突破！英国《自然》杂志  程奇团队首次揭开光合作用叶绿素生物合成关键酶三维晶体结构的神秘面纱

“万物生长靠太阳”，靠的就是光合作用，一切能为地球上生命所用的能量都是由太阳的光能转化而来。光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶(light-dependent NADPH:protochlorophyllide oxidoreductase LPOR）作为蓝细菌、藻类和多细胞植物叶绿素合成的关键酶，是自然界在进化过程中逐步取代非光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶（light-independent Pchlide reductase，DPOR）的能利用光子能量且不再怕氧的自然选择下“趋同进化”的产物。叶绿素生物合成在高等植物黄化幼苗的见光转绿过程中发挥十分重要的作用。黑暗中，叶绿素的合成阻断于原叶绿素酸酯，而将原叶绿素酸酯转化为叶绿素酸酯需要原叶绿素酸酯氧化还原酶(LPOR)在光下催化完成，叶绿素酸酯再转化形成叶绿素，从而为光合作用收集光子和提供光能。因此，LPOR酶的活性及其基因表达直接影响黄化幼苗的转绿能力，对绿色植物的生长发育至关重要。虽然从发现这个关键酶至今大约近一百年了，特别近二十年来对其理化性质已经有了较深入的研究，但是科学家们却一直没有能够揭开LPOR蛋白结构的神秘面纱，因而对LPOR蛋白的作用机理也只是处于理论推测阶段。LPOR蛋白的结构及作用机理对光合作用的理论和应用研究意义重大，是该领域亟待解决的重大科学问题之一。

现在这一难关终于由中国农业科学院生物技术研究所程奇博士团队和上海交通大学基础医学院周爱武博士团队与英国曼切斯特大学生物技术研究所Nigel Scrutton博士团队合作突破（Nature 574, 2019 https://doi.org/ 10.1038/s41586-019-1685-2 ）。

本研究报道了LPOR酶单体（来自于Thermo synechococcus elongatus），LPOR-NADPH蛋白复合体（分别来自于Synechocystis和T. elongatus）的晶体结构，衍射率分别为1.4Å,1.8Å，2.4Å。 二元LPOR-NADPH复合物（T. longatus LPOR）晶体结构（图1a）表明， Asn90、Tyr193、Lys197三个残基直接与NADPH氢键结合,此外，Arg38、Lys42、Asp63通过2’磷酸盐分子氢键结合网络与NADPH相互作用（图1b和1c）。 Arg38参与辅酶结合/释放，在不同的LPOR结构中，其位置相似，但具有不同的构象（图1d）。在LPOR单体结构中，Arg38只与溶剂形成连接，不与任何其他残留物发生相互作用。然而, 在Synechocystis和T. elongates LPOR-NADPH结构中, Arg38不仅与NADPH的2-磷酸基相互作用，Arg38的胍基集团还与NADPH的腺嘌呤相互堆叠，它完全包围辅酶的末端，形成一个封闭形式的辅酶结合袋。Arg38具有不同的构象，表明它是一个对辅酶绑定和释放非常重要的残基, R38V变体NADPH亲和力的降低也说明了这一点。在这些结构中还发现了围绕活性位点Tyr193和Lys197残基的水通道，这可能是催化过程中潜在的质子接力网络（图1e）等等。

LPOR晶体结构的阐明及其三元复合物的精准建模研究，在认识蛋白质结构如何控制重要光驱动酶的催化方面终于有了重大突破。至此科学家们已经证明，活性位置的蛋白结构高度调谐，促进了光化学作用，因此，它对如何利用光能驱动酶催化，提供了重要信息。这项工作也为提供定量的能量（光能到化学能）转化反应的详细计算分析铺平了道路，对该催化作用的描述将更加完整，这也是目前酶学的一大挑战。这项工作提供了LPOR蛋白质结构和激发态化学之间关键的缺失环节，对光催化的化学和生物催化剂以及相关蛋白小分子抑制剂的工程化设计具有重要意义。 

此项研究是作者多年以来突破性成果的点睛之笔，由此揭秘了：1）太阳提供给地球上一切生命的终极能量来源的生物学转化“阀门”的真实结构及其开关功能；2）光驱动酶的结构学基础；3）光依赖型还原酶的动力学机制等。从而为诸多相关研究领域奠定研究的基础：1）终于填补了国际上近一百年来光合作用相关领域的空白（叶绿素生物合成光驱动型酶LPOR及其与辅因子NADPH复合体的三维晶体结构），具有“里程碑”的意义；2）有助于进一步完善相关趋同进化过程中的一些关键酶蛋白的进化顺序（地球钟）和未来可预测性走向；3）有助于ATP依赖型与光依赖（驱动）型酶工程化设计（新型固氮酶LUN、新型聚合酶Pol 等等）及相关领域的合成生物学基础（生物固氮/光合作用）等。该研究成果既有纯基础科学理论上的重大意义又有可能带来生产应用上的颠覆性技术革命，比如对相关酶的催化机理的深入研究，从比较生物学、仿生学、合成生物学角度出发，程奇博士多年前曾创造性地提出“地球钟”生物分子进化和走向的精准分析概念（程奇《地球是钟》2013）、新型固氮酶LUN、新型DNA聚合酶Pol 等的分子设计思路的实现有可能为生物固氮、基因体外光速扩增等在现代化农业和医学体外诊断以及生物医药等领域提供世界上最先进的技术储备。

图1.LPOR-NADPH晶体结构

图2. Nigel Scrutton教授来中国农科院生物技术研究所学术交流

参考阅读：

1）Yang, J. & Cheng, Q.（2004）Origin and evolution of the light-dependent protochlorophyllide oxidase (LPOR) genes. Plant Biol. 6, 537-544.

2）Syntina et al.（2008）Conformational changes in an ultrafast light-driven enzyme determine catalytic activity. Nature 456, 1001-1004.

3）Cheng, Q.（2008）Perspectives in Biological Nitrogen Fixation Research. J. Integr. Plant Biol. 50, 784-796.

4）程奇（2013）地球是钟：固氮篇，科学出版社

5）Zhang et al.（2019）Structural basis for enzymatic photocatalysis in chlorophyll biosynthesis. Nature 574，https://doi.org/10.1038/s41586-019-1685-2

6）禾骑士研究院/www.heqishi.com