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蓝藻在地球生命演化中意义重大，其光合过程会产生活性氧物种（ROS）威胁自身生存。为解决这一问题，研究人员开展了光合 NDH-1 稳定机制的研究。结果发现蓝藻源分子间盐桥可稳定光合 NDH-1、防止氧化应激。该成果对理解蓝藻生存及生命演化意义重大。
在地球生命的演化长河中，蓝藻（Cyanobacteria）作为最早通过光合作用产生氧气的生物，扮演着极为关键的角色。它们让地球从还原态转变为氧化态，为复杂生命的诞生创造了条件。然而，氧气含量的增加也给蓝藻带来了麻烦。在环境压力下，蓝藻细胞内会不可避免地产生活性氧物种（ROS），这些 ROS 就像一群 “捣乱分子”，会对细胞造成损害。为了应对这一危机，蓝藻进化出了多种抗氧化机制，其中由光合 NDH-1（一种参与光合作用的重要复合物，英文全称为 NADPH dehydrogenase）介导的循环电子传递（NDH-CET）尤为关键。它不仅能产生额外的 ATP，还能提高 ATP 与 NADPH 的比值，从而减少 ROS 的产生。
维持光合 NDH-1 的稳定性是 NDH-CET 发挥作用的前提，在进化过程中，蓝藻为了适应有氧环境，给光合 NDH-1 添加了许多源自蓝藻的亚基来稳定其结构。但这些光合成分是如何稳定 NDH-1 的，一直是个未解之谜。上海师范大学生命科学学院的研究人员决心解开这个谜团，他们展开了深入研究，相关成果发表在《Communications Biology》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。在分子生物学层面，构建了一系列突变菌株，如 ΔndhF1、NdhF1D635A等，通过对这些突变体的研究来探究特定基因或位点的功能；采用 RNA 提取和 RT-PCR 分析技术，检测相关基因的表达情况。在蛋白质研究方面，利用蓝绿温和胶电泳（BN-PAGE）和免疫印迹技术，分析蛋白质复合物的组装和亚基组成；进行体外 Fd 依赖的 PQ 还原实验以及叶绿素荧光和 P700 分析，测定 NDH-CET 的活性。此外，还通过监测 CO2气体交换动力学和 ROS 测量，评估细胞的生理功能变化。
研究结果
- Asp635-Lys166 盐桥稳定光合 NDH-1：研究发现，在进化过程中，蓝藻的 NdhF1 亚基添加了一段氨基酸序列，形成了一个分子间盐桥，即位于 NdhF1 长两亲性螺旋上的 Asp635 与 NdhD1 的 Lys166 形成盐桥。研究人员通过定点突变破坏该盐桥后发现，虽然对类囊体膜中光合 NDH-1 的总蛋白丰度影响不大，但约一半的 NDH-1L 复合物会分解为常见的 NDH-1M 模块。同时，体外和体内实验均表明，破坏该盐桥会显著降低 NDH-CET 的活性，这表明蓝藻源的 Asp635-Lys166 盐桥有助于稳定光合 NDH-1。
- Asp635-Lys166 盐桥防止氧化应激：在高光照射条件下，研究人员测量了 CO2固定活性和 ROS 水平。结果显示，破坏 Asp635-Lys166 盐桥会抑制高光条件下的 CO2固定活性，同时显著提高细胞内 ROS 水平。这表明该盐桥能够改善 Calvin-Benson-Bassham 循环（CBB 循环）的性能，在高光条件下防止氧化应激。
- 盐桥和 NdhF1 的 TM16 共同稳定光合 NDH-1：序列比对和结构数据表明，NdhF1 亚基包含 16 个跨膜（TM）螺旋和一个长水平（LH）螺旋。研究人员推测盐桥和 NdhF1 的 TM16 可能共同稳定 NdhD1 和 NdhB 之间的连接。通过截断 NdhF1 的 TM16 和 C 末端尾实验发现，这与破坏盐桥的效果类似，会导致约一半的 NDH-1L 复合物分解，且同样降低 NDH-CET 的活性。由此可知，盐桥和 NdhF1 的 TM16 协同稳定了类囊体基质侧 NdhB 和 NdhD1 之间的连接，形成了类似 “cramps iron” 的结构。
- 盐桥与 NdhP、NdhQ 共同稳定光合 NDH-1：单独缺失 NdhP 和 NdhQ 亚基会导致约一半的 NDH-1L 复合物分解。研究人员进一步在 NdhP 或 NdhQ 缺失突变体中破坏 Asp635-Lys166 盐桥，结果发现几乎所有的 NDH-1L 复合物都分解为 NDH-1M 模块。同时，相关实验表明，破坏盐桥和缺失 NdhP 或 NdhQ 会显著降低 NDH-CET 活性，加重对高光条件下 CO2固定活性的抑制，提高细胞内 ROS 水平。这充分说明盐桥与 NdhP、NdhQ 共同稳定光合 NDH-1，并减轻高光条件下的氧化应激。
研究结论与讨论
本研究首次揭示了光合成分在进化过程中对稳定光合 NDH-1 的重要作用。蓝藻源的分子间盐桥、NdhF1 的 TM16 和 LH 形成的类似 “cramps iron” 的结构，以及 NdhP 和 NdhQ 类似 “分子胶水” 的作用，共同稳定了光合 NDH-1 中 NdhD1 和 NdhB 之间的连接。稳定的光合 NDH-1 能够促进 PSI CET（NDH-CET），维持 ATP/NADPH 比值，优化 CBB 循环，减少高光条件下 ROS 的产生。这种抗氧化机制对早期蓝藻在有氧环境中的生存至关重要，为地球上复杂生命的进化奠定了基础。研究结果为理解光合 NDH-1 的稳定机制提供了新的视角，也为进一步探究光合作用和生命演化提供了重要线索 。
