PNAS | 类胡萝卜素合成调控新机制

类胡萝卜素是一类重要的辅助捕光色素，同时作为一类重要的光保护色素 【1,2】 ，参与光合机构 （photosynthetic appatatus） 的组装、稳定和修复。通常认为类胡萝卜素在叶绿体膜上合成，但类胡萝卜素分布在整个叶绿体中。目前为止，调控类胡萝卜素合成、转运、封闭和降解的分子机制仍然不是很清楚。

衣藻 （Chlamydomonas reinhardtti） 是一种单细胞绿藻，不仅在黑暗条件下能合成叶绿素，而且在醋酸盐存在的条件下可以进行异养生长，是重要的研究叶绿体发育和光合作用的模式生物。

近日，美国加州大学Krishna K. Niyogi团队在PNAS在线发表了一篇题为Chloroplast Sec14-like 1 (CPSFL1) is essential for normal chloroplast development and affects carotenoid accumulation in Chlamydomonas的研究论文，阐述了衣藻CPSFL1蛋白调控叶绿体发育和类胡萝卜素合成的分子机制。

此前，Krishna K. Niyogi团队在PNAS在线发表了一篇题为A Sec14 domain protein is required for photoautotrophic growth and chloroplast vesicle formation in Arabidopsis thaliana的研究论文。该研究通过筛选拟南芥叶绿体定位的脂质结合蛋白，筛选到一个与酵母Sec14蛋白同源的功能未知蛋白，命名为AtCPSFL1。进一步研究发现AtCPSFL1可能通过调控叶绿体内膜区域液泡的形成，调控类囊体的形成，影响叶绿体发育，对植物的正常生长发育必不可少。

衣藻在醋酸盐 （TAP, Tris acetate-phosphate） 存在的条件下，可以进行异养生长。通过筛选衣藻光合作用缺陷突变体，发现了一个不能进行光合自养生长，且对光非常敏感的突变体cpsfl1。进一步分析发现，cpsfl1突变体10号染色体包含一段26.3 kb的删除。该区段的包含的8个基因中，只有一个基因Cre10.g448051 （CPSFL1） 的拟南芥同源基因定位在叶绿体中。遗传互补实验证实CPSFL1能互补cpsfl1突变体表型，表明CPSFL1对衣藻光合自养生长必不可少。

Genetic analysis and light sensitivity of the cpsfl1 mutant.

生物信息学预测CPSFL1编码一个包含CRAL-TRIO （Sec14） 结构域的蛋白。已有研究表明包含CRAL-TRIO结构域的蛋白不仅可以结合小的疏水性分子作为配体 【3,4】 ，还可以特异结合磷脂分子 【5,6】 。利用anti-CPSFL1多克隆抗体检测发现，CPSFL1定位在膜上和细胞可溶性组分中。CPSFL1是否可以结合磷脂？作者通过PLO实验 （protein lipid overlay assay） 证实，CPSFL1可以特异结合磷脂酸 （PA，phosphatidic acid） 。通过显微镜观察荧光标记的CPSFL1在磷脂双分子层定位情况，发现CPSFL1以PA依赖的方式特异定位到GUVs （giant unilamellar vesicles） 膜上。

与拟南芥cpsfl1突变体不同，衣藻cpsfl1突变体并不影响类囊体结构。研究发现与WT和cpsfl1 （CPSFL1） 互补材料相比，强光处理的cpsfl1突变体的PSII活性下降更快，相应的PSII-D1亚基降解更快。此外，cpsfl1突变体中PSII蛋白复合体修复能力显著低于WT。进一步研究发现黑暗条件下，cpsfl1突变体PSI蛋白复合体是正常的，但PSII单体含量增多，PSII二聚体含量显著低于WT，甚至cpsfl1突变体中未检测到PSII-LHCII超级复合体。进一步研究发现cpsfl1突变中类胡萝卜素和 b -胡萝卜素含量显著低于WT和cpsfl1 （CPSFL1） 互补材料。相应的突变体中类胡萝卜素富集结构 （如plastoglobules和eyespot） 的体积或数目显著低于WT，而非类胡萝卜素富集结构 （如pyrenoid和starch granules） 几乎不受影响。进一步研究发现CPSFL1可以结合类胡萝卜素，表明CPSFL1可能直接调控类胡萝卜素的转运。NFZ （norflurazon） 处理会阻断类胡萝卜素合成，导致类胡萝卜素前体phytoene富集。研究发现NFZ处理的cpsfl1突变体中phytoene含量显著低于WT，说明CPSFL1还调控类胡萝卜素的合成。综上所述，与拟南芥CPSFL1功能相似，衣藻CPSFL1也在叶绿体发育方面起重要调控作用。

Schematic diagram showing the carotenoid biosynthetic pathway and the putative roles of CPSFL1 protein in promoting synthesis and/or flux, or transport, of carotenoids.

参考文献：

[1] I. Baroli, K. K. Niyogi, Molecular genetics of xanthophyll-dependent photoprotection in green algae and plants. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 355, 1385–1394 (2000).

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