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摘要四吡咯化合物如叶绿素和血红素作为辅因子广泛参与重要生物学过程，包括光合作用和呼吸作用。5-氨基酮戊酸(ALA)是四吡咯化合物的通用前体。在植物、大多数细菌和古生菌中，ALA由谷氨酸-1-半醛(GSA)通过C5途径生物合成。谷氨酸-1-半醛-2，1-氨基变位酶(GSAM)在催化GSA内部发生氨基转移反应异构化为ALA的过程中发挥关键作用。<br>　　目前，古生菌和细菌中的GSAM的结构已经被解析，但是高等植物来源的GSAM结构却一直没有被报道。而且，关于GSAM二聚体的对称性以及亚基间是否存在负协同效应一直存在争论。因此，对高等植物GSAM的晶体学研究可以提供更多的启示，并有助于进一步阐释GSAM的催化机理。<br>　　采用X射线晶体学手段解析了拟南芥AtGSA1的结构，分辨率为1.25(A)。结构分析结果显示AtGSA1以二聚体形式存在。叶绿体基质的蔗糖密度梯度离心实验显示AtGSA1的体内聚集状态也是二聚体。AtGSA1二聚体结构的辅酶结合以及门区构象均呈现不对称性。AtGSA1结构中一个亚基结合PMP，相应的门区被固定在开放状态;而另一个亚基以不同占有率结合PMP或者PLP，相应的门区处于“准备关闭”状态。AtGSA1结构的不对称性支持GSAM亚基间存在负协同效应。<br>　　此外，AtGSA1结构中捕获了一种新发现的PMP构象，其氨基基团指向活性位点赖氨酸侧链，可能刚从PLP重新转化生成。并且，结构显示门区既存在被固定在完全开放状态的构象，也存在“准备关闭”的构象，门区残基Gly163、Ser164和Gly165的可动性对于门区的构象重构非常重要。根据结构分析结果，进一步完善了GSAM的催化机制模型。<br>　　对已知结构的六个物种的GSAM进行了分析，包括序列和结构比对、系统进化分析以及结构对称性分析，发现AtGSA1与蓝细菌GSAM进化关系更近，并且序列以及结构的相似性更高。与其它古生菌和细菌GSAM的对称结构相反，AtGSA1与蓝细菌GSAM结构均呈现不对称性。因此，推测AtGSA1的负协同效应是通过叶绿体内共生从蓝细菌GSAM进化而来。<br>　　AtGSA1与蓝细菌GSAM结构的高度相似性暗示其可能具有相似的功能。进一步研究了高等植物拟南芥GSAM的体内功能。GSAM在拟南芥中存在两个同工酶AtGSA1和AtGSA2。亚细胞定位研究结果表明AtGSA1和AtGSA2定位于叶绿体。AtGSA1或者AtGSA2基因单独缺失都不会影响拟南芥表型，而同时缺失会导致植物胚胎致死。拟南芥GSAM基因RNAi转基因植株与野生型植株相比，四吡咯生物合成途径的中间代谢产物原卟啉Ⅸ的含量下降了40％左右，四吡咯终产物叶绿素含量下降了50％左右。因此，AtGSA1和AtGSA2是叶绿体内四吡咯生物合成途径的关键酶。<br>　　叶绿素荧光检测结果显示拟南芥GSAM基因RNAi转基因植株的光系统活性降低为野生型的50％左右，并且光系统活性降低的原因是光合蛋白积累量下降。免疫印迹和蓝绿温和胶分析结果也证实了拟南芥GSAM基因RNAi转基因植株的PSⅡ、细胞色素b6f和PSⅠ复合物含量均降低为野生型的50％左右。转录水平分析结果显示，与野生型相比，拟南芥GSAM基因RNAi转基因植株中光合蛋白相关基因的转录水平没有明显差异。因此，叶绿体内四吡咯生物合成途径关键酶基因表达下调能够在转录后水平调控光合蛋白相关基因表达并影响叶绿体功能。