生命科学
Life science
近日，美国康奈尔大学Laura Helen Gunn团队联合合作者在Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Plant发表了题为“Unique biogenesis and kinetics of hornwort Rubiscos revealed by synthetic biology systems”的研究论文。该研究使用合成生物学（synthetic biology，SynBio）表达系统，揭示了角苔类植物Rubisco的独特生物合成与动力学特性。
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研究背景
在众多生态系统中，陆生植物作为糖分子的生产者通过光合作用捕获二氧化碳（CO2）发挥着至关重要的作用。CO2固定过程由核糖酸-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）这一关键酶启动。尽管Rubisco在全球初级生产力中占据核心地位，但其存在两大主要局限：缓慢的催化活性和对CO2的低特异性。为了弥补Rubisco的这些不足，自然界中的生物进化出了二氧化碳浓缩机制（CCMs）。例如，蓝藻、绿藻、硅藻和角苔类植物等进化出了一种名为淀粉核（pyrenoid）的特殊细胞器。淀粉核通过液-液相分离（LLPS）的方式，将Rubisco酶集中于一个微区室内，从而提高Rubisco活性位点周围的CO2浓度，降低RuBP加氧酶活性和光呼吸，显著提升光合作用的效率。因此，将淀粉核引入作物中，作为一种提高光合效率的工程策略，具有巨大的潜力。特别是在模式真核藻类莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中，基于淀粉核的CCMs已经得到了广泛的研究，并且进行了将CCMs导入植物叶绿体的合成通路计算模拟。然而，迄今为止，这些努力尚未得到有效的实验验证。角苔类植物作为唯一具有基于淀粉核的CCMs的陆生植物，与Chlamydomonas相比，它们与被子植物（所有经济上重要的作物植物都是被子植物的后代）有更近的共同祖先，这表明角苔类植物的CCMs可能与作物叶绿体具有更高的兼容性。尽管如此，关于角苔类植物Rubisco的特性，我们仍然知之甚少。
研究内容
该研究首先从角苔植物Anthoceros agrestis中提取了AaRubisco，发现其与高分子量复合物和叶绿素蛋白质共洗脱，导致AaRubisco异质且不纯，不适合后续生化、动力学和结构研究。为了解决这一问题，研究人员通过大肠杆菌中的异源表达，并借助拟南芥Rubisco合成生物学系统，成功获得了AaRubisco的组装中间体。冷冻电子显微镜解析揭示了组装过程中多个关键的结构变化（图1），为理解Rubisco的组装机制提供了新的视角，同时揭示了异源组装因子的潜在不兼容性。
图1 角苔Rubisco与拟南芥伴侣蛋白复合物研究结果
Rubisco是由8个大亚基（RbcL）和8个小亚基（RbcS）构成的L8S8杂多聚体。研究显示，A. agrestis中的伴侣蛋白AaRbcX1和AaRbcX2的共表达显著提高了Rubisco的组装效率（图2）。在大肠杆菌系统中，三质粒表达系统通过AaRbcX伴侣蛋白实现了均一AaRubisco复合物的高效组装和纯化。相比拟南芥系统，AaRbcX的作用显示出组装效率差异，暗示了潜在的协同作用。此外，RbcX通过结合Rubisco的C末端增强中间体的稳定性，从而促进了全酶的组装。未来研究将进一步深入探讨RbcX在Rubisco组装中的具体功能和机制。
图2 角苔Rubisco的纯化
进一步研究显示，A. agrestis的表达系统成功组装了其他角苔植物的Rubisco。系统通过表达不同角苔植物的RbcL和RbcS，并结合A. agrestis的分子伴侣和组装因子，实现了数亿年进化跨度的角苔Rubisco的折叠和组装。尤其是A. fusiformis的Rubisco表现最佳。此外，研究发现A. agrestis Rubisco的组装依赖Raf1和BSD2，但不依赖Raf2，表明角苔植物在组装过程中对Raf2的需求或存在进化上的差异。尽管RbcX1和RbcX2对Rubisco全酶的组装至关重要，但在无RbcX的情况下，AaRubisco仍然可以组装。动力学分析表明，角苔Rubisco的Kc值高于维管植物而Sc/o值低，反映了其在催化效率和CO2结合能力上的独特适应性策略。
图 3 真核生物Rubisco的组装模型
总的来说，这项研究成功实现了在大肠杆菌中A. agrestis Rubisco的组装，并分析了其催化特性，发现其在催化效率、亲和力和特异性方面表现出独特的关系（图3），为提升植物碳同化效率的研究提供了新的方向。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社
旗下期刊Molecular Plant上，
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▌论文标题：
Unique biogenesis and kinetics of hornwort Rubiscos revealed by synthetic biology systems
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205224003526
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.10.013
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