) (Loose et al., 1991)、菜豆(Wycoff et al., 1995)、玉米(Stiefel et al., 1990)的伸展蛋白均含有1个信号肽，此信号肽可能与翻译后的蛋白靶向内质网进行修饰有关。

3 伸展蛋白的功能 3.1 伸展蛋白表达的广泛性

伸展蛋白几乎涉及植物生长发育的各方面，包括花粉的识别与受精(Wu et al., 2001)，细胞分裂与分化，细胞伸长的停止(Ito et al., 1998)，衰老与脱落(Merkouropoulos et al., 2003)，生物与非生物胁迫反应(Showalter，1993)等。伸展蛋白针对不同胁迫的生理反应，都与细胞壁结构功能相关。

3.2 伸展蛋白是细胞壁形成必须的结构蛋白

Lamport等(1960)认为含羟脯氨酸的蛋白是活性的正在生长细胞细胞壁的必要成分。如果添加脯氨酰羟化酶的阻遏物3，4-脱氢脯氨酸到介质中，烟草原生质体愈伤组织细胞壁形成就会受到阻遏，这个试验为伸展蛋白是细胞壁形成必须的结构蛋白提供了有利证据(Schilde-Rentschler，1977)。正在分裂细胞中的伸展蛋白高水平转录，可能与细胞壁形成过程中对伸展蛋白的高需求有关(Hirsinger et al.，1997)。

3.3 伸展蛋白的表达量与细胞伸展的关系

Roberts等(2006)用CaMV35S启动子与拟南芥Atext1(拟南芥1号伸展蛋白基因)融合，转入拟南芥，融合基因在转基因拟南芥中有高水平表达，形态上显示转基因植株相对于野生型植株茎粗度明显提高，而茎的高度降低，说明合成的更多伸展蛋白可能通过形成交联网，导致细胞伸长的提前停止，细胞体积减小。在早期的功能研究中，通过向含生长素的介质中加入Hyp，能阻止燕麦(Avena sativa)胚芽鞘羟脯氨酸的形成，结果导致细胞的伸展性增加(Cleland et al., 1967)。用多肽羟化酶阻遏物处理洋葱根，导致HRGP水平下降，从而导致正在发育的根细胞早期伸长程度增加(Roberts et al., 2006)。这些研究证明伸展蛋白的表达量与细胞伸展程度呈负相关，提高伸展蛋白的表达量可能促进表达组织或器官局部区域细胞密度增加。

3.4 伸展蛋白与细胞壁机械强度的关系

伸展蛋白的合成与交联作用，提高了细胞壁的强度，使细胞能承受更大的机械力。在植物承受应拉力与器官质量的承受区，有高水平伸展蛋白表达(Shirsat et al., 1996)，如烟草的HRGPnt3基因在参与侧根形成的部分细胞中表达，使侧根根尖能承受突破初生根产生的机械压力(Keller et al., 1989)。Keller等(1989)认为植物通过提高富含脯氨酸的蛋白积累以加固细胞壁，可能是新形成的分生组织穿过根皮层的普遍性需求。大豆的HRGP4.1蛋白基因启动子在茎节处被激活，使茎节的细胞能承受叶柄与叶的质量而产生的应力(Wycoff et al., 1995)。将油菜的伸展蛋白基因extA转入烟草中，在烟草的茎节皮层细胞质中有高水平的表达，这与茎节处承受正在发育的侧枝质量而产生的拉伸力有关(Merkouropoulos et al., 1999)。拟南芥Atext1基因在根组织中正常表达，其他植物正常根组织中伸展蛋白也正常表达(Tiré et al., 1994; Wycoff et al., 1995)，伸展蛋白合成后交联作用使根细胞的细胞壁强度增加，使根能够承受向土壤推进时产生的较大的机械力。

3.5 各种诱导反应下合成伸展蛋白

拟南芥伸展蛋白AtEXT1:GUS融合基因在受到机械损伤、病原菌侵染、信号中间物作用下，Atext1基因就会表达(Roberts et al., 2006)。Wei等(2006)证实在拟南芥中，伸展蛋白基因AtEXT1的过量表达限制了病原菌丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae) DC3000的入侵。在胡萝卜中发现受损伤处理后，不同伸展蛋白的mRNA转录增加(Ecker et al., 1987)，伸展蛋白mRNA在真菌感染的菜豆中也有相似的表达(Showalter et al., 1985)。伸展蛋白还参与了豆科植物-根瘤菌的相互作用，在细胞壁的变态中形成瘤(Deepak et al., 2010)。细胞壁调节的植物抵抗力形成了植物防护病原菌的第一道防线(Deepak et al., 2010)。植物在病原菌入侵位点进行细胞壁结构与化学成分的重组是提高细胞壁抵抗力的主要途径之一，伸展蛋白在病原菌入侵位点的细胞间积累，使该位点细胞壁乳头状突起加厚，通过交联作用使细胞壁对病原菌细胞壁降解酶的抵抗能力增强(Huckelhoven，2007)，由此形成对病原菌入侵的物理障碍。而在机械损伤诱导下，伸展蛋白表达可能与受伤细胞壁的修复与加强有关，前面提到的病原菌入侵也是一种典型植物细胞壁受损机制。但并非所有的伸展蛋白都在诱导下表达。

3.6 RSH功能

敲除拟南芥伸展蛋白的一个致死基因突变，产生根、茎、胚轴缺陷的突变体rsh植株，野生型的RSH蛋白为AtEXT3 (拟南芥3号伸展蛋白) (Cannon et al., 2008)。AtEXT3是目前伸展蛋白功能研究中最为深入的一个。在纯合rsh突变体的合子第1次分裂中，细胞板位置与野生型有25%的差异，产生1个大的顶细胞与1个小的底细胞，而野生型的合子在第1次分裂时产生1个小的顶细胞与1个大的底细胞(Hall et al., 2002)。在进一步的研究中，据电子显微镜观察，rsh突变体的细胞壁有缺陷，rsh突变体胚和不正常幼苗中细胞分裂平面异常，导致在完整母细胞壁内产生3种异常形状的横向细胞壁: 1)漂浮的细胞壁，即不能与两侧母细胞壁相连的细胞壁; 2)悬挂的细胞壁，即只有一头与两侧母细胞壁相连的细胞壁; 3)细胞壁片，即从母细胞细胞壁中伸出的突起的短的细胞壁片段。上述现象说明rsh突变体在细胞分裂过程中新形成的横向细胞壁常常不完整，不能与母细胞的细胞壁连接或保持连接(Cannon et al., 2008)。野生型细胞板含RSH，突变体细胞板缺乏RSH，推测Atext3基因被敲除后，缺乏RSH伸展蛋白直接导致横向细胞壁的不正常组装(Hall et al., 2002; Cannon et al., 2008)。

此外纯合突变体rsh不正常幼苗，呈透明玻璃状，在新鲜介质中不能活过3周(Hall et al., 2002)。RSH表达的亚细胞定位试验发现，Atext3基因在胚细胞壁、根细胞壁，尤其在胚中3个细胞联结处有集中表达，在胚细胞的细胞板、高尔基体、联结细胞板的母细胞壁联结处也有高水平表达(Hall et al., 2002; Cannon et al., 2008)。说明拟南芥中的RSH有双重功能，既加强成熟细胞的细胞壁，同时对正在分裂的细胞的细胞板定位与形成有重要的作用，由此影响细胞的正常分裂与细胞形状，并影响细胞分化与发育。

RSH伸展蛋白是拟南芥细胞壁的重要组成成分，棒状的RSH亲水亲脂分子初期自我组装后，可能在细胞板中形成带正电荷的支架，并成为细胞壁中带负电荷的果胶质沉积的模板，两者一起形成一个伸展蛋白果胶凝聚层，在细胞分裂中，此凝聚层可能作为新横向细胞壁进一步有序沉积的模板，使新形成的横向细胞壁与母细胞的细胞壁溶合(Cannon et al., 2008)。此外长春花(Catharanthus roseus)、烟草Ext 1.4等伸展蛋白可能受细胞周期调节(Hirsinger et al., 1997)，这2种伸展蛋白也可能为细胞板的形成提供了材料。通过RSH功能的研究，说明伸展蛋白的主要功能不但有促进细胞生长停止的独特作用，同时在细胞生长起始中也起了重要作用(Cannon et al., 2008)。这是细胞伸展蛋白研究领域不同于以往认识的新发现。

4 伸展蛋白的生化特性 4.1 交联作用

双子叶P1，P2，P3三种类型伸展蛋白前体，除了分子间的交联，P2，P3型伸展蛋白还可通过Tyr X-Tyr模体产生分子内交联，形成IDT。Held等(2004)通过基因融合法，将绿色荧光蛋白增强子与双子叶P3型伸展蛋白不同重复数的模体序列Ser Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Ser-Hyp-Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp Tyr-Tyr-Tyr-Lys相连(以下简称P3型伸展蛋白类似物)，其中(YK)₂₀只表达上述序列的20个重复，将(YK)₂₀转入烟草Bright Yellow-2细胞中进行表达，产生类似于天然P3型的伸展蛋白，单体分子都含IDT。但如将Tyr密码子转换成Phe的密码子，并无IDT出现，说明Tyr参与交联作用，证实了IDT是分子内交联作用的产物。

拟南芥Atext3基因产物RSH蛋白单体也含有Tyr-X-Tyr模体，在过氧化物酶催化下，形成分子内IDT、分子间的pulcherosine和极少量的di-IDT(大约10%) (Cannon et al., 2008)。如果平行排列的RSH分子，各行分子头尾完全对齐，每行中的分子直线相连后，上下2行的Tyr残基对齐，在已产生分子内IDT的基础上，再催化2行相邻的2个IDT形成di IDT交联。双子叶P3型伸展蛋白类似物(YK)₂₀也产生di-IDT(Held et al., 2004)。但平行排列的RSH分子，如果上下行分子头尾不完全对齐而错开排列，比如移动12个残基，则RSH分子内IDT，连接另一行的单个酪氨酸残基作为潜在的pulcherosine交联模体(SPPPPKKHYVYKSPPPP VKHYSPPPVYH上一行YVY模体形成的分子内IDT与下一行HYS模体中1个单独的Y残基连接) (Cannon et al., 2008)。Brady等(1998)从细胞壁的水解产物中分离了3 －酪氨酸即pulcherosine产物，并推测为伸展蛋白类交联反应产物。但在P3类伸展蛋白类似物(YK)₂₀产物中未发现pulcherosine(Held et al., 2004)，说明在(YK)₂₀中，可能由于(YK)₂₀分子行与行之间的对齐排列或错开排列，在已产生分子内IDT的基础上，邻行的单个Tyr残基与IDT不毗邻，无法形成产生pulcherosine的交联模体。因此，在交联的RSH中出现pulcherosine意味着行与行间RSH单体头尾非对齐且一行中IDT与邻行的单个Tyr毗邻。前后单体线性连接与按上述方式的侧边单体横向连接相结合，使得RSH分子的聚合支架按2个方向增长。另外，还推测RSH的C端的4个酪氨酸残基有疏水性作用(YLYKSPPPPYHY)，通过交联作用可能启动了同一行中相邻的2个单体头对头的粘结(Cannon et al., 2008)。拟南芥有18个伸展蛋白的C端具有酪氨酸残基。伸展蛋白单体如何实现纵向与横向间的连接还有待进一步深入研究。

含Val-Tyr-Lys模体的双子叶P1型伸展蛋白分子间交联形式还未经试验证实。Schnabelrauch等(1996)对12种不同的伸展蛋白，通过过氧化物酶催化体外交联，证实含Val-Tyr-Lys模体的伸展蛋白发生了交联反应，但含此模体的伸展蛋白并没有产生IDT; 双子叶P2型伸展蛋白有内源性的IDT，但在交联反应后IDT的含量并未增加，说明没有产生分子间IDT。Fry(1986)认为IDT是伸展蛋白分子间的主要交联形式，而Val-Tyr-Lys可能是分子间的交联位点。但这些想法仅是推测，针对含此类模体的伸展蛋白交联作用的精确模式至今尚未确定，Schnabelrauch等(1996)提出可能是形成Tyr-Lys加合物。

4.2 糖基化

根据羟脯氨酸毗连假说(Hyp contiguity hypothesis)，伸展蛋白Hyp残基的糖基化受蛋白质氨基酸序列的指导:毗连的Hyp残基发生典型阿拉伯糖基化，而非毗连的Hyp残基可能发生阿拉伯半乳聚糖糖基化(Held et al., 2004; Tan et al., 2003; Shpak et al., 2001)。Kieliszewski等(1994a)认为Hyp的毗连性与Hyp阿拉伯糖基化程度呈正相关，其中两肽或三肽的Hyp趋向于含单个、2个或3个阿拉伯糖侧链，而含4个阿拉伯糖的侧链与四肽的Hyp相连接。在一些双子叶植物中，Ser-Hyp₄作为伸展蛋白的主要模体，含4个阿拉伯糖基化侧链作为这类伸展蛋白的主要成分(Fong et al., 1992)。3个P3型伸展蛋白类似物中，含4个阿拉伯糖基化的Hyp达到Hyp总量的50%以上，含3个阿拉伯糖基化的Hyp约为30%，而含1个和2个阿拉伯糖基化及无糖基化的比例均不大于6% (Held et al., 2004)。花旗松PHRGP伸展蛋白串联质谱测序表明阿拉伯寡糖只在毗连的羟脯氨酸上出现，而不毗连的Hyp的上仅极少部分发生单个阿拉伯糖基化(Kieliszewski et al., 1994a)。花旗松SP2中仅4%的Hyp连接含4个阿拉伯糖基化的侧链，与其存在少量的Ser-Hyp₄模体相符(Fong et al., 1992)。

Kieliszewski等(1995)认为伸展蛋白中，非毗连的Hyp可能阿拉伯糖基化或不糖基化，3种不同长度的P3型伸展蛋白类似物基因表达有冗余的毗连Hyp与聚合的非毗连Hyp残基，不存在阿拉伯半乳糖基化形式(Held et al., 2004)。但在人工构建作一定改变的P3型伸展蛋白模体(Ser-Hyp-Hyp-Hyp Hyp-Ser-Hyp-Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Tyr-Tyr-Tyr-Leu，其中最后1个氨基酸残基由Lys变为Leu)8个重复的合成基因表达中，有少量Hyp多聚糖基化，可能是在回文结构中间位置非毗连Hyp上发生阿拉伯半乳聚糖糖基化(Held et al., 2004)。大豆RPRP1 (富含重复脯氨酸1类蛋白)中非毗连Hyp残基未被糖基化(Datta et al., 1989)。综合以上各种情况，说明非毗连Hyp可能不糖基化，或阿拉伯半乳聚糖基化，或单阿拉伯糖基化(如花旗松) (Kieliszewski et al., 1994a)。Estevez等(2006)认为非毗连Hyp糖基化模式由两侧氨基酸序列决定。

Hyp的糖基化对伸展蛋白构象产生影响。在毗连的Hyp上添加短的寡糖，有助于将毗连羟脯氨酸的糖肽模体锁定成左手聚合多脯氨酸螺旋构象，并形成一刚性的亲水域，而非毗连的Hyp区域保持了分子的柔性，在聚合的非毗连Hyp上可能添加较长的聚合糖，促进形成1个拓展的随机卷曲构象(Wegenhart et al., 2006)。Schnabelrauch等(1996)证实蕃茄中P1型伸展蛋白单体在氟化氢脱糖后，不再产生交联反应。这一研究结果显示糖基化影响交联反应的发生，糖基化可能是伸展蛋白单体交联作用发生的前提，然而对这一问题的确切解答还需要更多的试验证据。

除了Hyp的不同糖基化模式，伸展蛋白还可能在丝氨酸残基上发生单半乳糖糖基化(Smith et al., 1984)。3种双子叶P3型伸展蛋白类似物中，半乳糖与阿拉伯糖含量比为1: 10 ~ 11，表示在每个丝氨酸上发生单半乳糖糖基化(Held et al., 2004)。此糖分组成与番茄中天然P3伸展蛋白一致，但与含(Ser-Hyp-Hyp-Hyp)_n和(Ser-Hyp-Hyp)_n的伸展蛋白不同，这两者含富余的阿拉伯糖，不含半乳糖(Shpak et al., 2001)。因此可能是半乳糖糖基化的模体中存在Lys，非半乳糖化的(Ser-Hyp-Hyp-Hyp)_n与(Ser-Hyp-Hyp)_n中缺乏Lys，可能是氨基酸序列密码指导了伸展蛋白中Ser残基的单半乳糖糖基化。

相同组织中同一种伸展蛋白，有时可能发生不同的糖基化模式，由不同的糖分组成，或阿拉伯糖基化，或阿拉伯半乳糖基化，在以伸展蛋白模体构成的人工融合基因表达产物中，分解的单糖不仅有阿拉伯糖与半乳糖，还出现了鼠李糖(Estevez et al., 2006)，在P3型伸展蛋白类似物中有总糖含量1% ~ 2%的鼠李糖与葡萄糖(Held et al., 2004)。但目前对鼠李糖、葡萄糖基化模式缺乏研究。因此植物伸展蛋白糖基化不仅存在单糖成分的特异性、糖链长度与组成的特异性、加糖氨基酸残基的特异性、加糖氨基酸残基两侧序列的特异性，还存在细胞中伸展蛋白分子糖基化的时空特异性，调节模式复杂。

4.3 羟基化

伸展蛋白氨基酸序列即初级结构特异性决定了羟基化模式(Kieliszewski et al., 1990)，对比各种特异脯氨酰羟基化酶，发现它们对毗连的四肽有特异性，其中二肽序列如Lys-Pro，Tyr-Pro，Phe-Pro从不羟基化，但Pro-Val都发生羟基化，在拟南芥中有11个脯氨酰4-羟化酶P4H，其中对P4H-1与P4H-2进行的研究较为深入(Tiainen et al., 2005)。Tiainen等(2005)研究发现，P4H-2由299个氨基酸组成，P4H-2与P4H-1有33%的序列同源性，但两者催化底物特异性有着显著的差别，这预示了P4H-1与P4H-2在植物细胞中可能起着不同的作用。与P4H-1相比，P4H-2对胶原蛋白样肽(collagen-like peptides)的羟基化修饰效率很低，而对缺氧诱导的转录因子样肽(hypoxia-inducible transcription factor like peptides)的羟基化修饰不起任何作用。研究还发现，所有被P4H-2高效羟基化修饰的肽链都含有至少3个连在一起的脯氨酸。通过对1个伸展蛋白样肽(SPPPVYKSPPPPVKHYSPPPV) N末端的测序结果显示，P4H-2偏好对肽链C末端脯氨酸三聚体(PPP)中的第3个脯氨酸进行羟基化修饰。在催化羟基化反应中，P4H-1与P4H-2的辅离子，如二价铁离子、2-氧戊二酸盐及抗坏血酸的K_m值基本接近，但其他金属辅离子的K_m值在P4H-2中比在P4H-1低3倍左右。伸展蛋白羟基化与糖基化均在内质网中进行(Estevez et al., 2006)。

5 伸展蛋白的系统进化 5.1 Ser-Hyp₄模体的进化

含Ser-Hyp₄模体的伸展蛋白可能在高等双子叶植物中有一定的代表性，而在相对低等的双子叶植物以及单子叶禾本科植物中可能含量较少(Fong et al., 1992)。番茄、胡萝卜、菜豆、油菜(Evans et al., 1990)的伸展蛋白都含有1个高重复的Ser-Hyp Hyp-Hyp-Hyp五聚肽序列，在巴旦杏中含有未经试验确定是否发生羟基化的SPPPP模体。在相对低等的双子叶植物甜菜中发现伸展蛋白不含Ser-Hyp₄模体，而是以被隔开的形式(Ser-Hyp-Hyp-[X]-Hyp Hyp)存在，大豆结瘤蛋白中也有1个类似的结构，作为高等双子叶植物伸展蛋白的典型模体Ser-Hyp₄被1个短的插入序列隔开，说明Ser-Hyp₄并非不可变的模体(Li et al., 1990)，在进化过程中可能发生了插入突变。

玉米伸展蛋白THRGP经胰凝蛋白酶消化，生成的聚合肽中含有1个四羟脯氨酸聚合肽，其氨基酸十聚模体为Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Thr-Hyp-Val Tyr-Lys，与双子叶P1型伸展蛋白高度相似(Kieliszewski et al., 1990; Fong et al., 1992)。在另外2个聚合肽中，多次重复出现Ser-Hyp-Lys-Pro-Hyp Thr-Pro-Lys模体，区别于双子叶P1型十聚体，在第3位残基Lys取代了Hyp，第8，9位Val-Tyr消失。因此玉米THRGP分子中除了1个C端的Ser-Hyp₄模体单独出现外，还有1个Ser-Hyp-Lys-Pro-Hyp五肽模体取代了高等双子叶植物中的Ser-Hyp₄，单独的Ser-Hyp₄模体存在于高等单子叶禾本科(Gramineae)植物中，可能是进化过程中残余的痕迹，C尾巴可能代表了这样一个痕迹(Kieliszewski et al.，1990)。

根据被子植物的起源与单、双子叶植物的分化，玉米中THRGP单一的C端Ser-Hyp₄模体可能意味着Ser-Hyp₄是一个保守的原始特征，从而推断裸子植物伸展蛋白中也可能存在Ser-Hyp₄模体(Fong et al.，1992)。花旗松SP2的1个聚合肽序列为Lys Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp-Lys-Pro-Ala-Hyp-Ala-Hyp-Tyr Tyr，含有Ser-Hyp₄-Lys序列，类似于双子叶植物P3型伸展蛋白中的模体。而另一聚合肽(Lys-Ser-Hyp Hyp-Hyp-Thr-Hyp-Tyr)与双子叶植物P1型伸展蛋白典型的Ser-Hyp₄-Thr-Hyp-Val-Tyr-Lys序列相似(Fong et al., 1992)。花旗松SP2与双子叶植物的P1，P3型伸展蛋白有共同的特征，这意味着P1，P3型2个不同的伸展蛋白可能从一个共同的祖先分化而来。Wycoff等(1995)证实P2与P3两种伸展蛋白的模体同时存在于菜豆HRGP4.1蛋白中; Kieliszewski等(1994a)认为这2种类型的伸展蛋白模体在进化早期已经进行了分化，因此它们在菜豆HRGP4.1中的聚合可能代表了一个近期的重组，或可能是一个保留祖先形式的例子。

Ser-Hyp₄也存在于裸子植物与单子叶植物中，并非是高等双子叶植物所特有，说明它是一个普通的有花植物特征，也说明它确实是一个古老的模体，可能起源于被子与裸子植物分化前，而据推测被子与裸子植物分化是在3亿6千万年前(Troitsky et al.，1991)。双子叶植物的伸展蛋白由多基因家族编码，表达大量不同的mRNA(Showalter et al., 1991)。而单子叶谷类植物中的伸展蛋白由一个单基因家族编码，一种伸展蛋白可能是单个基因产物(Stiefel et al.，1990)。

5.2 所有HRGP都属于伸展蛋白家族

Stebbins(1992)认为伸展蛋白作为一种结构蛋白可以作为系统学研究的极好标记。根据HRGP /伸展蛋白有无交联模体Val-Tyr-Lys可以分成2类:一类含Val-Tyr-Lys模体，包括RPRP(其中含结瘤蛋白、裸子植物的PHRGP)，甜菜split-block伸展蛋白，双子叶P1、P2伸展蛋白; 另一类不含Val-Tyr Lys模体，包括双子叶P3型伸展蛋白，阿拉伯胶树(Acacia senegal)的阿拉伯糖胶蛋白，裸子植物的伸展蛋白SP2，玉米的THRGP、HHRGP，AGP等(Smith et al., 1986; Kieliszewski et al., 1992; 1994a)。

HRGP中的模体数量较少，有些相互间容易转换，Pro密码子CCX第1位碱基的变化可转变为Ser (UCX)，Ala(GCX)，Thr (ACX)，具有Ser-Hyp₄模体的伸展蛋白可能通过密码子中碱基的改变、插入-缺失突变等形式转换成其他模体形成RPRP，AGP等。因此RPRP，AGP等虽与典型含Ser-Hyp₄模体的伸展蛋白比较发生了高度分化，但它们代表同一个蛋白家族，家族范围从碱性的、糖基化最少的RPRP，到碱性的、广泛阿拉伯糖基化的P3型伸展蛋白(主要含Ser-Hyp₄模体)，再到酸性的、高度糖基化的AGP，构成了系统发生的连续性(Ladunga，1992)。根据针对不同植物伸展蛋白、AGP和树胶等的研究，推断所有的HRGP均来自于一小组古老型肽，有共同祖先，因此所有上述蛋白都属于伸展蛋白家族(Kieliszewski et al., 1994a; 1994b)。

6 结语

伸展蛋白作为细胞壁中的主要结构蛋白，对植物的形态及正常生长发育都具有重要作用。目前对伸展蛋白开展的功能研究中，以拟南芥Atext3基因编码的蛋白研究最为深入，同时对分子交联作用形成IDT，di-IDT及pulcherosine的生化机制也取得了明显的进展，但对于广泛存在的含Val-Tyr-Lys模体的伸展蛋白分子间的交联形式还未通过试验证实。在拟南芥转伸展蛋白基因研究中，已产生植株矮化与细胞密度提高等方面的变异，如能加以利用，有利于提高一些经济作物矮化和抗倒伏的能力。已开展的伸展蛋白研究主要以草本植物为主，木本植物中的研究则相对较少，虽然草本植物的研究结果对木本植物提供了有益的借鉴，但木本植物细胞壁有其特殊构造，要了解伸展蛋白对木本植物细胞壁形成和其在细胞壁结构中的作用，还必须以木本植物为材料开展研究。目前木本植物的模式物种杨树的全基因组序列已经完成测序，为在木本植物中深入开展伸展蛋白研究提供了良好的基础。通过深入开展木本植物伸展蛋白研究，有望在提高木材的机械强度方面开拓一个新的领域。