光合作用是指含有叶绿素(一种绿色色素)的植物将光能转化为化学能的基本生物过程。植物中看似常规的过程维持着地球上所有的生物生命和活动。光合作用的第一个反应发生在称为光系统 II (PSII) 的部位，该部位存在于叶绿体的类囊体膜上，光能在此转移到叶绿素分子。 PSII 由一组复杂的蛋白质组成，包括 D1 和 D2 反应中心蛋白质。

光能在光合作用中起着重要作用。然而，大量的光能会导致 PSII 发生光氧化损伤，尤其是 D1 蛋白。然后，受影响的 D1 蛋白会被 FtsH(一种蛋白质消化酶)分解，并在其位置上合成全新的 D1 蛋白。然而，光损伤的 D1 蛋白如何被 FtsH 识别并选择性降解仍然是一个谜。

最近，一组研究人员致力于揭示 FtsH 主导的 D1 蛋白降解事件背后的信号传导和识别过程。该研究小组由日本冈山大学植物科学与资源研究所(IPSR)的 Wataru Sakamoto 教授、日本节南大学农学院的 Yusuke Kato 博士和 Shin-Ichiro Ozawa 博士领导日本冈山大学 IPSR 教授采用植物生物技术和质谱技术的创新组合来研究光氧化修复机制。他们的研究成果于 2023 年 11 月 21 日在 eLife 期刊上发表。

“受损的光系统-II 可以理解为类似于需要修理或更换的故障工业机器。我对光合作用期间发生的修复/替换过程的这一关键方面很感兴趣，特别是这种损伤识别和随后被蛋白酶降解的确切机制，”坂本渡教授在解释其动机时说道这项研究的背后。

研究小组通过追踪 D1 蛋白中氧化色氨酸氨基酸残基 (Trp) 的存在情况(特别是 N 末端 Trp-14 残基)来检查识别机制。他们通过研究拟南芥多种修饰突变体物种中 Trp-14 残基的氧化翻译后修饰 (OPTM)，进一步了解了 FtsH 识别 D1 蛋白的复杂细节。 >(绿藻)。研究人员还使用分子动力学(基于计算机的模拟实验)来研究 Trp-14 氧化的功能方面。 衣藻(模式植物物种)和

他们观察到，除了严重损害 D1 蛋白外，过量的光还会氧化拟南芥 D1 中的 2 个色氨酸残基和衣藻，通过 OPTM，标记 D1 蛋白被 FtsH 降解。此外，缺乏FtsH的拟南芥突变种在D1中具有更多氧化Trp残基，并且D1中Trp-14被苯丙氨酸(Phe)取代>衣藻加速了 FtsH 对 D1 的降解。

“这项研究表明，特定氨基酸的氧化修饰可以帮助识别受损的蛋白质并导致随后的修复机制。了解维持光合作用的功能对于我们的全球环境非常重要，提高光合作用过程的效率可能有助于增强未来作物的耐受性品种。”Sakamoto 博士总结道。我们迫不及待地想看看这项研究为改善作物种植打开了哪些大门!