植物谷氨酸1-半醛氨基转移酶(GSAAT)在四吡咯前体ALA合成途径中的功能机制解析

四吡咯在植物的光合作用、呼吸作用和催化等关键过程中发挥着重要作用。5-氨基乙酰丙酸(ALA)是四吡咯的常见前体。ALA是通过谷氨酰-tRNA还原酶(GluTR)和谷氨酸-1-半醛转氨酶(GSAAT)由活化的谷氨酸合成的。人们普遍认为ALA合成被认为是该途径中的限速步骤。在拟南芥中由GSA1和GSA2两个同源基因编码GSAAT的异构体。涉及GSAAT相互作用蛋白组分的翻译后控制机制尚未阐明。而且GSA基因在空间和时间上的表达以及对环境条件变化的反应的影响还不清楚。

近日，德国柏林洪堡大学植物生理学研究所Bernhard Grimm团队和植物生物学和生物技术研究所Jürgen Eirich团队在Plant Cell上发表了一篇题为“Glutamate 1-semialdehyde aminotransferase is connected to GluTR by GluTR-binding protein and contributes to the rate-limiting step of 5-aminolevulinic acid synthesis”的研究论文。

为探索GSAAT对控制ALA合成和与GluTR形成蛋白质复合物的作用。研究人员了对两个GSA敲除突变体与野生型进行比较，揭示了叶绿素含量较低的叶片中GSAAT活性降低和ALA合成能力的相关性。证实了GSAAT2在ALA合成中的主要作用。研究人员采用几种不同的生化方法通过GluTR结合蛋白(GBP)的帮助揭示了GSAAT-GluTR相互作用。研究结果表明，GBP介导GluTR和GSAAT的稳定结合，以实现足够的ALA合成。

两种GSAAT亚型都是合成叶绿素叶片中足够ALA水平的生物合成所必需的。虽然gsa2叶片表现出强烈的GSAAT活性降低，如叶片中叶绿素生物合成的显著损失所示（图1，A和B），但gsa1表现出GSAAT活力和叶绿素含量的降低不太明显。因此，与敲除GSA1相比，GSA2基因的缺失对叶绿素积累的影响更大，但两种GSAAT亚型都是叶绿素合成叶中足够ALA水平的生物合成所必需的。

图1 SD中在标准光强度（120mmol光子m–2s–1）下生长的gsa1和gsa2突变体的分析。

分析了来自两个独立转化的在35S启动子(35S:GSA1#1,35S:GSA1#3)控制下表达GSA1的两个转基因系(T3代)。gsa2背景中的转基因 品系在宏观上与野生型幼苗无法区分，并且积累了与野 生型相似的叶绿素含量（图2，A和B）。这可归因于GSA1转录物数量的增加和GSAAT1的相应高积累（图2，C和D）。在这些互补实验中，叶片提取物的GSAAT活性和叶盘中ALA合成的能力没有显着高于野生型幼苗（图2，E和F）。因此，作者得出结论，过表达GSA1转基因确实可以完全挽救GSA2的损失。

图 2 通过p35S:GSA1的组成型表达互补gsa2突变体。

研究人员将拟南芥GluTR、GSAAT和GBP的已发表结构与交联区域的位置进行了比较。该分析表明，GBP介导了GSAAT与复合体的结合，因为发现GSAAT占据了复合体中GBP的一些可接近区域。这反过来又使GSAAT与GluTR非常接近（图 4）。因此，这三种蛋白质的联合应用不仅验证 了GluTR和GBP的相互作用区域，而且还揭示了GBP和GSAAT的其他相互作用位点。如交联实验和二维BN-PAGE图所示（图3D和4），这种多聚体复合物将GBP表 征为支架蛋白。因此，提出这种复合物的形成促进了从活化谷氨酸中有效合成ALA，其中GBP使GluTR和GSAAT彼此靠近。

图 3 GSAAT与GluTR和GBP的物理相互作用

图 4多聚体ALA合成复合物模型

总之，GSAAT含量与GSAAT活性和ALA合成速率相关，因此与gsa和野生型幼苗中的叶绿素含量相关。GluTR的总量反映了FLU介导的膜结合和可溶 性部分的量。后者可能更容易被蛋白水解降解。因此，GSAAT含量可用于调节ALA合成的可溶性GluTR的量。

这种蛋白质复合物的发现填补了对如何实现叶绿素和血红素合成的足够 ALA合成速率的理解的空白。研究人员提出GSAAT-GluTR相互作用在不连续的GBP的帮助下得以稳定。然而，由于GluTR、GSAAT和GBP在540kDa的蛋白质复合物中明显共迁移，不能排除GluTR和GSAAT之间允许通道底物以平衡ALA合成的过程中需要其他的辅助因素可能性。

原文链接：

https://academic.oup.com/plcell/article/34/11/4623/6655940?searchresult=1

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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