拟南芥血红素降解相关的酶的结构与功能研究

Heme oxygenase is a key enzyme that catalyzes the oxidative degradation of heme, and plays an important role in plants. To date, two categories of heme-degrading proteins have been found and characterized in bacteria. In the first category are the canonical heme-degrading proteins, also referred to as heme oxygenases（HOs）, which catalyzes the oxidation of heme to biliverdin, CO and ferrous iron. The second category are noncanonical heme-degrading proteins that includes IsdI/IsdG of Staphylococcus aureus and the homologous MhuD of Mycobacterium tuberculosis. The IsdI/IsdG and MhuD proteins convert heme to staphylobilin and mycobilin. In Arabidopsis thaliana, HOs comprise a small gene family with four members in total, with all of them belonging to the canonical heme-degrading proteins. The noncanonical heme-degrading protein in plants has not been found yet. We identified a new heme-degrading protein, and named as NHDP1. By using a combination of structural, biological, biochemical and plant physiological methods, we plan to elucidate the molecular mechanisms of heme degradation in plants. This proposed work will identify and characterize novel heme-degrading proteins, and thus to reveal their physiological regulation at the molecular level, to provide clues for further understanding and modifying plants.

血红素氧化酶是血红素分解代谢的关键酶，在植物生长和发育过程中起着重要的作用。在细菌中，目前至少有两种血红素降解酶被发现和鉴定。第一种为经典的血红素氧化酶（heme oxygenase，HO），它催化血红素氧化形成胆绿素、一氧化碳（CO）和Fe2+；第二种为非经典降解酶，包括金黄色葡萄球菌的IsdG/IsdI蛋白及其同系物MhuD蛋白，催化血红素分别产生staphylobilin和mycobilin。目前在拟南芥中已确定4个HO，都属于经典的血红素氧化酶，尚未发现有非经典的血红素降解酶。我们通过序列比对在拟南芥中发现并鉴定出新的血红素降解蛋白NHDP1。本项目拟结合结构生物学、生物化学以及植物生理学的方法，全面阐述植物中血红素降解相关的酶的分子结构解析及作用机制，从蛋白质水平上揭示植物生理功能调节的分子基础，为更好的了解和改造植物提供理论依据。

血红素和胆色素都属于植物在质体合成的四吡咯化合物。血红素氧化酶（HO）催化血红素氧化裂解为线性四吡咯胆绿素是胆色素生物合成的第一步。我们解析了拟南芥中结合血红素的HO蛋白复合体晶体结构（heme-AtHO-1），该复合物结构支持高等植物HO不同于其他物种的保守结构特征。基于已知的结构信息提出了从FNR到AtHO-1的电子传递途径。除了原核生物到人类中具有保守α-螺旋的经典HO以外，在细菌中发现了一个非经典的β-桶HO亚家族。我们发现拟南芥AT3G03890编码一个定位于叶绿体的二聚β-桶蛋白（命名为HOZ），该蛋白在结构上与预测的非经典HO相关，能够结合并降解血红素。重组蛋白HOZ能够结合并降解血红素的方式不同于已知的 HO 蛋白。血红素-HOZ复合物的晶体结构表明血红素结合位点在二聚体界面中，血红素的铁在由固定的水分子协调。 我们的结果发现了一种在四吡咯生物合成途径中起作用的新蛋白质。