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莱茵衣藻四吡咯分子胆色素通过镁螯合酶调控蛋白GUN4调控叶绿素合成的机制研究

批准号:
32070268
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
端木德强
依托单位:
学科分类:
植物光合与固氮
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
端木德强

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
光合生物通过四吡咯途径产生叶绿素和血红素,尚不清楚血红素分支是否能够直接调控叶绿素的合成。衣藻中血红素代谢产物胆色素与催化叶绿素合成第一步反应的镁螯合酶(MgCh)调控蛋白GUN4互作,增强MgCh体外活性50倍以上。本项目多角度解析胆色素通过GUN4调控叶绿素合成的分子机制:鉴定胆色素与GUN4在体内的互作及胆色素与四吡咯分子竞争结合GUN4;构建胆色素缺陷及gun4双突变体,通过添加胆色素及遗传互补、免疫沉淀等方法鉴定胆色素-GUN4对MgCh活性、叶绿体中分布及蛋白稳定性的影响;分析胆色素-GUN4对四吡咯前体分子ALA合成的反馈调控作用;鉴定GUN4在黑暗/光照转变过程中介导胆色素从叶绿体到细胞质的转运及胆色素信号调控活性氧代谢相关基因表达的功能。本项目的实施将丰富对叶绿素合成调控机制的认识,有望揭示在藻类及植物等光合生物中可能普遍存在的这样一条血红素分支直接调控叶绿素合成的途径。
英文摘要
Chlorophyll and heme are derived from tetrapyrrole biosynthetic pathway in photosynthetic organisms, yet it is still unclear whether or not heme branch can directly regulate chlorophyll biosynthesis. The magnesium chelatase (MgCh) catalyzes the first step of chlorophyll biosynthetic pathway. We observed that Chlamydomonas heme catabolite bilin could interact with the MgCh regulatory protein GUN4, and therefore enhanced the MgCh activity more than 50 folds in vitro. This project is aimed to investigate the molecular mechanism of chlorophyll biosynthetic regulation by bilin and GUN4 from many aspects: characterizing the interaction between bilin and GUN4 in vivo and competitive binding to GUN4 among bilin and other tetrapyrrole intermediates; construction of double mutant containing both bilin biosynthetic deficiency and gun4 mutation, identification of the impact on MgCh activity, subchloroplastic distribution and protein stability by bilin-GUN4 by employing various approaches including in vitro feeding of bilin, genetic complementation and immunoprecipitation, etc; analysis of bilin-GUN4-mediated feedback regulation of biosynthesis of tetrapyrrole precursor ALA (5-Aminolevulinic acid); identification of the role of GUN4 in mediating bilin transport from chloroplast to cytosol and in regulating expression of reactive oxygen species (ROS) metabolism-related genes by the bilin retrograde signaling during dark to light transition in Chlamydomonas reinhardtii. The implementation of this project will enrich our understanding about the mechanism of chlorophyll biosynthetic regulation, and is expected to reveal a widely present regulatory pathway in photosynthetic species including algae and plants in that heme branch can directly regulate chlorophyll biosynthesis.
藻类和植物等光合生物在叶绿体中通过四吡咯途径合成叶绿素。前体物质5-氨基乙酰丙酸至原卟啉IX(PPIX)处发生分支,形成叶绿素分支和血红素分支。胆色素是血红素分支的代谢产物,通常作为光受体或捕光蛋白的生色团,参与光的感知与捕获。在莱茵衣藻中,胆色素作为叶绿体反向信号维持光合自养生长和光系统I的稳定性。前期研究表明,胆色素的缺乏会影响衣藻细胞叶绿素的积累,但相应分子机制并不清楚。本项目以叶绿素合成第一步反应镁离子螯合酶MgCh和其激活蛋白GUN4为研究对象,阐明胆色素对这些蛋白的调控机制及在衣藻细胞光适应中的功能,研究结果表明:GUN4能与胆色素非共价结合,显著增加MgCh活性20倍以上;GUN4或胆色素的缺乏均会导致MgCh催化亚基CHLH1的积累大幅度减少,GUN4和胆色素对于CHLH1蛋白和叶绿素的积累都发挥重要作用;GUN4蛋白色氨酸W135, W189和W200存在单线态介导的氧化修饰,胆色素显著抑制其修饰程度,这些氨基酸突变之后均导致突变体在紫外光胁迫下不能生长,W189同时影响了高光强下的细胞生长,而W189在蓝细菌、微藻和高等植物的GUN4蛋白中都保守;另外,衣藻中的蓝光受体aCRY,pCRY,PHOT和UVR8不参与胆色素依赖的光系统I蛋白的回补,表明衣藻中存在其他未知的蓝光受体参与了这一调控过程;转录组学鉴定到胆色素影响的特异蓝光和紫外光转录调控基因,为进一步深入研究光氧信号和胆色素反向信号之间的交叉调控机制奠定了基础。本项目揭示了血红素分支产物胆色素与叶绿素分支第一步反应的调控蛋白GUN4互作、促进镁螯合酶MgCh活性及维持MgCh催化亚基CHLH1的稳定性,提出了一种小分子-蛋白(Bilin-GUN4)互作在转录后水平调节叶绿素合成的新型调控机制,并进而提出该调控途径在内共生起源的蓝细菌、真核藻类及高等植物等光合生物中可能普遍存在。该研究不仅丰富了我们对叶绿素合成调控的理解,也为胆色素的多样化且进化上保守的生物学功能研究提供了重要依据。
叶绿体蛋白BBP1-BTP1调控四吡咯分子胆色素跨膜转运的机制研究
  • 批准号:
    32370255
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    端木德强
  • 依托单位:
百脉根血红素加氧酶LjHO1维持根瘤高效固氮的分子机制研究
  • 批准号:
    31870220
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    端木德强
  • 依托单位:
莱茵衣藻中胆色素介导叶绿体反向信号转导的分子机制
  • 批准号:
    31570233
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    端木德强
  • 依托单位:
国内基金
海外基金