华中师范大学研究，华中师范大学研究生招生官网
蓝藻是地球上最早出现的光合放氧生物，广泛分布于陆地、淡水和海洋等各种生态系统。藻胆体是蓝藻的主要捕光天线，将捕获的光能传递给光系统进而转化为化学能。但是在强光条件下藻胆体需要借助其他相关蛋白耗散过剩的光能，从而避免光系统的过激发。发菜是国家一级保护野生植物，也是目前研究荒漠蓝藻的模式材料。早在1984年，北京大学梅镇安先生等人研究发菜的藻胆蛋白时，意外发现了一种功能未知的红色色素蛋白 （方昭希等. 植物生理学通讯 1984, (3): 21-24） 。2005年，清华大学隋森芳院士与中国科学院植物研究所匡廷云院士合作，开创性地采用冷冻电镜技术解析了发菜藻胆体的电镜结构 （Yi ZW, et al. FEBS Lett 2005, 579: 3569-3573） 。但是受限于当时冷冻电镜技术的发展水平，发菜藻胆体功能发挥与其他藻胆体相关蛋白的关系尚不清楚。2019年，华中师范大学邱保胜教授和悉尼大学Min Chen教授出于好奇，合作研究了这种未知的红色色素蛋白，发现其为橙色类胡萝卜素蛋白 （Orange Carotenoid Protein, OCP） ，且多个OCP旁系物蛋白的表达受干燥脱水诱导 （Yang YW, et al. Photosyn Res 2019, 140: 103-113） 。
OCP蛋白是蓝藻特有的一类保护蛋白，在蓝藻应对强光过程中可将藻胆体吸收的过剩光能转变为热能耗散掉。以往的研究表明，模式蓝藻的Syn-OCP1具有两种不同的光保护功能，除了可以淬灭藻胆体的能量，还可以清除细胞内的单线态氧。2022年，国际同行利用冷冻电镜技术阐明了Syn-OCP1蛋白与模式蓝藻藻胆体的结合方式及其淬灭藻胆体能量的可能机制 （Domínguez-Martín MA, et al. Nature 2022, 609: 835-845） 。自然生境中，蓝藻发菜周期性经历干燥脱水胁迫引起光系统的损伤，藻胆体吸收的过量光能会进一步导致活性氧水平的增加 （图 1） 。研究表明发菜具有7个OCP旁系物蛋白，从天然发菜中分离的OCP混合物具有较好的单线态氧清除活性，但是不同OCP旁系物在发菜耐旱中的具体功能尚不清楚 （Yang YW, et al. Photosyn Res 2019, 140: 103-113） 。
近日，华中师范大学邱保胜教授和悉尼大学Min Chen教授合作在Plant Physiology上发表题为Functional specialization of expanded orange carotenoid protein paralogs in subaerial Nostoc species的研究论文，进一步揭示了陆生念珠藻OCP旁系物蛋白的功能分化及其不同工作模式的结构基础。
该研究在大肠杆菌中构建了OCP的全蛋白表达平台，纯化获得了七种发菜OCP旁系物蛋白 （图 1） 。进一步通过体外实验，比较分析了发菜OCP蛋白清除单线态氧和淬灭藻胆体荧光的能力。结果表明，发菜4个HCP蛋白 （只含有OCP-N端结构域的旁系物） 不参与淬灭藻胆体荧光，但能够高效清除单线态氧，同时发现HCP能将类胡萝卜素分子传递给CCP蛋白 （只含有OCP-C端结构域的旁系物） 。两个全长OCP蛋白 （OCPx1和OCPx2） 具有不同的光转换活性和淬灭藻胆体荧光能力，呈现出“速效”和“长效”两种不一样的工作模式 （图 1） 。
图 1. 发菜的OCP旁系物蛋白及其工作模式
利用结构生物学和蛋白质定点突变等技术，进一步探究了这两种OCP蛋白不同工作模式的内在原因，发现OCPx2的N-端结构域中两个关键氨基酸 （W111和M125） 可影响OCPx2中类胡萝卜素分子的移动，进而影响OCPx2的活性 （图 2） 。该研究结果证明了OCP蛋白的扩张和功能分化有助于陆生念珠藻对干旱环境的适应。
图 2. 发菜OCPx蛋白与模式蓝藻Syn-OCP1的结构比较
华中师范大学博士生杨义文和刘珂副教授为该论文共同第一作者，华中师范大学邱保胜教授和悉尼大学Min Chen教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委项目和湖北洪山实验室课题的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiad234
华中师范大学研究(华中师范大学研究生招生官网)