关键词：
蓝细菌
藻胆体
藻胆蛋白
远红光光适应
藻胆色素
摘要：
藻胆体（Phycobilisome,PBS）是一种多蛋白复合物,是蓝藻（即蓝细菌）和红藻中的主要外部天线系统,其外围杆状结构主要由藻蓝蛋白和藻红蛋白构成,多圆柱形的核心结构主要由别藻蓝蛋白（Allophycocyanin,APC）组装而成。通过结合单个藻蓝胆素（Phycocyanin,PCB）,一种线性四吡咯发色团,APC亚基可以吸收可见光谱的橙红色区域（600-700 nm）的光。最近在能进行远红光光适应（Far-red light photoacclimation,FaRLiP）和低光光适应（low-light photoacclimation,LoLiP）的生物体中发现了与PCB结合并能够吸收远红光（FRL;700-800 nm）的APC的旁系同源形式。五个旁系同源APC亚基由FaRLiP基因簇编码,该基因簇在远红光下生长的细胞中转录激活。FaRLiP期间表达的PBS的结构理解对于研究一般光合作用系统非常有用,特别是对于解释光谱数据,然而,尽管有如此丰富的结构数据,仍然存在许多问题,特别是缺乏关于FaRLiP期间APC结构,它能强烈吸收远红光。
为了解决这个问题,本研究解析了Chroococcidiopsis thermalis ***7203执行FaRLiP下表达的远红色别藻胆蛋白AP-B2[（PCB-ApcD5/PCB-ApcB2）3]的结构。通过冷冻晶体X射线测定,能够以2.8?的分辨率对该复合物进行结构分析。研究发现AP-B2与吸收波长在650至670 nm范围内的传统APC成员一样具有三聚体结构,结构数据表明其主要区别在于发色团和氨基酸之间的紧密相互作用稳定了PCB-ApcD5中PCB的共平面构象,特别是从ring B/C/D延伸到ring A,发色团整体变的更加共面。在与PCB-ApcB2复配时,它甚至会进一步红移(λmax,absorption=707 nm,λmax,emission=721 nm)。
诱变数据证实了,AP-B2的FRL吸光度的主要原因是PCB-ApcD5中发色团上ring A周围的蛋白质环境。已生成的PCB-ApcD5（I123M）突变体在没有PCB-ApcB2的情况下已显示出强烈的FR波段,我们对此提出了一个可能的模型。对于FRL-APC,本研究认为ring A附近的静电环境也可能在显著超红移的光谱中发挥作用。本研究讨论了另外两种已知的可以使发色团光谱发生红移的机制:内酰胺-内酰亚胺互变异构和发色团的去质子化。因此,这些结果提供了一种将FRL-APC的结构与其相应的光谱数据联系起来的分子机制,从而加深了我们对APC的理解。另外,本研究报告了一种从大肠杆菌中获得重组FRL-APC三聚体的方法,仅使用两次硫酸铵沉淀就可以获得高纯度且高色素化的复合物,该方法替换了常规的尺寸排阻层析,使纯化过程变的简单而高效,大幅减少了纯化成本,这对于研究和开发超红移APC三聚体十分有利。
本研究利用藻胆蛋白和藻胆色素之间作用的灵活性,设计出新颖、稳定且高度适应性的新型荧光蛋白复合物Dic-（AP-B2）,该复合物的主要吸光范围跨越了～150 nm（559到707 nm）,相比自然的光合作用元件拥有更宽的光捕获范围,并模拟了其发色团与蛋白质共价键合方式及可能的构象结构。总之,本研究采用晶体学方法揭示了具有FRL吸收的AP-B2复合物的结构-功能之间关系。结构数据结合生物化学分析,旨在确定FaRLiP中发生超红移吸收的机理,扩展了对藻胆蛋白的光捕获属性的分子理解,并将有助于设计用于生物技术应用的人工光合系统。
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