光合色素合成是启动光合作用这一地球上最重要化学反应的第一步。叶绿素是通过四吡咯生物合成途径的镁分支合成的，而藻胆素则是通过它的铁分支合成的。血红素加氧酶是铁分支中催化血红素转变为胆绿素所必须。在蓝藻细胞中，人们已经发现了两种b-类血红素加氧酶，分别在正常生长条件和低氧条件下诱导表达和发挥催化功能。然而，至今光合生物中是否存在c-类血红素加氧酶仍然是一个谜。
2023年9月15日，生命科学学院马为民教授、魏兰珍教授团队和华东师范大学生态与环境科学学院李德志教授团队合作，在Nature子刊Communications Biology上发表了题为“Identification of a c-type heme oxygenase and its function during acclimation of cyanobacteria to nitrogen fluctuations”的研究，该研究首次在光合生物中发现了c-类血红素加氧酶，并揭示了一种蓝藻适应氮波动的新机制。
通过转录组学、分子生物学和生理生化等手段，研究人员发现一个未知基因ssr1698高水平诱导（表达水平在未知基因中排名第一）在缺氮黄化蓝藻向加氮转绿的过程中，是藻胆体合成、组装和执行功能所必须。进一步研究发现，这一未知基因的表达产物Ssr1698以二聚体的形式结合c-类血红素，催化血红素开环转变为胆绿素，参与藻胆素和藻胆蛋白的合成，是一种新型c-类血红素加氧酶（图1）。因此，该合作团队首次在光合生物中发现了c-类血红素加氧酶。
图 1 Ssr1698是一种新型c-类血红素加氧酶
与b-类血红素加氧酶不同，c-类血红素加氧酶主要诱导表达在缺氮黄化蓝藻向加氮转绿的过程中。进一步研究发现，该血红素加氧酶介导合成的藻胆蛋白在缺氮黄化蓝藻向加氮转绿的过程中参与了蓝藻细胞捕获光能的功能，而在蓝藻缺氮黄化的过程中则充当了氮贮备的功能。这种双重功能是蓝藻适应氮波动环境条件的一种新机制（图2）。
图 2 c-类血红素加氧酶介导了一种蓝藻适应氮波动的新机制
这篇论文首次在光合生物中发现了c-类血红素加氧酶，揭开了一直以来光合生物中是否存在c-类血红素加氧酶的谜团，丰富了血红素加氧酶的种类。与此同时，这篇论文还揭示了一种蓝藻适应氮波动环境条件的新机制。然而，有关c-类血红素加氧酶催化血红素开环的机制仍需要进一步深入研究。
上海师范大学与华东师范大学联合培养博士生冉兆星为论文第一作者，马为民教授、魏兰珍教授、李德志教授为论文共同通讯作者，青年教师骆立钢、在读博士研究生郑梅和庞晓琴、已毕业硕士研究生杜振宇和苗庚凯也参与了研究工作。本论文得到国家自然科学基金委，自然资源部大都市圈国土空间生态修复工程技术创新中心和上海市科学技术委员会的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-023-05315-x