高等植物淬灭抑制蛋白SOQ1结构与功能研究

Higher plants protect themselves from high-light damage by non-photochemical quenching(NPQ). NPQ contains four components, namely, energy-dependent quenching (qE), zeaxanthin-dependent quenching(qZ), state transitions (qT) and photoinhibition quenching (qI). Recent studies have discovered a new protein, namely suppressor of quenching1 (SOQ1), which is a single transmembrane protein in thylakoid, and inhibit NPQ in a new way that distinguish from known NPQ components. This kind of NPQ does not require trans-thylakoid pH gradients, zeaxanthin formation, phosphorylation of light-harvesting complexes, and it appears to be unrelated to photosystem II damage-repair cycle. SOQ1 can prevent the formation of a slowly reversible form of antenna quenching, thereby maintaining the efficiency of light harvesting. In addition, SOQ1 affects the interactions of PSII light-harvesting antenna, and then affecting the assembly of PSII supercomplex. However, how SOQ1 plays a role in NPQ, and how to affect the assembly of PSII supercomplex are still not clear. Therefore, determining the three-dimensional structure of SOQ1 and finding its interaction proteins, and further determining the structure of complex, will be important for revealing the molecular mechanisms of NPQ and its role in PSII assembly.

高等植物通过非光化学淬灭NPQ的方式来保护植物免受强光损伤。NPQ主要有四种方式，分别是能量依赖的淬灭qE，玉米黄质依赖的淬灭qZ，状态转换qT和光抑制淬灭qI。最近研究发现了一个NPQ的抑制蛋白SOQ1，它是一个类囊体单次跨膜蛋白，在一种全新的NPQ途径中起抑制作用。这种NPQ方式不需要类囊体跨膜pH梯度，也不需要玉米黄质的形成和捕光天线磷酸化，也与光系统II（PSII）的损伤修复无关。SOQ1能够阻止形成慢速可逆的天线淬灭，维持了捕光天线正常的捕光效率。此外，它还影响PSII捕光天线的相互作用，进而影响PSII超大复合物的组装。然而，SOQ1在NPQ途径中是如何发挥作用的，它是如何影响PSII超大复合物组装的都不清楚。因次，解析SOQ1的三维结构，同时寻找与之相互作用的蛋白并测定复合物结构，对于进一步解释SOQ1参与NPQ的分子机制及其在PSII组装中的作用将具有重要意义。

高等植物生长在光照强度不断变化的自然环境中。在强光照环境中光系统会被过度激发，使得过剩的光能不能被有效利用， 进而引起光损伤。植物为了避免强光损伤，可以通过非光化学淬灭NPQ的方式将过多的光能以热的形式耗散掉。NPQ主要有四种方式，分别是能量依赖的淬灭qE，玉米黄质依赖的淬灭qZ，状态转换qT和光抑制淬灭qI。近几年的研究发现了一个NPQ的淬灭抑制蛋白SOQ1，能够阻止形成慢速可逆的能量淬灭。在拟南芥中突变了编码SOQ1的基因后，NPQ水平比野生型还高，并且这种NPQ与已知的几种NPQ类型都不同，不需要类囊体跨膜梯度，也不需要玉米黄质的形成和捕光天线磷酸化，也与PSII的损伤修复无关。SOQ1抑制了一种新型的NPQ，这种类型的NPQ 与一种脂结合蛋白LCNP相关，被称为qH，主要出现在PSII的外周天线中。此外，SOQ1还影响光系统II捕光天线的相互作用，进而影响PSII超大复合物的组装。然而，SOQ1在NPQ途径中是如何发挥淬灭抑制功能的，它是直接还是间接与LCNP相互作用的都不清楚。. SOQ1是一个类囊体单次跨膜蛋白，基质侧包含一个卤酸脱卤酶（HAD）结构域，腔侧包含硫氧还蛋白（Trx）和β-螺旋桨（NHL）结构域。SOQ1发挥抑制功能的区域主要在基质侧。在本项目中，我们通过高通量表达纯化和结晶筛选，获得了多种植物来源的SOQ1全长蛋白及功能结构域和突变体，并最终解析了一系列拟南芥SOQ1类囊体腔侧功能结构域和突变体的晶体结构，包括：SOQ1-NHL结构域（2.7Å），SOQ1的Trx和NHL结构域C430S，C431S，C434S突变体（SOQ1-TN-M，2.8Å），SOQ1的NHL和C末端结构域（SOQ-NC，1.6Å）及其突变体SOQ-NC-E859K（2.96Å）。这些晶体结构揭示了SOQ1各个功能结构域的结构特征及它们的相互作用，揭示了Trx结构域中发挥氧化还原功能的核心区域CINC，以及NHL结构域中E859对淬灭抑制功能的重要性。依据这些结构信息，我们给出了SOQ1发挥淬灭抑制功能的潜在机制，为深入理解SOQ1的功能及NPQ的机制提供了结构基础。