葉綠素是植物光合作用吸收和傳遞光能的最主要色素，葉綠素的生物合成途徑由一系列酶促反應完成。鎂螯合酶催化原卟啉與鎂離子結合，生成鎂原卟啉，這是葉綠素分支途徑的第一步反應，是一步耗能反應。鎂螯合酶由三個亞基組成：含有活性中心的催化亞基ChlH和兩個AAA家族的亞基——ChlI和ChlD。ChlI具有ATP酶活性、提供反應所需的能量，并與ChlD形成雙層六聚體結構。催化亞基ChlH的主要狀態(tài)是單體，分子量約為150 kDa。電鏡結構顯示，ChlH的結構是一個不規(guī)則的籠狀，然而由于分辨率不高，其活性中心的結構信息仍然缺乏。?
中國科學院植物研究所劉琳研究組與中國科學技術大學龔為民研究組合作，解析了光合藍細菌集胞藻ChlH的2.5 ?分辨率結構，發(fā)現(xiàn)它可以分為6個結構域，形似一個沙槌。蛋白N端的兩個結構域構成槌柄，其余4個結構域構成一個大致球形的槌頭。在第3和第5個結構域之間，包含了一個能夠容納原卟啉的空腔。研究人員通過對各類光合生物的ChlH氨基酸序列進行比對，發(fā)現(xiàn)構成這一空腔的氨基酸非常保守，推測它就是鎂螯合酶的活性中心。位于第3個與第5個結構域之間的一個丙氨酸的纈氨酸突變體對應于擬南芥的“基因組解偶聯(lián)”表型5（genomes uncoupled 5, GUN5）的突變，因此ChlH也被稱作GUN5。研究人員推測該突變造成第3個與第5個結構域之間的阻礙，導致酶的活性降低。集胞藻ChlH/GUN5的結構是第一個高分辨率的鎂螯合酶催化亞基結構，為深入研究這樣一個復雜的酶的催化機理打下了基礎。該進展發(fā)表于2015年第9期的《自然-植物》（Nature Plants）。?
鎂螯合酶的底物原卟啉和產(chǎn)物鎂原卟啉均可被GUN4蛋白結合。已有的GUN4結構由于沒有結合卟啉，不能確切地描述卟啉的結合方式。劉琳研究組獲得了集胞藻GUN4結合次卟啉（原卟啉的類似物）的1.5 ?分辨率結構以及結合鎂次卟啉的2.0 ?結構，發(fā)現(xiàn)GUN4以一種半開放型的方式結合卟啉，有利于卟啉分子的傳遞。該進展作為封面文章發(fā)表于2015年第7期的《分子植物》（Molecular Plant）。研究組另一項工作發(fā)現(xiàn)，鎂原卟啉上第13位丙酸側鏈的羧基甲基化由鎂原卟啉甲基轉移酶ChlM（葉綠素分支途徑的第二個酶）催化，研究得到的集胞藻ChlM與甲基供體SAM的復合物結構揭示了參與催化的關鍵氨基酸殘基。該進展發(fā)表于2014年第37期的《生物化學雜志》（The Journal of Biological Chemistry）。?
劉琳研究組博士生陳學敏（已畢業(yè)）是這三篇文章的第一作者。研究得到了科技部973計劃（2011CBA00901）、國家自然科學基金（31340044）、中科院重大突破擇優(yōu)支持（KGZD-EW-T05）和中科院“百人計劃”的資助。?
