Nat Commun: 光合作用合成糖代谢中的三种蛋白质之间的故事

LMU的生物学家已经证明，“监督蛋白”和“激励蛋白”需要使第三个因子在光合作用中发挥作用。

植物、藻类和蓝藻细菌通过光合作用合成糖只需要三种成分——二氧化碳、水和阳光。然而，操作远比这张简单的配料表要复杂得多。LMU生物系I教授Dr. Dario Leister和研究小组正在分析光合作用的复杂调控。他们的最新发现揭示了三种蛋白质的作用，它们分别被命名为PGRL1、PGRL2和PGR5，它们参与了光合作用装置的两个子系统之一的控制。PGRL2本身是在这项新研究中首次被发现的。

光合作用包括几个协调的反应序列。在第一步，太阳发出的电磁辐射的特定部分被膜结合的色素-蛋白质复合物吸收，它们被组织成两个“光系统”，称为PSI和PSII。光系统以两种基本模式运行:线性模式和循环模式。在前者中，PSII和PSI是串联的。光能使电子与水分子分离，产生氢离子(质子)和氧分子。质子被泵到膜的另一边，而电子则依次从一个复合体转移到另一个复合体，在这个过程中获得能量。最终，这种能量以ATP的形式存储，ATP驱动着细胞中的大部分生化交易。通过PSI的线性电子流(LEF)也提供了二氧化碳转化为糖所需的“还原当量”。

光合作用的第二种模式只涉及光系统i。在这里，被太阳辐射激发的电子被其他蛋白质转移，这样它们就遵循了一个循环的路线。值得注意的是，通过PSI的循环电子流(CEF)只产生ATP。“植物需要两个子系统，”莱斯特指出。当植物受到胁迫，需要更多ATP时，循环途径尤为重要。的确，如果没有这种机制，植物就无法在自然条件下生存。

一个员工，一个激励者，一个主管

循环途径是如何调控的?大约20年前，日本研究人员开始描述拟南芥的一系列突变体，这是植物遗传学家常用的一种模型系统。在其中一种菌株中，他们称之为PGR5的基因发生了突变。PGR为“质子梯度”，是指光合作用过程中质子跨膜转移所产生的质子浓度梯度。在突变体中，梯度的形成受到了干扰。Leister说:“让我们惊讶的是，PGR5蛋白没有任何序列是人们期望的一个典型的电子转运体。”这很快就产生了这样一种观点，即质子梯度的维持必定也涉及其他因素。

2008年，莱斯特所做的实验证实了这一猜想。他发现了第二种蛋白质，他称之为“pgr5-like 1”(PGRL1)。拟南芥有两个不同的基因为这个因子编码，这就解释了为什么在最初的突变体筛选中没有发现PGR5基因。“当时，我们认为我们现在已经掌握了真正重要的蛋白质，”他回忆道。PGRL1或PGR5的失活减少了光系统周围的循环电子流。此外，PGRL1的丢失会使PGR5失稳，反之亦然。所以PGRL1似乎是光合作用循环模式的核心组成部分。此外，这一概念还得到了一个事实的支持，即它包含了人们期望在电子传递体中找到的结构元素。

但后来发现循环电子流的调节要比这复杂得多。Leister和他的同事们继续鉴定PGRL2是第三种涉及的蛋白质——它的发现使问题变得非常复杂。研究小组发现，当PGRL2被去除后，光合作用没有受到影响。相反，即使在PGRL1存在的情况下，PGRL2的过量产生也会使PGR5不稳定。当PGRL1和PGRL2同时失活时，最大的惊喜来了:PGR5重新出现，并能够独立恢复循环电子传递。有趣的是，这些植物比那些缺少PGR5(和循环电子传递)的植物生长得更慢。莱斯特对这些发现给出了有指导意义的解释。“PGR5实际上在做这项工作，PGRL1是PGR5的激励者，而PGRL2是PGR5的主管。在缺乏刺激因子的情况下，PGR5是不活跃的。在主管不在的情况下，它运转得相当好。但是当激励者和监督者同时缺失时，PGR5就会变得极度活跃，最终产生破坏性。

Leister的团队现在计划阐明这些行为背后的生化机制——利用蓝藻作为模型系统，蓝藻在基因上比拟南芥简单得多。

More information: Thilo Rühle et al, PGRL2 triggers degradation of PGR5 in the absence of PGRL1, Nature Communications (2021).

DOI: 10.1038/s41467-021-24107-7

文章来源原创；如有侵权请及时联系PaperRSS小编删除，转载请注明来源。

温馨提示：

为方便PaperRSS粉丝们科研、就业等话题交流。我们根据10多个专业方向（植物、医学、药学、人工智能、化学、物理、财经管理、体育等），特建立了30个国内外博士交流群。群成员来源欧美、日韩、新加坡、清华北大、中科院等全球名校。