植物5-氨基乙酰丙酸合成中GluTR及其调控蛋白的结构基础

5-aminolevulinic acid (ALA) is the first important molecule in tetrapyrrole (such as chlorophyll and heme) biosynthesis pathways in plants, which makes it a critical control point in tetrapyrrol biosynthesis. ALA is converted from glutamic acid by three sequential reactions catalyzed by GluRS, GluTR and GSA-AT, respectively, and the glutamyl-tRNA reduction catalyzed by GluTR is the rate-limiting step in ALA synthesis. Therefore, controlling GluTR activity is a key to regulate ALA synthesis in plants. Only one GluTR has been found in chloroplast, and its regulatory components have been characterized as the following: both the negative regulator protein FLU and one end product, heme, inhibit GluTR activity; GluTRBP organizes ALA synthesis into separated pathways for balanced synthesis of heme and chlorophyll by binding to GluTR. Besides, the downstream enzyme GSA-AT is proposed to form an intermolecular channel with GluTR to ensure the direct transfer of unstable GSA, the product of GluTR, to GSA-AT. Our goal is, by using a combination of structural biological, biochemical and plant physiological methods, to elucidate the regulation mechanism of ALA synthesis via GluTR in plants, and thus to reveal such physiological regulation at the molecular level, and to provide clues for further understanding and modifying plants.

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是植物的四吡咯（如叶绿素和血红素）生物合成途径中第一个重要分子，是对四吡咯合成进行调控的重要节点。ALA由谷氨酸经过GluRS、GluTR和GSA-AT三个酶催化生成，其中GluTR催化的还原反应是ALA合成的限速步骤。对GluTR活性的调控是植物对ALA合成调节的关键。植物叶绿体中仅有一个GluTR，其调控元件包括：负调控因子FLU和四吡咯合成的终产物血红素抑制GluTR的活性；GluTRBP通过结合GluTR，分配ALA至不同的四吡咯合成途径。此外，GluTR下游的GSA-AT被认为与GluTR形成分子间通道，以确保GluTR的不稳定产物转化为ALA。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，全面阐述植物中以GluTR为靶点的ALA生物合成的调控机理，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。

叶绿素的生物合成由叶绿体中的一系列酶促反应完成。5-氨基乙酰丙酸（ALA）的生成是叶绿素合成途径中的第一个关键节点和调控枢纽。ALA经过谷氨酸-tRNA合成酶、谷氨酰-tRNA还原酶（GluTR）和谷氨酸-1-半醛氨基转移酶（GSAM）三步催化生成。GluTR是这三步反应中的限速酶，也是多种调控因子的作用靶点，如血红素、负调控蛋白FLU，以及2011年发现的GluTR结合蛋白（GBP）。项目组首先得到了稳定的GluTR-GBP复合物，随后进行结晶并最终解析了分辨率为2.8埃的结构。结构分析表明，该结构呈现了GluTR的活性状态，并展示了酶内部的底物通道。生化实验则揭示GBP对GluTR的活性有促进作用。这些结果于项目执行期的第一年被报道。随后，项目组解析了GluTR负调控因子FLU的TPR结构域的结构，以及该结构域与GluTR的截短体形成的复合物的结构，从而明确了FLU结合GluTR的位点。项目组进而获得了FLU的TPR结构域-GluTR-GBP的三元复合物的结构，明确了FLU与GBP调控GluTR的方式，但没有检测到GluTR与GSAM的结合。在计划书中的研究内容完成之后，项目组增加了对GBP蛋白家族成员的研究。此外，项目组利用该基金的资助进行了拟南芥的羟甲基叶绿素还原酶的结构和催化机理研究。