海洋藻红蛋白适应弱光的分子机制

在复杂多变的海洋环境中，海洋红藻和蓝藻通过长期进化，产生出对各种光质、光强高度适应的捕光色素蛋白-藻胆蛋白，特别是适应微弱蓝绿光的藻红蛋白。.根据国内外研究结果提示，所有藻红蛋白均来源于同一祖先，但藻红蛋白适应各种海洋光环境，特别是弱光环境的进化机制，目前尚不清楚。.本项目以研究海洋不同光环境下藻红蛋白结构和功能的关联性为基础，通过计算生物学分析和实验验证相结合的方法，廓清藻红蛋白在不同光质和光强下的适应性进化线索，确定藻红蛋白的进化选择位点；再通过人工突变的方法，建立藻红蛋白进化选择位点与光谱学性质之间的关系，进而揭示藻红蛋白在弱光环境下的光适应性进化机制。本研究不仅为深刻理解海洋藻类适应海洋环境的机制提供有价值的科学依据，而且为藻红蛋白的"人工进化"，以及人工弱光捕获器件的构建奠定科学基础。

本项目以不同海洋环境下生长的藻胆蛋白为研究对象，通过基因序列比对、位点特异性模型等生物信息学技术，对藻胆蛋白的分子进化机制进行了研究。首次明确了正选择位点在藻胆蛋白环境适应性进化中的作用，并发现正选择作用位点多集中在藻胆蛋白的色基结合区域以及XY发卡结构处，这些结构域主要与藻胆蛋白的光能捕获、能量传递和结构组装有密切关系。通过对藻胆蛋白正选择位点的突变研究发现，单个氨基酸位点的突变，并未显著影响重组藻胆蛋白的光谱学性质，需要多个关键氨基酸位点的协同突变作用，才能显著改变藻胆蛋白的光谱学性质。对不同脱辅基藻胆蛋白与不同类型色素基团重组机理研究发现，藻胆蛋白的光谱学性质主要由其所结合色基的类型所决定，脱辅基藻胆蛋白通过多个位点突变形成的协同效应，可以对藻胆蛋白的光谱学性质进行调节，以更好地适应周围的光质环境；同时，脱辅基蛋白还可以通过自身微环境的变化可以对色素基团的光谱学稳定性产生显著的影响，从而更好地适应周围环境中光强的变化。研究还发现CpcEF不仅可以催化CpcA共价偶联不同的藻胆色素，还可以催化不同脱辅基蛋白和不同藻胆色素之间的共价偶联反应，是一种多功能裂合酶。本课题还利用多基因组合表达技术，成功实现了基因重组藻蓝胆素和藻红胆素的高效表达，并建立了重组藻胆色素毫克级的制备技术，为进一步研究藻胆色素与脱辅基藻胆蛋白的体外酶促组装奠定了重要的基础。此外，本课题还成功构建了两种藻胆蛋白/链霉亲和素融合分子，并发展了利用该藻胆蛋白/链霉亲和素分子应用于疾病早期诊断的免疫亲和检测方法。本课题的实施不仅为我们深刻理解藻胆蛋白适应性进化的分子机制提供了重要理论依据，还为藻胆蛋白荧光分子的分子改造及高效利用提供了新方法和新思路。