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NC新發現，FPB1蛋白促進光系統II組裝
發布：上海澤泉科技股份有限公司瀏覽次數：16光合作用是植物生長和生存的關鍵過程，而光系統II(PSII)是這一過程的核心。光系統II(PSII)復合體在光合生物中起著至關重要的作用，它催化水分子向質體醌的電子轉移，從而激發光合作用過程中的電子傳遞。PSII的組裝是一個復雜的過程，首先形成D2-Cyt b559亞復合體，作為D1和PsbI的受體復合體。D1的前體(pD1)在翻譯過程中與D2-Cyt b559亞復合體共翻譯整合，形成PSII反應中心。在PSII復合體的生物合成過程中，至少需要數十種輔助蛋白，例如HCF136、LPA1、PAM68等，它們有助于促進PSII的組裝和翻譯。內周天線CP47是一個關鍵的亞基，與16個葉綠素和若干β-胡蘿卜素分子相關聯，含有6個跨膜結構域(TMDs)。在PSII的組裝過程中，含有CP47和幾個小的膜內在亞基的pre-CP47亞復合體與PSII反應中心結合，形成不含CP43的PSII復合體。CP47的合成和組裝也需要幾個蛋白的協助，例如PsbH和Psb28蛋白。類似于CP47，葉綠體編碼的37個蛋白中的19個已被證明是共翻譯插入到膜中。PSII反應中心蛋白D1含有五個TMDs，其共翻譯插入過程已得到深入研究。在D1的第一個TMD從核糖體通道中出現之前，核糖體通過與核糖體蛋白L420的相互作用與cpSRP54結合，然后D1的核糖體新生鏈(RNC)通過SRP受體cpFtsY被引導到類囊體膜中的SecY/E轉位子。盡管PSII核心亞基D2、CP43和CP47被認為可能是共翻譯組裝的，但目前尚不清楚SecY/E-cpSRP54靶向機制是否參與它們的翻譯和組裝，以及這些亞基的跨膜結構域如何通過分子伴侶調節整合到膜中。 2024年4月10日，Nature Communications在線發表上海師范大學彭連偉教授實驗室題為Thylakoid protein FPB1 synergistically cooperates with PAM68 to promote CP47 biogenesis and Photosystem II assembly的研究論文，文章揭示了一個新的蛋白質FPB1（Facilitator of PsbB biogenesis1），它在PSII的組裝中扮演著重要角色，它是PSII積累所必需的。本研究中，光合作用相關的葉綠素熒光成像和P700氧化還原差示吸收通過MAXI-IMAGING-PAM和DUAL-PAM-100完成。
主要研究結果速覽 ◆ fpb1突變體中PSII的積累顯著減少
◆ FPB1突變體中葉綠體編碼的psb轉錄水平不降低，但與psbB的多聚核糖體結合增強
◆ FPB1對CP47的合成和PSII的組裝有影響
◆ fpb1突變體中PSII組裝受阻
◆ PAM68中CP47的合成速率也降低
◆ 在fpb1 pam68雙突變體中，PSII的積累完全被廢除
◆ FPB1是一個具有未知功能的類囊體膜蛋白
◆ FPB1與PAM68、Alb3和SecY1相互作用
◆ fpb1和pam68中的psbB翻譯延伸受阻
◆ 葉綠體中CP47的共翻譯組裝以及FPB1和PAM68功能的可能模型
研究人員通過遺傳和生化實驗發現，FPB1與已知的PAM68蛋白協同作用，共同促進了CP47—PSII核心亞基的生物合成。在缺乏FPB1和PAM68的情況下，CP47的合成速率降低，且無法形成功能性的PSII復合體，導致植物無法進行有效的光合作用。
這項研究還發現，FPB1是一種位于葉綠體內膜的蛋白質，它與PAM68、SecY/E轉位子和Alb3整合酶相互作用，可能協助CP47在翻譯過程中順利嵌入葉綠體內膜。此外，通過核糖體剖析技術，研究人員觀察到在沒有FPB1和PAM68的情況下，核糖體在翻譯CP47時出現明顯的暫停，這表明這兩個蛋白在促進CP47的共翻譯插入中起著關鍵作用。 本研究提出了葉綠體中CP47的共翻譯組裝以及FPB1和PAM68功能的可能模型。 成果總結 在該項工作中，研究人員鑒定并描述了光合真核生物在進化過程中獲得的PSII生物發生因子FPB1。研究結果所提供的遺傳和生化證據表明，FPB1與之前發現的組裝因子PAM68 相互作用，它們在PSII組裝過程中協同協調CP47的生物發生。CP47被認為是以共翻譯方式插入類囊體膜的。通過與SecY/E易位子機制和Alb3整合酶相互作用，FPB1和PAM68 有可能促進CP47的最后兩個跨膜結構域和連接環以共翻譯方式整合到類囊體中，然后再整合到 PSII 核心復合物中。
上海師范大學生命科學學院植物種質資源開發中心的張琳副研究員，阮俊祥博士為論文的共同一作，彭連偉教授為論文的通訊作者。本研究得到了上海市自然科學基金和上海市植物種質資源工程研究中心的支持。 —— 原文 —— Zhang, L., Ruan, J., Gao, F., et al. Thylakoid protein FPB1 synergistically cooperates with PAM68 to promote CP47 biogenesis and Photosystem II assembly[J]. Nature Communications, 15, 3122 (2024).
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