马为民研究组合作揭示调控蓝藻环式电子传递的分子机制

一般认为，蓝藻光合作用首次给地球带来了氧气。氧气在地球上的出现不仅促进了复杂生命的进化，而且也给蓝藻带来了活性氧的毒害。为了适应有活性氧的新环境，蓝藻在进化过程中形成了许多抗氧化机制，包括围绕光系统I（PSI）的环式电子传递。NDH-1是环式电子传递途径中的一个关键组分。我校生命科学学院马为民研究组一直从事蓝藻光合NDH-1相关的研究工作，鉴定并揭示了多个光合NDH-1调控亚基的生理功能（Battchikova et al., J Biol Chem, 2011; Zhao et al., J Biol Chem, 2014; Gao et al., Plant Physiol, 2016a），也发现了NDH-1-PSI超分子复合体（Gao et al., Plant Physiol, 2016b）。然而，迄今为止，人们对环式电子传递的调控机制尚不清楚。

2020年2月14日，Nature Communications期刊以Article形式在线发表了上海交通大学附属上海精准医学研究院雷鸣研究组和完美体育365WM生命科学学院马为民研究组的合作研究成果，题为“Structural insights into NDH-1 mediated cyclic electron transfer”。该研究工作利用单颗粒冷冻电镜方法解析了蓝藻光合NDH-1L的完整结构，包含了它的电子供体——铁氧还蛋白（ferredoxin, Fd），并发现了放氧光合生物特有的调控亚基NdhV和NdhO与Fd的结合位点。在三维结构的基础上，通过分子生物学、生理生化等手段，该研究工作进一步提出了NdhV和NdhO正、负调控蓝藻环式电子传递的分子机制。

在结构和功能数据的基础上，本研究提出了一个蓝藻应对高光胁迫的抗氧化机制（下图）。在生长光条件下，仅小部分NdhV协助光还原Fd结合到NDH-1L复合体，从而限制了环式电子传递，满足了高效光合所需的ATP/NADPH比例。当蓝藻短期暴露到高光条件下，更多的NdhV将协助增加的光还原Fd结合到NDH-1L复合体，从而加速了环式电子传递，实现了高效光合。如果长期生长在高光条件下，蓝藻将诱导新的NDH-1MS复合体来进一步加速环式电子传递。这一环式电子传递分级操作的精细调控机制对于蓝藻适应有氧的环境条件，并最终开启复杂生命在地球上的进化是至关重要的。

上海交通大学附属上海精准医学研究院雷鸣研究员、武健研究员，以及完美体育365WM生命科学学院马为民教授为论文的共同通讯作者。张春莉博士和博士生帅进、冉兆星为该项工作的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会和上海市教委的共同资助。

高光调控蓝藻环式电子传递的模式图

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14732-z

（供稿、图片：生命科学学院）