藻類光捕獲復合體LHC蛋白結構與功能的進化

摘 要：綜述了近年來國內外對LHC蛋白的研究成果，從進化角度系統地分析了LHC蛋白的結構與功能，并對未來的研究進行了展望。

關鍵詞：藻類 LHC； 天線系統； 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也同樣經歷了結構和功能上的分化[1]。LHC是一類在光保護機制中起著關鍵作用的跨膜蛋白，能捕獲光能，并把能量迅速傳至反應中心引起光化學反應。此類蛋白鑲嵌于類囊體膜上，可以結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，所以關于LHC蛋白的研究已經成為近年來世界生物領域內的熱點。

LHC是一個多基因大家族，在細胞核中編碼。翻譯后，LHC通過轉運肽N-末端被識別。轉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合并插入到類囊體膜上。所有的LHC都有3個跨膜區與基質相連。LHC中的第一和第三個跨膜區有一段相似的序列，這段相似序列可能是通過一個內在的復制所形成的[3]。這兩個區會形成“LHC motif”（ExxxxRxAM）結構，通過Glu-Arg和Arg-Glu這個鹽橋結構與葉綠素a分子相連。這種與葉綠素的結合也使兩個螺旋跨膜區結構更為穩定。第二個跨膜區據推測其保守的氨基酸序列為葉綠素c的結合位點。

藻類根據其LHC蛋白結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，捕光色素蛋白復合物是由葉綠素a/b結合蛋白結合葉綠素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合體是利用褐藻素-葉綠素a／c結合蛋白結合葉綠素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合葉綠素a，其結構相對其他藻類的捕光蛋白最為原始。

1 紅藻起源說LHC蛋白的結構與功能進化

在有氧光合自養生物中，第一個光捕獲蛋白復合體系統是藻膽蛋白，這種可溶性蛋白復合體在現存的藍藻、灰綠藻和紅藻的光系統中仍處于主導地位。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）6六聚體狀態存在。某些分離得到的藻膽蛋白還含有（αβ）6γ[4]。它與光系統一（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）僅僅結合葉綠素a、玉米黃質和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，但是沒有太多的生物學證據。Veith等[5]更支持第一種說法，他發現在LhcaR分支中的某些葉綠素a/c結合蛋白可能特異性的與PSI相關，并已經證明了硅藻屬中的FCP4具有類似于PSI天線蛋白的功能。但仍有部分葉綠素a/c結合蛋白的特異性識別序列尚需鑒別。

1.2 葉綠素a/c結合蛋白分支

葉綠素a/c結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結合蛋白。和植物相比，紅藻質體起源說的LHC與類胡蘿卜素的結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結合蛋白已經以三聚體形式被分離出來。但是這個分支究竟與PSI相關還是與PSII相關還需要進一步的研究。

1.3 LHCSR/LI818分支

LHCSR（LI818）現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了，是通過與葉綠素a/c相結合形成一個輔助內共生關系[9]。LHCSR分支包括葉綠素a/c結合蛋白和葉綠素a/b結合蛋白。同時也發現在硅藻和綠藻中LHCSR同系物屬于LHC蛋白家族中的一個與脅迫相關的成員，其轉錄量取決于外界環境的脅迫（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、葉黃質色素結合量加大及熒光產量的降低有關。

1.4 LHCZ分支

LHCZ分支包含了紅藻類質體起源說和綠藻類質體起源說生物（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域。

2 PSI光捕獲蛋白的結構與功能進化

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。這種二聚體形式能夠更好地幫助LHC行使能量轉移及色素識別功能[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超復合體的結構，并預測有11個LHCI蛋白呈月牙型排列在每個PSI復合體一側。目前已經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結構的重造，從而有效地減少多余能量從LHCI轉移至PSI。在衣藻中，Lhca3基因RNAi敲除的突變體引發了所有LHCI蛋白的損耗，這顯示出了Lhca3對于連接LHCI天線系統和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Lhca3一個結構上的很大改變從而有效地增加PSI天線系統大小，可平衡光系統中的激感現象[13]。以上研究結果表明，綠藻具有調節PSI-LHCI復合物的組成與結構的能力，從而對應環境條件的變化。

3 PSⅡ光捕獲蛋白的結構與功能進化

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超復合體結構和生化特征都與陸生植物LHCII-PSII超復合體十分相似，每個PSII反應中心與大約200個色素分子相結合。衣藻LHCII-PSII與陸生植物LHCII-PSII相比最主要的區別在于衣藻缺少CP24。所有結合葉綠素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構（WYGPDR motif）[14]。LHCII的三聚體結構較單體在結構上更為穩定，并且能在早期更快地適應光捕獲功能。

微量天線系統（CP29和CP26）在光捕獲天線系統的結構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，這意味著調節光捕獲的這些機制在LHCII天線系統的進化過程中很早就建立了。CP29在早期天線系統中一個重要的作用是在反應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天線系統的磷酸化并促使LHCII天線和PSI相結合，從而減少激發能在兩個光系統之間的不平衡，這一過程叫做“狀態轉變”[15]。Kargul等[1６]也在文獻中提出CP29在狀態轉化的情況下與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具有同樣的作用與功能，這些有待于進一步研究。

4 結 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并不完善。結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構、功能及他們之前的相互聯系做不斷深入的研究，從而更好地分析其進化關系。隨著生物技術的不斷提高，在不久的將來這一領域定會獲得突破性的進展。

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