植物镁离子螯合酶I与D亚基的结构与机理

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项目摘要

Photosynthesis supplies life with energy, oxygen and organics through transforming solar energy into chemical energy. Chlorophyll molecules play a key role in photosynthesis, which mediates the absorption, transfer and conversion of solar energy. The biosynthesis of chlorophyll originates from the chlorophyll branch of the tetrapyrrole synthesis pathway in organism. Magnesium chelatase is the key enzyme in this branch and catalyzing the chelation of magnesium into the protoporphyrin IX to form magnesium protoporphyrin IX, which is essential for physiological function. Magnesium chelatase is composed of three subunits of I, D and H. The reaction process requires the participation of ATP. At present, although people have obtained genetic mutants of magnesium chelatase subunits of Arabidopsis and other plants, and carried out research on their respective functions, little is known about the structures of the subunits, the holoenzyme complex, the assembly mechanism and regulatory mechanism of catalysis. Using protein crystallography combined with cryo-electron microscopy techniques and biochemical methods, this project aims to determine the structures of magnesium chelatase subunit I, D and I-D complex in different conditions. This will reveal the assembly mechanism of subunits I and D, and disclose the underlying functional mechanism of I-D subcomplex in holoenzyme assembly and function.
光合作用将太阳能转化为化学能,为自然界绝大多数生命活动提供能量、氧气和有机物。叶绿素分子在光合作用中发挥着关键作用,介导了太阳光能的吸收、传递和转换。叶绿素的生物合成源于有机体四吡咯合成途径中的叶绿素分支。镁离子螯合酶是这一分支的关键酶,负责将原卟啉IX加镁生成镁原卟啉IX,起始叶绿素合成,生理功能尤为重要。镁离子螯合酶全酶由I、D和H三种亚基组成,反应过程需要ATP的参与。目前,虽然人们已经获得了拟南芥等植物镁离子螯合酶各个亚基的遗传学突变体,并对各自的功能进行了一些研究,但是对于其各亚基及全酶复合体的结构、组装机制、以及催化和调控机理并不了解。本项目拟利用蛋白质晶体学,结合冷冻电镜技术和生物化学方法,解析镁离子螯合酶I、D亚基及I-D复合体在不同状态下的结构。揭示I与D亚基形成寡聚复合物的组装机制,阐明I-D亚基复合体在镁离子螯合酶全酶组装中发挥功能的分子机理。

结项摘要

本项目主要围绕植物叶绿素合成过程中的关键酶-镁离子螯合酶I与D亚基的结构与机理开展研究。项目实施四年,除完成既定的研究任务和目标外,也开展并完成发表了其它植物重要代谢酶的研究工作,取得了多项科研成果,包括:①对镁离子螯合酶I、D亚基及I-D复合体进行了详细的蛋白表达纯化、蛋白状态测定、酶活性分析、蛋白结晶及晶体优化、负染及冷冻电镜样品的制备和检测等实验研究,解析了I亚基的晶体和电镜结构,收集了D亚基的300kV冷冻电镜数据,分析发现了I亚基与ATP的结合口袋及与催化ATP水解相关的多个关键氨基酸残基,揭示了I和D亚基在负染和冷冻电镜下均呈现环状寡聚体的状态。②揭示了真核生物磷脂酶D水解磷脂产生磷脂酸的分子机制,挖掘并阐明了蕨类植物新型查尔酮合酶的功能和催化机制,揭示了两种BAHD酰基转移酶的催化机制等,论文发表于Cell Research、Frontiers in Plant Science(两篇)和 Journal of Integrative Plant Biology。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Molecular and structural characterization of a promiscuous chalcone synthase from the fern species Stenoloma chusanum
蕨类植物 Stenoloma chusanum 混杂查耳酮合酶的分子和结构表征
  • DOI:
    10.1111/jipb.13335
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Journal of Integrative Plant Biology
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Ni Rong;Niu Meng;Fu Jie;Tan Hui;Zhu Tingting;Zhang Jing;Lou Hongxiang;Zhang Peng;Li Jianxu;Cheng Aixia
  • 通讯作者:
    Cheng Aixia
Crystal structure of plant PLDα1 reveals catalytic and regulatory mechanisms of eukaryotic phospholipase D
植物PLDα1的晶体结构揭示了真核磷脂酶D的催化和调节机制。
  • DOI:
    10.1038/s41422-019-0244-6
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    CELL RESEARCH
  • 影响因子:
    44.1
  • 作者:
    Li, Jianxu;Yu, Fang;Zhang, Peng
  • 通讯作者:
    Zhang, Peng
Structural and Biochemical Insights Into Two BAHD Acyltransferases (AtSHT and AtSDT) Involved in Phenolamide Biosynthesis.
对参与酚酰胺生物合成的两种 BAHD 酰基转移酶(AtSHT 和 AtSDT)的结构和生化见解。
  • DOI:
    10.3389/fpls.2020.610118
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Frontiers in plant science
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Wang C;Li J;Ma M;Lin Z;Hu W;Lin W;Zhang P
  • 通讯作者:
    Zhang P
Functional and Structural Investigation of Chalcone Synthases Based on Integrated Metabolomics and Transcriptome Analysis on Flavonoids and Anthocyanins Biosynthesis of the Fern Cyclosorus parasiticus.
基于蕨类植物 Cyclosorus parasiticus 类黄酮和花青素生物合成的综合代谢组学和转录组分析,查尔酮合酶的功能和结构研究。
  • DOI:
    10.3389/fpls.2021.757516
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Frontiers in plant science
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Niu M;Fu J;Ni R;Xiong RL;Zhu TT;Lou HX;Zhang P;Li J;Cheng AX
  • 通讯作者:
    Cheng AX

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青蒿素生物合成途径关键酶—紫穗槐二烯合酶(ADS)的蛋白质复合体结构解析及酶活性改造
  • 批准号:
    31700263
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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