Miscellaneous999: 奇妙的蛋白質

Glutamine, Histidine 與 Isoleucine這幾個氨基酸有什麼共通性？他們都可以讓一個長達1170個氨基酸的蛋白質激?(protein kinase)保持在活化狀態！

在今年七月出版的The Plant Cell期刊中，加州大學戴維斯分校的Lagarias博士實驗室發現:當他們把植物的光敏素B(phytochrome B)中位於GAF domain的Tyrosine利用分子生物學的方法改變為Histidine時，這個蛋白質竟然可以一直保持在活化狀態！

說到這裡，我們就要先介紹一下光敏素B了。什麼是光敏素呢？光敏素是植物的光受器(photoreceptor)，由於植物是光合自營生物(photosynthetic autotroph)，因此光線的強度與光線的品質是否適合植物進行光合作用，對植物而言是非常重要的。

怎麼說呢？光線不能太強，也不能太弱；太強會造成光合作用的光反應進行的太過於激烈，由於植物的光反應為電子傳遞鏈(electron transport chain)，當電子傳遞鏈進行的速度遠高過光合作用的卡爾文循環(Calvin cycle)進行的速度時，電子就會在光系統II(photosystem II)與光系統I(photosystem I)之間產生塞車的現象。此時，大塞車的電子會與植物細胞中的氧氣(植物細胞中充滿了氧氣)進行反應，產生大量的自由基(reactive oxygen species)。這些自由基會與細胞中的脂肪（尤其是構成細胞膜的磷脂質[phospholipid])、蛋白質(protein)、甚至核酸(nucleic acid)進行反應，將磷脂質、蛋白質、核酸等大分子氧化，對細胞造成傷害，嚴重時可導致細胞的死亡！如果光線太弱時，植物會因為光合作用速率太低，產生的碳水化合物不足以提供自己的需要，此時植物必須一方面依賴之前儲存的養分，另一方面必須努力在儲存的養分消耗完畢之前儘速找到較強的光源，以提升光合作用的速率，否則植物便會因為養分耗盡而亡。

但是光線並不是只要強度剛好就足夠了，除了光線的強度之外，光線的品質也很重要；所謂的光線的品質，其實就是照到植物的光線中必須有植物可以用來進行光合作用的波長，也就是紅光與藍光，尤其是紅光。波長為670至700奈米(nanometer, nm)之間的紅光是植物最需要的，因為介於這個範圍的紅光其能量足以激發位於光系統I與光系統II的反應中心(reaction center)的葉綠素a(chlorophyll a)，接著就啟動了光反應的電子傳遞鏈。

那麼，如果照到植物葉片上的光沒有這個範圍的紅光，也沒有藍光呢？此時由於光的波長並非植物進行光合作用所需要的，如果它仍然進行葉綠體的發育，反而對植物本身有害。對於一生出來就是異營生物(heterotroph)的我們，這個觀點可能很難想像，但是對於自營生物來說，發育出不需要的器官、組織甚至細胞都是一種浪費，甚至是一種傷害（因為消耗了辛苦合成、儲存的養分）。因此，在光線的品質不對的狀況下，植物當然會暫停進行任何與光合作用有關的發育。而光敏素(phytochrome)就是在這樣的要求下演化出來的光受器。

光敏素是一個超過一千個氨基酸的蛋白質。在它的前半部（氨基端，N-terminal)帶有一個以共價鍵連結的色素分子phytochromobillin(PΦB)。

from http://www.steve.gb.com/images/molecules/porphyrins/phytochromobilin_(tetrapyrrole_highlighted).png

光敏素感應到紅光或藍光後，埋在蛋白質中心GAF domain的PΦB會在碳15的位置進行cis-trans isomerization，使得它的D 環（距離cysteine最遠的那個五角環）翻上來，而這個小小的動作，使得整個蛋白質起了翻天覆地的變化，造成它的形狀完全改變，由不具有活性或是活性極低的Pr(red-absorbing吸收紅光) 型態成為具有活性的Pfr(far red-absorbing吸收遠紅光) 型態。Pfr 型態的光敏素會先幫自己加上磷酸根(autophosphorylation)，接著再幫其他的蛋白質進行磷酸化，使其他的蛋白質活性改變（活化或不活化），於是光訊息傳導路徑(light-signaling transduction pathway)就開始了！

根據推測，遠古的植物可能只有一個光敏素，但是經過長久的演化之後，目前存在於地球上的植物（尤其是開花植物）都帶有不止一個光敏素；如目前相當受歡迎的實驗植物擬南芥(Arabidopsis thaliana,台譯阿拉伯芥）中就具有五個光敏素，分別命名為光敏素A、B、C、D、與E。其中光敏素A與B為主要光敏素，C、D與E則為次要光敏素。但不論是主要或次要光敏素，在植物中都是屬於所謂的非必須(non-essential)基因，亦即缺少它們並不會使植物死亡；不過，對於缺少光敏素B的植物而言，缺少它雖然不會立即死亡，卻會使得植物本身喪失生存競爭上的優勢，最終仍會在野外消失。

為什麼呢？因為光敏素B是擬南芥中負責啟動紅光的光傳導途徑的光敏素；因此，舉凡種子的萌芽、胚軸(hypocotyl)與莖的延長、開花時間的調節、開花過程的啟動(floral initiation)、陰影的趨避(shade avoidance)等等都與光敏素B有關，造成缺少光敏素B的擬南芥因為無法啟動上述的與紅光有關的光傳導途徑，使得整體植株呈現如同在缺少光線的環境下發育的型態：葉片長窄而細、整體呈現淡綠色（因為葉綠體發育不良）、節間(internode)延長、開花時間提前、種子發芽率低、植株結子率低等。

目前已知GAF domain中最重要的氨基酸是cysteine，光敏素利用這個氨基酸和PΦB相連接。但是Lagarias博士的實驗室在研究藍綠藻的光受器Cph1時發現，除了cysteine之外，同樣位於GAF domain的tyrosine對於Cph1的活性也很重要。

在2004年發表於「美國國家科學院院刊」(Proceedings of National Academy of Science, USA簡稱PNAS）的一篇文章中，Lagarias博士使用選擇性演化(directed evolution)的技術，由藍綠藻的光敏素中找到這個tyrosine突變為histidine的突變種光敏素，發現它發出非常強的紅色螢光。雖然在試管中偵測時，發現它不會進行Pr跟Pfr之間的轉換，但由於這個突變種光敏素的螢光實在太強了(請看下圖A的PR-1及下圖D的Y176H)，

而且這個tyrosine不論在藍綠藻或是在擬南芥中的光敏素，都是存在的。所以他們決定要把擬南芥的光敏素做相同的突變，並且把它用轉殖的方法送入擬南芥中觀察。

沒想到的是，這個不會進行正常的Pr和Pfr轉換的光敏素，在擬南芥體內卻是一直保持活化的！由於光敏素是植物的光受器，當它是活化狀態的時候，代表它就是看到了光。

那麼，一直處在活化狀態的光敏素，也就代表它一直都看到了光，那麼會有什麼樣的型態呢？

由於光敏素一直處於活化態，因此植物就認為現在照射到他身上的光線已經足夠，因此就會呈現矮小的狀態（上圖A，B，C的Y276H，請和旁邊的Ler<原生種>相對比)。為什麼呢？因為植物只有在覺得光不夠強的時候才會往上延長（不要忘了物理學的原理，光的強度和對光源的距離的平方成反比），因此如果今天他覺得他看到的光已經足夠，當然就不會繼續長長了！

而且，由於這個變種光敏素的活性實在太高，使得植物在黑暗中也誤以為自己看到光，所以就長成了下圖的樣子：