GAF结构域的分类、结构及功能

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GAF 结构域的分类、结构及功能

　　摘　　　　　要： GAF 结构域广泛存在于各种蛋白中, 其主要通过结合环核苷酸

cGMP、cAMP、生色团和血基质等小分子作为信号分子、光或者气味受体, 配合其他调节结构

域稳定蛋白质构象和传递信号。本文简要综述了 GAF 结构域的基本特征、分类、结构及功能,

为阐明一些重要信号转导途径及抗逆性研究提供了一定的理论依据。

　 Abstract： The GAF domain presenting in various proteins are involved in maintaining protein

conformation stability and signal transduction. The GAF domain often receives and transduces signals

through binding to small signal molecules such as cGMP, cAMP, chromophore and heme, and

functions as light or odor receptors in company with other regulation domains. In this paper, the basic

characteristics, classification, structure and functions of GAF domains are summairzed, which

provides theory basis for the researches of the signal transduction pathway and stress resistance.

　 Keyword： GAF domain; signal transduction; phytochrome; phosphodiesterase; adenylate

cyclase;

GAF 结构域是以最早被发现含有这个结构域的蛋白质来命名的，由特异性的 cGMP 磷酸二酯酶

(cGMP-binding phosphodiesterases) 、腺苷酸环化酶 (adenylyl cyclases, AC) 和细菌转录因子 FhlA

(formate hydrogenlyase transcription activator) 的首字母构成。GAF 结构域极少单独出现，通常

作为蛋白质的一部分参与信号转导过程[1]。GAF 结构域与信号分子的结合通常是接收和传导

化学信号，与发色基团的结合通常是接收物理信号 (如光线) [2]。GAF 结合的配体主要为环核

苷酸 cGMP 和cAMP，此外反式甲硫氨酸亚砜、亚铁血红素、胆素、四吡咯[1] 、氨基酸 (如全

局调控蛋白 CodY 的2个GAF 结构域) 也可以作为配体与 GAF 结合[2]。目前，已有利用 X射

线晶体衍射和核磁共振技术解析一些 GAF 结构域的研究报道，其中酿酒酵母 YKG9 蛋白的

GAF 结构域最先被解析[3];随后，Martinez 等[4,5]解析了小鼠磷酸二酯酶串联 GAF 的晶体结

构，并报道了蓝细菌腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase, AC) CyaB2 的串联 GAF 结构。近年来，

有研究发现，磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDEs) 的GAF 结构域可作为药物靶标开发[6];耐辐

射奇球菌的光敏色素的 GAF 结构域在光转化模型研究中可作为胆素结合位点[7,8,9]，在光遗传

学的研究中发挥着重要作用。

　　 1 　、GAF 结构域的分类

GAF 结构域广泛分布于多种蛋白质中，在细胞中主要起着信号受体的作用，很多种类的小分子

包含一些信号分子和发光基团均可与之结合[10]。GAF 结构域通常以串联的形式存在，极少数

情况下也可作为单独功能的蛋白质出现。近年来随着研究的深入，发现在一些光受体、气味受

体以及全局调控蛋白中也存在串联 GAF 结构域。根据结合的配体不同，GAF 结构域还可分为

以下 5个种类[11]。

　 1.1 　、光受体中的 GAF

植物光敏色素是一种光受体，由 N末端光感受区域和 C末端信号传导区域构成，N末端光感受

区域主要由 GAF 结构域和 Per-Arnt-Sim (PAS) 结构域组成[10]。其中 GAF 结构域包含生色团的

结合位点，PAS 则主要负责调节光敏色素对不同波长光的响应[11]。在光合细菌、真菌中也相

继发现光受体-光敏色素，尽管细菌、真菌中的光敏色素在性质上与植物光敏色素差异较大，

但二者 GAF 结构域的同源性较高[12]，说明 GAF 结构域作为光敏色素的重要组成成分，在进

化中较保守。

1.2 　、气体受体中的 GAF

GAF 结构域在植物乙烯信号途径中具有特殊作用，拟南芥中的 5个乙烯受体家族

ETR1、ERS1、ETR2、EIN4 和ERS2 的基本结构均包含 1个GAF 结构域，在乙烯信号响应和

传导中发挥着重要作用[13,14]。GAF 还可以通过氨基酸残基与血基质结合，从而感受一些气体

信号，如结核分枝杆菌通过 GAF 结构域感受到宿主组织缺氧后会进入休眠期，进入持留状态

[15]。

　 1.3 　、环核苷酸受体中的 GAF

环核苷酸 (cylic nucleotides, cNMP) 是机体内重要的小分子信号物质，GAF 可作为 cNMP 的受体

参与细胞内化学信号的传导[16]。哺乳动物中较早发现的 GAF 结构为 PDEs 的串联 GAF-A/B，

研究发现 PDEs 可以调节所有使用cGMP 或cAMP 作为第二信使的通路。目前已知的PDEs 家

族有11 个，即PDE1～PDE11，且至少存在 21 个亚型[16]，其

中，PDE2、PDE5、PDE6、PDE10 和PDE11 的氨基端都含有 1对GAF-A/B 结构

[17,18,19]。AC 存在于各种生物细胞中，其能在外界信号刺激和细胞内代谢变化条件下催化

ATP (adenosine triphosphate) 生成 cAMP (cyclic AMP) 和焦磷酸 (pyrophosphate, PPi) ，从而调节

机体各种生理反应[20,21]。蓝细菌 AC CyaB2 的串联 GAF 结构域含有 1对GAF-A/B 结构，其

序列与PDEs 串联 GAF 结构的相似性较高，二者可实现部分功能的互换[21,22,23]。

　　 1.4 　、具有单独酶活性的 GAF

GAF 串联结构域多数情况下主要以复杂蛋白的配体参与胞内外信号转导，但在极少数情况下，

单个的 GAF 结构域也可作为蛋白质发挥作用，如 Lin 等[15] 研究发现一种新型的蛋氨酸亚砜

(methionine sulfoxide, MetO) ———还原酶游离蛋氨酸 R 型亚砜还原酶(free methionine sulfoxide

reductase, f RMsr) ，其长度为183 个氨基酸残基，作为一类重要的氧化还原调节蛋白参与细胞

的防御和抗衰老过程。Pfam 分析结果显示，f RMsr 只有1个长度为129 个氨基酸残基的 GAF

结构域，这是 GAF 家族中第1个被发现具有单独酶活性的 GAF 结构域。

　 1.5 　、类 GAF 结构域

耐辐射奇球菌关键蛋白 PprI (inducer of pleiotropic proteins promoting DNA repair) 的C末端与肺

炎克雷伯菌传感器组氨酸激酶CitA (histidine kinases, HK) 和磷酸二酯酶 2A (phosphodiesterase

2A, PDE2A) 的GAF 结构域高度相似[24]，比较三者与柠檬酸盐和cGMP 配体组成的复合体结

构，发现三者的配体结合位点和信号通路都有较高程度的重叠[25]，因此 PprI 的C末端也被称

为PprI 的GAF 结构域。进一步研究发现，当去除 PprI 的C端，会导致耐辐射抗性大幅度下

降，表明PprI 的C末端可能在耐辐射响应机制中起着传感器的作用[26]。

2 　、GAF 结构域的结构

GAF 结构域通常作为蛋白质的一部分，配合其他的调节结构域如 PAS (Per-Arnt-Sim) 结构

域、HAMP (histidine kinases, adenylyl cyclases, methy binding proteins, phosphatases) 结构域以及

各种感应调节结构域共同发挥作用[22]。蛋白一般含有 1个GAF 结构域或者 1个串联 GAF 结构

域，极少情况下，细菌蛋白质存在 3个及 3个以上连续排列的GAF 区域，如在聚球藻属或厌氧

粘细菌中参与多传感器信号转导的组氨酸激酶有 6个GAF 结构域[4]。GAF 超家族是一类主要

通过与配体分子结合来调节蛋白信号转导的结构域集合，其家族成员的一级结构复杂多变，但

大多数由 150 个左右氨基酸残基组成，有类似的一些结构特征，其中哺乳动物PDEs 和蓝细菌

AC CyaB2 的串联 GAF 结构域是典型代表[27,28]。

2.1 　、GAF 结构域基本特征

GAF 结构域均存在相似的三维折叠结构，N端和 C端的 α1、α2、α3、α5 螺旋形成了结构的外

层，无规则卷曲和短的α4 螺旋结构形成了相对外层，有 6个中心反向平行的β折叠，β折叠形

成的弯曲平面将 α螺旋分为两部分[3]。反向平行的β折叠形成的弯曲平面是配体结合口袋的基

本结构，配体结合口袋的部分区域被 α3、α4 螺旋和一些环状卷曲所覆盖，α2、α5 在配体结合

口袋的另一面[15] (图1) 。

图1 GAF 三级结构[3]

Fig.1 Tertiary structure of GAF[3]

2.2 　、2种经典的串联 GAF 结构域结构特征

GAF 的结构域通常是以二聚体的形式出现，主要形成双重对称平行和反向平行 2种结构。GAF

二聚体结构域中最经典的代表是哺乳动物磷酸二酯酶家族中的 PDE2 和蓝细菌 AC CyaB2，二

者的 GAF 结构域都是串联 GAF 结构域的形式[4]。所有结合环状核苷酸的串联 GAFs 均至少含

有1个由 5个氨基酸残基NKX (5-24) FX3DE 构成的基序(NKFDE 基序) ，此基序对GAF 结构

域的正确折叠起着重要作用，且大多数串联 GAF 结构域中 NKFDE 的基序都是保守的。此外，

在串联 GAF 结构域的前端还存在一段较长的 N端肽段，与串联 GAF 结构域构成一个整体，并

影响串联 GAF 结构域与环核苷酸的亲和力[3]。

PDE2 的GAF 的结构域是 1 个双重对称平行的二聚体(图2-A) ，主要包含两大部分，即GAF-A

和GAF-B，其中 GAF-A 和GAF-B 被一个长的 α螺旋隔开，每个GAF-A 结构域都彼此离得很

近且似乎直接参与二聚反应，而GAF-B 结构域是分开的[8]。在 PDE2 的串联 GAF 中，GAF-A

和GAF-B 均包含 NKFDE 基序，通过该基序突变研究发现，每个GAF-B 结构域结合 1个

cGMP，并将其完全淹没在结合口袋中，而与GAF-B 有着类似结构的 GAF-A 结构域不结合配

体[22]，表明要结合或者释放 cGMP，这个结构域必须开放到一定程度并允许外部物质进入。

Martinez 等[5]研究表明蓝细菌 AC CyaB2 的串联 GAF 结构的晶体分辨率为1.9?，是 1个反向平

行的二聚体结构，与 PDEs 的串联 GAF 结构域具有极高的序列相似性。二者的 GAF-A 和GAF-

B结构域都是由 32 个氨基酸长度的α螺旋连接，通过序列比对发现所有PDEs 和AC 串联 GAF

结构域的这个 α螺旋长度基本相同[1]，表明这个 α螺旋对二聚体的形成至关重要[26]。相比

PDE2 的串联 GAF 二聚体结构，AC CyaB2 串联 GAF 二聚体表面有不同的排列，在其反向平行

构象中，1个蛋白中的 GAF-A 会与另一个蛋白的 GAF-B 形成并列式排布，且CyaB2 串联 GAF

的N端α螺旋被折叠到二聚体中心，导致N端α螺旋点和 α螺旋连接处的表面相互作用有所增

强(图2-B) 。

图2 磷酸二酯酶 PDE2 (A) 和腺苷酸环化酶 Cya B2 (B) 串联 GAF 的结构域[5]

Fig.2 The domain of phosphodiesterase PDE2 (A) and adenylate cyclase Cya B2 (B) in series GAF[5]

　 3 　、GAF 结构域的功能

　　 3.1 　、串联 GAF 结构域的功能

　　 3.1.1 　、光信号传导

植物光敏色素作为植物中的光受体，通过接受光信号并将信号传到光反应中心，然后将处理好

的光信号通过光反应中心输出途径传递给下游分子，进而调控特异基因的表达。光敏色素主要

通过 GAF 结构域的保守性半胱氨酸残基与线性四吡咯色素分子的共价连接，形成具有光活性

的色素蛋白，进行信号传导，在植物生长发育、形态建成中发挥着重要作用[29]。蓝细菌中感

光蛋白主要通过 GAF 结构域或 PAS 结构域发挥与发色团结合、适当的光转换以及对从近紫外

到可见光的广泛光谱作出反应等功能[1]。在蓝细菌感光蛋白中，结合色素的 GAF 结构域已经

具有完整的光活性，而植物光敏色素需要PAS 结构域、GAF 结构域和 PHY 结构域串联结合在

一起才具有完整的光活性[30,31]。

　 3.1.2 　、气体信号转导

拟南芥的5 个乙烯受体基因 (ETR1、ERS1、ETR2、EIN4 和ERS2) 可分为 2个亚家族，通过下

调乙烯反应基因来调节乙烯信号的输出[32]。谢芳[33]研究表明，ETR1 和ETR2 两个亚家族之

间可以通过 GAF 结构域进行相互作用，转导乙烯信号。Catalá 等[32]研究表明，ERS1 受体中

GAF 结构域的点突变会导致拟南芥对微弱乙烯不敏感。病原体结核分枝杆菌在感受到宿主组织

缺氧后会进入休眠期，其主要是通过 DevRST 操纵子系统进行响应。DevRST 操纵子系统由双

组分信号转导系统 DevRS 和DevT 两部分组成，其中 DevRS 由包含 1对串联 GAF-A/B 结构的

组氨酸激酶DevS 和反应调控子 DevR 组成，DevT2 是1个信号感受蛋白。DevS 的GAF-A 通过

H149A 氨基酸残基与血红素的铁原子协作，从而与血红素结合，传导气体信号响应宿主组织缺

氧[15]。

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GAF结构域的分类、结构及功能　　摘　　　　　要：GAF结构域广泛存在于各种蛋白中,其主要通过结合环核苷酸cGMP、cAMP、生色团和血基质等小分子作为信号分子、光或者气味受体,配合其他调节结构域稳定蛋白质构象和传递信号。本文简要综述了GAF结构域的基本特征、分类、结构及功能,为阐明一些重要信号转导途径及抗逆性研究提供了一定的理论依据。　Abstract：TheGAFdomainpresentinginvariousproteinsareinvolvedinmaintainingproteinconformationstabilityandsignaltransduction.TheGAFdo...

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