中国农业科学院发表Nature文章：首次揭示叶绿素合成关键酶晶体结构

中国农业科学院生物所程奇课题组解析叶绿素合成关键酶结构

　　

“万物生长靠太阳”，地球上的生命所用能量均是通过光合作用直接或间接转化而来。光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶（LPOR）是蓝细菌、藻类和多细胞植物叶绿素合成的关键酶，与黄化幼苗的转绿能力直接相关，对绿色植物的生长发育至关重要。该关键酶发现至今已近百年，其蛋白的结构及作用机理解析对光合作用的理论和应用研究意义重大，是该领域亟待解决的重大科学问题之一。

来自中国农业科学院生物技术研究所，英国曼彻斯特大学等处的研究人员发表了题为“Structural basis for enzymatic photocatalysis in chlorophyll biosynthesis”的文章，首次解析了叶绿素生物合成关键酶--LPOR的三维晶体结构，揭开了光合作用终极能量来源的生物学转化“阀门”真实结构，阐明了光驱动酶的结构学基础和光依赖型还原酶的动力学机制，填补了国际上近一百年来光合作用途径中，叶绿素生物合成关键酶的三维结构的空白，具有“里程碑”式的意义。

这一研究发现公布在10月份的Nature杂志上，文章的通讯作者为中国农业科学院生物技术研究所程奇博士，上海交大医学院周爱武教授，以及曼彻斯特大学Nigel S. Scrutton教授。

原叶绿素酸酯氧化还原酶（POR）是催化叶绿素生物合成中的光依赖性步骤，这对地球上所有利用光合作用的生命至关重要。POR是三种已知的光依赖的蛋白酶之一，它催化底物原叶绿素的还原，进而形成叶绿素。虽然有着如此重要的生物学作用，但是POR光催化的结构基础仍然未知。

LPOR在光合作用中的重要作用

在叶绿素（Chl）的合成过程中，从谷氨酰-tRNA(Glu-tRNA)开始到Chl b的合成结束为止一共包括16步,由20多个基因编码的16种酶完成。其中光驱动原叶绿素酸脂Pchlide的C17=C18双键还原生成叶绿素酸酯-a (叶绿素-a的直接前体)。该反应由POR酶催化，是叶绿素生物合成途径中的关键调控步骤。该催化反应所涉及的激发态Pchlide和蛋白质之间的相互作用，是C17=C18双键被光催化还原的关键。

这篇文章报道了在不同衍射率（1.4Å,1.8Å，2.4Å）下的LPOR酶单体、LPOR-NADPH蛋白复合体的晶体结构。通过对LPOR晶体结构的解析及LPOR-NADPH-原叶绿素酸酯三元复合物的精准建模，阐明了LPOR蛋白催化原叶绿素酸酯转化为叶绿素酸酯的精准过程，为植物如何利用光能驱动酶催化提供了重要信息，也为定量的能量转化反应精细计算分析铺平了道路。对光催化的化学和生物催化剂及相关蛋白小分子抑制剂的工程化设计均具有重要意义。

这项研究对于理解光如何驱动酶促反应，从而把光能转化为化学能提供了重要的信息，同时也对光催化小分子药物的设计具有一定的指导意义。

原文标题：

Structural basis for enzymatic photocatalysis in chlorophyll biosynthesis

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1685-2