低温环境微生物视紫红质CryoRhodopsins的发现与功能表征：紫外光传感与质子转运新机制

本研究针对寒冷环境中微生物视紫红质(MRs)功能未知的科学空白，通过生物信息学筛选和七字母基序分析，发现并系统表征了CryoRhodopsins(CryoRs)新家族。结合冷冻电镜(cryo-EM)、X射线晶体学和光谱技术，揭示其独特的精氨酸残基(R57)通过构象翻转稳定紫外吸收中间态(M2)，形成分钟级超慢光循环，证实其具有紫外光传感和内向质子转运双重功能，为极端环境微生物适应机制和光敏蛋白工具开发提供新见解。

　　

在微生物世界的能量转换与信号传递中，微生物视紫红质(Microbial Rhodopsins, MRs)扮演着关键角色。这类光敏感膜蛋白广泛存在于古菌、细菌、真核生物和病毒中，能够将光能转化为化学能或电信号。尽管科学家已经对嗜盐菌中的细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin, BR)等经典MRs有了深入认识，但在极端环境特别是低温生态系统中，MRs的多样性和功能机制仍存在巨大认知空白。冰川、雪面等寒冷环境中的微生物面临着双重挑战：既要适应低温胁迫，又要应对强紫外线辐射。这些微生物如何利用光能维持生命活动？其视紫红质是否进化出特殊机制？这些问题一直困扰着研究人员。

为解答这些科学问题，来自多个研究机构的科研团队开展了系统性研究。他们通过创新的生物信息学方法，在寒冷环境微生物中发现了一类全新的微生物视紫红质家族——CryoRhodopsins(CryoRs)。这项突破性成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，首次揭示了这类蛋白独特的紫外光感知和质子转运机制。

研究人员首先运用生物信息学筛选和七字母基序分析技术，从寒冷环境微生物基因组中鉴定出40个CryoRs成员。通过单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)和X射线晶体学技术解析了CryoR1和CryoR2的高分辨率结构。结合稳态/瞬态光谱分析、电生理记录和基因组背景分析等多项技术，系统研究了这类蛋白的结构与功能特征。

【Identification of CryoRs】部分揭示了这类蛋白的进化独特性。通过构建包含2199个MRs序列的系统发育树，发现CryoRs形成独立分支，其标志性特征是螺旋B上保守的精氨酸残基(R57)。基因组分析显示CryoRs仅存在于寒冷环境微生物中，如Cryobacterium和Subtercola等属。

【Slow photocycle kinetics】部分阐明了CryoRs异常缓慢的光循环特性。所有研究的CryoRs都表现出以蓝移紫外吸收中间态(M₂)为主的分钟级光循环，其M态寿命比其他已知MRs长一个数量级以上。特别值得注意的是，CryoR1在生理条件下会积累M₂态，表明其可能作为紫外光传感器发挥作用。

【Unique spectral behavior of CryoR1】部分详细描述了CryoR1的特殊光谱行为。该蛋白在酸性pH下呈现620nm的红移吸收峰，并表现出强烈的相干振荡现象，提示其视网膜发色团异构化受阻。pH滴定实验显示其吸收光谱随pH变化呈现非连续性位移，这与大多数MRs不同。

【Structural organization of CryoRs】通过高分辨率结构解析，揭示了CryoRs的五聚体组装形式和独特的中央通道结构。研究发现其胞质侧存在由精氨酸残基(R57)和组氨酸等形成的空腔，而RSB区域11?半径内完全缺乏水分子，这是已知MRs中前所未有的特征。

【Characteristic arginine flips】部分通过冷冻电镜捕捉到M₂态结构，发现R57会向RSB方向翻转约6.5?。这种构象变化降低了RSB的pK_a值，同时阻碍质子回流，从而稳定了去质子化的M₂中间态。

【Wavelength- and voltage-dependent proton translocation】部分通过电生理实验证实CryoR1具有内向质子转运活性。研究发现500nm和620nm光脉冲可分别诱导相反方向的瞬态电流，而白光照射产生稳定的内向质子流，这种活性受紫外光调控。

【Genomic context supports a sensory role】部分通过基因组分析发现CryoRs基因旁存在推定信号转导蛋白。AlphaFold3预测这些转导蛋白可能形成五聚体，通过β片层结构与CryoRs的C端相互作用，暗示其可能参与紫外光信号转导通路。

这项研究具有多重重要意义：首先，发现并系统表征了一个全新的微生物视紫红质家族，拓展了对MRs多样性的认识；其次，揭示了寒冷环境微生物适应紫外辐射的分子机制，为极端环境微生物学研究提供新视角；第三，阐明了精氨酸残基在稳定光循环中间态中的三重作用机制，丰富了膜蛋白结构与功能关系的理论基础；最后，CryoRs独特的分钟级光开关特性为其在光遗传学、生物传感器和光学信息存储等领域的应用开辟了新可能。

特别值得关注的是，CryoRs的M₂态寿命比BR长三个数量级，且能通过蓝光淬灭(BLQ)效应高效恢复基态，这些特性使其成为开发生物分子存储器的理想模板。此外，其双波长调控的质子转运特性提示可能设计出单一蛋白实现双向光遗传学操控的新工具。未来研究将进一步探索CryoRs与推定转导蛋白的相互作用机制，以及其在寒冷生态系统中的生态学意义。