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《公共科学图书馆·生物》。2009年3月;7(3):e1000045。
2009年3月3日在线发布。 数字对象标识:10.1371/期刊.pbio.1000045
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叶绿体蛋白激酶Stt7在状态转换过程中的分析

亚瑟·R·格罗斯曼,学术编辑

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补充资料

摘要

状态转换允许在光系统I和光系统II之间平衡光激发能量,并在光合生物体受到变化的光照条件的影响时实现最佳的光合活性。这一过程由质体醌池通过Stt7/STN7蛋白激酶的氧化还原状态调节,该蛋白激酶是捕光复合物LHCII磷酸化和移动LHCII在光系统之间可逆置换所必需的。我们发现Stt7与包括LHCII、光系统I和细胞色素在内的光合作用复合物有关b条 6 (f)复杂。我们的数据显示Stt7具有催化作用。我们还提供证据表明,Stt7包含一个跨膜区域,该跨膜区域将其基质侧的催化激酶结构域与其类囊体腔中的N末端分离,并带有两个对其活性和状态转换至关重要的保守Cys。基于这些数据,我们认为Stt7的活性是通过其跨膜结构域调节的,两管腔Cys之间的二硫键对其活性至关重要。强光诱导的这种键的还原可能通过由铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统驱动的跨类囊体硫醇还原途径发生,而铁氧还毒素系统也是细胞色素所必需的b条 6 (f)组装和血红素生物生成。

作者摘要

为了实现最佳生长,光合生物需要不断调整以适应不断变化的光照条件。其中一种调节称为状态转换,允许光能在细胞叶绿体中的两个光合反应中心复合体之间重新分配。这些复合物与光合作用机制的其他成分协同作用,将光能转化为细胞能量。调节状态转换的关键成分是叶绿体蛋白Stt7(也称为STN7),它可以通过添加磷酸基团来修饰其他蛋白质。当光照水平改变时,另一种叶绿体成分质体醌的氧化水平改变,这反过来激活Stt7,诱导其磷酸化一个反应中心的光捕获复合物的特定蛋白质。因此,这种集光复合物的一部分从一个光合反应中心转移到另一个,从而优化光合效率。在这里,我们讨论了Stt7在叶绿体类囊体膜内的构型及其激活的分子机制。我们的数据表明,在特定的环境条件下,Stt7蛋白的水平会发生剧烈的变化,该蛋白不需要与其活性目标以一对一的比例存在,并且它直接与光合作用机制的许多组成部分相关。Stt7的蛋白修饰结构域位于类囊体膜的外侧,而调节其活性的关键结构域位于类囊体膜内侧。这些结果揭示了允许光合生物适应光照水平波动的分子机制。

Stt7/STN7叶绿体蛋白参与光合作用生物体的捕光器的磷酸化和重塑,并在光照水平变化后的光合机械适应中发挥关键作用。

介绍

光合作用生物在光照条件下不断变化。这些生物已经发展出不同的机制来快速适应这种不断变化的环境。在一个极端情况下,当吸收的光激发能量大大超过光合作用器官的同化能力时,这些生物体需要保护自己。多余的光能通过非光化学猝灭以热的形式消散,这涉及到光系统II的光收集系统的构象变化[1]. 相反,在弱光下,光合生物会优化其天线系统的吸收能力。当光照质量发生变化,导致光系统II(PSII)或光系统I(PSI)的优先刺激时,情况尤其如此,这两者通过光合电子传输链连接。在这些条件下,PSII和PSI天线系统之间的光激发能量平衡通过一个称为状态转换的过程实现[24]. 当PSII优先激发时,质体醌池减少,这是一个有利于质体酚与细胞色素Qo位点结合的过程b条 6 (f)复合物,导致PSII(LHCII)捕光系统磷酸化所需的类囊体蛋白激酶活化[5,6]. 在绿藻里莱茵衣藻,LHCII蛋白质组由I型(Lhcbm3、Lhcbm4、Lhcbm6、Lhcibm8和Lhcbm9)、II型(Lhcbm5)、III型(Lhbm2和Lhcbm7)和IV型(Lhm1)蛋白质组成,并由CP26和CP29组成[7]. 由于它们几乎相同的序列和大小,其中一些Lhcbm蛋白无法通过SDS-PAGE进行区分。其中大多数分为两个主要谱带,称为P11/P13(I型)和P17(III型)。CP29、Lhcbm5、P11、P13和P17在状态1到状态2的转换期间被磷酸化[79]. 虽然CP29和Lhcbm5在状态转换期间是可移动的,但尚不清楚在其他LHCII蛋白中C.莱因哈迪是移动的[10,11]. LHCII磷酸化后,LHCII从PSII位移到PSI,从而以PSII天线为代价增加PSI天线的尺寸,并重新平衡两个光系统之间的激发能量。移动LHCII与PSI的结合需要PsaH亚单位[12]. 此状态对应于状态2。该过程是可逆的,因为PSI的优先激发导致LHCII被未知磷酸酶去磷酸化并返回PSII(状态1)。

状态转换不仅可以由光照条件的变化引起,还可以通过细胞代谢的变化引起。因此,在C.莱因哈迪当ATP水平较低或细胞在厌氧条件下在黑暗中生长时,该过程会被触发。这些条件导致还原当量流入质体醌池并激活LHCII激酶[13]. 此外,从状态1到状态2的转换C.莱因哈迪与从线性电子转移到循环电子转移的转换有关[14,15]. 在这种藻类中,状态转换的主要作用似乎是ATP稳态。在陆地植物中,LHCII激酶也可以通过添加糖类化合物在黑暗中被激活[16]. 最近的研究进一步证实,状态转换不仅限于光系统之间激发能量的平衡,而且在光反应与碳代谢的调节中也起着重要作用[17].

C.莱因哈迪从PSI和PSII电荷分离的量子产率的测量结果推断,从状态1到状态2的转变导致LHCII从PSII到PSI的位移为80%[18]. 与陆地植物相比,在状态转换期间,只有15%的LHCII是可移动的,尽管这一过程与类囊体膜的大量结构重排有关[19]. 移动LHCII天线的大尺寸导致在C.莱因哈迪,这一特征已被用于筛选此过程中缺失的突变体[9,20]. 这样的筛选揭示了类囊体Ser-Thr蛋白激酶Stt7的存在(AA063768型) [21]. 缺乏该激酶的突变体缺乏LHCII磷酸化,无法从状态1过渡到状态2。Stt7蛋白激酶与类囊体膜相关,在催化激酶结构域上游含有一个潜在的跨膜结构域。拟南芥,正交STN7(NP_564946号)还特别参与LHCII磷酸化和状态转换[21,22]. 目前,尚不清楚Stt7和STN7是否直接作用于LHCII,或者它们是否作为激酶级联的一部分进一步向上游作用。细胞色素b条 6 (f)复合物在激酶激活中起关键作用[4]. 因此,Stt7/STN7很可能直接与该复合体相互作用。如果LHCII是Stt7/STN7的底物,预计两者之间会发生相互作用。在这里,我们使用了共免疫沉淀和下拉实验来证明确实发生了这种类型的相互作用。我们的数据显示Stt7具有催化作用。我们还发现,Stt7包含一个跨膜区域,催化结构域位于类囊体膜的基质侧,N末端区域位于管腔中。该结构域似乎在激酶活性的调节中起着关键作用。

结果

Stt7与大分子量复合物有关

为了了解Stt7激酶的功能,我们首先估计了它的丰度,特别是与细胞色素的摩尔比b条 6 (f)在状态2条件下复杂。针对Stt7产生抗体,并使用重组Stt7蛋白估计Stt7的量以进行校准。用细胞色素进行了类似的校准b条 6 (f)复杂(请参见图S1). 该分析显示Stt7和细胞色素之间的摩尔比b条 6 (f)复合物为1:20,这清楚地表明与光合复合物相比,Stt7处于亚化学计量水平。

Stt7/STN7蛋白激酶已被证明与类囊体膜有关[21]. 然而,尚不清楚Stt7/STN7是单独起作用,还是与更大复合体中的其他蛋白质相关,其组成可能在状态转换期间发生变化。为了测试这种可能性stt7(stt7)分离出在其C末端(Stt7-HA)含有血凝素(HA)标签的Stt7补体突变体。通过在弱光(6μmol m)下照明获得的状态1细胞制备膜−2−1)在DCMU(3-(3,4-二氯苯基)-1,1-二甲基脲)存在下培养30分钟,并在厌氧条件下培养细胞30分钟,使其处于状态2。通过测量最大荧光(Fmax)的变化来验证状态转换的发生。用n-十二烷基-β-麦芽糖苷溶解类囊体膜,并通过蔗糖密度梯度离心分离。用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)分离Stt7-HA类囊体膜上两个梯度的单个部分,然后使用针对HA、Cyt的抗体进行免疫印迹分析(f)、PsaA、D1、CP26、CP29和Lhcbm5(图1A) ●●●●。在状态1和状态2条件下,Stt7蛋白激酶与一个大的复合物相关,该复合物与PSI和细胞色素的高分子量部分重叠b条 6 (f)复杂但不含PSII(图1A) ●●●●。在所使用的状态1和状态2条件下,类囊体复合物的分布没有观察到重大变化。stt7(stt7)突变体,证实高分子量LHC复合物不仅在状态2下形成,而且在状态1条件下也形成(图1B) ●●●●。

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蔗糖密度梯度离心分离Stt7和叶绿素-蛋白复合物

(A) 用n-十二烷基-β-麦芽糖苷溶解状态1和状态2下Stt7-HA细胞的类囊体膜,并通过蔗糖密度梯度离心分离叶绿素-蛋白质复合物。通过SDS-PAGE从对应于Stt7-HA的梯度组分中分离蛋白质。用指示的抗体进行免疫印迹;α-P-Thr,抗磷酸化Thr。用所示蛋白的抗血清进行免疫印迹,确定下部面板中磷酸化蛋白的身份。在a-P-Thr免疫印迹中,对应于CP29和Lhcbm5的信号被框定。

(B) 免疫印迹按(A)制备,但类囊体膜stt7(stt7)使用了。P11/13和P17是C.莱因哈迪和分别对应于I型和III型LHCII蛋白。

尽管与野生型细胞中的Stt7相比,Stt7-HA的水平在25%-50%之间(图S2),状态转换的程度与野生类型(未发布的数据)相同。此外,Stt7-HA中的光合复合物数量相同,stt7(stt7)、和野生型细胞(图S2). 正如预期的那样,带有抗P-Thr抗血清的免疫印迹显示几种状态2蛋白质的磷酸化增加,特别是野生型菌株中的主要LHCII蛋白质P11、P13和P17(图1A) ●●●●。此外,在含有PSI的相同高分子量组分中,在状态2条件下检测到与Lhcbm5相对应的微弱磷酸化信号。尽管在状态2条件下也观察到PSII核心蛋白CP43和D2的磷酸化增加,但在其他实验中,在状态1和状态2之间未检测到这些蛋白的磷酸化显著增加。

Stt7水平在延长状态1条件下降低

免疫印迹图1A表明状态2的Stt7水平显著高于状态1。为了进一步验证这一点,在状态2条件下将含有Stt7-HA的细胞培养2小时,并在状态2或状态1条件下继续培养4小时(图2). 在不同的时间点,用HA和Cyt处理小份细胞进行免疫印迹分析(f)抗体。虽然在连续状态2条件下Stt7的水平保持不变,但在切换到状态1条件后1 h,其水平逐渐下降。2小时后下降4倍,4小时后超过20倍(图2C) ●●●●。在将细胞切换到状态2后,Stt7水平在2小时后增加了2倍,但没有达到其初始值(未公布的数据)。添加环己酰亚胺不会影响Stt7的下降,表明此过程中没有新合成的蛋白酶(图2D) ●●●●。然而,在状态1条件下,向细胞中添加蛋白酶抑制剂混合物可消除Stt7的降解(图2E) ●●●●。

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在长期状态1条件下和强光下Stt7水平降低

细胞在状态2条件下生长120分钟,随后保持在状态2(黑暗+厌氧)或状态1条件(光+强曝气)或强光(900μmol光子−2−1)240分钟。在不同的时间间隔,提取总蛋白,并用HA抗血清免疫印迹法测定Stt7-HA的量。塞浦路斯(f)用作加载控件。顶部:实验条件概述(有关详细信息,请参阅材料和方法).

(A) 细胞保持在连续状态2条件下。

(B) 与(A)相同,但在初始培养物在状态2下保持120分钟后添加环己酰亚胺。

(C) 状态2的细胞在120分钟后接受状态1条件。

(D) 与(C)相同,但在120分钟后添加环己酰亚胺。

(E) 与(C)相同,但在120分钟后添加蛋白酶抑制剂。

(F) 将处于状态2的细胞置于强光下。分别用抗D1和PsaA的抗体通过免疫印迹法评估PSII和PSI的水平。

(G) 与(F)相同,但添加leupeptin。用HA和Cyt免疫印迹法检测总蛋白(f)抗体。

(H) 如(C)所示,在不同的时间测试切换到状态1条件的细胞是否从状态1过渡到状态2。在这种情况下,通过添加5μM FCCP诱导向状态2过渡,并在15分钟后通过测量每个时间点的低温荧光发射光谱进行分析。

(一) 用HA抗血清免疫印迹法测定(H)中所用细胞的Stt7水平。

用HA抗血清进行免疫印迹监测,Stt7-HA在延长状态2条件下的降解可能是由于从Stt7中去除了HA标签。为了测试这种可能性,我们使用Stt7和HA抗血清对Stt7-HA菌株重复了该实验。在这两种情况下,在状态2条件下证实Stt7激酶下降(图S3A) ●●●●。我们检查了未标记Stt7也会出现这种下降(图S3B) ●●●●。为了确定涉及的蛋白酶类型,在上述相同条件下测试不同蛋白酶抑制剂:ACA(ɛ-氨基己酸)(Sigma)(50 mM)、AEBSF(4-(2-氨基乙基)-苯磺酰基氟化物盐酸盐)(罗氏)(5 mM),NEM(N个-乙基马来酰亚胺)(Sigma)(10 mM)、苯甲烷磺酰氟(Sigma-)(5mM)和EDTA(50 mM)。亮肽和NEM也在不同浓度下使用(参见图S4). 在不同的时间点采集样品并进行分析。虽然NEM完全阻止了Stt7的分解,但丝氨酸蛋白酶抑制剂ACA和AEBSF没有作用,EDTA增强了这一过程(图S4A和S4系列B) ●●●●。除NEM外,其他半胱氨酸蛋白酶抑制剂,如E64和leupeptin,可在长期状态1条件下阻止Stt7降解(图S4C、,S4系列D、 和S4系列E) ●●●●。虽然没有令人信服的证据证明叶绿体Cys蛋白酶的存在,但不能排除它们的存在。家蚕质体Cys蛋白酶的生物信息学研究拟南芥没有透露任何令人信服的候选人(参见文本S1).

众所周知,强光处理会导致LHCII蛋白激酶失活[23,24],我们测试了Stt7在这些条件下是否稳定。对适应状态2的细胞进行强光处理(900μmol m−2−1)在不同时间用免疫印迹法测定Stt7水平。在这些条件下,观察到Stt7稳步下降(图2F) ,可以通过添加亮肽来完全预防(图2G) ●●●●。在相同的光照条件下,PSII和PSI水平几乎不受影响(图2F) ●●●●。然而,变量(Fv)与最大花期(Fv/Fmax)之比的测量结果表明,该比值从0.7降至0.2,表明光损伤对PSII没有明显降低D1蛋白水平。

Stt7催化量

我们利用Stt7在延长状态1条件下的下降来测试细胞在这些条件下是否仍然能够从状态1切换到状态2。细胞首先在状态1条件下生长,如所示图2在不同的时间段后,收集细胞并使用解偶联剂FCCP(羰基氰化物对氟甲氧基苯腙)分析状态转换,FCCP是一种已知的状态转换诱导剂[13]. 在状态1和状态2条件下测量了低温荧光发射光谱和Stt7水平。图2H表明,在状态1条件下4小时后收集的这些细胞很容易过渡到状态2,尽管Stt7蛋白激酶的量减少了20倍(图2一) ●●●●。这表明Stt7激酶具有催化作用。

Stt7与细胞色素相互作用b条 6 (f)复合体、LHCII和PSI

LHCII激酶的激活主要取决于细胞色素b条 6 (f)复杂[4]. 此外,这种激酶可能与其假定的底物LHCII相互作用。测试Stt7激酶是否与细胞色素相互作用b条 6 (f)用十二烷基麦芽糖苷溶解状态1或状态2的Stt7-HA菌株的复合物和/或LHCII、类囊体膜,并用HA抗血清进行免疫沉淀。免疫沉淀物通过SDS-PAGE进行分离,并用几种已知类囊体蛋白的抗体进行免疫印迹。图3A显示LHCII蛋白P13、P11、P17、CP29、CP26和Lhcbm5与Stt7激酶共免疫沉淀。使用CP29获得的信号仅在状态2条件下可检测到。Cyt也观察到信号(f)和Rieske蛋白以及PSI亚单位PsaA。相反,在PSII的Stt7和D1之间以及与ATP合成酶亚单位α之间未观察到相互作用(图3A) 表明检测到的Stt7-HA与其他光合蛋白之间的相互作用是特异性的。此外,未标记野生型菌株未观察到信号(图3A) ●●●●。与PsaA、Cyt相互免疫沉淀(f)和P11抗体证实了这些蛋白与Stt7的相互作用(图3B) ●●●●。

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Stt7与细胞色素LHCII的协同免疫沉淀b条 6 (f)复杂和PSI

(A) 右侧面板:类囊体膜stt7(stt7)用正十二烷基-β-麦芽糖苷溶解补充Stt7-HA和状态1和状态2野生型(WT)细胞的突变株,并用HA抗体共同免疫沉淀蛋白质(CoIP)。用SDS-PAGE分离免疫沉淀物,并用所示抗体进行免疫印迹。左侧面板:显示输入,代表用于联合免疫沉淀的10%样本。

(B) Stt7-HA或野生型(WT)菌株的类囊体膜按上述方法处理,并与PsaA、Cyt共免疫沉淀(f)、D1和AtpA抗体。通过SDS-PAGE分离免疫沉淀物,并用HA抗体进行免疫印迹。

为了进一步测试Stt7与细胞色素的相互作用b条 6 (f)复合物,将Stt7-HA菌株转化为宠物A3′端有一个His标签[25]. 在测试转化菌株的同质状态后宠物——他的,类囊体膜被分离、溶解,细胞色素b条 6 (f)复合物在Ni-NTA柱上纯化。清洗柱后,洗脱部分的免疫印迹显示,一小部分Stt7激酶与标记的细胞色素有关b条 6 (f)复杂,但不是没有标记的应变(图4A) ●●●●。确定细胞色素的哪些亚基b条 6 (f)复合物与Stt7相互作用,这是一种与GST-Stt7和溶解的纯化细胞色素的下拉测定b条 6 (f)进行复合体。结果(图4B) 表明Rieske蛋白,但不是Cyt(f),可以从GST-Stt7柱中洗脱,表明Stt7与Rieske蛋白相互作用。

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Stt7与细胞色素共分馏b条 6 (f)复杂

(A) 含有Stt7-HA和Stt7-HA与His-tagged Cyt的菌株的类囊体膜(f)(PetA-His)用n-十二烷基-β-麦芽糖苷溶解并通过Ni-NTA色谱分离。E1、E2洗脱液(300 mM咪唑)用PAGE和免疫印迹法分析所示抗体。FT,流通;五十、 负载(10 mM咪唑);W1–W5,洗涤液(20 mM咪唑)。

(B) Stt7与Rieske蛋白相互作用。GST和GST-Stt7融合蛋白分别与纯化的可溶性细胞色素孵育b条 6 (f)来自野生型细胞的复合物。通过PAGE和Rieske和Cyt免疫印迹分析洗脱液(E)(100 mM DTT,2%SDS)(f)抗体。FT,流通;一、 输入;W1–W4,洗涤液(PBS)。

类囊体膜中Stt7激酶的定位

虽然Stt7内的假定跨膜结构域由几种算法预测[21],该域中存在四个Pro残基提出了一些问题,需要考虑两个模型。首先,Stt7的N末端通过跨膜结构域与Stt7大催化结构域分离。在第二种模型中,Stt7可以完全定位在类囊体膜的一侧。为了区分这些可能性,分别在Stt7蛋白的N端和C端用FLAG和HA标记。应该注意的是,FLAG-Stt7-HA没有功能,但它稳定地积聚在类囊体膜中(见下文)。由于Stt7激酶的假定底物位于类囊体膜的基质侧,因此预计Stt7的激酶结构域也位于基质侧。这是通过从含有Stt7-HA或FLAG-Stt7-HA的菌株中分离出完整的类囊体膜,并用蛋白酶V8对类囊体薄膜进行温和消化来进行测试的。然后,使用针对HA、FLAG、PsaD和OEE2的抗体,通过PAGE和免疫印迹检测所得蛋白提取物。已知PsaD部分暴露于基质侧,而OEE2完全位于类囊体膜的腔侧。因此,OEE2和PsaD的主体预计会受到任何外部蛋白酶的保护。在蛋白质水解轻微影响OEE2蛋白并导致PsaD部分消化的条件下(75μg/ml V8),用HA抗体测定Stt7水平显著降低,证实激酶结构域位于膜的基质侧(图5A) ●●●●。Stt7-HA也获得了类似的结果(未公布的数据)。相反,当使用针对FLAG的抗体时,检测到更小的产物,表明Stt7的N末端位于类囊体膜的腔侧(图5A) ●●●●。类囊体膜的超声处理以及V8蛋白酶处理表明,与管腔蛋白OEE2一样,用FLAG抗体检测到的受保护片段的水平显著降低(图5A) ●●●●。超声波还导致Stt7的HA-tag降解增强,可能是因为在这些条件下,蛋白酶更容易接触到暴露在基质中的激酶结构域,和/或类囊体膜受损。相反,在有和没有超声处理的情况下,没有观察到PsaD的差异。

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Stt7包含一个跨膜区,其N末端位于类胸腺内腔

(A) 含有FLAG-Stt7-HA的菌株的类囊体膜在室温下经受V8蛋白酶浓度的增加,经受PAGE,并用HA、FLAG、PsaD和OEE2抗体进行免疫印迹。星号(*)表示FLAG抗血清中显示的Stt7降解产物。

(B) 使用泛素的C末端半(Cub)与Stt7的N或C末端融合,以及ER蛋白Alg5在其C末端与泛素的N末端半(Nub)融合,进行泛素分裂分析。酵母菌落分别用10倍和两个5倍连续稀释液涂布在允许(-L-W)和选择性(-Ade-H-L-W”)培养基上。

用酵母分裂-泛素系统进一步测试Stt7的取向[26]. 泛素(Cub)的C末端片段融合到Stt7的N末端或C末端,并与融合到内质网(ER)蛋白Alg5的C末端的泛素(Nub)的N末端一起在酵母中表达,后者将Nub放置在膜的细胞质侧。泛素只与Cub融合到Stt7的C末端的结构体重组,而与N末端融合时没有重组(图5B) ●●●●。由于膜蛋白通常与其管腔结构域一起插入酵母的周质空间,因此双杂交结果与蛋白酶保护研究得出的Stt7拓扑结构完全一致。

Stt7废除激酶活性N末端区域的突变

Stt7的跨膜结构域位于其N末端附近,其前面有一个区域,该区域包含两个保守的Cys,由四个残基分开,这些残基也在同源的STN7激酶中保守拟南芥[21]. 在陆地植物中,研究表明,在强光下,LHCII激酶通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统失活[23,24]. 一种可能性是这些保守的Cys是这个氧化还原系统的靶点。为了测试这些残基的作用,将两个Cys分别转化为Ser或Alastt7(stt7)具有Stt7-HA-C68S/A和Stt7-HA-C73S/A结构的突变体。在所有四种情况下,突变激酶在Stt7-HA细胞中积累(图6A) ●●●●。然而,在诱导状态1或状态2的条件下测得的低温荧光发射光谱在这些突变体中几乎相同,表明它们缺乏状态转换(图6A) ●●●●。正如预期的那样,在挽救的Stt7-HA菌株中检测到715nm处的PSI荧光增强,这是状态2的特征。此外,Cys突变体在状态2条件下未能磷酸化LHCII(图6B) ●●●●。因此,尽管Cys残基通过跨膜区与催化激酶结构域分离,但它们对激酶活性至关重要。

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Stt7基因N端突变的分析

的转化stt7(stt7)使用含有突变形式的Stt7-HA,其中Cys68和Cys73改变为Ala/Ser或在N-末端具有FLAG标签(FLAG-Stt7-HA)。

(A) Stt7的Cys68和Cys73对于状态转换和LHCII磷酸化至关重要。野生型70K下的荧光发射光谱,stt7(stt7)以及状态1和状态2条件下的不同转化子。右图:这些菌株总提取物的免疫印迹和带有HA抗体的Stt7-HA。

(B) 在状态2条件下,LHCII磷酸化需要Cys68和Cys73。在状态1和状态2条件下,用SDS-PAGE分离野生型和所示转化子的膜蛋白,并用抗P-Thr抗血清进行免疫印迹。转化子中缺失的带由两个箭头指示。

(C) 在Stt7的N末端插入一个FLAG标签可以防止其与Rieske蛋白的相互作用。用n-十二烷基-β-麦芽糖苷溶解Stt7-HA、FLAG-Stt7-HA和Stt7-C68S中的类囊体,并用HA抗血清进行免疫沉淀。通过PAGE对免疫沉淀物进行分级,并用指示的抗体进行免疫印迹。

在成熟Stt7的N-末端附近插入FLAG标签消除了状态转换和激酶活性,但不影响蛋白质的稳定积累(图6A和和6B)。6B) ●●●●。此外,FLAG标签的存在专门阻止Stt7与Rieske蛋白的共免疫沉淀,但不阻止Cyt的共免疫沉积(f)(图6C) ●●●●。乍一看,这似乎与下拉实验的结果相矛盾,下拉实验表明Rieske蛋白,而不是Cyt(f),与Stt7相互作用。在下拉实验中,使用的重组Stt7蛋白可能无法正确折叠跨膜。此域可能负责与Cyt的绑定(f)在免疫沉淀的情况下,使用可溶性类囊体膜,其中Stt7和Cyt之间的相互作用(f)已保存。添加FLAG表位似乎会阻止Stt7与Rieske蛋白的适当相互作用。相反,Stt7-C68S的联合免疫沉淀在Cyt患者中均发生(f)和Rieske蛋白(图6C) ●●●●。综上所述,这些结果表明Stt7的N末端在其激酶活性的激活中起着关键作用,并且该结构域可能参与与Rieske蛋白的相互作用。

讨论

Stt7蛋白激酶与大分子量复合物相关

状态转换导致PSII和PSI天线系统在C.莱因哈迪此外,它们还伴随着PSI-LHCI超复合体的巨大变化[11,27]. 蔗糖密度梯度离心法分离可溶性类囊体膜显示,在状态1和状态2条件下,Stt7和LHCII蛋白在PSII和PSI之间的分布没有重大变化。有趣的是,Stt7与一种大分子量复合物有关,该复合物与细胞色素的高分子量组分共分馏b条 6 (f)复杂和PSI,但显然与PSII无关(图1). Stt7与细胞色素的部分共分馏b条 6 (f)复合物和PSI与共免疫沉淀实验兼容(图3). 这些络合物的确切组成尚待确定。

我们关于络合物分馏的结果与Takahashi等人的结果略有不同[11]. 然而,这些作者发现CP26、CP29和Lhcbm5在从状态1过渡到状态2时明显向PSI区域转移,他们将此归因于大型PSI-LHCI超复合体的形成,我们只检测到CP26和Lhcbm5状态2中蔗糖梯度的高分子量和低分子量组分之间的比率略有增加(图1A) ●●●●。就CP29而言,其在状态1和状态2中的分布没有显著差异。这些差异可能是由于在我们的研究和Takahashi等人的研究中,状态2和状态1是通过不同的方式诱导的。他们分别使用FCCP加NaF和DCMU加staurosporine诱导状态2和状态1,而我们在DCMU存在的情况下使用厌氧和剧烈通气。我们进一步证实了在状态1条件下,在大分子量组分中检测到的LHCII蛋白在stt7(stt7)突变体。

虽然在状态1和状态2条件下,我们无法检测到LHC复合物在蔗糖密度梯度中分布的主要变化,但磷酸化模式发生了变化。在状态2下,在高分子量组分中检测到Lhcbm5的磷酸化形式,但在状态1条件下未检测到(图1A) ●●●●。Takahashi等人[11]在该组分中观察到CP29和Lhcbm5的磷酸化形式。Kargul等人还报道了高分子量组分中CP29的磷酸化形式[10]. 这些研究之间的差异可能部分归因于所用抗P-Thr抗体的不同特异性。

Stt7在状态1条件下不太丰富

一个显著的特点是,州1的Stt7水平显著低于州2。通过状态2–状态1时间过程实验对此进行了进一步研究(图2). 在从状态2转换到状态1条件后的2小时内,Stt7的水平下降到状态2水平的四分之一。在状态1下4小时后,Stt7的水平进一步下降至状态2水平的2%-5%,表明Stt7在长期状态1条件下不稳定。因此,Stt7在其活跃的条件下更加丰富和稳定。在状态1条件下,可以通过向完整细胞添加Cys蛋白酶抑制剂来阻止Stt7的降低。因此,在状态2条件下,Stt7可能因翻译后修饰(例如磷酸化)或与其他蛋白质的结合而受到蛋白酶的保护。虽然在叶绿体中存在半胱氨酸蛋白酶的实验证据很弱,但不能排除它们的存在及其在Stt7转换中的作用。这一过程可能涉及其他蛋白酶,如FtsH和Deg蛋白酶,这些蛋白酶已知可降解类囊体膜蛋白[28]. 一些Deg蛋白酶确实对NEM敏感[29].

我们注意到Stt7只有在状态1中持续一段时间后才会降低,而状态转换是在几分钟内发生的短期适应反应。因此,控制Stt7水平可能是长期适应反应的一部分。确实有证据表明拟南芥在这样的过程中[30].

强光下Stt7水平降低

强光下Stt7水平降低。在相同条件下,PSII水平保持不变。在陆地植物中,已知LHCII激酶在强光下通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统失活[31]. 因此,可以想象,当激酶长时间处于非活性状态(由状态1条件或强光诱导)时,其稳定性较差。尽管质体醌池的氧化还原状态对激酶的激活至关重要,但它并不仅仅决定Stt7的水平。在状态1条件下,plastoquinone池被氧化,而在强光下预计会被还原。

Stt7与细胞色素相互作用b条 6 (f)复合物、LHCII和PSI

Stt7与细胞色素的密切相互作用b条 6 (f)从共免疫沉淀结果可以明显看出复合物。已知该复合物在从状态1到状态2的转换过程中对激酶的激活起着关键作用[32]. 细胞色素缺陷突变体b条 6 (f)复合物不能磷酸化LHCII并被阻断在状态1[32].

原始状态转换模型假设,通过细胞色素激活Stt7激酶b条 6 (f)复合物,激酶从复合物中释放出来磷酸化LHCII。然而,我们发现Stt7激酶与细胞色素的结合b条 6 (f)复合物在状态1和状态2之间没有明显变化。一种可能是另一个下游激酶被Stt7磷酸化,进而磷酸化LHCII。或者,Stt7激酶可能是包含细胞色素的大型超复合物的一部分b条 6 (f)复合物和PSII-LHCII复合物。我们还无法检测到这种复合物,尽管它们可能只是暂时形成的。的PetO亚单位C.莱因哈迪b 6 (f)已知复合物在状态转换期间被磷酸化[33]. 尽管进行了几次尝试,但基于共免疫沉淀或酵母双杂交筛选,我们无法检测到Stt7和PetO之间的任何相互作用。PetO的磷酸化是否依赖于Stt7还有待观察。

确定细胞色素的哪个亚单位b条 6 (f)进行了与Stt7相互作用的复合物下拉实验。Rieske蛋白被鉴定为一种相互作用物(图4B) ●●●●。基于线粒体的结构研究公元前1和叶绿体b条 6 (f)复合物,Qo位点质体醌与细胞色素之间的电子转移(f)(周期(f))由Rieske蛋白介导,当质醇占据Qo位点时,Rieske蛋白质从近端位置移动到Qo位点未被占据时的远端位置[25,34,35]. 有人认为,Rieske蛋白的这种动态行为可能与Stt7激酶的激活有关[3638]. 这种动态模型与Stt7激酶的低丰度相一致,其与细胞色素的摩尔比为1:20b条 6 (f)本研究中发现的复合物。假设一个细胞色素b条 6 (f)每个PSII反应中心一个PSII核心复合物和平均十个LHCII蛋白的复合物[39]Stt7激酶与LHCII蛋白的摩尔比可以估计为1:200。乍一看,该激酶必须磷酸化几个LHCII底物,并可能经历多轮激活。有可能Stt7激酶首先作用于位于基粒边缘的LHCII,并且这种磷酸化诱导类囊体膜的广泛重塑,最近有报道称,类囊体的状态转换发生在拟南芥[19]. 这些变化可能有助于Stt7进入颗粒核心的LHCII。另外,在状态2条件下观察到的强烈LHCII磷酸化可能是由于PSII-LHCII超复合体在基粒核心和基粒边缘的非常灵活的运动。

细胞色素的有趣成分b条 6 (f)复合物是其单一叶绿素其氯环位于PetD亚基的螺旋F和G之间的分子,而植酸链在Qo位点附近突出[25]. 有趣的是,突变体影响叶绿素结合位点除了细胞色素减少b条 6 (f)营业额,也显示从状态1到状态2的转换速度下降[36]. 因此,该区域可能是Stt7 N末端区域的相互作用位点,也可能作为质体醌在Qo位点存在的传感器,并通过叶绿素启动信号通路分子朝向类囊体膜基质侧Stt7的催化结构域。

共免疫沉淀实验表明,在状态1和状态2条件下,Stt7在大多数情况下与LHCII相关。LHCII可能是Stt7的直接底物,或者Stt7可能是多激酶复合物的一部分,最终磷酸化LHCII。CP29在状态1和状态2之间的共免疫沉淀中观察到唯一显著差异(图3). CP29特别有趣。首先,该单体LHCII与CP26和Lhcbm5被提议作为LHCII三聚体和二聚PSII反应中心之间的连接物,用于传递激发能[11,3941]. 第二,在从状态1过渡到状态2的过程中,CP29会发生过度磷酸化:除了在状态1中磷酸化的Thr6和Thr32外,Thr16和Ser102在状态2中磷酸化[10,42]. 第三,缺乏CP29的PSII-LHCII配合物的电子显微镜(EM)分析无法区分C2S2和PSII单体配合物[39]. 第四,在主要进行循环电子流的玉米束鞘细胞中,剩下的少量PSII复合物是单体的[43]. 综上所述,这些结果增加了CP29在状态2下的磷酸化可能作为循环电子流的开关,CP29从PSII及其单体化中分离出来。

共免疫沉淀实验也揭示了Stt7与PSI复合物的相互作用。这一发现令人惊讶,因为人们预计该激酶作用于与PSII结合的LHCII,并且不会与PSI相互作用。然而,在LHCII磷酸化后,PSI-LHCI复合物从基质片层向基粒边缘的移动发生在陆地植物中,并且有人提出,通过PSI-LHCI与源自基粒的磷酸化LHCII的相互作用,PSI吸收横截面在该区域增加[44]. 颗粒边缘可能是Stt7与PSI相互作用的观察平台。当激酶与PSI结合时,它是活性的还是非活性的尚不清楚,这种关联的作用仍有待确定。

Stt7的N末端定位于类胸腺内脏,对激酶活性至关重要

生物信息学方法对Stt7氨基酸序列的分析预测存在单个跨膜结构域。然而,这个假定的跨膜结构域包含四个可能阻止α螺旋形成的Pro残基。因此,重要的是通过实验手段测试Stt7的拓扑结构,在其N端用FLAG标记Stt7,在其C端用HA标记。使用完整的类囊体膜,我们表明,虽然Stt7的C末端容易被蛋白酶消化,但N末端受到保护,这表明Stt7确实包含跨膜结构域,其中激酶结构域位于基质侧,N末端位于管腔中。N末端区域包含Cys68和Cys73,它们在陆地植物Stt7的直系同源序列中保守[21]. 在Stt7中的七个Cys残基中,这些是Stt7和STN7之间唯一的保守Cys残体。在陆地植物中,LHCII激酶通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统被强光处理失活[31]. 因此,这两个保守的Cys可能是这个氧化还原系统的靶点和/或在激酶的激活中发挥主要作用。通过将两个Cys中的任何一个改变为Ala或Ser,激酶被灭活。在状态2条件下,LHCII没有磷酸化,突变体被阻断在状态1。可能这两个Cys之间的二硫键是激酶活性所必需的,或者这个二硫键的氧化还原变化对其活性至关重要(图7). 问题是如何通过基质室的氧化还原状态来调节管腔中这两个Cys的氧化还原态。最近,在叶绿体中发现了至少两种跨类囊体硫醇还原途径的成分。CcdA硫醇二硫转运体是一种多面体类囊体蛋白,在膜结构域中有两个高度保守的Cys,能够将减少的能量从基质传递到内腔[45]. 第二种成分是Hcf164硫氧还蛋白样蛋白,它起到硫醇二硫氧化还原酶的作用[46,47]. 这种系统在细菌中也很保守,被认为与细胞色素有关c(c)和细胞色素b条 6 (f)程序集,但也可以有其他角色。在这方面,考虑到Stt7与细胞色素的紧密物理联系b条 6 (f)复合物以及这种活性复合物对激酶活化的需求,很容易提出Cys68和Cys73对的氧化还原状态是通过与细胞色素中相同的硫还原系统控制的b条 6 (f)组件。Stt7氧化还原状态的这些变化反过来可以诱导激酶的构象变化,并影响其活性和稳定性。

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野生型、Stt7-C68S和FLAG-Stt7-HA类囊体膜内Stt7激酶的模型

Stt7的N末端部分与Rieske蛋白的管腔结构域相互作用。Stt7-C68S中废除的Stt7活性可能需要Cys68和Cys73之间的二硫键桥。通过在Stt7的N末端插入FLAG标签,可以防止Stt7与Rieske蛋白的相互作用。Stt7的催化域位于类囊体膜的基质侧,在那里它可以磷酸化LHCII。Stt7-HA的HA-tag位于类囊体膜基质侧的C末端。Fd,铁氧还蛋白;PQH公司2,plastoquinol。

材料和方法

菌株和培养基。

莱茵衣藻按照描述生长野生型和突变型细胞[48]. 这个第七阶段突变体和stt7(stt7)使用Stt7-HA作为补充[21]. HA-tag由插入Stt7 C末端的HA肽YPYDVPDYA的六个拷贝组成。在一些实验中,使用双标记的FLAG-Stt7-HA,将FLAG插入Stt7转运肽之后,并在Stt7的C末端插入HA-tag。将菌株保存在25°C的磷酸三乙酸(TAP)培养基上,在昏暗的光线下(10μmol m−2−1). 这个stt7(stt7)与Stt7-HA互补的突变菌株也被ph6FA1质粒转化[25]为了获得一株表达Stt7-HA和细胞色素的菌株(f)用His-tag标记。用PCR检测该菌株的同源性。

Stt7标签。

Stt7-HA由插入Stt7的C末端的HA表位YPYDVPDYA的六个拷贝组成。该HA标签的分子质量为8.4 kDa,Stt7-HA的分子质量是85 kDa。与Stt7-HA相比,FLAG-Stt7-HA还包含插入Stt7的41个氨基酸转运肽后的分子量为3 kDa的FLAG标签RDYKDHDYKDHDIDYKDDDDKS。

状态1和状态2类囊体膜的分析。

培养物在TAP培养基中生长,密度为2×106细胞/ml。细胞随后在HSM培养基中浓缩10倍。状态1由10个培养细胞诱导−5弱光(10μmol M)下的M DCMU(3-(3,4-二氯苯基)-1,1-二甲基脲)−2−1)在强通气条件下,通过在黑暗中厌氧条件下培养细胞获得状态2。细胞在600010分钟,并以10的密度重新悬浮在缓冲液中8细胞/ml,并在1200 psi的法国压力下破碎。按说明制备类囊体膜(0.8 mg/ml)[11]并用0.9%n-十二烷基-β-麦芽糖苷在冰中溶解30分钟,然后在蔗糖密度梯度上分层0.5 ml(0.1–1.3 M蔗糖溶于5 mM Tricine-NaOH[pH8.0],0.05%n-十二酰-β-麦芽糖苷),并在280000下离心在SW40贝克曼转子中搅拌16小时。离心后,梯度被分成18个部分,通过SDS/PAGE和免疫印迹分析。使用的抗体针对HA、FLAG、Cyt(f)、PsaA、D1、CP26、CP29、Lhcbm5和P-Thr。

状态转换期间的蛋白质稳定性测量。

培养物在TAP培养基中生长,密度为2×106细胞/ml。在10倍浓度后,细胞在HSM培养基中在黑暗厌氧条件下培养2小时。然后细胞在状态2条件下保持或在弱光下强曝气培养(状态1条件)。在某些情况下,在状态1条件开始之前添加环己酰亚胺(10μg/ml)或蛋白酶抑制剂鸡尾酒(Roche)(2倍制造商建议的浓度)。

荧光测量。

使用Jasco FP-750荧光光谱仪记录叶绿素荧光发射光谱,使用浓度为10的完整细胞6在液氮中冷冻的细胞/ml。激发光具有435nm的波长,并且从650至800nm检测到发射。在室温下用Hansatech PAM荧光计进行Fv和Fmax测量。

状态转换期间磷酸化蛋白质的免疫印迹分析。

从状态1或状态2的细胞中分离的类囊体膜蛋白质在15%的SDS-聚丙烯酰胺6 M尿素凝胶上分离,并转移到硝化纤维素膜。用牛血清白蛋白封闭膜,并用兔抗磷脂苏氨酸抗体孵育(细胞信号技术)。

免疫沉淀和下拉实验。

用n-十二烷基-β-麦芽糖苷在冰中溶解类囊体膜(0.8 mg/ml)30分钟,并在12000℃离心去除不溶解物质在4°C下保持10分钟。将50微升的抗-HA亲和性基质添加到0.3 mg的溶解膜叶绿素中,并在4°C下培养过夜。将小球在TBS-BSA(100 mM Tris/HCl[pH7.5],150 mM NaCl,0.05%BSA)中洗涤五次,并在40μl 2×SDS负载缓冲液(100 mM-Tris/HCl[pH6.8],4%SDS,0.2%溴酚蓝,20%甘油)中在室温下洗脱结合蛋白30 min。免疫沉淀蛋白用抗光合作用复合物亚单位抗体进行免疫印迹分析。

在pGEX-4T-1表达载体(Amersham Pharmacia Biotech)中克隆了全长Stt7 cDNA。蛋白质表达于大肠杆菌GST融合并用GST融合系统试剂盒(Amersham Pharmacia Biotech)纯化。将两微克GST融合蛋白固定在谷胱甘肽Sepharose 4B珠上(在4°C下培养2小时),并与50μg可溶性类囊体提取物混合在0.5 ml PBS中。在4°C下在旋转摇床上培养过夜后,用相同的缓冲液将珠洗四次,在30μl SDS凝胶负载缓冲液(100 mM DTT,2%SDS)中重新悬浮,用SDS-PAGE对洗脱液进行分级。

类囊体膜的蛋白质水解。

在50 mM Hepes(pH 7.4)和0.3 M蔗糖中清洗类囊体三次[49]无蛋白酶抑制剂并在NH中重新悬浮4HCO公司25 mM。样品在水浴式声波发生器中进行声波处理,声波处理时间为1分钟,冷却时间为30秒,共五次。在室温下,将指示浓度的内皮蛋白酶GLU-C(Sigma)以0.3 mg/ml的叶绿素浓度添加到类囊体膜中15分钟。通过TCA沉淀阻止消化,并将样品重新悬浮在含有8 M尿素的1×负载缓冲液中。通过SDS-PAGE和免疫印迹法对样品进行进一步分析。

细胞色素的分离b条 6 (f)复杂。

所有步骤均在4°C下进行,在所有缓冲液中使用1 mM AEBSF(罗氏)作为蛋白酶抑制剂。在用0.9%n-十二烷基-β-麦芽糖苷溶解后,640μg类囊体膜(叶绿素当量)与Ni-NTA基质(Qiagen)在200 mM NaCl和10 mM咪唑存在下孵育2 h。在洗涤缓冲液(TBS,200 mM NaCl,20 mM咪唑)中洗涤基质五次,并在2×1 ml洗脱缓冲液(TB S,250 mM NaCl,300 mM咪唑啉)中洗脱结合蛋白。用抗光合作用复合物亚单位抗体的免疫印迹法分析洗脱的蛋白质。

分裂泛素系统。

使用Dualsystems Biotech的DUALmembrane试剂盒3进行分裂泛素实验(http://www.dualsystems.com). 根据制造商使用SfiI限制性位点的协议,融合到人工转录因子LexA-VP16的Cub融合到Stt7的N末端(减去叶绿体信号肽)或其C末端(包括STE先导序列)。然后测试这些构建物与融合在泛素(Nub)C端到N端的整合膜蛋白(Alg5)共表达时释放LexA-VP16的能力。如果Cub和Nub都位于细胞质中,则会发生自发的重新结合,并招募泛素特异性蛋白酶,释放LexA-VP16,进而激活报告基因(Ade和His)。

支持信息

图S1

Stt7激酶与细胞色素的摩尔比测定b条 6 (f)复杂:

上部面板:装载量以百分比表示(细胞色素b条 6 (f)复合物)和微克(重组Stt7和BSA)。蛋白质经聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,考马斯蓝染色。圈出的带对应于相同数量的蛋白质。下图:通过SDS-PAGE对野生型细胞的总蛋白进行分级,并用指定的抗血清进行免疫印迹。通过将信号与已知量的重组Stt7蛋白和Cyt进行比较来进行定量(f)源自上部面板。圈出与相同信号对应的频带。通过考虑Stt7(80000)和细胞色素的稀释度和分子量,估算出1:20的摩尔比(f)(32,000). 使用SYPRO Ruby染色(Invitrogen)代替考马斯染色获得相同比例的重组Stt7和纯化细胞色素定量b条 6 (f)复杂。

(每股2.96 MB)

图S2

PSI、PSII和细胞色素b条 6 (f)野生型、Stt7-HA和stt7(stt7):

稀释系列用于通过PAGE和免疫印迹比较指示蛋白的水平。在Stt7的情况下,蛋白质水平代表野生型水平的25%-50%。

(每股4.22 MB)

图S3

延长状态1条件下Stt7水平降低:

(A) 含有Stt7-HA的细胞首先在状态2条件下生长120分钟,然后转移到状态1,如图2C,但免疫印迹是用Stt7和HA抗血清进行的。Stt7对应的带用箭头标记。Stt7以下的波段不具体,也可见于stt7(stt7)突变体。由于未知的原因,这个波段的强度在不同的实验中有所不同。

(B) 与(A)相同,但使用未标记Stt7的野生型细胞,并使用Stt7抗血清进行免疫印迹。塞浦路斯(f)用作加载控制。

(每股1.15 MB)

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图S4

状态1条件下Stt7的降解被Cys蛋白酶抑制剂阻断:

含有Stt7-HA的细胞在状态2条件下培养90分钟,如图2.

(A和B)随后将细胞置于状态1条件下,添加不同的蛋白酶抑制剂(PIC、ACA、AEBSF、NEM、PMSF和EDTA),并在0、1和2小时后收集等分样品,用所示抗体进行免疫印迹检查。

(C、D和E)细胞处于状态1条件下,E64、leupeptin和NEM的浓度增加。在0、2和4小时后收集等分样品,并用所示抗体进行免疫印迹检查。

一、 初始培养物保持在状态2 120min后的初始时间点;∅︀, 没有治疗。

(每股1.67 MB)

文本S1

蛋白酶的生物信息学搜索:

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致谢

我们感谢N.Roggli的艺术品,Stefano Cazzaniga的技术援助,Michel Schneider的生物信息分析,F.-A.Wollman的细胞色素(f)、亚单位V、Rieske antisra和M.Goldschmidt-Clermont,用于批判性阅读手稿。

缩写

幼兽泛素C末端片段
Cytf公司细胞色素f
F最大值最大荧光
Fv公司可变荧光
血凝素
Nub编号泛素N末端
磅/平方英寸光系统I
PSII(磅/平方英寸)光系统II

脚注

?当前地址:法国里昂ENS里昂UMR 5667,Laboratoire de Reproduction et Dédevelopment des Plantes

作者贡献。SL和JDR构思并设计了实验。SL、AW、NDF和CD进行了实验。SL、AW、NDF、CD、RB和JDR分析了数据。SL、AW、NDF、RB和JDR提供了试剂/材料/分析工具。SL和JDR撰写了论文。

基金。这项工作得到了国家植物生存研究能力中心(NCCR)以及瑞士国家基金会3100-0667763.02和3100A0-117712的资助。资助者在研究设计、数据收集和分析、决定出版或编写手稿方面没有任何作用。

相互竞争的利益。提交人声明不存在相互竞争的利益。

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文章来自PLOS生物学由以下人员提供多环芳烃