葉綠體類囊體腔蛋白功能研究進(jìn)展

侯瑾蓉 ,董 潔 ,賈蒲連 ,姚 強(qiáng) ,付愛根,2 ,王 菲,2*

(1 西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,西安 710069;2 陜西省碳中和技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710069)

光合作用是指藻類和高等植物通過吸收和利用光能,最終將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物并釋放能量的過程。葉綠體是一種半自主性細(xì)胞器,主要負(fù)責(zé)光合作用,除此之外還有一些其他功能,如氨基酸、脂肪酸、色素和激素的合成。葉綠體含有高度復(fù)雜的亞細(xì)胞器室,包括3個(gè)膜系統(tǒng)(外膜、內(nèi)膜和類囊體膜)和3個(gè)腔室(膜間空間、基質(zhì)和類囊體腔)[1]。類囊體膜是葉綠體的主要結(jié)構(gòu)成分,參與光合電子傳遞和ATP合成。它由4個(gè)光合蛋白復(fù)合體組成:光系統(tǒng)Ⅱ(photosystem Ⅱ,PSⅡ),細(xì)胞色素b6f(cytochromeb6f,Cytb6f),光系統(tǒng)Ⅰ(photosystemⅠ,PSⅠ),和ATP 合酶(ATPase)。這四大光合復(fù)合體通過一系列協(xié)同反應(yīng)最終產(chǎn)生NADPH 和ATP,為碳水化合物的合成進(jìn)一步提供能量。

由類囊體膜包圍的、狹窄的連續(xù)整體空間叫做類囊體腔。類囊體腔不僅可以為光系統(tǒng)Ⅱ的氧化保存水分,而且為質(zhì)體藍(lán)素介導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移和光保護(hù)提供了空間環(huán)境。近些年,在類囊體腔中發(fā)現(xiàn)了許多直接或間接參與光合作用的蛋白質(zhì)成分,這些蛋白大多調(diào)節(jié)類囊體生物發(fā)生,并且與光合蛋白復(fù)合體的活性和周轉(zhuǎn)有關(guān)。擬南芥中約有80個(gè)蛋白定位于類囊體腔,在其他高等植物如菠菜中鑒定出26種類囊體腔蛋白,在豌豆中鑒定出15種,且這些蛋白可能具有功能保守性。目前已知功能的擬南芥類囊體腔蛋白有高葉綠素?zé)晒?high chlorophyll fluorescence,HCF)蛋白YCF48(hypothetical chloroplast open reading frame 48)和LPA19(low pii accumulation 19)[2];C末端剪切酶(carboxyl-terminal processing enzyme,CTP)Ctp A[3];Deg(degradation of periplasmic)蛋白酶Deg1、Deg5和Deg8[4];蛋白磷酸酶TLP18.3(thylakoid lumen protein of 18.3 k Da);親免蛋白(immunophilins)中的親環(huán)素(cyclophilins,CYPs)CYP38、CYP20-2 和CYP28以及FK506 結(jié)合蛋白(FK506 binding proteins,FKBPs)FKBP20-2和FKBP13[5];放氧復(fù)合物(oxygen-evolving complex,OEC)蛋白Psb Q、PsbP、Psb O 和PsbR[6];PsbP 類蛋白(PsbP-like proteins,PPLs)PPL1 和PPL2[7];PsbP 結(jié)構(gòu)域蛋白(PsbPdomain protein,PPDs)PPD1、PPD3、PPD5和PPD6(圖1)[8]。

圖1 擬南芥類囊體腔中光合相關(guān)蛋白的功能示意圖Fig.1 Summary of the thylakoid lumen localized proteins with photosynthesis-related functions in Arabidopsis thaliana

1 高葉綠素?zé)晒獾鞍?/h2>

葉綠素是光合生物含有的一類綠色色素,它在光能捕獲、能量傳遞以及能量轉(zhuǎn)化等方面起著重要作用。葉綠素吸收的光能主要有3個(gè)去向:以熱量的形式耗散;通過光化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為化學(xué)能;以熒光的形式釋放。在光合作用研究中對光合突變體的篩選方法之一是通過熒光表型篩選。正常情況下,植物的熒光釋放量很低,當(dāng)葉綠素吸收的光能無法有效進(jìn)行光合作用或光合電子傳遞鏈?zhǔn)軗p時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)生熒光上升的現(xiàn)象,即高葉綠素?zé)晒獗硇汀Ｄ壳?在擬南芥中篩選出了多個(gè)高葉綠素?zé)晒馔蛔凅w,如hcf164、hcf101、hcf153、hcf136和lpa19等。研究發(fā)現(xiàn),定位在類囊體膜的HCF164和HCF153參與了Cytb6f的生物發(fā)生,HCF101參與了PSⅠ的組裝[9-10]。其中,HCF136(YCF48)和LPA19 定位于類囊體腔,它們在PSⅡ生物發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

1.1 YCF48

YCF48(hypothetical chloroplast open reading frame 48)是由核基因編碼,定位在類囊體腔的蛋白,是真核光合生物中較早鑒定出來的PSⅡ組裝因子。擬南芥ycf48突變體在幼苗時(shí)期就死亡。擬南芥YCF48同源蛋白存在于包括藍(lán)藻在內(nèi)的所有產(chǎn)氧光合生物中。集胞藻YCF48蛋白是一種脂蛋白,通過與未組裝前體D1(p D1)亞基結(jié)合并促進(jìn)其與D2蛋白結(jié)合形成PSⅡ反應(yīng)中心(RCⅡ)組裝中間體,在維持PSⅡ的組裝過程中發(fā)揮著重要作用[11]。最新的研究表明,YCF48可以與D1的精氨酸殘基結(jié)合,從而防止Mn4CaO5簇中的Mn2+和Ca2+與D1 過早結(jié)合,確保PSⅡ復(fù)合體的有效組裝[12]。嗜熱藍(lán)藻和紅藻中的YCF48蛋白都屬于七葉β-螺旋槳家族,表面都有1個(gè)高度保守的精氨酸富集區(qū)域,從而在葉綠素結(jié)合蛋白整合到PSⅠ和PSⅡ復(fù)合體的過程中發(fā)揮重要作用[13]。

1.2 LPA19

擬南芥LPA19(low pii accumulation 19)蛋白定位于類囊體腔,是Psb27 的同源蛋白之一,被命名為Psb27-H2。Psb27蛋白最早在藍(lán)藻中發(fā)現(xiàn),與擬南芥Psb27蛋白不同,藍(lán)藻Psb27蛋白緊密結(jié)合在類囊體膜上。擬南芥Psb27-H2突變體的PSⅡ最大光合速率降低,并且葉綠體編碼的PSⅡ核心亞基D1、D2、CP47和CP43的表達(dá)水平也大大降低,這表明Psb27-H2 蛋白參與了PSⅡ的生物合成。Psb27-H2蛋白還可以與成熟D1和前體D1的可溶性C端相互作用,從而促進(jìn)擬南芥D1前體蛋白的加工[14]。然而對擬南芥中另1個(gè)Psb27同源蛋白Psb27-H1的研究表明,它不是PSⅡ生物發(fā)生所必需的,而是植物應(yīng)對變光條件的一個(gè)重要因子,并且這一過程不依賴狀態(tài)轉(zhuǎn)化[15]。擬南芥psb27-H1突變體在受到光抑制后PSⅡ活性的恢復(fù)速率減慢,這表明其在PSⅡ光損傷后的有效修復(fù)中起著重要作用[16]。

2 蛋白磷酸酶

TLP18.3(thylakoid lumen protein of 18.3 k D)被認(rèn)為是一種位于類囊體腔中的蛋白磷酸酶,它的功能可能與類囊體腔蛋白的去磷酸化有關(guān)[17]。擬南芥tlp18.3突變體在正常光照條件下沒有明顯的生長表型,但在波動(dòng)光照條件下生長受到明顯抑制。另有研究表明TLP18.3有可能參與PSⅡ高光后的損傷修復(fù)。在PSⅡ修復(fù)過程中,受損的D1蛋白首先被磷酸化,之后遷移到基質(zhì)片層,在蛋白磷酸酶的作用下發(fā)生去磷酸化,最后被蛋白酶降解并被新合成D1蛋白替換。在TLP18.3 蛋白缺失的情況下,受損的D1蛋白降解減慢并且PSⅡ單體無法組裝成二聚體[18]。然而,TLP18.3定位于類囊體腔中,D1的磷酸化位點(diǎn)在類囊體基質(zhì)側(cè),理論上兩者不會(huì)發(fā)生物理互作。因此推測TLP18.3可能通過作用于類囊體腔中一些未知蛋白的去磷酸化,從而間接參與到PSⅡ的損傷修復(fù)中[17]。在最近的研究中發(fā)現(xiàn),TLP18.3的缺失導(dǎo)致波動(dòng)光下突變體免疫相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控受到影響,從而間接影響了突變體在波動(dòng)光下的生長[19]。

3 蛋白酶

葉綠體中的大多數(shù)蛋白質(zhì)由核基因編碼,首先在細(xì)胞質(zhì)中合成含有N 端轉(zhuǎn)運(yùn)肽的前體蛋白,之后運(yùn)輸?shù)饺~綠體被相應(yīng)的蛋白酶切割得到成熟肽。過去幾十年的研究已經(jīng)揭示了20多種葉綠體蛋白酶,分別定位于特定的亞細(xì)胞器[20]。來源于細(xì)菌的Clp和Fts H 都是ATP依賴型的蛋白酶,分別定位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和類囊體膜,是維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的核心。此外,定位于類囊體腔的蛋白酶Ctp A 和Deg 對PSⅡ的生物發(fā)生和維持至關(guān)重要。

3.1 Ctp A蛋白酶

Ctp A(carboxyl-terminal processing enzyme A)蛋白酶定位在類囊體腔中。對斜鏈球菌Ctp A的結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)具有3個(gè)可折疊結(jié)構(gòu)域(A、B和C)的單體酶,B結(jié)構(gòu)域即PDZ(post-synaptic density-95/discs large/zonula occludens-1)結(jié)構(gòu)域,可以與底物p D1的C末端結(jié)合[3]。最早在聚球藻和斜生柵藻中發(fā)現(xiàn)缺少Ctp A 會(huì)導(dǎo)致p D1的加工受阻,從而使光合活性下降。擬南芥ctpa突變體中的p D1 蛋白可以正常組裝形成PSⅡ單體和二聚體,但LHCⅡ與PSⅡ二聚體不能結(jié)合形成超級(jí)復(fù)合體,這說明Ctp A 可以通過影響p D1的加工成熟來影響PSⅡ超級(jí)復(fù)合體的組裝[21]。聚球藻、萊茵衣藻和小立碗蘚的Ctp A基因均可回補(bǔ)擬南芥ctpa突變體的致死表型,因此Ctp A 加工p D1的功能從單細(xì)胞綠藻到高等植物是保守的[22]。

3.2 Deg蛋白酶

Deg(degradation of periplasmic)蛋白酶家族最早是在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的,大腸桿菌Deg具有2個(gè)PDZ結(jié)構(gòu)域,這2個(gè)結(jié)構(gòu)域可以與底物蛋白C 末端的氨基酸殘基相互作用[4]。擬南芥Deg1、Deg5 和Deg8是不依賴ATP的絲氨酸蛋白酶,定位在類囊體腔中。Deg1 形成1 個(gè)同源六聚體,而Deg5 和Deg8形成1個(gè)異源六聚體。當(dāng)植物受到光脅迫時(shí),Deg1、Deg5和Deg8蛋白酶協(xié)助降解受損的D1蛋白,并且Deg1可以作為分子伴侶與D2蛋白一起參與D1的翻譯和組裝[23]。最新研究發(fā)現(xiàn)Deg1表達(dá)水平降低的植株deg1-2和deg1-4的PSⅡ最大光合效率(Fv/Fm)顯著降低,非光化學(xué)淬滅(NPQ)增加。此外,Deg1蛋白的減少還導(dǎo)致還原中心數(shù)量減少以及非還原中心的積累,抑制了PSⅡ受體側(cè)電子轉(zhuǎn)移。這些結(jié)果表明Deg1 蛋白酶在PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)電子轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著重要作用[24]。生化證據(jù)表明Deg1在植物體內(nèi)的蛋白豐度高于Deg5-Deg8,并且Deg1具有較高的蛋白水解酶活性,因此在高光脅迫下,deg1突變體比deg5和deg8突變體受損更加嚴(yán)重,同時(shí)過表達(dá)Deg5 和Deg8僅可以部分補(bǔ)償Deg1的缺陷[25]。

4 親免蛋白家族

親免蛋白包括CYPs(cyclophilins)和FKBPs(FK506 binding proteins)2個(gè)家族,它們共同的特點(diǎn)是都含有 PPIase(peptidyl-prolyl cis/trans isomerase)結(jié)構(gòu)域[5]。PPIase是肽基脯氨酸順反異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)域,可以催化蛋白序列X-Pro之間肽鍵的順反異構(gòu)反應(yīng),這對于蛋白質(zhì)的快速折疊是必需的。研究表明,植物體內(nèi)部分親免蛋白的生理功能并不依賴于PPIase活性。親免蛋白廣泛存在于細(xì)菌、真菌和動(dòng)植物體中。植物體內(nèi)擁有眾多親免蛋白,大多數(shù)與光合作用有關(guān)。在擬南芥中已經(jīng)鑒定出52個(gè)親免蛋白基因,包括29個(gè)CYPs和23個(gè)FKBPs;水稻中有56 個(gè),包 括29 個(gè)FKBPs 和27 個(gè)CYPs[26];衣藻中有52個(gè),包括26個(gè)FKBPs和26個(gè)CYPs[27]。類囊體腔中存在大量親免蛋白,它們在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、免疫反應(yīng)以及光合作用中起著關(guān)鍵作用。

4.1 CYP38

CYP38是一種存在于類囊體腔的親免蛋白,它的C端PPIase結(jié)構(gòu)域沒有酶活性。擬南芥cyp38突變體植株具有明顯的發(fā)育不良和高光敏感表型,并且PSⅡ超級(jí)復(fù)合物幾乎完全缺失,這說明CYP38對PSⅡ的組裝和穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用[28]。對擬南芥CYP38的研究還發(fā)現(xiàn)突變體中D1蛋白的降解速度比野生型快,這可能是因?yàn)閿M南芥CYP38蛋白可以通過抑制Psb O-2的GTPase活性,使D1處于相對穩(wěn)定的磷酸化狀態(tài),避免過度降解[29]。此外,CYP38蛋白的缺失還會(huì)影響擬南芥葉綠體形態(tài)建成和類囊體堆積[30]。藍(lán)藻CYP40 是擬南芥CYP38的同源蛋白,其C 端的PPIase結(jié)構(gòu)域具有酶活性,并且在調(diào)節(jié)PSⅠ的組裝過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[31]。CYP38的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被揭示:N 端由α螺旋組成,C 端由β折疊片組成,中間靠酸性loop環(huán)連接在一起。CYP38 可以與PSⅡ核心蛋白CP43和CP47的loop環(huán)之間相互作用。最近的研究發(fā)現(xiàn)loop區(qū)的堿性氨基酸可以通過調(diào)節(jié)CYP38的構(gòu)型來調(diào)節(jié)N 端和C端2個(gè)結(jié)構(gòu)域的相互作用,進(jìn)而影響C 端結(jié)構(gòu)域和靶蛋白相互作用[32]。通過篩選酵母雙雜交文庫以及通過pull-down和Co-IP實(shí)驗(yàn)鑒定出了一些與CYP38的C 端結(jié)構(gòu)域有潛在互作的類囊體腔蛋白,這為未來研究CYP38在類囊體腔內(nèi)的工作模式奠定了基礎(chǔ)[33]。

4.2 CYP20-2

CYP20-2同樣為類囊體腔的親免蛋白,具有PPIase活性[34]。當(dāng)擬南芥暴露在強(qiáng)光或低溫下時(shí),CYP20-2的轉(zhuǎn)錄水平顯著增加,因此該蛋白可能在適應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮重要作用[35]。將水稻CYP20-2基因在煙草和擬南芥中過表達(dá)增強(qiáng)了其對干旱和強(qiáng)光的耐受性,這說明水稻CYP20-2可能也具有和擬南芥CYP20-2相同的功能。蛋白質(zhì)譜分析表明,水稻CYP20-2具有葉綠體和細(xì)胞核的雙定位。在低溫脅迫下,水稻CYP20-2分別靶向細(xì)胞核和葉綠體中的SLR1和FSD2,以協(xié)調(diào)植株的生長和耐冷性[36]。另有研究發(fā)現(xiàn),擬南芥CYP20-2可以進(jìn)入細(xì)胞核作用于BZR1,通過改變后者的二級(jí)結(jié)構(gòu),促進(jìn)BZR1 的磷酸化。FLD 是BZR1 的直接靶點(diǎn),BZR1與FLD結(jié)合可以調(diào)控?cái)M南芥開花[34]。

4.3 CYP28

CYP28是最近發(fā)現(xiàn)的一種調(diào)節(jié)擬南芥PSⅡ-LHCⅡ超級(jí)復(fù)合體組裝和積累的類囊體腔蛋白。在正常光照條件下,擬南芥cyp28突變體植株的葉片生長加快,開花時(shí)間提前,PSⅡ-LHCⅡ超級(jí)復(fù)合體的積累量增加。CYP28 具有PPIase活性,并且在體內(nèi)通過改變Lhcb6的構(gòu)象而調(diào)節(jié)擬南芥PSⅡ-LHCⅡ超級(jí)復(fù)合物的組裝和積累[38]。萊茵衣藻CYN28是擬南芥CYP28的同源蛋白,研究表明它也具有PPIase活性[39]。衣藻cyn28突變體對高光極度敏感,并且PSⅡ-LHCⅡ超級(jí)復(fù)合體的積累顯著減少。CYN28被證實(shí)通過與Fts H 蛋白酶相互作用來促進(jìn)Fts H 的重新合成,參與高光脅迫下受損傷D1蛋白的周轉(zhuǎn),最終促進(jìn)PSⅡ的修復(fù)。這2個(gè)同源蛋白的功能截然不同,表明親免蛋白進(jìn)化過程中可能出現(xiàn)功能分化。

4.4 CYP37

最近的研究表明,類囊體腔親免蛋白CYP37與擬南芥高光抵御相關(guān)。高光生長條件下,擬南芥cyp37敲除突變體的線性電子傳遞速率降低,PSⅠ供體側(cè)的電子傳遞受到抑制,活性氧(ROS)積累增多,花青素的積累減少[37]。此外,該研究發(fā)現(xiàn)CYP37可以與Cytb6f復(fù)合體亞基Pet A 相互作用,作為輔助因子來維持Cytb6f復(fù)合物的活性。CYP37的缺少會(huì)導(dǎo)致Cytb6f復(fù)合物活性下降,線性電子傳遞受阻,進(jìn)而導(dǎo)致ROS過度積累,花青素的生物合成減少[37]。

4.5 FKBP20-2

FKBP20-2定位于類囊體腔,是FK506結(jié)合蛋白家族的一員。擬南芥fkbp20-2突變體植株生長矮小,PSⅡ超級(jí)復(fù)合物的積累下降,說明FKBP20-2在PSⅡ-LHCⅡ超級(jí)復(fù)合物的積累或穩(wěn)定中起著重要作用。此外,該研究還發(fā)現(xiàn)FKBP20-2具有極低的PPIase活性,蛋白C端的二硫鍵能被硫氧還蛋白(thioredoxin,Trx)還原,該二硫鍵在除了藍(lán)藻以外的陸地植物和真核藻類中保守,表明這種潛在的氧化還原調(diào)節(jié)僅存在于葉綠體[40]。

4.6 FKBP13

FKBP13與CYP20-2 一樣,是目前已知具有PPIase活性的類囊體腔親免蛋白。FKBP13的x射線結(jié)構(gòu)展示其含有1對二硫鍵,這對二硫鍵可以被葉綠體或細(xì)菌來源的硫氧還蛋白還原,導(dǎo)致酶活性喪失[41]。FKBP13前體蛋白可以與Cytb6f復(fù)合體的Rieske亞基相互作用來抑制其在擬南芥中的積累,從而參與調(diào)控Cytb6f復(fù)合體的組裝過程[42]。最新研究發(fā)現(xiàn),白菜HTT4(heat-induced tas1 target4)蛋白在體內(nèi)和體外都與FKBP13 存在互作。HTT4被報(bào)道是一種白菜分枝的負(fù)調(diào)節(jié)因子,推測它可能通過促進(jìn)FKBP13的表達(dá)來影響Rieske蛋白的積累,進(jìn)而通過光合作用調(diào)控白菜分枝[43]。

5 放氧相關(guān)復(fù)合物蛋白

放氧復(fù)合體(oxygen-evolving complex,OEC)能夠在光照條件下催化水裂解并釋放氧氣[6]。在高等植物中,OEC由錳簇、氯離子、鈣離子以及4個(gè)附著在PSⅡ管腔一側(cè)的外周蛋白(PsbQ、PsbP、PsbO和Psb R)組成[44-45]。這些外周蛋白能夠穩(wěn)定錳簇蛋白進(jìn)而促進(jìn)水的裂解。在受到熱、冷、鹽和強(qiáng)光等非生物脅迫時(shí),位于類囊體管腔側(cè)的Psb O、PsbP、PsbQ 和PsbR 很容易受到破壞,這些蛋白的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致ROS分子的產(chǎn)生,從而破壞OEC,最終導(dǎo)致植物的光合速率下降[46]。在高等植物中,Psb O 和PsbP是光合自養(yǎng)生長所必需的,而Psb Q 及Psb R的缺失也會(huì)對PSⅡ活性產(chǎn)生影響[47-48]。

5.1 PsbO

Psb O 在穩(wěn)定OEC的過程中發(fā)揮著重要作用,尤其對于Mn 簇的穩(wěn)定,所以又叫做錳穩(wěn)定蛋白(manganese stablizing protein,MSP)。在被子植物中有Psb O-1和Psb O-2兩個(gè)亞型[49],它們在氨基酸組成和功能上具有差異。擬南芥Psb O-1 在PSⅡ利用鈣離子促進(jìn)放氧過程中發(fā)揮主要作用,Psb O-2具有GTPase活性,在PSⅡ修復(fù)過程中調(diào)節(jié)D1蛋白磷酸化[45]。植物和藍(lán)藻的Psb O 蛋白表面都帶有大量負(fù)電荷,從而保證其更好地結(jié)合在PSⅡ上[50]。萊茵衣藻Psb O 對維持成熟PSⅡ反應(yīng)中心的穩(wěn)定性是必需的,并且Psb O 蛋白壽命在很大程度上依賴于光強(qiáng)度和碳源種類[51]。小麥Psb O突變體植株呈現(xiàn)黃化表型,表明Psb O 的缺失會(huì)影響光合作用,進(jìn)而導(dǎo)致植株的黃化[52]。

5.2 PsbP

擬南芥PsbP蛋白對幼苗早期發(fā)育階段PSⅡ的初始組裝是必需的[48]。高等植物PsbP蛋白通過調(diào)節(jié)必需輔助因子Ca2+和Cl-的結(jié)合特性維持PSⅡ內(nèi)Mn簇的穩(wěn)定。PsbP 的穩(wěn)定性對于植物在逆境下的光合活性十分重要,甘薯中的Orange蛋白可以通過PsbP維持PSⅡ在熱脅迫下的穩(wěn)定性增強(qiáng)植物的耐熱性[53]。

5.3 PsbQ

藍(lán)藻中的Psb Q 通常被稱之為Cyano Q,從而與植物和藻類區(qū)分。高等植物和藻類的Psb Q 結(jié)合在成熟PSⅡ復(fù)合物的類囊體腔一側(cè),最近對藍(lán)藻PsbQ 的晶體結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)它在PSⅡ上的結(jié)合位點(diǎn)與高等植物和藻類Psb Q[54]幾乎相同。PsbQ 通過與PsbP相互作用來穩(wěn)定PsbP與PSⅡ的結(jié)合,從而維持高等植物PSⅡ的錳簇穩(wěn)定[55]。除此之外,擬南芥PsbQ與LHCⅡ的磷酸化和狀態(tài)轉(zhuǎn)化有關(guān)[48]。

5.4 Psb R

PsbR 是植物中特有的放氧復(fù)合物組分,參與PsbP與PSⅡ核心復(fù)合物的結(jié)合。Psb R 缺失顯著減少了類囊體膜的放氧活性,并使得PsbP和Psb Q的積累量下降。Psb R 可以在強(qiáng)光及高溫等逆境下穩(wěn)定并維持PSⅡ的放氧活性[46]。

6 PsbP類蛋白和PsbP結(jié)構(gòu)域蛋白

植物中還存在一些與Psb P 相關(guān)的蛋白家族,稱為PsbP 類蛋白(PsbP-like proteins,PPLs)和PsbP結(jié)構(gòu)域蛋白(PsbP-domain protein,PPDs),它們都與PsbP具有較高的氨基酸序列同源性,同時(shí)具有多樣的功能[9-10]。目前PsbP 蛋白的研究已較為廣泛,而關(guān)于PPLs和PPDs在真核生物中功能的研究相對較少。

6.1 PsbP類蛋白

植物PPL1和PPL2已被鑒定為葉綠體類囊體腔蛋白,系統(tǒng)發(fā)育分析表明,PPL1、PPL2 和藍(lán)藻CyanoP可能存在同源關(guān)系[7]。

PPL1是一種類囊體腔外周蛋白,富集于基質(zhì)薄片和基粒邊緣。在正常光照和高光條件下,擬南芥PPL1蛋白的缺失都會(huì)影響PSⅡ的活性及有效修復(fù)。此外,在低光強(qiáng)下,ppl1突變體的PSⅡ超級(jí)復(fù)合體積累減少,表明PPL1 可能參與了擬南芥PSⅡ-LHCⅡ超級(jí)復(fù)合體的組裝[7,56]。研究表明,擬南芥ppl1突變體從狀態(tài)1到狀態(tài)2的躍遷加快,這些差異會(huì)降低植物對不斷變化的光環(huán)境的適應(yīng)能力,從而導(dǎo)致植物在自然波動(dòng)光環(huán)境下的生長減弱[56]。

PPL2是一種高等植物特異性PPL 蛋白,尚未在藍(lán)藻、真核藻類、苔蘚或蕨類植物中發(fā)現(xiàn)。擬南芥ppl2突變體中NDH 亞基不能積累,缺乏NDH 復(fù)合物活性[7]。此外,通過藍(lán)綠膠活性電泳和免疫印跡分析發(fā)現(xiàn),PPL2蛋白與NDH 亞基共遷移。這些數(shù)據(jù)表明,PPL2是葉綠體NDH 復(fù)合體的一個(gè)亞基。

6.2 PsbP結(jié)構(gòu)域蛋白

PsbP 結(jié)構(gòu)域蛋白(PsbP-domain protein,PPDs)與PsbP蛋白在結(jié)構(gòu)和序列上的相似程度較低,對PsbP 家族成員的系統(tǒng)進(jìn)化分析表明,大多數(shù)PPD 蛋白是高等植物和綠藻所特有的[7]。目前在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了9種PPD 蛋白(PPD1-PPD9),這些蛋白可能在類囊體腔內(nèi)發(fā)揮著廣泛的功能[57]。

PPD1是一種核基因編碼的類囊體腔蛋白。擬南芥ppd1突變體不能進(jìn)行光合自養(yǎng),并且PSⅠ復(fù)合物的組裝存在缺陷。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)都證明PPD1可以與PsaB和Psa A 暴露在類囊體腔的結(jié)構(gòu)域相互作用,進(jìn)而幫助PsaB和Psa A 正確折疊并整合到類囊體膜上[58]。通過RNAi獲得擬南芥PPD1的敲低突變體,發(fā)現(xiàn)在有少量PPD1存在的情況下,PSⅠ復(fù)合物僅有少量積累,且這些復(fù)合物在LHCⅠ與PSⅠ的結(jié)合以及從質(zhì)體藍(lán)素到P700+的電子轉(zhuǎn)移方面存在缺陷,這表明PPD1的減少會(huì)導(dǎo)致PSⅠ在類囊體腔側(cè)的組裝缺陷[59]。

擬南芥PPD2 的功能尚不明確,萊茵衣藻PsbP2與擬南芥PPD2具有較高的同源性,被認(rèn)為是單線態(tài)氧信號(hào)通路的成員,參與調(diào)節(jié)復(fù)雜的單線態(tài)氧依賴性信號(hào)系統(tǒng)[60]。擬南芥PPD3 是感覺質(zhì)體和葉綠體雙定位蛋白。PPD3缺失的突變體表現(xiàn)出生長緩慢、開花延遲、活性氧信號(hào)傳導(dǎo)紊亂以及鹽脅迫敏感的表型。遺傳和生化證據(jù)表明PPD3 與MSH1(MutS1 HOMOLOG 1)存在互作,參與感覺質(zhì)體介導(dǎo)的表觀遺傳調(diào)控[61]。

擬南芥ppd5突變體表現(xiàn)出側(cè)根分支增多和腋芽形成缺陷,而這種發(fā)育缺陷與突變體中獨(dú)角金內(nèi)酯合成不足相關(guān)[8]。在干旱脅迫中,ppd5突變體表現(xiàn)出氣孔關(guān)閉增加以及保衛(wèi)細(xì)胞H2O2的積累增多,從而負(fù)向調(diào)節(jié)植物的抗旱性[62]。PPD5基因可以和編碼葉綠體或胞質(zhì)核糖體蛋白的基因共表達(dá),推測PPD5可能參與到蛋白質(zhì)的從頭合成過程中,當(dāng)植物受到脅迫時(shí)在維持PSⅡ活性方面發(fā)揮一定作用[63]。

PPD6是一種獨(dú)特的PsbP 家族成員,通過對PPD6的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析發(fā)現(xiàn)它包含1個(gè)保守的二硫鍵,可以在體外被硫氧還蛋白還原[64]。Cd脅迫降低了黃瓜和煙草葉片中PPD6的基因表達(dá)[65-66],進(jìn)而可能影響到植物的光合作用。

7 展 望

類囊體腔對于高效的光合電子轉(zhuǎn)移、光復(fù)合體的組裝和維持都至關(guān)重要。已知有許多類囊體腔蛋白參與了這些過程,但大多數(shù)類囊體腔蛋白的功能仍不清楚。類囊體腔中最豐富的蛋白質(zhì)是PSⅡ的放氧復(fù)合體蛋白。其他已知的蛋白有親免蛋白家族,PsbP類蛋白家族,分子伴侶和水解活性相關(guān)蛋白等。考慮到腔內(nèi)蛋白在類囊體膜中的空間位置,可以預(yù)期有多種蛋白質(zhì)參與了光合作用調(diào)控。而隨著光合生物的長期進(jìn)化,類囊體腔蛋白的功能也存在不同程度的分化。對類囊體腔蛋白的功能挖掘?qū)⒓由钗覀儗θ~綠體亞細(xì)胞器的認(rèn)識(shí),研究結(jié)果將具有重要的理論意義。