四吡咯光受體設(shè)計與色氨酸光受體動態(tài)結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、藍細菌和植物進行光合作用以及對光信號產(chǎn)生反應(yīng)的能力是它們適應(yīng)環(huán)境變化、在地球上生存的關(guān)鍵，而這些生命活動都離不開光受體。它們有捕光受體負責捕獲光能，用于光合作用，提供生命活動所需能量;它們有信號光受體負責接收光信號，并可將其轉(zhuǎn)化成生物或化學(xué)信號，調(diào)節(jié)生物的生長發(fā)育。本研究主要對藍細菌的捕光受體(PBS)和擬南芥的UV-B光受體(UVR8)進行了研究。
　　藻膽體是藍細菌和紅藻的高效捕光復(fù)合體，它們通過多樣的藻膽色素發(fā)色團捕獲光能，

2、并通過一連串的激發(fā)能量傳遞過程將捕獲的光能傳遞到光合系統(tǒng)中心的葉綠素。本研究中我們將注意力集中在藻膽體能量傳遞的最后一步，在體外構(gòu)建了以結(jié)合一個藻膽色素和一個葉綠素（或其衍生物）雙色素蛋白復(fù)合體為基礎(chǔ)的、與天然藻膽體-光合體系功能相似的簡單捕光模塊。結(jié)合藻膽色素的結(jié)構(gòu)域以藻膽體核膜連接蛋白N端色素結(jié)合結(jié)構(gòu)域ApcE(1-240)為基礎(chǔ)，結(jié)合葉綠素衍生物的結(jié)構(gòu)域以從頭設(shè)計合成的、與b型細胞色素類似的、能結(jié)合heme的四螺旋束蛋白HP7為基

3、礎(chǔ)，將ApcE(1-240)疏水水loop區(qū)域(77-153aa)被去除的、水溶性的ApcEΔ片段與修飾后的HP7序列融合，構(gòu)建了HP7融合在ApcEΔ片段的C末端、N末端以及插在76和78位氨基酸之間的三種模型，并對它們結(jié)合色素后的組裝、光譜性質(zhì)和分子內(nèi)激發(fā)能量傳遞過程分別進行了描述。這些能量傳遞過程分別為:（一）與HP7結(jié)合的、吸收短波長光的ZnMP作為激發(fā)能供體，可將能量傳遞給與ApcE結(jié)構(gòu)域結(jié)合的、吸收長波長光的藻藍膽素;（二）

4、與ApcE結(jié)構(gòu)域結(jié)合的、吸收短波長光的藻紅膽素作為激發(fā)能供體，可將能量傳遞給與HP7結(jié)構(gòu)域結(jié)合的、吸收長波長的細菌葉綠素。這些模型中都進行分子內(nèi)熒光共振能量傳遞發(fā)生，且能量傳遞的效率從21％到50％不等。這些結(jié)果表明通過模塊化的、共價結(jié)合的方法研究環(huán)狀和開鏈狀四吡咯色素間的能量傳遞是合理的，可以向模擬更大藍細菌捕光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。該設(shè)計、構(gòu)建以及特性描述過程為構(gòu)建類似模型系統(tǒng)提供了進步的示范，尤其是對能控制蛋白折疊與聚集狀態(tài)的系統(tǒng)。同

5、時，它突顯出了開發(fā)通用靈活多色素捕光系統(tǒng)的潛力。
　　生物體感光并對光信號產(chǎn)生反應(yīng)的能力是它們適應(yīng)生存環(huán)境的第一步。擬南芥的光受體UVR8吸收紫外光后二聚體發(fā)生解聚，形成的UVR8單體直接與植物光信號傳導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子相互作用，調(diào)節(jié)與UV保護和生理節(jié)律相關(guān)的細胞過程。已知UVR8是一種獨特光受體，它不需要輔助因子捕獲UV光子，但是UVR8感應(yīng)UV-B的分子機制以及導(dǎo)致二聚體解聚的結(jié)構(gòu)細節(jié)尚不清楚。本文根據(jù)AtUVR8的靜態(tài)晶

6、體結(jié)構(gòu)分析以及定點突變研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AtUVR8二聚體界面處D129-W233間的氫鍵、R286-D107和R338-D44間的鹽橋是穩(wěn)定二聚體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用力，而聚集成簇的色氨酸殘基W285-W2333主要負責對UV-B的響應(yīng)。分析AtUVR8結(jié)構(gòu)中13個色氨酸的構(gòu)象以及空間分布，發(fā)現(xiàn)這些色氨酸殘基充當著蛋白的發(fā)色團，形成了與藍細菌和植物的捕光復(fù)合體相似的捕光天線網(wǎng)絡(luò)。通過蛋白的吸收、熒光光譜特征和色氨酸熒光壽命分析，證明這些天線色素

7、收集寬頻率的UV-B輻射能，以漏斗的形式向光信號中心W285-W2333傳遞光能并引發(fā)UV-B誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)信號。為了闡明UVR8響應(yīng)UV-B信號的分子機制，進一步采用蛋白中動態(tài)晶體學(xué)的研究方法，直接探測到AtUVR8中與原初光分子事件相關(guān)的瞬間結(jié)構(gòu)變化。經(jīng)UV-B誘導(dǎo)后，UVR8原初結(jié)構(gòu)變化主要是Trp285和Trp233局部協(xié)調(diào)一致的扭轉(zhuǎn)運動以及附近一高度有序的水分子的消失。最后綜合所有的實驗結(jié)果提出了紫外光受體AtUVR8感光和信號傳

8、導(dǎo)的分子機制。這些研究工作為UV-B光受體的開發(fā)利用提供了理論基礎(chǔ)。
　　此外，本論文還對與藻膽體形成有關(guān)的藻膽蛋白裂合酶CpcT和新發(fā)現(xiàn)的水稻藍光受體OsHAL3展開了結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。論文中主要介紹了硒代CpcT蛋白和OsHAL3蛋白的結(jié)晶，CpcT-PCB復(fù)合物晶體通過浸泡法獲得。CpcT、CpcT-PCB以及OsHAL3晶體的分辨率分別為1.9(A)、2.5(A)和2.9(A)。通過對CpcT和CpcT-PCB晶體結(jié)構(gòu)進行分