维管植物的经典G蛋白偶联受体（GPCR）

《Plant Physiology and Biochemistry》：Canonical G-protein coupled receptors of vascular plants

G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR）是具有7次跨膜结构的蛋白，负责将环境信号转导为细胞内信号。在变形虫总界（Amorphea）中已发现超过40,000个GPCR直系同源基因，仅人类基因组就编码约800个。相比之下，在维管植物这一主要陆地植物谱系中，仅报道了少数几个GPCR候选蛋白。为深入理解植物GPCR及其在植物细胞信号传导中的潜在功能，本研究综合运用聚类策略、系统发育重建和计算结构预测进行了全面的生物信息学分析。研究表明，根据结构标准，GCR1很可能是模式维管植物中唯一保留下来的经典GPCR。

本研究深入探讨了维管植物中经典G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR）的进化保守性与功能多样性。现有研究发现，尽管GPCR超家族在动物界中极为多样且功能广泛，但在维管植物中的同源基因数量极少且存在争议。部分植物七次跨膜蛋白，如孕激素和脂联素受体家族（PAQR），并不通过G蛋白转导信号；而某些植物蛋白，如CLAVATA和受体样激酶（RLK），虽能与G蛋白互作，却不符合经典GPCR的结构定义。维管植物中的G蛋白亚基组成相对简约，仅含一个经典Gα亚基（GPA1）、一个Gβ亚基（AB1）和三个Gγ亚基（AGG1、AGG2A和AGG3），这限制了其信号组合的可能性。尽管如此，植物仍依赖G蛋白介导的多种生理过程，但关于潜在GPCR与其G蛋白、下游效应物及第二信使之间的精确互作机制仍存在关键知识缺口。
为系统鉴定植物中的经典GPCR，研究人员采用了多层次的生物信息学策略。首先，通过同源性搜索收集拟南芥（Arabidopsis thaliana）中的候选蛋白序列，包括利用代表性GPCR序列进行BLAST筛选、通过Dali服务器检索AlphaFold预测结构数据库，并整合文献已报道的候选列表，最终获得36个候选蛋白。其次，为对这些候选蛋白进行分类，研究人员将来自单向虫（Unikonta）（包括动物、真菌和原生生物）的27个具有代表性的经典GPCR序列与上述候选序列进行比对，并采用两种互补策略进行聚类分析：一是基于BLAST得分的序列聚类（CLANS算法），二是基于蛋白质跨膜区全局拓扑结构的三维结构聚类（TM-align算法）。系统发育重建则采用最大似然法与贝叶斯推断。此外，通过AlphaFold预测GCR1蛋白的三维结构，并与其直系同源基因进行多序列比对，以映射保守的结构模体。最后，为追溯GCR1的进化历史，收集了真核生物（包括后生动物、单细胞异养生物和绿色植物）的157个独特编码序列，并进行最大似然系统发育分析。所有分析均综合使用了序列同源性、结构相似性及进化关系来鉴定和分类潜在的经典GPCR。
研究结果与结论如下：
2.1 拟南芥中候选G蛋白偶联受体的鉴定与选择
研究人员通过同源性搜索和文献整合，最终收集了36个拟南芥候选G蛋白相关蛋白，包括已知的GCR1、MLO、TOM、HHP、GTG、CAND系列、RGS等蛋白，构建了综合的数据集。
2.2 基于当前GPCR分类框架对植物候选蛋白进行聚类
传统系统发育方法（最大似然法和贝叶斯推断）因植物与其他真核生物间序列分化过深而未能完全解析GPCR的分布。因此，研究人员采用基于序列相似性的CLANS网络分析和基于跨膜区三维结构拓扑的TM-align聚类作为补充。CLANS分析显示，除GCR1外，其余植物候选蛋白均聚集在经典GPCR分组之外；GCR1与B类和E类GPCR形成一个大群。三维结构聚类结果与序列分析高度一致：GCR1是唯一一个明确落入经典GPCR（B类和E类）聚类中的植物候选蛋白，而MLO等其他候选蛋白则形成独立于经典GPCR的远端折叠群。
2.3 AtGCR1的序列分析与结构预测
通过对GCR1直系同源基因进行多序列比对，研究人员发现GCR1在植物中高度保守（绿藻门内一致性超过60%），并识别出七个保守的结构模体。这些模体在AtGCR1中清晰可辨，对应于目前分离在不同动物GPCR类别中的特征性模体。例如，AtGCR1保留了E类GPCR的大部分保守模体，如TM5上的F_5.50xxP_5.53模体、连接TM3和ECL2的二硫键（Cys80与Cys151）、以及TM6上的SW_6.50xF模体（类似A类中的CW_6.50xP模体，与受体激活有关）。此外，GCR1还部分保守了A类GPCR特征性的钠离子结合口袋（关键残基D_2.50、S_3.39和W_6.48），以及B类受体的TLH_3.50模体和一个变异的P_6.41xxG_6.46模体。GCR1还包含与E类GPCR螺旋8稳定相关的SVxxxI模体。这些发现表明GCR1是一个嵌合结构，融合了多个GPCR谱系的特征性模体。
2.4 GCR1的直系同源性与保守性
最大似然系统发育分析（基于157个序列）揭示了GCR1在真核生物中的进化历程。在动物和单细胞异养生物中，GCR1的进化历史与物种树不完全一致，表现出“出生-死亡”的基因进化模式（如变形虫中有12个拷贝，海绵中有23个拷贝）。在绿色植物中，GCR1直系同源基因高度保守（646个保守位点/总1596位点，保守率40.48%）。多数模式物种仅含单拷贝基因，少数发生全基因组加倍的物种（如甘蓝型油菜、大豆、马铃薯、小麦）或特殊物种（如栓皮栎、油橄榄、无油樟、卷柏）具有多个拷贝。这一模式同样支持“出生-死亡”进化假说，并表明该基因在植物中受到严格的表达控制和净化选择。
2.5 讨论与结论
综合所有分析，研究人员得出结论：GCR1是维管植物中唯一保留的经典七次跨膜GPCR。其起源可追溯至单细胞真核生物，其独特的模体组合（包含源自A、B、E类的结构特征）以及在植物中高度保守且分化较少的特点，表明它可能代表了一个古老的GPCR变体。
需要强调的是，GCR1并非植物中唯一介导G蛋白相关信号的蛋白。大量文献表明，植物利用多种非经典受体（如富含亮氨酸重复的受体样蛋白FEA2、MLO家族蛋白等）与G蛋白互作，形成独特的信号转导策略。GCR1在脊椎动物中的直系同源基因（如人类GPR157）与磷脂酶C（PLC）信号通路相关，而在拟南芥中的过表达研究也证实GCR1能增强PLC活性和IP₃水平。公共转录组数据显示GCR1在根（尤其是根毛）中高表达，与其在根生长中的功能相吻合。因此，GCR1可能通过一个高度保守的、与PLC信号通路相关的机制，在植物细胞分化与生长调控中发挥作用，尽管其下游的具体信号级联仍有待进一步阐明。