高光诱导蛋白调控叶绿素合成酶与光系统II生物发生因子Ycf39的相互作用机制

为解决光合膜复合体中叶绿素(Chl)精准递送机制不明的问题，捷克科学院微生物研究所Roman Sobotka团队通过蓝藻模型揭示了HliC/D介导的ChlG-Ycf39动态组装规律。研究发现HliD同源二聚体在非胁迫条件下稳定ChlG复合体，而高光胁迫诱导的HliC通过形成异源二聚体重构Chl递送路径，为理解PSII修复的分子机制提供了新视角。该成果发表于《Plant Physiology》。

　　

在光合生物中，叶绿素(Chl)分子既是光能捕获的核心辅因子，又是潜在的光敏毒性物质。如何确保Chl精准嵌入光系统II(PSII)的D1亚基，特别是在高光(HL)胁迫导致Chl合成受限时，是困扰学界的重要问题。蓝藻通过高光诱导蛋白(Hlips)和Ycf39因子组成的复杂网络协调这一过程，但具体分子机制始终未明。

捷克科学院微生物研究所的Anna Wysocka与Roman Sobotka*团队在《Plant Physiology》发表的研究，首次阐明了HliC/D介导的叶绿素合成酶(ChlG)与PSII组装因子Ycf39的动态互作规律。研究综合运用蛋白质组学、单颗粒电镜和分子动力学模拟等技术，通过构建系列基因工程蓝藻株系，揭示了环境胁迫下Chl递送机器的重组机制。

关键实验技术
研究采用FLAG标签亲和纯化技术分离ChlG复合体，结合二维蓝绿温和电泳(BN/CN-PAGE)解析蛋白组装状态。通过AlphaFold3预测复合体结构，辅以分子动力学(MD)模拟验证相互作用界面。单颗粒电镜分析负染样品确认了G-D₂-G等复合体的三维构象，HPLC定量分析了色素 stoichiometry。

High-light-inducible proteins control associations between synthase and the Photosystem II biogenesis factor Ycf39
研究发现正常光照(NL)下，ChlG通过HliD同源二聚体形成稳定的四聚体(G-D₂-G)或三聚体(G-D₂)，其中玉米黄质(Zea)通过桥接HliD与ChlG稳定复合体。高光胁迫2小时内，急剧合成的HliC取代HliD₂形成异源三聚体G-D/C，该结构虽保留Chl结合能力但丧失与ChlG的多价相互作用。

Stress-induced HliC-HliD heterodimers replace HliD homodimers in ChlG and Ycf39 complexes
脉冲标记实验显示HliC合成速率远超PSII核心蛋白。免疫印迹证实△hliC突变体中G-D₂复合体在HL下仍持续存在，而野生型则快速转换为G-D/C。质谱定量揭示HliD与ChlG的化学计量比从NL下的1.54±0.013降至HL的1.12±0.010，印证了HliC对复合体结构的解聚作用。

Structural basis of Ycf39 recruitment by HliD
AlphaFold3预测结合MD模拟显示，Ycf39通过结合HliD N端保守的PTxTP基序（而非HliC）形成柔性连接。截断实验证实缺失该基序的His-^Δ11HliD完全丧失Ycf39结合能力，但保留与ChlG的互作。单颗粒电镜捕捉到G-D₂-39中Ycf39的摆动状态，符合MD模拟显示的氢键动态变化特征。

ChlG-Hlips complexes are pigment-protein assemblies
色素分析发现G-D₂-G每4Chl结合0.5β-胡萝卜素(β-Car)、1.7 Zea和1.6 Myxoxanthophyll(Myxo)，而G-D₂仅含1:1:1配比。结合酶活实验推测Zea通过羟基与ChlG亲水腔相互作用，而Myxo可能松散结合在ChlG表面。

讨论与意义
该研究提出了Chl递送的"双模式"调控模型：在NL下，HliD₂-ChlG多聚体作为Chl储备库支持PSI生物发生；HL胁迫时，HliC诱导的复合体重编程使Chl优先流向PSII修复。特别重要的是，HliD的PTxTP基序在进化上高度保守（通过37个蓝藻基因组验证），而真核生物中同源的OHP1/2-HCF244复合体可能继承了这一调控逻辑。研究为人工改造光合效率提供了新靶点——通过调控HliC/D表达平衡可能增强作物在高光胁迫下的PSII修复能力。

这项工作首次揭示了Hlips作为"分子开关"调控Chl流向的精确机制，解决了光合膜蛋白组装领域长期存在的"Chl递送特异性"难题。发现的Zea稳定化作用为解释植物叶黄素循环的光保护功能提供了新线索。捷克团队建立的ChlG复合体分离方法，为研究其他膜蛋白-色素超分子组装树立了技术标杆。