李小波团队发现岩藻黄素合成酶与合成机制

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李小波团队发现岩藻黄素合成酶与合成机制

北京时间2023年4月27日，西湖大学生命科学学院李小波团队在The Plant Cell在线发表了题为An unexpected hydratase synthesizes the green light-absorbing pigment fucoxanthin的最新研究论文，报道了"海洋杂色藻岩藻黄素(Fucoxanthin)生物合成途径中末端酶，其催化了岩藻黄素中特征的酮基(keto)的产生"。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad116

目前已知的类胡萝卜素(Carotenoid)化合物有750余种^[1]，在自然界中广泛分布，为鲜花、水果、蔬菜提供了丰富的色泽。类胡萝卜素是光合生物进行光捕获和光保护的重要基础。陆地植物与海洋光合生物进行光合作用依赖的叶绿素和类胡萝卜素截然不同。海洋环境中无论是近海岸带，还是大洋内部，主要分布都是蓝绿光（图1）。

图1 大洋和海岸带自然光穿透分布图

(来源：Wikimeida commons)

与绿色植物相比，海洋杂色藻中积累了更多种类的类胡萝卜素，其中岩藻黄素(fucoxanthin)最为丰富，并且以岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白复合物(FCP, fucoxanthin chlorophyll a/c protein)的形式在藻类起着捕光天线的功能^[2]。这类含有酮基的类胡萝卜素在与光系统蛋白结合时表现出从蓝色到绿色可见光区域的吸光度红移，这导致相应藻类表现出棕色外观。该绿光捕捉机制若可通过合成生物学的手段移植到绿色植物中，则可能拓宽它们的捕光范围。

近期，西湖大学李小波团队以及合作团队在海洋模式生物：三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)中发现从代谢前体新黄素(Neoxanthin)通过生物合成到岩藻黄素(Fucoxanthin)需要五个步骤，报道了合成路径中的全新前体：allenoxanthin (联烯黄素)、haptoxanthin (定鞭藻黄素)、phaneroxanthin(显黄素)^[3]，在本篇The Plant Cell文章中报道了岩藻黄素合成途径中的末端酶(图2)。

图2 硅藻中的岩藻黄素生物合成途径以及推测的褐藻中岩藻黄素合成途径示意图。

三个新中间产物命名者为Martin Lohr。

翻译者为李小波。

该团队首先通过三角褐指藻中敲除候选基因，获得了色素突变体，确定了类胡萝卜素异构酶家族中CRTISO5参与了岩藻黄素生物合成通路。虽然该蛋白与陆地植物中的类胡萝卜素顺反异构酶CRTISO序列相似，但通过氧同位素标定实验，CRTISO5将色素突变体中积累的底物显黄素直接转化为岩藻黄素，而并非作为异构酶的功能参与到生物合成途径中。其具有意外的水合酶活性，催化底物反应产生了岩藻黄素中特有的酮基(keto)，完成了化合物从黄色到褐色的转化。进一步通过分子对接、祖先序列分析(ASR)和点突变分析揭示了该酶活性所必需的氨基酸残基（图3）。

图3

A)CRTISO5催化的水合酶反应；

B)分子对接计算的重要氨基酸；

C)点突变分析。

CRTISO5 突变体显黄素含量与野生型岩藻黄素含量相当，但细胞仍然呈现绿色，证明了酮基的形成对绿光捕捉的重要性（图4）。比较基因组与系统进化分析发现进化中可能存在两种通路（图2），硅藻中的合成通路同时具有在高光下利用硅甲藻黄素与硅藻黄素循环快速耗散光合作用过剩的能量的能力(NPQ)以及在低光下能够积累补光色素岩藻黄素的能力。CRTISO家族中的酶功能特化影响了海洋藻类与陆地植物表现的色泽（图4）。

图4 CRTISO同源（非同功）蛋白的色素突变体表型。

A)三角褐指藻野生型以及CRTISO5突变体表型；

B）番茄野生型以及CRTISO突变体表型(来源：Isaacson, et al. 2002^[4])。

西湖大学生命科学学院李小波为本文的通讯作者，美国科罗拉多州立大学Graham Peers以及德国美因茨大学Martin Lohr为本文的共同通讯作者。西湖大学助理研究员曹天骏、科罗拉多州立大学博士后Yu Bai为本文的共同第一作者。此外西湖大学研究员黄晶、张骊駻；副研究员张欢；西湖大学博士生谭巧珠、杨丰华、刘润洲、蒋彦酉；宁波大学副教授韩吉昌；宁波大学博士生孙妍；科罗拉多州立大学Michael Cantrell、Maxwell Ware；美因茨大学Paul Buschbeck、Nana Ries参与了本研究的部分工作。

本研究得到了西湖大学分子科学公共实验平台陈银娟博士、施孝活博士以及西湖大学质谱与代谢组学平台的大力支持。本研究获得了科技部重点研发计划、西湖教育基金会、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金的相关经费支持。

参考文献：

[1] Nisar N, Li L, Lu S, et al. Carotenoid metabolism in plants[J]. Molecular plant, 2015, 8(1): 68-82.

[2] Pi X, Zhao S, Wang W, et al. The pigment-protein network of a diatom photosystem II–light-harvesting antenna supercomplex[J]. Science, 2019, 365(6452): eaax4406.

[3] Bai Y, Cao T, Dautermann O, et al. Green diatom mutants reveal an intricate biosynthetic pathway of fucoxanthin[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(38): e2203708119.

[4] Isaacson T, Ronen G, Zamir D, et al. Cloning of tangerine from tomato reveals a carotenoid isomerase essential for the production of β-carotene and xanthophylls in plants[J]. The Plant Cell, 2002, 14(2): 333-342.

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