全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (6): 806~812　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0122806
收稿 2015-03-01　　修定 2015-04-16
资助 国家自然科学基金(31360050)。
* 通讯作者(E-mail: rosalycake@163.com; Tel: 0791-83813185)。
镁离子螯合酶活性调控及其功能
罗莎1,*, 罗韬2, 彭鹏1, 李艳萍1, 黎小刚1
1江西农业大学农学院, 南昌330045; 2南昌大学生命科学研究院, 南昌330031
摘要: 镁离子螯合酶是叶绿素合成关键酶, 对光合自养生物光合作用和生长发育至关重要。本文主要综述镁离子螯合酶的
活性调控及其参与的其他代谢途径, 如叶绿体到细胞核反向信号转导、脱落酸信号途径以及糖代谢等通路, 并展望镁离子
螯合酶的相关研究前景。
关键词: 镁离子螯合酶; 活性调控; 叶绿体到细胞核反向信号转导; 脱落酸信号途径
Activity Regulation and Functions of Mg Chelatase
LUO Sha1,*, LUO Tao2, PENG Peng1, LI Yan-Ping1, LI Xiao-Gang1
1College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2Institute of Life Science, Nanchang University,
Nanchang 330031, China
Abstract: Mg chelatase is the key enzyme of chlorophyll biosynthesis that catalyzes the insertion of Mg2+ into
protoporphyrin IX. It is essential for photosynthesis and development of photoautotrophs species. This review
focused on the regulation of Mg chelatase acitivity and the role of Mg chelatase in other pathways, such as plas-
tid-to-nucleus retrograde signaling, abscisic acid signaling and sugar catabolism. Moreover, this review also
provided prospect for future research in studying Mg chelatase.
Key words: Mg chelatase; activity regulation; plastid-to-nucleus retrograde signaling; abscisic acid signaling
叶绿素是光合自养生物(植物、藻类、光合
细菌和蓝细菌等)中最重要的色素之一, 在光合作
用中担负吸收、传递和转换太阳能的重任。其合
成途径是生物体中极其重要的四吡咯生物合成代
谢途径的镁分支(吴自明等2008)。这条分支始于
原卟啉IX, 随后经多步酶促反应最终形成叶绿素
(Czarnecki和Grimm 2012)。催化该分支的第一个
酶是镁离子螯合酶, 它催化镁离子螯合到原卟啉
IX中, 形成镁原卟啉IX, 是叶绿素合成的关键酶和
重要调控酶(Walker和Willows 1997; Beale 1999;
Masuda 2008; Czarnecki和Grimm 2012)。在过去几
十年中镁离子螯合酶得到广泛系统地研究, 本文
对其活性调控和参与的其他代谢途径进行综述。
1 镁离子螯合酶概述
1.1 镁离子螯合酶是一个异源多聚酶
镁离子螯合酶是一个ATP依赖的异源聚合酶,
由I (40 kDa)、D (70~80 kDa)和H (140 kDa)三个亚
基组成。目前, 其编码基因在不同物种中相继被
鉴定。
在光合红细菌中, 研究者们通过突变体分析,
结合基因克隆和大肠杆菌外源表达系统等方法发
现, 当BchI、BchD和BchH三个蛋白同时存在时才
能检测到镁离子螯合酶活性, 这表明光合细菌镁
离子螯合酶由BchI、BchD和BchH三个蛋白组成
(Gibson等1995; Willows等1996; Willows和Beale
1998)。通过类似的方法发现蓝细菌镁离子螯合酶
编码基因同样由I、D和H三个亚基组成(Jensen等
1996)。
在高等植物中, 通过鉴定叶色突变体和利用
同源克隆的方法, 研究者们陆续得到编码高等植
物镁离子螯合酶的同源基因(Masuda 2008)。通过
体外酶活性重组实验, 高等植物镁离子螯合酶至
少由I、D和H三个亚基组成(Papenbrock等1997;
Guo等1998)。有趣的是, 在拟南芥核基因组中, 有
两个同源基因CHLI1和CHLI2编码镁离子螯合酶I
亚基(Rissler等2002)。在正常情况下, CHLI1基因
的表达量显著高于CHLI2, 这两个基因都参与镁离
子螯合酶活性(Huang和Li 2009)。
罗莎等: 镁离子螯合酶活性调控及其功能 807
1.2 镁离子螯合酶催化反应分为激活和镁离子螯
合两个步骤
镁离子螯合酶催化机制的研究始于Walker和
Weinstein (1994)对菠菜和豌豆等植物的叶绿体裂
解物中镁离子螯合酶活性的研究。他们发现镁离
子螯合酶催化镁离子螯合需要ATP的参与, 整个反
应分为激活和镁离子螯合两个步骤 (Walker和
Weinstein 1994)。
随后, 研究者们利用镁离子螯合酶3个亚基的
重组蛋白进一步研究发现, 镁离子螯合酶激活步
骤需要I亚基、D亚基、ATP以及镁离子的共同参
与(Walker和Weinstein 1994; Gibson等1999; Lund-
qvist等2010)。虽然I和D亚基同属于AAA+ (AT-
Pase associated with various cellular activities)蛋白
家族, 但是只有I亚基具有ATP酶活性。在激活步
骤中, I和D亚基先各自形成同源六聚体, 再相互作
用形成环状复合结构。同时, 镁离子和ATP与I-D
环状复合物结合, 形成ATP-I-D-Mg2+复合物(Wil-
lows等1996; Gibson等1999; Jensen等1999; Fodje等
2001; Lundqvist等2010)。激活步骤虽然有ATP的
参与, 但是ATP并不被水解, 因为I亚基的ATP酶活
性在ATP-I-D-Mg2+复合物中被抑制(Jensen等1999;
Fodje等2001)。激活步骤中形成的ATP-I-D-Mg2+复
合物作为平台方便H亚基和底物原卟啉IX的结合,
为后续的镁离子螯合作准备(Lundqvist等2010)。
在镁离子螯合步骤中, H亚基被认为是镁离子
螯合酶的催化亚基, 能结合底物原卟啉IX (Reid和
Hunter 2002)。结合了底物原卟啉IX的H亚基与
ATP-I-D-Mg2+复合物结合后, D亚基发生变构, I亚
基的ATP酶活性被激活从而水解ATP为镁离子螯
合提供能量(Jensen等1999)。这时, 形成的镁离子
螯合酶全酶将镁离子螯合到原卟啉IX中形成镁原
卟啉IX, 完成整个催化过程。蓝细菌中的研究表
明, 镁离子螯合酶螯合步骤需要消耗15个Mg-ATP
以供镁离子螯合到原卟啉 IX中(Reid和Hunter
2004)。镁离子螯合酶3个亚基中, 只有I亚基被报
道具有ATP酶活性, 但是体外实验结果显示, I亚基
ATP酶活性比镁离子螯合酶全酶的ATP酶活性更
低, 这说明I亚基与其他2个亚基结合形成全酶后,
可能发生变构提高I亚基的ATP酶活性(Reid和
Hunter 2004)。
2 镁离子螯合酶活性受多种因素的调控
镁离子螯合酶是叶绿素合成的关键酶, 它的
活性决定着叶绿素的有效合成、光合作用的顺利
进行以及叶绿体的正常发育。因此, 镁离子螯合
酶活性调控至关重要。目前研究表明, 参与调控
镁离子螯合酶活性的因素包括光照和昼夜节律、
叶绿体氧化还原状态、镁离子螯合酶活性调控蛋
白GUN4和5-氨基乙酰丙酸合成速率以及镁离子
螯合酶各亚基之间的相互作用等。
2.1 光照和昼夜节律调控镁离子螯合酶活性
光照和昼夜节律能调控镁离子螯合酶各亚基
CHLI、CHLD和CHLH基因表达。在去白化过程
中, 高等植物镁离子螯合酶各亚基受光照诱导后
表达量明显上调(Walker和Willows 1997; Masuda
2008)。此外, 昼夜节律对植物镁离子螯合酶各亚
基的表达具有调控作用, 且呈现不尽相同的调控
模式。在拟南芥中, 这3个基因表达都具有相似的
昼夜节律性, 但在烟草中, CHLH和CHLI基因的表
达具有相同的节律性, 而CHLD基因的表达则不同
(Papenbrock等1999)。综上所述, 去白化过程中光
照是镁离子螯合酶基因表达的重要调控因素; 而
昼夜节律同样是镁离子螯合酶基因转录的调节因
素。这暗示着镁离子螯合酶基因转录水平上的调
控是镁离子螯合酶活性调控的关键点。
昼夜节律不仅能调控镁离子螯合酶基因表达,
而且随着昼夜的更替, 叶绿体中游离ATP和镁离子
的相对浓度也会发生变化。ATP作为镁离子螯合
酶催化的能量来源, 其浓度决定镁离子螯合酶的
活性。从黑暗到光照的转化过程中, 菠菜叶绿体
基质中游离的镁离子浓度从0.5 mmol·L-1增加到2.0
mmol·L-1 (Ishijima等2003)。镁离子能够引起镁离
子螯合酶构象变化, 使得镁离子螯合酶更好的结
合底物和ATP (Reid和Hunter 2004)。因此, 昼夜节
律在转录水平和酶活性水平等不同层面调控镁离
子螯合酶活性, 是镁离子螯合酶活性调控的重要
因素。
2.2 叶绿体氧化还原状态调控镁离子螯合酶活性
早期体外实验结果表明, 镁离子螯合酶在还
原状态下具有活性, 而在氧化状态下或者受巯基
修饰试剂N-乙基顺丁烯二酰亚胺(N-ethylmaleim-
ide, NEM)处理后, 均不能检测到镁离子螯合酶活
植物生理学报808
性(Walker和Weinstein 1991)。随后, Jensen等
(2000)进一步研究发现, 镁离子螯合酶中主要是I
和H亚基受氧化还原调控, 而D亚基则不受影响。
体内实验结果表明, 叶绿体中氧化还原状态可以
影响I亚基中二硫键的形成, 从而调控镁离子螯合
酶活性(Ikegami等2007; Luo等2012)。
叶绿体氧化还原状态受叶绿体中一系列氧化
还原调控蛋白的调节。其中, 叶绿体硫氧还蛋白
(chloroplast thioredoxins, TRX)是叶绿体氧化还原
状态的关键调控蛋白, 它通过还原其靶蛋白的二
硫键来调控其靶蛋白的活性和稳定性 ( D a i等
2007)。早在2003年, Balmer等发现镁离子螯合酶I
亚基是TRX-F和TRX-M的互作蛋白。随后, Ikega-
mi等(2007)发现TRX-F通过还原I亚基中的二硫键
(Cys354-Cys396)激活I亚基的ATP酶活性, 因此他
们认为镁离子螯合酶I亚基是硫氧还蛋白的靶蛋
白。Luo等(2012)利用病毒介导的基因沉默技术沉
默豌豆TRX-F后发现, 沉默植株并没有明显表型,
而且镁离子螯合酶I亚基的氧化还原状态没有改
变。这说明叶绿体中可能存在其他氧化还原蛋白
能够互补TRX-F的功能。通过共沉默豌豆TRX-F
和TRX-M, 他们发现共沉默植株出现黄绿色叶片,
并且镁离子螯合酶I亚基的氧化还原状态发生改变
(Luo等2012)。以上结果说明TRX-F和TRX-M都参
与镁离子螯合酶氧化还原状态的调控。
综上所述, 叶绿体中的氧化还原状态调控镁
离子螯合酶活性。在黑暗下, 叶绿体中处于氧化
状态, TRX-F和TRX-M等叶绿体氧化还原调控蛋
白氧化镁离子螯合酶, 镁离子螯合酶失去催化活
性。在光照下, 叶绿体中处于还原状态, I亚基半胱
氨酸巯基被叶绿体氧化还原调控蛋白还原, 镁离
子螯合酶恢复活性, 催化叶绿素合成。
2.3 镁离子螯合酶活性调控蛋白GUN4调控镁离
子螯合酶活性
Susek等(1993)在拟南芥中发现5个叶绿体到
细胞核信号转导阻断的突变体, 命名为基因组解
偶联(genome uncoupled, gun)突变体。其中, GUN4
蛋白被发现是镁离子螯合酶互作蛋白。在高等植
物和蓝细菌中, GUN4蛋白可与H亚基互作, 结合原
卟啉IX和镁原卟啉IX, 增强镁离子螯合酶与底物
的亲和力以及帮助镁离子螯合酶与产物解离, 从
而增加镁离子螯合酶活性(Larkin等2003; Wilde等
2004; Peter和Grimm 2009; Adhikari等2011; Zhou等
2012)。此外, Zhou等(2012)还发现, 在体外测定高
等植物镁离子螯合酶活性时, 只有在反应体系中
添加GUN4蛋白才能够检测出镁离子螯合酶活性,
而且GUN4蛋白羧基端对镁离子螯合酶活性至关
重要。因此, GUN4蛋白被认为是高等植物镁离子
螯合酶的辅助亚基。
2.4 5-氨基乙酰丙酸合成速率调控镁离子螯合酶
活性
镁离子螯合酶是四吡咯代谢途径镁分支的第
一个酶 , 其活性也受四吡咯合成代谢途径的调
节。5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid, ALA)
合成是四吡咯生物合成代谢途径的第一步和限速
步骤, 其合成速率与镁离子螯合酶活性密切相关
(Beale 1999; Czarnecki和Grimm 2012)。研究表明,
在烟草中分别沉默ALA合成关键基因谷氨酰tRNA
还原酶(GluTR)和谷氨酸1-半缩醛氨基转移酶
(GSA)会降低ALA的合成速率, 同时镁离子螯合酶
活性也随之下降。反之, 当给烟草外源添加ALA
时, 镁离子螯合酶活性增加(Hedtke等2007)。这些
结果都说明ALA合成速率是调控镁离子螯合酶活
性的重要因素之一。
2.5 镁离子螯合酶各亚基之间的相互作用调控镁
离子螯合酶活性
镁离子螯合酶作为异源聚合酶, 其3个亚基之
间的相互作用对镁离子螯合酶全酶活性起到重要
调控作用。外源表达的镁离子螯合酶各亚基的重
组蛋白进行体外活性重组时, 3个亚基之间的比例
决定镁离子螯合酶活性。只有当CHLI:CHLD:CHLH
的摩尔比例为4:1:2时, 镁离子螯合酶才能发挥最
大活性(Willows等1996; Willows和Beale 1998;
Zhou等2012)。此外, 镁离子螯合酶激活步骤中, I
和D亚基形成的复合物会抑制I亚基ATP酶活性
(Jensen等1999; Fodje等2001)。在镁离子螯合步骤
中, 当这个复合物与H亚基结合后D亚基发生变构,
I亚基的ATP酶活性被激活(Lundqvist等2010)。体
外实验结果表明, I亚基的ATP酶活性可以帮助D亚
基复性成为活性蛋白(Gibson等1999)。在植物体
内, I亚基的ATP酶活性对维持D亚基的稳定性起到
重要作用(Lake等2004; Luo等2013)。由此可见, 镁
罗莎等: 镁离子螯合酶活性调控及其功能 809
离子螯合酶各亚基之间在结构和功能上的相互作
用对维持镁离子螯合酶活性具有重要的意义。
3 镁离子螯合酶还参与除叶绿素合成以外的其他
代谢途径
3.1 叶绿体到细胞核反向信号转导
叶绿体是半自主细胞器, 其基因组可以编码
蛋白, 但受细胞核基因表达的调控, 这种调控方式
被称为正向信号转导; 与之对应, 反向信号转导是
叶绿体向细胞核传递信号调控细胞核基因的表达
(Nott等2006)。Susek等(1993)通过化学诱变筛选
到的5个拟南芥叶绿体到细胞核信号转导阻断的
gun突变体中, 4个突变体(gun2~5)突变基因都位于
四吡咯代谢途径中。其中, gun4基因编码镁离子螯
合酶调控蛋白GUN4 (Larkin等2003); gun5则是镁
离子螯合酶H亚基的点突变体 ( M o c h i z u k i等
2001)。此外, 镁离子螯合酶D亚基的突变体同样
也具有gun表型(Axelsson等2006; Zhang等2006;
Luo等2013)。尽管之前的研究没有发现I亚基的突
变体具有gun表型, 但最近研究发现, 拟南芥CHLI1
和CHLI2的双突变体同样也具有gun表型(Huang和
Li 2009)。目前, 对于镁离子螯合酶各亚基突变体
gun表型的具体机制尚存争议, 镁离子螯合酶自身
是否直接参与, 或是由于镁原卟啉IX的积累而间
接参与叶绿体到细胞核的反向信号转导还需要进
一步研究(Nott等2006; Mochizuki等2008; Moulin等
2008)。
3.2 H和I亚基参与ABA信号转导途径
最近研究发现, H和I亚基参与脱落酸(abscisic
acid, ABA)信号转导途径。其中, H亚基参与ABA
信号转导途径的具体机制已基本被阐明, 而I亚基
尚不清楚(Shen等2006; Wu等2009; Shang等2010;
Du等2012; Zhang等2014)。H亚基被报道能特异性
结合ABA, 并且在种子萌发、萌发后生长以及气
孔关闭等生理过程中作为正向调控蛋白协调ABA
信号途径。此外, CHLH不仅在绿色组织中表达,
而且在非绿色组织中也有表达, 以便在整个植株
细胞中感知ABA信号(Shen等2006)。进一步的研
究表明H亚基羧基端负责与ABA的结合而氨基端
通过对羧基端的调控来影响ABA信号转导(Wu等
2009)。H亚基跨2次叶绿体膜后羧基端和氨基端
都位于膜外, 其羧基端与WRKY转录因子家族成
员WRKY40、WRKY18和WRKY60a相互作用。
在种子萌发、萌发后生长和气孔开关等生理过程
中 , 这些WRKY转录因子作为副调控蛋白调节
ABA信号传导。WRKY40是最主要的副调控蛋白,
它抑制ABI5 (ABA insensitive 5)等ABA响应基因
的表达。H亚基参与ABA信号转导途径可概括如
下: 细胞为了响应高水平ABA将WRKY40等蛋白
从细胞核中招募到细胞质中, 同时促进H亚基与它
们结合从而抑制它们的活性。因此解除了WRKY40
对ABI5等ABA响应基因表达的抑制(Shang等
2010)。
3.3 H亚基参与蓝细菌糖代谢
在蓝细菌中, H亚基作为抗sigmaE蛋白, 负调
控糖代谢相关基因的转录。sigmaE是蓝细菌糖代
谢的正调控因子。体外转录实验表明CHLH可以
抑制sigmaE的转录活性。在光照下, 细胞中镁离
子含量较高, H亚基定位在膜上, 且与sigmaE结合,
抑制了糖代谢相关基因的表达。当叶绿素合成启
动 , H亚基与原卟啉 I X结合 , s i g m a E从H亚
基-sigmaE复合物中解离下来, 激活糖代谢相关基
因的转录。此外, 当环境从光照转换到黑暗后, 镁
离子浓度下降也会使sigmaE从H亚基-sigmaE复合
物中解离下来, 与RNA聚合酶核心酶组成全酶激
活糖代谢相关基因的转录(Osanai等2009)。
4 结语与展望
镁离子螯合酶是叶绿素合成途径的关键酶,
由三个亚基组成, 其催化需要激活和螯合两个步
骤, 活性受昼夜节律、叶绿体氧化还原状态以及
调控蛋白GUN4等因素的调控(图1)。此外, 镁离子
螯合酶还参与叶绿体到细胞核反向信号转导、
ABA信号转导以及糖代谢调控(图1)。镁离子螯合
酶的研究虽然经历了几十年, 但是尚存在许多未
解之谜有待阐明: 首先, 我们之前的研究发现I亚基
中的巯基受叶绿体氧化还原调控蛋白TRX-F和
TRX-M的共同调节, 但是TRX-F和TRX-M共沉默植
株中, 只有部分I亚基处于氧化状态, 这表明叶绿体
中还存在其他氧化还原调控蛋白参与调控I亚基的
氧化还原状态(Luo等2012)。其次, 镁离子螯合酶
各亚基的突变体一定程度上都具有gun表型, 说明
镁离子螯合酶可能参与叶绿体到细胞核反向信号
转导, 但是目前叶绿体到细胞核反向信号转导的
植物生理学报810
具体机制尚存在争议, 因此, 镁离子螯合酶是直接
或是间接参与反向信号转导尚待进一步研究; 然
而, 我们之前的研究发现, I和D亚基沉默植株中都
有活性氧(ROS)物质的积累(Luo等2013), 而ROS参
与叶绿体到细胞核反向信号转导, 因此I和D亚基
的gun表现是否是通过ROS介导也需进一步验证。
最后, H亚基在蓝细菌中参与糖代谢基因的表达调
控, 但目前其在其他物种中尚未有类似功能被报
道, 这一研究也值得在其他物种中尤其是高等植
物中进一步验证。综上所述, 镁离子螯合酶活性
对叶绿素合成至关重要, 其研究结果将有望为提
高光合效率提供理论依据。
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