褐潮藻光捕获复合体蛋白通过谷氨酸残基介导的光保护分子机制

《Nature Communications》：Mechanisms of light harvesting complex proteins in photoprotection of the brown tide alga

本研究针对褐潮藻Aureococcus anophagefferens在波动光环境下形成水华的生态学问题，通过分子生物学和生物物理学手段揭示了LHC蛋白中两个保守谷氨酸残基在感应类囊体腔酸化、诱导非光化学淬灭(NPQ)中的核心作用。研究人员发现AaLhc2E蛋白通过E残基质子化引发构象变化，进而激活qE淬灭机制，该发现为理解藻类光适应策略及褐潮暴发机制提供了新视角。

　　

在沿岸海域，一种名为Aureococcus anophagefferens的微型藻类常引发大规模褐潮，对养殖业和生态系统造成严重威胁。这类藻类尤其擅长在光照条件复杂的水体中生存——既能在浑浊水域的弱光环境下高效捕获光能，又能在突然暴露于强光时快速启动自我保护机制。这种神奇的光适应能力背后隐藏着怎样的分子密码？长期以来，科学界对藻类光保护机制的认识存在空白，特别是其光捕获复合体蛋白如何感知光强变化并触发保护机制的关键环节尚未明晰。

传统观点认为，藻类主要通过依赖类囊体膜质子梯度(ΔpH)的能量依赖型荧光淬灭(qE)来消散多余光能，该过程常与叶黄素循环耦合。然而，在A. anophagefferens这类拥有62个LHC基因的特殊藻类中，其光保护机制是否存在独特之处？研究人员推测，LHC蛋白中特定的酸性氨基酸残基可能扮演着质子传感器的角色，但这一假说需要实验验证。

为解开这一谜团，Lei Cui等人在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们通过多学科交叉方法，首次揭示了褐潮藻LHC蛋白中两个保守谷氨酸残基作为质子感应开关，通过构象变化激活NPQ的分子机制。这一发现不仅阐明了A. anophagefferens在波动光环境中形成水华的能力基础，更为理解藻类光适应进化提供了新视角。

研究采用的主要技术方法包括：渤海褐潮区周年野外生态调查与藻类垂直分布分析；RNA测序与加权基因共表达网络分析(WGCNA)筛选光响应关键LHC基因；异源表达系统（以Thalassiosira pseudonana为模型）进行基因功能验证；傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析蛋白质子化诱导的构象变化；分子动力学模拟(MD)揭示pH依赖的蛋白动态构象变化。

褐潮藻对光变化的强适应能力

野外调查显示，A. anophagefferens在渤海海域呈现均匀的垂直分布，而其他竞争藻类（如甲藻和硅藻）则表现出明显的光强偏好性分布模式。这种独特的分布特性表明该藻具有卓越的光可塑性，既能适应弱光环境，又具备强光保护能力，使其能在整个水柱中繁衍生息。

高丰度LHC基因及其独特谷氨酸残基的光保护证据

转录组分析将62个AaLHC基因分为两组：Group I（11个基因）在强光暴露后快速上调表达，且均含有两个保守谷氨酸残基(AaLhc2E)；Group II基因则呈现相反表达模式。蛋白结构模拟显示，这两个E残基分别位于类囊体腔侧环区和C端结构域，空间距离小于3.0 ?，为质子化诱导的构象变化提供了结构基础。NH₄Cl处理实验证实ΔpH是NPQ诱导的必要条件。

含谷氨酸残基AaLHC与其他藻类光保护蛋白Lhcx/LhcSR的相似性

系统发育分析表明，11个AaLhc2E蛋白与已知光保护蛋白Lhcx/LhcSR聚类，暗示其功能保守性。序列比对显示这两个E残基位于跨膜螺旋末端延伸至腔区的关键位置，与维管植物PsbS蛋白的感应机制既相似又存在结构差异。

E残基在AaLHC介导NPQ中的关键作用

通过在T. pseudonana中异源表达AaLhc27及其E102Q/E210Q突变体，研究发现野生型AaLhc27E能显著增强NPQ能力，而突变体则丧失此功能。同时，AaLhc27E表达株系在强光下呈现更高的去环氧化状态(DPS)和生长优势，证实E残基通过调控叶黄素循环参与光保护。FTIR光谱分析直接捕获到E残基质子化引发的蛋白二级结构变化：在pD 5.0条件下，AaLhc27E出现质子化羧基特征峰(1700-1750 cm^-1)，而突变体无此响应。分子动力学模拟进一步揭示，质子化促使E残基与邻近异亮氨酸形成稳定氢键，引发腔侧结构域构象重排。

研究结论与意义

本研究首次证实A. anophagefferens的LHC蛋白通过两个腔侧谷氨酸残基感应ΔpH，触发构象变化并激活NPQ的分子通路。这种机制使该藻能快速响应水柱中时空变化的光照条件，结合其卓越的弱光适应能力，共同构成其褐潮形成的竞争优势。与极地硅藻Fragilariopsis cylindrus等适应波动光环境的藻类相似，A. anophagefferens通过扩张Lhc2E基因家族（共11个成员）强化了光保护能力，这与其对有机营养、微量金属和维生素利用的遗传基础共同构成"END"（能量捕获-营养获取-环境防御）竞争优势，为其在富营养化河口暴发褐潮提供了生态学解释。该发现为理解藻类光适应进化及有害藻华预测提供了新的分子框架。