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(yīng)完成。鎂螯合酶催化原卟啉與鎂離子結(jié)合，生成鎂原卟啉，這是葉綠素分支途徑的第一步反應(yīng)，是一步耗能反應(yīng)。鎂螯合酶由三個(gè)亞基組成：含有活性中心的催化亞基ChlH和兩個(gè)AAA家族的亞基——ChlI和ChlD。ChlI具有ATP酶活性、提供反應(yīng)所需的能量，并與ChlD形成雙層六聚體結(jié)構(gòu)。催化亞基ChlH的主要狀態(tài)是單體，分子量約為150 kDa。電鏡結(jié)構(gòu)顯示，ChlH的結(jié)構(gòu)是一個(gè)不規(guī)則的籠狀，然而由于分辨率不高，其活性中心的結(jié)構(gòu)信息仍然缺乏。?
中國科學(xué)院植物研究所劉琳研究組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔為民研究組合作，解析了光合藍(lán)細(xì)菌集胞藻ChlH的2.5 ?分辨率結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它可以分為6個(gè)結(jié)構(gòu)域，形似一個(gè)沙槌。蛋白N端的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成槌柄，其余4個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成一個(gè)大致球形的槌頭。在第3和第5個(gè)結(jié)構(gòu)域之間，包含了一個(gè)能夠容納原卟啉的空腔。研究人員通過對(duì)各類光合生物的ChlH氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)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(gè)與第5個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的一個(gè)丙氨酸的纈氨酸突變體對(duì)應(yīng)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?cè)斐傻?個(gè)與第5個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的阻礙，導(dǎo)致酶的活性降低。集胞藻ChlH/GUN5的結(jié)構(gòu)是第一個(gè)高分辨率的鎂螯合酶催化亞基結(jié)構(gòu)，為深入研究這樣一個(gè)復(fù)雜的酶的催化機(jī)理打下了基礎(chǔ)。該進(jìn)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(jié)合。已有的GUN4結(jié)構(gòu)由于沒有結(jié)合卟啉，不能確切地描述卟啉的結(jié)合方式。劉琳研究組獲得了集胞藻GUN4結(jié)合次卟啉（原卟啉的類似物）的1.5 ?分辨率結(jié)構(gòu)以及結(jié)合鎂次卟啉的2.0 ?結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)GUN4以一種半開放型的方式結(jié)合卟啉，有利于卟啉分子的傳遞。該進(jìn)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(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)，鎂原卟啉上第13位丙酸側(cè)鏈的羧基甲基化由鎂原卟啉甲基轉(zhuǎn)移酶ChlM（葉綠素分支途徑的第二個(gè)酶）催化，研究得到的集胞藻ChlM與甲基供體SAM的復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示了參與催化的關(guān)鍵氨基酸殘基。該進(jìn)展發(fā)表于2014年第37期的《生物化學(xué)雜志》（The Journal of Biological Chemistry）。?
劉琳研究組博士生陳學(xué)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(jì)劃（2011CBA00901）、國家自然科學(xué)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(jì)劃”的資助。?
