Science | 新研究揭示光合碳同化关键酶I型Rubisco的进化

撰文丨十一月

责编 | 王一

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenases） 简称为Rubiscos，负责当今地球上大部分无机碳元素的同化作用【1-2】。Rubisco的祖先是在厌氧环境中进化的，比氧光合作用出现的要更早。随着氧光合作用的进化，Rubisco也在跟着进化。分子氧出现后，Rubisco在催化过程中产生底物会与氧气发生反应产生2-磷酸乙醇酸酯 （2-PG） ，这一侧产物会抑制碳代谢以及碳损失。为了减少2-PG的形成，进化上产生了几种不同的机制缓解侧产物带来的负面影响，其一通过光呼吸回收2-PG；其二，通过碳富集机制将CO2集中在Rubisco周围；其三进化出对CO2具有更高特异性的Rubisco。目前所有的好氧光合作用生物比如藻类和植物所采用的都是第三种策略，使用高特异性的Rubiscos应对环境氧挑战【3-5】。但是Rubisco是如何以及何时进化出高特异性特征的仍然不可知。

为了揭开这一问题的答案，德国马尔堡大学Georg K. A. Hochberg研究组与马克思普朗克研究所Tobias J. Erb研究组合作在Science发文题为Evolution of increased complexity and specificity at the dawn of form I Rubiscos，通过利用结构生物学以及生物化学的方法，揭开了Rubisco在进化过程中出现辅助小亚基的时间，增加特异性以及羧化效率的机制，阐明了Rubisco出现高特异性的决定因素。

目前已知的高特异性I型Rubiscos的结构特征是具有8个催化大亚基 （Large subunits，LSUs） 以及8个非催化小亚基 （Small subunits，SSUs）【1】。但这种化学计量是从不与小亚基相互作用的、更为简单的祖先进化而来的。小亚基先前被证明影响Rubisco的催化作用，而且是I型与其他类型Rubisco之间最明显的结构差异，因此小亚基可能一定程度上增加了对于CO2的特异性【6】。但小亚基对Rubisco的溶解度以及催化活性非常重要【7】，因此很难检验小亚基对于Rubisco特异性的影响。

为了确定Rubisco在进化上何时获得小亚基，作者们建立了Rubisco大小亚基系统发育树（图1）。根据目前的研究，厌氧、嗜热的氯柔藻 （Chloroflexaeota） 和厚壁菌门 （Firmicutes） 可能是Rubiscos的真正起源。那么Rubisco的大小亚基组装进化是如何影响其功能的呢？作者们恢复了两种不同的古大亚基，一种是小亚基形成之前的大亚基称为古前期大亚基 （AncL） ，另一种是小亚基出现之后的大亚基，称为古后期大亚基 （AncLS） ，另外作者们也恢复了一个古小亚基 （AncSSU） 。通过纯化蛋白分析，作者们发现古前期大亚基可以形成一个同源八聚体，而古后期大亚基与现代I型Rubisco大小亚基形成了一个异质络合物。这两个复合体都能够发挥催化作用且在75度以上的高温仍保持稳定。但是小亚基结合本身并不是I型Rubisco高特异性的决定因素。

图1 Rubisco大小亚基系统发育树

随着进化I型Rubisco中的小亚基逐渐对功能变的关键。通过分析大小亚基的接触界面，作者们在古前期大亚基中引入一些替换突变，可以在不应该溶解度的情况下揭示催化出大小亚基相互作用的遗传基础。作者们从14个替换突变的不同组合中找到了七个关键位点的突变，可以在高温下影响Rubisco的催化效率以及催化作用。进一步地，作者们想要检测14个替换突变位点对于小亚基溶解度的影响，发现了其中一个单位点s437W对于小亚基溶解度具有关键作用。该单位点的突变会导致Rubisco形成高阶寡聚化分子，也就是说大亚基存在时会自组装形成纤维，而小亚基则能够阻止这一情况的发生。

总的来说，作者们通过利用古序列重建的方式总结了I型Rubiscos的进化，从而克服了Rubisco小亚基对于可溶性影响较大的这一挑战。该辅助小亚基可以增加Rubisco的特异性以及羧化效率，帮助生物适应环境氧水平的上升。

参考文献

1. I. Andersson, A. Backlund,Plant Physiol. Biochem. 46, 275–291 (2008).

2. Y. M. Bar-On, R. Milo,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116, 4738–4743 (2019)

3. A. I. Flamholz et al.,Biochemistry58, 3365–3376 (2019).

4. R. J. Spreitzer, Arch.Biochem. Biophys.414, 141–149 (2003).

5. C. Iñiguez et al.,Plant J.101, 897–918 (2020)

6. D. M. Banda et al.,Nat. Plants6, 1158–1166 (2020)

7. C. Liu et al.,Nature463, 197–202 (2010).

http://doi.org/10.1126/science.abq1416