The evolution of YidC/Oxa/Alb3 family in the three domains of life: a phylogenomic analysis

Background: YidC/Oxa/Alb3 family includes a group of conserved translocases that are essential for protein insertion into inner membranes of bacteria and mitochondria, and thylakoid membranes of chloroplasts. Because mitochondria and chloroplasts are of b

YidC/Oxa/Alb3超家族蛋白的起源演化研究

YidC/Oxa/Alb3超家族蛋白是重要的蛋白转运酶，分别负责将一些能量合成相关的蛋白质转运到细菌内膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜。因为线粒体和叶绿体起源于内共生的细菌，所以真核细胞线粒体的Oxa和叶绿体的Alb3很容易像许多其它线粒体/叶绿体蛋白质一样被认为是起源于内共生细菌的同源物YidC。事实是否如此？我们基于已有的基因组数据库，对整个生物界中的众多古菌、真细菌和真核生物中YidC/Oxa/Alb3超家族的分布和分子系统发育关系进行了较全面、系统的调查分析，获得了如下主要结果： 1）YidC在古细菌中有所发现，但只零星分布于一些广古菌（Euryarchaeota）中；2）绝大多数真细菌只有一个YidC基因，但一些革兰氏阳性菌（芽胞杆菌、乳酸杆菌、放线菌和梭菌中的一些物种）已分化出两个YidC基因；3) 分子系统分析显示：线粒体Oxa、叶绿体Alb3和古菌YidC组成了3个独立的进化分枝，线粒体Oxa并未与蛋白菌序列聚在一起，叶绿体Alb3也未显示出与蓝细菌YidC有更近的亲缘关系；4）真菌、后生动物、绿藻和植物均具有两个Oxa（Oxa1和Oxa2）基因，这些真核生物的Oxa序列聚在两个独立的分开的进化枝上(Oxa1和Oxa2)；绿藻和植物中普遍具有两个Alb3基因。绿藻类生物的Alb3分布在两个独立的进化枝上，标记为Alb3.1和Alb3.2。植物Alb3序列也分布在两个不同的进化枝（Alb3.a和Alb3.b）上，并且它们一起和绿藻Alb3.1进化枝距离最近；结构域分析显示绿藻和植物中的Oxa2具有一个额外的C端TPR结构域；一些原生生物中Oxa和Alb3同源物的数目和在进化树上的聚类情况很特殊。 根据以上结果，我们认为：YidC亚家族蛋白在真细菌和一些广古菌中已起源；真核生物Oxa和Alb3基因有不同的原核起源，但它们的起源跟这两个细胞器的内共生起源事件无关；Oxa基因和Alb3基因在真核细胞进化早期即分别发生了古老的重复事件，因此现在绝大多数真核生物中均有两个Oxa和两个Alb3基因。但是后来在一些类群中，尤其是原生生物中，Oxa和Alb3基因发生了次生性丢失、新的复制或获得新的结构域编码片段，从而导致这些类群中这两种转运酶有丰富的多样性和不同的适应性。 最终，基于以上结果和结论，我们勾勒出了YidC/Oxa/Alb3超家族在整个生 I 物界中的进化路线图。

LPA3蛋白参与调控PSII组装的功能研究

PSII是一个叶绿体类囊体膜的蛋白复合体，它由20多个蛋白亚基组成，这些蛋白由核基因和叶绿体基因共同编码。由于PSII结构的复杂性，PSII的组装是多步骤的，并得到辅因子和调控蛋白的协助。但我们对参与调控步骤的蛋白因子还了解不多。鉴于叶绿体有限的编码能力，推测参与叶绿体组装调控的因子主要是由核基因来编码的。辨定这些核编码的叶绿体蛋白并深入研究其作用的分子机制将有助于我们了解PSII生物发生的分子机理。为此，我们利用叶绿素荧光成像系统对pER16 T-DNA插入突变体库进行了筛选，并对高荧光突变体lpa3进行了研究。主要研究结果如下： 突变体lpa3生长较为缓慢，叶色黄绿，叶绿素含量低。在突变体中，最大荧光量子产率Fv/Fm降低到0.514，表明PSII光合功能受到了损伤。突变体lpa3叶绿素荧光慢诱导曲线的正常下降表明PSII后的电子传递正常。突变体P700氧化还原动力学与野生型一致，则进一步表明PSI在突变体中是具有功能的。77K发射荧光光谱显示PSII的特征峰在突变体中较高，而PSI的特征荧光峰没有变化，则进一步显示突变体lpa3是一个PSII突变体。 通过Tail-PCR，发现突变体中T-DNA插入导致基因lpa3缺失表达，并且lpa3基因的互补可以使突变体的性状得到恢复。该基因表达的蛋白LPA3含有一个跨膜区域，是一个类囊体膜蛋白。该蛋白不是PSII的蛋白组成成分，可能与自身或者其它的蛋白组成一个复合体而起作用。 在突变体lpa3中PSII蛋白质尤其是核心蛋白D1、D2，含量下降。并且突变体中PSII蛋白复合体含量下降。但是突变体中PSII基因的表达并没有在转录水平受到调节，并且蛋白D1和D2的翻译起始也没有受到影响。体外标记实验表明，PSII中D1蛋白的合成明显降低，而其它蛋白的合成没有改变。进一步实验表明，突变体中PSII的组装效率降低。推测D1蛋白由于不能有效组装而反馈调节自身的合成。 酵母双杂交实验表明LPA3蛋白可以与D1蛋白相互作用，并且也与参与PSII组装的蛋白Alb3相互作用。因此，LPA3蛋白可能和蛋白Alb3形成一个复合体，该复合体与D1蛋白直接相互作用而参与调控PSII的组装。

LPA2蛋白调控PSII组装的分子机理研究

光系统II（PSII）是叶绿体类囊体膜上电子传递链中第一个色素蛋白复合体，由20多个蛋白亚基组成。它催化光驱动的水的裂解和醌的氧化。由于其结构的复杂性，PSII的生物发生和组装是核基因与叶绿体基因编码的蛋白以一定次序多步骤合成、组装的复杂过程，并需要大量的核基因编码的调节组装因子的参与。分离、鉴定拟南芥中这些核基因编码的叶绿体蛋白并研究它们的作用机制有助于我们认识高等植物PSII复合物组装和功能调控的分子机理。因此，我们从T-DNA插入的拟南芥突变体库中筛选到PSII突变体lpa2（low photosystemII accumulation），对LPA2蛋白调控光系统II复合物组装的功能进行了研究，并进一步探讨了LPA2和其他调节因子协同作用参与PSII组装的模式。 突变体lpa2具有高叶绿素荧光表型，与野生型相比生长量、色素含量均显著降低。蛋白免疫印记发现在lpa2突变体中光系统II复合物的累积量明显降低，仅有野生型的30%左右，而其他复合物的含量变化不大。核酸杂交和与多聚核糖体结合的检测表明光系统II亚基在转录及翻译启始水平没有受到影响。拟南芥叶片蛋白标记实验证明在突变体中CP43的合成量明显降低而其他光系统II主要蛋白CP47, D1 和 D2的合成正常，但相对于野生型这些蛋白的周转速率加快。在突变体中，新合成的蛋白亚基可以组装进入光系统II复合物，但新合成的CP43蛋白组装效率降低。以上的结果表明LPA2对光系统II的正常组装起着重要的作用，LPA2的缺失导致CP43不能有效组装进入光系统II，从而引起其他核心蛋白周转加快，光系统 II复合物累积量降低，最终植株光合效率降低。 基因克隆和蛋白定位分析表明LPA2基因编码一个内在的类囊体膜蛋白，但并不是光系统II的亚基组分。进一步采用酵母双杂分析证实了LPA2蛋白与光系统II核心蛋白CP43有相互作用，而与中心蛋白D1和D2没有相互作用。此外实验还表明LPA2蛋白与参与类囊体膜生物发生有关的Alb3蛋白有相互作用。因此LPA2可能是与Alb3形成复合物来协助CP43有效的整合进入光系统II。 另外，我们实验室已鉴定，LPA3，LPA4也是分别特异地参与CP43和D1组装的光系统II分子伴侣。LPA2，LPA3基因共同缺失会使幼苗不能光合自养而致死，因而LPA2和LPA3共同相互作用促进CP43的组装。体内和体外实验证明LPA2，LPA3和LPA4都和Alb3相互作用，而参与D1组装的分子伴侣LPA1不和Alb3以及上述这些伴侣因子作用。因此，Alb3 很有可能与LPA2、LPA3和LPA4形成多蛋白复合物在D1蛋白合成之后的组装过程中起作用。这些结果表明光系统II多亚基复合物组装是多步骤的，并通过一个精确复杂的调控网络确保复合物的有效组装以及功能行使。

拟南芥光系统复合物组装调控因子的功能研究

光系统I与光系统II ( PSI和PSII ) 是由核基因与叶绿体基因共同编码的蛋白组成的多亚基色素蛋白复合体，其复合物组装过程中蛋白以一定地次序合成并组装。现有研究表明光合膜多亚基复合物形成的每一个过程都需要一个或多个调节因子的参与。发现这些调节因子，并研究它们的作用机制将有助于我们认识高等植物两个光系统复合物组装和功能调控的分子机理。因此，我们采用正向遗传学和反向遗传学方法去寻找这些调控因子。我们一方面应用Gateway技术构建拟南芥cDNA表达文库，采用酵母双杂交技术从中筛选与Alb3互作的蛋白，称为ALIP ( Albino3 Interacting Protein )；从ABRC订购编码这些互作蛋白的基因的T-DNA插入突变株系，其中发现了一个影响PSI功能的突变体alip1；另一方面，通过对拟南芥T-DNA插入突变体库进行筛选，发现了一批影响PSII功能的突变体 ( low photosystem II accumulation )，其中包括lpa1、lpa2和lpa66-1。本实验对alip1和lpa66-1突变体进行了深入研究，初步探讨了这两个基因编码的蛋白参与调控PSI以及PSII的组装机理。 突变体lpa66-1是一个高叶绿素荧光突变体，与野生型比较生长缓慢，叶色黄，叶绿素含量低。叶绿素荧光慢诱导曲线显示它是一个影响PSII功能的突变体。类囊体膜蛋白的免疫印迹发现lpa66-1突变体中PSII复合物的累积量降低到野生型的30%左右，其他复合物的含量变化不大。体内蛋白标记实验显示，PSII反应中心蛋白D1，D2的合成速率下降，PSII核心蛋白的周转加快。新合成的蛋白组装进PSII的效率比野生型显著降低。LPA66是一个定位于叶绿体的PPR蛋白。因为野生型拟南芥LPA66蛋白能够特异性的编辑psbF转录本，故野生型psbF转录本中第77C被编辑为77U，从而使相应的氨基酸序列中第26个氨基酸丝氨酸被编辑为苯丙氨酸，而lpa66-1突变体中，LPA66蛋白的缺失导致该位点不能被编辑，PSII复合体也不能有效组装。 Alb3/Oxa1p/YidC蛋白家族广泛的参与蛋白质转运和多亚基复合物组装，采用分裂泛素化酵母双杂交发现与Alb3相互作用蛋白ALIP1。突变体alip1也是一个高叶绿素荧光突变体，叶色黄，在土里生长极为缓慢，且不能开花，不育。叶绿素荧光慢诱导曲线显示，突变体中PSII功能基本没有受影响；而P700显示alip1是一个影响PSI功能的突变体。类囊体膜蛋白的免疫印迹发现突变体中PSI核心蛋白PsaA/B的累积量为野生型的40%左右，而PSII及其他复合物的含量无明显变化。Northern印迹结果显示PsaA/B在转录水平不受影响，而体内蛋白标记实验显示，PSI反应中心蛋白PsaA/B的合成速度下降。蔗糖密度梯度离心分析类囊体膜蛋白的组分显示ALIP1能够与Alb3共迁移。而Alb3对于类囊体膜上大分子复合体的组装有重要作用，我们推测，ALIP1可能与Alb3形成一个复合物，或者作为一个中间体介导Alb3参与PSI的组装。

Dissecting the function of the SpoIIIJ and YqjG membrane protein insertases during bacterial spore development

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology, Microbial Biology