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萊茵衣藻超復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)獲解析

2021-07-09 13:47:25 來源：中國科學(xué)報(bào)

在藻類和綠色植物中，存在光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）。它們的外周天線——捕光復(fù)合物I和II（LHCI和LHCII）能吸收光能并將能量傳遞給兩個(gè)光系統(tǒng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)光合作用電子傳遞和能量轉(zhuǎn)換過程。

中科院生物物理所李梅課題組、柳振峰課題組聯(lián)合日本國立基礎(chǔ)生物學(xué)研究所Minagawa教授課題組，合作攻關(guān)解析了萊茵衣藻PSI-LHCI-LHCII超復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文于7月8日發(fā)表在《自然—植物》。

“在藻類和植物的光合作用中，存在一種類似于蹺蹺板的分子動(dòng)態(tài)過程，被稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換調(diào)控。”論文通訊作者之一李梅對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，“這種機(jī)制能調(diào)節(jié)捕光天線向兩個(gè)光系統(tǒng)分配能量，使得二者的激發(fā)水平處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。”

當(dāng)PSII被過度激發(fā)時(shí)，綠藻和植物PSII的捕光復(fù)合物L(fēng)HCII被磷酸化，部分磷酸化LHCII三體與PSII解離并與PSI結(jié)合形成PSI-LHCI-LHCII超復(fù)合物，從而增加向PSI反應(yīng)中心傳遞的能量，實(shí)現(xiàn)了激發(fā)能在PSII和PSI之間的平衡分配——這種“蹺蹺板”作用能幫助藻類和植物適應(yīng)自然界多變的光照條件，提高光合作用效率。

綠藻中的PSI-LHCI-LHCII超復(fù)合物比植物中相應(yīng)的復(fù)合物更大更復(fù)雜，包含至少2個(gè)LHCII三體。在萊茵衣藻（一種單細(xì)胞模式綠藻）中，9個(gè)不同的LhcbM蛋白參與形成不同組成的LHCII三聚體。

“因此，萊茵衣藻PSI-LHCI-LHCII超復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和組成極為復(fù)雜，具體是由哪種LhcbM蛋白參與介導(dǎo)LHCII與PSI-LHCI復(fù)合物裝配的問題一直以來都不清楚，其能量傳遞途徑也有待研究。”另一位論文通訊作者柳振峰說。

此次研究人員成功解析了萊茵衣藻PSI-LHCI-LHCII超復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)該超分子復(fù)合體是由PSI核心在一側(cè)結(jié)合8個(gè)LHCI蛋白，在另一側(cè)結(jié)合2個(gè)LHCI單體和2個(gè)磷酸化LHCII三聚體，構(gòu)成一個(gè)總分子量達(dá)~1100 kDa的膜蛋白-色素復(fù)合體。

基于高質(zhì)量電鏡密度圖，研究人員準(zhǔn)確指認(rèn)了參與構(gòu)成該超復(fù)合物的磷酸化LHCII中全部LhcbM蛋白，發(fā)現(xiàn)LhcbM1和LhcbM5通過它們的磷酸化氨基末端區(qū)域直接與PSI核心相互作用，且LhcbM5還介導(dǎo)并穩(wěn)定了PSI核心與LhcbM1之間的裝配。此外，對(duì)分別缺失LhcbM1（DLhcbM1）和LhcbM5（DLhcbM5）的衣藻突變株的生化、功能和結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，LhcbM5對(duì)于超復(fù)合體的形成是必不可少的，DLhcbM5突變株的狀態(tài)轉(zhuǎn)換明顯受到影響。在DLhcbM1突變體中，LhcbM3蛋白取代了LhcbM1與PSI結(jié)合，因而DLhcbM1突變體中仍然能夠形成PSI-LHCI-LHCII超復(fù)合物。

“該項(xiàng)研究的亮點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)綠藻中一個(gè)特定的捕光蛋白LhcbM5參與捕光復(fù)合物L(fēng)HCII與光系統(tǒng)I的裝配，并在狀態(tài)轉(zhuǎn)換中發(fā)揮重要的作用。這對(duì)于我們深入理解不同亞型的捕光蛋白在光合作用及其調(diào)節(jié)過程中的特定生物學(xué)功能具有重要的意義。”李梅說。

“植物和藻類光合作用調(diào)控機(jī)理是一個(gè)令人興奮的前沿研究方向，此次研究中，中日兩國的3個(gè)科研團(tuán)隊(duì)互相配合、取長補(bǔ)短，通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)和分子遺傳學(xué)等多種方法相結(jié)合，才得以發(fā)現(xiàn)并深入探討特定類型捕光蛋白在光合作用狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的作用機(jī)制。”柳振峰表示。

標(biāo)簽：萊茵衣藻超復(fù)合物高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)