Era蛋白结构和功能研究进展

摘要 Era（Escherichia coli Ras-like protein） 蛋白是一类含有典型的GTPase结构域和Ⅱ型KH结构域的双结构域的特殊类型的GTP结合蛋白。Era是细菌存活必需的，具有多样的生物学功能，如细胞生长发育、细胞凋亡、细胞自噬、免疫反应和核糖体成熟等。Era同源蛋白广泛存在于动植物和人类体内，其结构特点和功能多样性近年日益受到关注。综述了细菌Era及其动植物同源蛋白的结构、功能和分子作用机制，阐释了不同物种Era蛋白的结构和功能的异同，以期为进一步深入了解Era蛋白的进化特点和生物学功能提供更多的参考。

关键词 Era蛋白；结构；生物学功能

中图分类号 S184 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）19-0016-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Advance in the Structure and Function of Era Protein

YANG Ying，FENG Ying-hui，CHEN Jia-wei et al

（College of Life and Environmental Science，Wenzhou University，Wenzhou，Zhejiang 325035）

Abstract Era （Escherichia coli Ras-like protein） protein is a special type of GTP binding protein with dual domains that contains a typical GTPase domain and a type Ⅱ KH domain.Era is essential for bacterial survival and has various biological functions，such as cell growth and development，apoptosis，autophagy，immune response，and ribosome maturation.Homologous proteins of Era are widely present in animals and plants including humans，and their structural characteristics and functional diversity have received increasing attention in recent years.This article reviews the structure，function，and molecular mechanism of action of bacterial Era and its homologous proteins，and explains the similarities and differences in the structure and function of Era proteins from different species.The review will provides more reference for further understanding the evolutionary characteristics and biological functions of Era proteins.

Key words Era；Structure；Biological function

基金项目 浙江省自然科学基金项目（LY20C160010）。

作者简介 杨莹（1999—），女，黑龙江木兰人，硕士研究生，研究方向：植物分子遗传学。*通信作者，讲师，博士，从事植物分子遗传学研究。

收稿日期 2023-11-20

1986年，人们在大肠杆菌（Escherichia coli）中首次发现了一个与酵母Ras类（Rat Sarcoma-like）GTP结合蛋白（GTP binding protein）同源，含有361个氨基酸，具有较低的GTP水解活性的蛋白，命名为大肠杆菌Ras类蛋白（E.coli Ras-like protein，Era）^［1］。随后研究发现Era蛋白几乎存在于所有的细菌中，是细菌分裂和存活必需的蛋白，其蛋白序列具有高度的保守性，不同种类的细菌的Era蛋白可以互补大肠杆菌Era的遗传功能^［2-6］。细菌的Era蛋白含有N端的GTPase结构域和C端的Ⅱ型的KH结构域（K homology domain，KH），Era的C端的RNA特异性结合的KH结构域是区别于其他GTP结合蛋白结构的主要特征，这个特殊的结构域使Era成为一类新型的GTP结合蛋白^［7-8］。

近年来，Era蛋白被发现普遍存在于古细菌（Methanococcus 和Pyrococcus）、蓝藻（Synechococcus elongatus PCC 7942）、金鱼草（Antirrhinum majus）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）、线虫（Caenorhabditis elegans）、果蝇（Drosophila melanogaster）、小鼠（Mus musculus）和人类（Homo sapiens）等原核生物和真核生物中，参与细胞分裂、细胞凋亡、自噬调控、碳代谢、脂肪酸代谢和核糖体成熟等广泛的生物学过程^［9-12］。已有研究表明，Era能够识别并结合到16S rRNA的3′端序列，RNA的结合刺激了Era蛋白的GTP水解活性完成向GDP结合形式的转换，行使其GTPase活性；Era是核糖体生物合成的因子之一，作为16S rRNA加工和成熟的伴侣，参与核糖体小亚基的组装^［8，13］。随着Era蛋白及其同源蛋白在原核生物和真核生物的功能解析，人们对Era蛋白的结构和功能了解逐渐深入。该研究介绍了Era蛋白的系统分类、结构特点和分子作用方式，着重介绍了Era蛋白在不同物种中的生物学功能，同时展望了Era蛋白的未来研究热点，旨在为深入了解Era蛋白的生物学功能提供更多信息和资料。

1 Era在GTP结合蛋白家族系统分类地位

基于生物体内广泛分布的P-loop GTPases和GTPase相关蛋白系统发育分析发现，GTP结合蛋白可以分为两类：翻译因子相关类（translation factor related，TRAFAC），信号识别颗粒与MinD及BioD类（signal recognition particle and the MinD and BioD，SIMIBI）。这两个大类由8个超家族（superfamily）构成，含有超过20个不同的家族（family），包括57个亚家族（subfamily）^［12］。SIMIBI类GTP结合蛋白包括信号识别粒子（signal recognition particle，SRP）和信号受体（signal receptor，SR）蛋白，主要参与蛋白定位、染色体分区、膜运输和代谢过程。TRAFAC类GTP结合蛋白包括翻译因子（translation factors）、异源三聚体G蛋白（heterotrimeric G proteins）、Ras蛋白、隔膜蛋白（leptins）和动力蛋白（dynamin）^［14］。TRAFAC类GTP结合蛋白主要参与翻译、信号转导、细胞运动和细胞内的物质转运。TRAFAC类GTP结合蛋白分为5个超家族，分别是翻译因子类超家族（translation factor superfamily）、TEES类超家族（TrmE-Era-EngA-YihA-Septin like superfamily，TEES superfamily）、OBG-HflX超家族（OBG-HflX superfamily）、Ras-like超家族（Ras-like superfamily）和肌球蛋白-驱动蛋白超家族（Myosin-kinesin superfamily）。TEES超家族蛋白包含TrmE、FeoB、YihA、Era、EngA和Septin 6个蛋白家族，Era蛋白属于TEES超家族蛋白之一^［12］。

2 Era蛋白及其同源蛋白结构特征

2.1 Era蛋白的结构特征

生物体内GTP结合蛋白的结构识别特征是5个保守的特征基序（motif），包括G1～G5 5个结合基序（含PM1-3磷酸盐结合基序和金属离子结合基序）。G1/PM1基序是P-loop基序，含有特征性的G-GKS/T序列（称为Walker A motif）^［15-16］。G2/PM2基序含有一个Thr保守位点，G3/PM3基序保守序列是DxxG，G4基序保守序列是N/TKxD，G5基序保守序列是SAK。GTP结合蛋白的二级结构是由6个β折叠和5个α螺旋组成^［8］。

Era蛋白虽然属于GTP结合蛋白家族，但其结构与GTP结合蛋白有较大区别。已有研究表明，细菌Era蛋白是一个N端含有GTPase结构域和C端含有Ⅱ型KH结构域的双结构域蛋白。细菌Era蛋白N端的GTPase结构域含有4个保守基序（G1～G4 motif），其中G1的特征基序是GRPNVGKS，G2的特征基序是I-S-K-GTTR，G3的特征基序是DTPG-H，G4的特征基序是VNKVD。细菌Era蛋白C端含有Ⅱ型KH结构域，含有4个特征基序（Box A～D），Box A的基序是E-IRE，Box B的基序是E-P-S-V-IE，Box C的基序是QK-VIG-G，Box D的基序是VKV-W^［6，17］。

Era蛋白晶体结构研究证实：Era蛋白的GTPase结构域由中央的6个β折叠和两侧的5个α螺旋构成，GTP结合位点位于其中，GTPase结构域的2个转换区域（switch regions I和Ⅱ）与GNP（non-hydrolyzable GTP analog GDPNP）相连接；Era蛋白的KH结构域由3个β折叠和3个α螺旋构成的αββααβ的拓扑结构，呈现典型Ⅱ型的KH结构域特征，折叠成三层的α-β-α“三明治”结构，表面有一个RNA结合槽，KH结构域的GXXG环（α7-α8）和可变环（β7-β8）与RNA绑定。GTPase结构域和KH结构域由17个氨基酸的连接体（linker）连接，长度对于核糖体的生物合成是重要的^［8］。

2.2 植物和动物中Era同源蛋白的结构特征

已有研究表明，细菌的Era蛋白的同源蛋白也存在于动植物和人类中，植物体内Era的同源蛋白称为ERG（Era-related GTPase），动物体内的Era的同源蛋白称为ERA（大写字母区别于细菌的Era），人类的Era的同源蛋白用ERAL1（Era G-protein-like 1）表示^{［10，18-22］}。

Cheng等^［20］对具有代表性的14个物种植物的21个与Era同源的蛋白进行了系统发育分析，发现21个Era的同源蛋白可以分为4个进化分枝（clade），其中与细菌的Era蛋白亲缘关系最近的2个植物Era同源蛋白为叶绿体定位的拟南芥AtERG1（At5g66470）和水稻OsERG1（Os05g39220）。为了明确植物ERG1蛋白的结构域特征，笔者利用Phytozome数据库同源搜索了与Era、AtERG1和OsERG1蛋白同源的代表性植物大豆（Glycine max）、棉花（Gossypium herbaceum）、烟草（Nicotiana tabacum）、白菜（Brassica rapa）、玉米（Zea mays）、小麦（Triticum aestivum）、高粱（Sorghum bicolor）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的同源蛋白，这些代表性的植物ERG1蛋白结构域特征分析结果显示，无论是低等植物还是高等植物的ERG1蛋白，均含有GTPase结构域和Ⅱ型的KH结构域。进一步，利用基于氨基酸序列的多序列比对工具分别对植物ERG1蛋白的2个结构域的特征进行分析，结果表明：植物ERG1蛋白的GTP结合结构域也含有与细菌Era类似的GTPase结构域结合活性必需的G1（GK/RPNV/VGKSTL），G2（KPQTTR）和G3（DTPGVI）3个保守性基序；植物ERG1蛋白的Ⅱ型KH结构域与细菌的KH结构域不同，含有特殊的KH结构域保守序列（KH domain conserved sequence，KHC） I/L/V-I/L-G-XX-G-X2-I/L（图1、2）。