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Science:植物光合作用关键酶RuBisCo在体外成功组装(合成生物学)
    

1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,RuBisCo)是一个约540-kDa的蛋白复合体,它包含八个大亚基(RbcL, ~53 kDa)和八个小亚基(RbcS, ~15 kDa)。RuBisCo是植物、藻类及许多光合细菌中将CO2固定为有机碳水化合物的关键酶,它的这一催化反应将太阳能转化为化学能,对整个生物圈的维持具有重要的意义。RuBisCo是自然界含量最丰富的酶类,然而,它的催化效率很低。因此,一直以来,生物学家们都在试图对其进行改造,以期提高作物产量。在体内,RuBisCo需要在多种分子伴侣的帮助下才能折叠成具有正确的三维结构、组装成能够正常发挥功能的复合体(RbcL8S8); 而在体外,植物RuBisCo尚未得到有生物学功能的表达。2017年12月8日,来自德国马普生化所科研团队于《科学》杂志上报导了在大肠杆菌中成功组装植物RuBisCo的成果。

研究人员通过在大肠杆菌中与AtRuBisCo共表达多种叶绿体分子伴侣——伴侣蛋白60 (Cpn60α亚基与Cpn60β亚基),伴侣蛋白20 (Cpn20),RuBisCo组装因子RAF1和RAF2,RuBisCo因子X (RbcX),以及维管束鞘缺陷蛋白2 (BSD2)——以帮助在体外折叠、组装RuBisCo,最终成功表达出了有催化活性的拟南芥RuBisCo。另外,作者通过添加不同组合的伴侣蛋白和辅助因子并检测这些条件下RuBisCo的合成与活性,分别阐释了这七种分子伴侣在RbcL8S8折叠与组装过程中的作用:Cpn60/Cpn20,RAF1/2, BSD2是AtRuBisCo在大肠杆菌中正常组装行使功能所必须的。其中,Cpn60αβ所发挥的作用是过表达大肠杆菌内源伴侣蛋白GroEL/GroES所不能取代的,而GroES可以取代Cpn20作为Cpn60的辅因子,在RuBisCo的加工过程中发挥作用。研究还发现,辅助因子RbcX对重组RuBisCo的生成不是必须的,但可以显著提高其产率。

作者详细阐述了BSD2蛋白在RuBisCo合成中的关键作用。研究发现,BSD2可以与RbcL8形成复合体,这种复合体是在RbcS含量较低的条件下形成的中间产物,在添加过量的RbcS时,BSD2可以被RbcS竞争,最终生成具有功能的RbcL8S8。这一结果暗示,RbcL/BSD2复合体是RuBisCo合成过程中最后的一种中间产物。此外,作者还解析了叶绿体特有的BSD2以及RbcL8:BSD2复合体的结构。结果显示,BSD2呈现出新月形的发卡结构,中心有一个凹槽,并结合了两个Zn原子,其肽链的末端是无序的;每两个BSD2分子结合了反向平行的RbcL2单元——Zn原子中心2的凹面与一个RbcL亚基的C端结构域形成主要的作用面,同时Zn原子中心1的表面也结合了临近RbcL亚基的N端结构域。这种结合作用能稳定RbcL8的C端结构域,而RbcS的结合将引发RbcL的构象变化,从而阻止了BSD2与RbcL的进一步结合——伴随着BSD2的解离,生成了有生物学活性的RuBisCo复合体。在此结构的基础上,作者又通过突变关键的氨基酸位点和功能验证,进一步证实了这一推论。

综上,作者通过在大肠杆菌中与RuBisCo共表达七种叶绿体分子伴侣,成功地获得了有功能的RuBisCo,阐释了RuBisCo的折叠、组装原理。并较为详细地揭示了BSD2在RuBisCo组装中的作用,即BSD2与RbcL8结合以稳定RbcL8,是组装末期的中间产物,直至RbcS出现时,通过RbcS对BSD2的竞争,最终形成具有活性的RbcL8S8复合体。 这一成果将有助于日后人们通过突变等方式改造光合作用中的关键酶RuBisCo,提高其催化效率,为提高粮食产量打下基础。Todd O. Yeates博士和Nicole M. Wheatley教授在同期《科学》上对此项研究成果给予了评论。

原文链接:

http://science.sciencemag.org/content/sci/358/6368/1272.full.pdf

http://science.sciencemag.org/content/sci/358/6368/1253.full.pdf

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