四吡咯光受體設計與色氨酸光受體動態(tài)結構研究.pdf

1、藍細菌和植物進行光合作用以及對光信號產生反應的能力是它們適應環(huán)境變化、在地球上生存的關鍵，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，并可將其轉化成生物或化學信號，調節(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，在體外構建了以結合一個藻膽色素和一個葉綠素（或其衍生物）雙色素蛋白復合體為基礎的、與天然藻膽體-光合體系功能相似的簡單捕光模塊。結合藻膽色素的結構域以藻膽體核膜連接蛋白N端色素結合結構域ApcE(1-240)為基礎，結合葉綠素衍生物的結構域以從頭設計合成的、與b型細胞色素類似的、能結合heme的四螺旋束蛋白HP7為基

3、礎，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，并對它們結合色素后的組裝、光譜性質和分子內激發(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結構域結合的、吸收長波長光的藻藍膽素;（二）

4、與ApcE結構域結合的、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結構域結合的、吸收長波長的細菌葉綠素。這些模型中都進行分子內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。這些結果表明通過模塊化的、共價結合的方法研究環(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)結構方向發(fā)展。該設計、構建以及特性描述過程為構建類似模型系統(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生反應的能力是它們適應生存環(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途徑中的關鍵調節(jié)因子相互作用，調節(jié)與UV保護和生理節(jié)律相關的細胞過程。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UV-B的分子機制以及導致二聚體解聚的結構細節(jié)尚不清楚。本文根據AtUVR8的靜態(tài)晶

6、體結構分析以及定點突變研究結果發(fā)現，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)定二聚體結構的關鍵作用力，而聚集成簇的色氨酸殘基W285-W2333主要負責對UV-B的響應。分析AtUVR8結構中13個色氨酸的構象以及空間分布，發(fā)現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合體相似的捕光天線網絡。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誘導的結構信號。為了闡明UVR8響應UV-B信號的分子機制，進一步采用蛋白中動態(tài)晶體學的研究方法，直接探測到AtUVR8中與原初光分子事件相關的瞬間結構變化。經UV-B誘導后，UVR8原初結構變化主要是Trp285和Trp233局部協調一致的扭轉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果提出了紫外光受體AtUVR8感光和信號傳

8、導的分子機制。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。
　　此外，本論文還對與藻膽體形成有關的藻膽蛋白裂合酶CpcT和新發(fā)現的水稻藍光受體OsHAL3展開了結構生物學研究。論文中主要介紹了硒代CpcT蛋白和OsHAL3蛋白的結晶，CpcT-PCB復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晶體結構進行分