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我校揭示葉綠素合成調控的新機制

核心提示: 近日,我校生命科學技術學院、農業微生物學國家重點實驗室端木德強教授課題組在國際學術期刊PNAS在線發表了關於葉綠體信號分子膽色素調控葉綠素合成的最新研究進展,闡明瞭光合微生物中膽色素小分子通過鎂螯合酶激活蛋白GUN4在轉錄後水平調控葉綠素合成的分子機制。

南湖新聞網訊(通訊員 張維清)近日,我校生命科學技術學院/農業微生物學國家重點實驗室微生物光合作用與生物固氮團隊端木德強教授課題組揭示了模式生物萊茵衣藻中膽色素分子通過GUN4蛋白調控葉綠素合成的分子機制,拓寬了對葉綠素合成調控的理解,並對探究葉綠體重要信號分子膽色素的更多生物學功能提供了新的見解。相關科研成果發表在在國際學術期刊PNAS上。

光合作用是地球上最重要的化學反應,利用太陽能將環境中的CO2轉化為有機物,將光能轉化為化學能,是絕大多數生命活動的能量和物質來源。光合微生物被譽為陽光驅動的細胞工廠,供應了超過50%的地球大氣層氧氣和全球初級生產力,是生物圈物質能量循環的主要原動力。對微生物高光效機理及其精準調控機制的研究是光合作用研究領域的重要創新方向。光合生物通過四吡咯途徑合成葉綠素。在葉綠體中,四吡咯前體物質5-氨基乙酰丙酸(ALA)至原卟啉IX(PPIX)處發生分支,形成葉綠素分支和血紅素分支。膽色素(BV或PCB)是血紅素分支的代謝產物,通常作為光受體光敏素或捕光蛋白藻膽體的生色團,參與光的感知與捕獲。在缺乏光敏素和藻膽蛋白的萊茵衣藻中,膽色素作為葉綠體反向信號,緩解光-暗轉變過程中產生的氧化脅迫並維持光合自養生長和光合系統I的穩定性。前期研究表明,膽色素的缺乏會影響衣藻細胞葉綠素的積累,但相應分子機制並不清楚。

葉綠素的生物合成受到多方面的調控,其中,ALA合成和鎂離子螯合酶(MgCh)是調控葉綠素合成的兩個重要節點。MgCh是由CHLH、CHLI和CHLD組成的多亞基複合物,負責葉綠素合成分支第一步反應。GUN4是一種在放氧型光合生物中普遍存在的蛋白,能與MgCh催化亞基CHLH互作並結合其底物和產物,作為MgCh的輔因子激活其活性並參與葉綠素合成調控。

圖1 葉綠體信號分子膽色素(PCB)和GUN4調控葉綠素合成的模式圖

圖1 葉綠體信號分子膽色素(PCB)和GUN4調控葉綠素合成的模式圖

本研究首先通過光譜分析和蛋白-小分子互作檢測等多種生化手段發現衣藻GUN4能與膽色素非共價結合,形成不具有光活化特性及熒光特性的複合物。PPIX具有光敏特性,與GUN4結合之後熒光強度急劇上升,而膽色素PCB則能有效猝滅該熒光(60倍以上)並形成GUN4:PCB:PPIX複合物。體外MgCh活性檢測實驗表明,在GUN4存在的情況下,膽色素能夠顯著增加MgCh活性20倍以上。免疫印跡實驗顯示,GUN4或膽色素的缺乏均會導致衣藻細胞內MgCh催化亞基CHLH1的積累大幅度減少。突變體表型分析表明,GUN4和膽色素的同時缺乏會嚴重影響衣藻細胞光養生長缺陷表型,使細胞呈現黃棕色。化學互補實驗則進一步證實,GUN4和膽色素對於CHLH1蛋白和葉綠素的積累都發揮重要作用。

研究首次揭示了血紅素分支產物膽色素與葉綠素分支第一步反應的調控蛋白GUN4互作、促進鎂螯合酶MgCh活性及維持MgCh催化亞基CHLH1的穩定性,提出了一種小分子-蛋白(Bilin-GUN4)互作在轉錄後水平調節葉綠素合成的新型調控機制,並進而提出該調控途徑在內共生起源的藍細菌、真核藻類及高等植物等光合生物中可能普遍存在。該研究不僅豐富了我們對葉綠素合成調控的理解,也為膽色素的多樣化且進化上保守的生物學功能研究提供了重要依據。

華中農業大學生命科學技術學院端木德強教授和美國加州大學戴維斯分校J. Clark Lagarias教授為該論文的共同通訊作者,端木德強教授課題組張維清博士為該論文唯一第一作者。本工作ITC實驗得到學校蛋白質平台殷平、張德林老師的協助。該工作得到國家自然科學基金、華中農業大學自主科技創新基金及生命科學技術學院龍雲計劃創新團隊的資助。

【4方】

Biosynthesis of chlorophyll and heme in oxygenic phototrophs share a common trunk pathway that diverges with insertion of magnesium or iron into the last common intermediate, protoporphyrin IX. Since both tetrapyrroles are pro-oxidants, it is essential that their metabolism is tightly regulated. Here we establish that heme-derived linear tetrapyrroles (bilins) function to stimulate the enzymatic activity of magnesium chelatase (MgCh) via their interaction with GUN4 in the model green alga Chlamydomonas reinhardtii. A key tetrapyrrole-binding component of MgCh found in all oxygenic photosynthetic species, CrGUN4 also stabilizes the bilin-dependent accumulation of protoporphyrin IX-binding CrCHLH1 subunit of MgCh in light-grown C. reinhardtii cells by preventing its photooxidative inactivation. Exogenous application of biliverdin IXα reverses the loss of CrCHLH1 in the bilin-deficient heme oxygenase (hmox1) mutant, but not in the gun4 mutant. We propose that these dual regulatory roles of GUN4:bilin complexes are responsible for retention of bilin biosynthesis in all photosynthetic eukaryotes to sustain chlorophyll biosynthesis in an illuminated oxic environment.

論文鏈接//www.pnas.org/content/118/20/e2104443118 

審核人:端木德強

責任編輯:匡敏