Plant Cell |植物谷氨酸1-半醛转氨酶(GSAAT)参与 5-氨基乙酰丙酸合成的分子机制解析

四吡咯在光合作用、呼吸和催化等关键过程中起着重要作用。在植物中，TBS导致叶绿素，血红素，植物色素胆碱和西罗血红素的生物合成。5-氨基乙酰丙酸（ALA）是四吡咯的常见前体，ALA由谷氨酰-tRNA还原酶（GluTR）和谷氨酸-1-半醛氨基转移酶（GSAAT）从活化的谷氨酸合成。ALA合成被认为是该途径中的限速步骤，由转录和翻译后水平的多种因素精确调控（图1）。

由于被子植物中原叶绿素氧化还原酶（POR）的光依赖性活性，光诱导的叶绿素生物合成在黑暗中的被子植物中发生根本性抑制，其由蓝光荧光（FLU）介导以灭活GlutR。ALA合成的血红素依赖性失活是由GluTR结合蛋白（GBP）的血红素结合诱导的。而与GlutR与这些各种调节和辅助蛋白的相互作用不同，GSAAT对ALA合成控制的贡献尚未得到充分研究。

近日，Neha Sinha等人在国际著名杂志上发表了一篇题为“Glutamate 1-semialdehyde aminotransferase is connected to GluTR by GluTR-binding protein and contributes to the rate-limiting step of 5-aminolevulinic acid synthesis ”的研究文章，作者通过对拟南芥中两个编码GSAAT的同源基因AtGSA1和ATGSA2进行敲除等实验证明了GBP介导GluTR和GSAAT的稳定关联以实现充分的ALA合成。

（1）拟南芥中两个基因编码的GSAAT亚型

作者通过逆转录定量聚合酶链反应对短日照（SD）条件下生长的4周龄幼苗叶片中GSA1、GSA2和HEMA1的转录本进行量化。使用针对重组Synechooccus GSAAT的抗体，在十二烷基硫酸钠（SDS）-聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）后检测到一个免疫反应性GSAAT条带。结果表明尽管GSA转录水平的昼夜振荡，但从头合成和GSAAT降解之间存在平衡，表明两种GSAAT亚型显示出相同的迁移率。

（2）GSA敲除突变的生理表型

作者将两种GSA基因中每个基因的敲除突变体与野生型对照（Col-0）进行比较来分析两种GSAAT亚型中的每一种的功能意义。结果表明GSA2对叶绿素积累的影响大于GSA1，但两种GSAAT亚型都需要在叶绿素合成叶片中生物合成足够的ALA水平。（图2）

（3）通过GSA1表达补充GSA2

GSA2的缺失导致幼苗中叶绿素缺乏表型比缺乏GSAAT1更严重。作者分析了两个独立转化在35S启动子控制下表达GSA1的转基因品系（T3代）。GSA2背景的转基因品系在宏观上与野生型幼苗无异，积累的叶绿素含量与野生型相似（图3）。在实验中，叶提取物的GSAAT活性和叶盘中ALA合成能力不显著高于野生型幼苗，得出结论：GSA2的损失确实可以通过过度表达GSA1转基因来挽救。

（4）不同光强对ALA合成及ALA生物合成酶亚发育定位的影响

通过在不同光强下两个GSA突变体在4周龄幼苗中，相对于GSA1过表达系和野生型，每个GSA基因对ALA合成的影响发现（图4），在所有基因型中，弱光与最低的叶绿素含量有关，GSAAT含量和酶活性也较低。在SD和CL生长的幼苗中，GSAAT的多少决定了GluTR促进ALA生物合成的数量。

（5）血红素依赖性ALA生物合成失活期间GSAAT的稳定性

作者通过在黑暗中孵育了两种GSA突变体，并测量了总叶提取物的可溶性和膜相关部分，发现GSAAT缺乏症和SD生长过程中叶绿素积累减少不会损害完全光合单元的形成。

（6）GSAAT和GlutR之间的相互作用

在低聚蛋白复合物中，一定比例的GSAAT与GluTR和GBP稳定相互作用。在ALA合成过程中，GluTR和GSAAT的物理关联被GBP促进和增强。（图5-6）

结果表明，两种GSA同源物都是充分ALA合成所必需的，并且任何一种的丢失都会导致叶绿素缺乏，而GSAAT1的过度生产完全补偿了GSA2基因的损失，因此GSAAT，主要是GSAAT2，对基质部分中的活性GlutR水平产生影响，从而影响ALA合成的总体能力。GSAAT含量调节可用于ALA合成的可溶性GlutR的量。GSA和HEMA基因的表达在光周期生长期间同时控制，最有可能确保两种蛋白质等量的可用性用于ALA合成，不能排除需要其他辅助因素来允许底物在GluTR和GSAAT之间的通道，以平衡ALA合成的可能性。

原文链接：

 https://doi.org/10.1093/plcell/koac237

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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