藻類光捕獲復(fù)合體LHC蛋白結(jié)構(gòu)與功能的進化

摘 要：綜述了近年來國內(nèi)外對LHC蛋白的研究成果，從進化角度系統(tǒng)地分析了LHC蛋白的結(jié)構(gòu)與功能，并對未來的研究進行了展望。

關(guān)鍵詞：藻類 LHC； 天線系統(tǒng)； 進化

中圖分類號：Ｓ９３２．７ 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2013.02.00６

Structural and Functional Evolution of the Light-harvesting Complex Protein in Algae

YAO Mei-ling， HOU He-sheng

（Liaoning Key Lab of Plant Biotechnology，Life Science Ｃｏｌｌｅｇｅ，Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116082，China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ the results of LHC research and ｓｙｓｔｅｍｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ the structure and function of LHC in algae from an evolutionary perspective． Ｔhe future research of LHC in algae was perviewed.

Key words： algae LHC； antenna system； evolutionary

十億年間，藻類已經(jīng)成功的進化出了一個十分有效的光合作用機制， LHC也同樣經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)和功能上的分化[1]。LHC是一類在光保護機制中起著關(guān)鍵作用的跨膜蛋白，能捕獲光能，并把能量迅速傳至反應(yīng)中心引起光化學反應(yīng)。此類蛋白鑲嵌于類囊體膜上，可以結(jié)合不同輔助色素或者天線進而行使其生物學功能[2]。由于LHC蛋白在光能捕獲和傳遞分配中都具有重要作用，所以關(guān)于LHC蛋白的研究已經(jīng)成為近年來世界生物領(lǐng)域內(nèi)的熱點。

LHC是一個多基因大家族，在細胞核中編碼。翻譯后，LHC通過轉(zhuǎn)運肽N-末端被識別。轉(zhuǎn)運肽被識別并移除后，脫輔基蛋白與葉綠素和胡蘿卜素相結(jié)合并插入到類囊體膜上。所有的LHC都有3個跨膜區(qū)與基質(zhì)相連。LHC中的第一和第三個跨膜區(qū)有一段相似的序列，這段相似序列可能是通過一個內(nèi)在的復(fù)制所形成的[3]。這兩個區(qū)會形成“LHC motif”（ExxxxRxAM）結(jié)構(gòu)，通過Glu-Arg和Arg-Glu這個鹽橋結(jié)構(gòu)與葉綠素a分子相連。這種與葉綠素的結(jié)合也使兩個螺旋跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。第二個跨膜區(qū)據(jù)推測其保守的氨基酸序列為葉綠素c的結(jié)合位點。

藻類根據(jù)其LHC蛋白結(jié)合天線色素的種類大概可以分為三大類：（1）綠藻，近似于高等植物，捕光色素蛋白復(fù)合物是由葉綠素a/b結(jié)合蛋白結(jié)合葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素所形成；（2）雜色藻類，此類藻中的捕光色素蛋白復(fù)合體是利用褐藻素-葉綠素a／c結(jié)合蛋白結(jié)合葉綠素a、葉綠素c及褐藻素等色素形成的；（3）紅藻和藍藻，這兩種藻類的捕光蛋白主要利用藻膽蛋白輔助捕獲光能并只能結(jié)合葉綠素a，其結(jié)構(gòu)相對其他藻類的捕光蛋白最為原始。

1 紅藻起源說LHC蛋白的結(jié)構(gòu)與功能進化

在有氧光合自養(yǎng)生物中，第一個光捕獲蛋白復(fù)合體系統(tǒng)是藻膽蛋白，這種可溶性蛋白復(fù)合體在現(xiàn)存的藍藻、灰綠藻和紅藻的光系統(tǒng)中仍處于主導地位。每分子藻膽蛋白含2條多肽鏈α和β，其分子量大約為17-22KD。藻膽蛋白通常以（αβ）3三聚體或（αβ）6六聚體狀態(tài)存在。某些分離得到的藻膽蛋白還含有（αβ）6γ[4]。它與光系統(tǒng)一（PSⅠ）在光合作用中起輔助作用。然而，在真核生物的演化過程中藻膽蛋白逐漸被具有類囊體膜上的LHC光系統(tǒng)所取代。

目前，LHC起源說中普遍被大家接受的是紅藻起源說。根據(jù)這一學說大致可將LHC分成4個主要分支：紅藻LhcaR分支、葉綠素a/c結(jié)合蛋白分支、LHCSR/LI818分支和LHCZ分支[1]。

1.1 紅藻LhcaR分支

在紫球藻中，LHCI天線蛋白（LhcaR genes）僅僅結(jié)合葉綠素a、玉米黃質(zhì)和β-胡蘿卜素。LhcaR分支包含了紅藻LHCI蛋白的完整家族。但同時推測在LhcaR分支中的大部分LHC都和PSII更相關(guān)，但是沒有太多的生物學證據(jù)。Veith等[5]更支持第一種說法，他發(fā)現(xiàn)在LhcaR分支中的某些葉綠素a/c結(jié)合蛋白可能特異性的與PSI相關(guān)，并已經(jīng)證明了硅藻屬中的FCP4具有類似于PSI天線蛋白的功能。但仍有部分葉綠素a/c結(jié)合蛋白的特異性識別序列尚需鑒別。

1.2 葉綠素a/c結(jié)合蛋白分支

葉綠素a/c結(jié)合蛋白分支在許多藻類尤其褐藻中占有主導地位，在這些生物體中，主要的類胡蘿卜素是褐藻素，因此，這種LHC也叫做褐藻素-葉綠素a/c結(jié)合蛋白。和植物相比，紅藻質(zhì)體起源說的LHC與類胡蘿卜素的結(jié)合和植物相比有很大的不同，海藻中類胡蘿卜素與葉綠素的比接近4∶4[6]，而植物中二者比為14∶4[7]。這種色素比例的改變也使得海藻在460～570 nm吸收光能，而在這個光譜上，植物則不能吸收光能[8]。在硅藻中，一些葉綠素a/c結(jié)合蛋白已經(jīng)以三聚體形式被分離出來。但是這個分支究竟與PSI相關(guān)還是與PSII相關(guān)還需要進一步的研究。

1.3 LHCSR/LI818分支

LHCSR（LI818）現(xiàn)存于藻類和苔蘚這些低等植物中。研究表明，LHCSR蛋白家族在囊胞藻中有同系物的存在，這也證實了該蛋白在LHC的進化中很早就出現(xiàn)了，是通過與葉綠素a/c相結(jié)合形成一個輔助內(nèi)共生關(guān)系[9]。LHCSR分支包括葉綠素a/c結(jié)合蛋白和葉綠素a/b結(jié)合蛋白。同時也發(fā)現(xiàn)在硅藻和綠藻中LHCSR同系物屬于LHC蛋白家族中的一個與脅迫相關(guān)的成員，其轉(zhuǎn)錄量取決于外界環(huán)境的脅迫（例：光脅迫）。在硅藻中，LHCSR基因的表達量在強光照條件下會升高，這同樣也與硅藻黃質(zhì)、葉黃質(zhì)色素結(jié)合量加大及熒光產(chǎn)量的降低有關(guān)。

1.4 LHCZ分支

LHCZ分支包含了紅藻類質(zhì)體起源說和綠藻類質(zhì)體起源說生物（例如硅藻）的一些其他基因序列。這些基因序列十分有特點，但功能和定位仍然還是個謎[10]。此分類的研究在藻類中還屬空白領(lǐng)域。

2 PSI光捕獲蛋白的結(jié)構(gòu)與功能進化

擬南芥中，有6個LHCI基因（Lhca1～Lhca6），其中5個基因表達蛋白（Lhca1～Lhca5）。在陸生植物中能夠被識別的一般有4種主要蛋白類型（Lhca1·Lhca2·Lhca3·Lhca4分別編碼的蛋白），這4種蛋白呈一個半月牙型緊靠在PSI的一側(cè)。這種二聚體形式能夠更好地幫助LHC行使能量轉(zhuǎn)移及色素識別功能[11]。這5個植物LHCI基因序列中，只有Lhca3編碼的蛋白同系物能在綠藻中被識別出來。

Kargul等[１２]模仿了衣藻中LHCI-PSI超復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，并預(yù)測有11個LHCI蛋白呈月牙型排列在每個PSI復(fù)合體一側(cè)。目前已經(jīng)鑒別出了兩個綠藻特有的Lhca基因：Lhca2和Lhca9。這些亞基直接與PSI相連，其功能可能是將多余能量從低聚的LHCI天線傳遞到PSI。綠藻中的LHCI組成中，Lhca3起到了十分重要的功能作用。在鐵缺失的情況下，Lhca3的N-末端被識別并缺失，導致了LHCI結(jié)構(gòu)的重造，從而有效地減少多余能量從LHCI轉(zhuǎn)移至PSI。在衣藻中，Lhca3基因RNAi敲除的突變體引發(fā)了所有LHCI蛋白的損耗，這顯示出了Lhca3對于連接LHCI天線系統(tǒng)和PSI是十分重要的，但是在其他的分類中是不是也保持這個功能就不得而知了。在杜氏鹽藻中，鐵脅迫可以引起Lhca3一個結(jié)構(gòu)上的很大改變從而有效地增加PSI天線系統(tǒng)大小，可平衡光系統(tǒng)中的激感現(xiàn)象[13]。以上研究結(jié)果表明，綠藻具有調(diào)節(jié)PSI-LHCI復(fù)合物的組成與結(jié)構(gòu)的能力，從而對應(yīng)環(huán)境條件的變化。

3 PSⅡ光捕獲蛋白的結(jié)構(gòu)與功能進化

在衣藻中，每個微量PSII光捕獲多肽（CP26和CP29）都是由一個基因編碼。盡管沒有植物Lhcb1-3基因編碼的蛋白，但研究表明，衣藻中LHCII-PSII超復(fù)合體結(jié)構(gòu)和生化特征都與陸生植物LHCII-PSII超復(fù)合體十分相似，每個PSII反應(yīng)中心與大約200個色素分子相結(jié)合。衣藻LHCII-PSII與陸生植物LHCII-PSII相比最主要的區(qū)別在于衣藻缺少CP24。所有結(jié)合葉綠素a/b的生物體都具有LHCII同系物，其蛋白均具有一個三聚體結(jié)構(gòu)（WYGPDR motif）[14]。LHCII的三聚體結(jié)構(gòu)較單體在結(jié)構(gòu)上更為穩(wěn)定，并且能在早期更快地適應(yīng)光捕獲功能。

微量天線系統(tǒng)（CP29和CP26）在光捕獲天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能上都起到尤為重要的作用。CP29和CP26在綠藻中最為保守且分布廣泛，這意味著調(diào)節(jié)光捕獲的這些機制在LHCII天線系統(tǒng)的進化過程中很早就建立了。CP29在早期天線系統(tǒng)中一個重要的作用是在反應(yīng)中心之間將能量重新分配。在陸生植物和綠藻中，PSII的過度刺激會導致LHCII天線系統(tǒng)的磷酸化并促使LHCII天線和PSI相結(jié)合，從而減少激發(fā)能在兩個光系統(tǒng)之間的不平衡，這一過程叫做“狀態(tài)轉(zhuǎn)變”[15]。Kargul等[1６]也在文獻中提出CP29在狀態(tài)轉(zhuǎn)化的情況下與PSI的PsaH亞基緊密相連。然而，在衣藻和擬南芥中，CP29同源基因序列的存在并不一定表明編碼的蛋白質(zhì)具有同樣的作用與功能，這些有待于進一步研究。

4 結(jié) 語

在高等植物中，盡管LHC蛋白目前研究得比較清楚，但在藻類中的研究及總結(jié)并不完善。結(jié)合以往的研究進展來看，還需在藻類中對其家族各成員的結(jié)構(gòu)、功能及他們之前的相互聯(lián)系做不斷深入的研究，從而更好地分析其進化關(guān)系。隨著生物技術(shù)的不斷提高，在不久的將來這一領(lǐng)域定會獲得突破性的進展。

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