發(fā)現(xiàn)植物光合作用中高效捕光的超分子機(jī)器結(jié)構(gòu)

　　8月25日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所常文瑞/李梅研究組、章新政研究組與柳振峰研究組的最新合作研究成果。該項(xiàng)工作報(bào)道了豌豆光系統(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級(jí)復(fù)合物的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了植物在弱光條件下進(jìn)行高效捕光的超分子基礎(chǔ)。本文威正翔禹/締一生物為您分析發(fā)現(xiàn)植物光合作用中高效捕光的超分子機(jī)器結(jié)構(gòu)。

　　光合作用是地球上最為重要的化學(xué)反應(yīng)之一。植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行的放氧型光合作用不僅為生物圈中的生命活動(dòng)提供賴以生存的物質(zhì)和能量，同時(shí)還維持著地球上的大氣環(huán)境和碳氧平衡。對(duì)光合作用機(jī)理的研究不僅具有重要的理論意義，而且將為基于光合作用原理的應(yīng)用研究提供具有啟示性的方案。在高等植物中，光合作用的原初反應(yīng)始于一個(gè)被稱為光系統(tǒng)II的超分子機(jī)器，它能夠捕獲光能并將其用于驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換和在常溫常壓下裂解水分子。高等植物的光系統(tǒng)II是一個(gè)復(fù)雜的膜蛋白-色素超分子復(fù)合物，通常以二體形式存在，其每個(gè)單體包含了約30個(gè)蛋白亞基以及數(shù)百個(gè)色素分子和其它輔因子。為適應(yīng)不同的外界光照條件，高等植物光系統(tǒng)II與外周的捕光復(fù)合物組裝成多種不同形式的超級(jí)復(fù)合物。在適應(yīng)弱光條件的植物葉片中，光系統(tǒng)II核心復(fù)合物的外側(cè)結(jié)合了兩種主要捕光復(fù)合物L(fēng)HCII（根據(jù)親和力的不同分為S-LHCII和M-LHCII）及三種次要捕光復(fù)合物CP29、CP26和CP24。這些捕光復(fù)合物與光系統(tǒng)II核心復(fù)合物組裝形成C2S2M2型超級(jí)復(fù)合物，使其得以在弱光條件下高效地捕獲光能并完成能量轉(zhuǎn)換。C2S2M2型復(fù)合物是迄今為止在高等植物中能被穩(wěn)定分離得到的**的光系統(tǒng)II超級(jí)復(fù)合物。解析該復(fù)合物的完整結(jié)構(gòu)對(duì)于人們認(rèn)識(shí)其內(nèi)部的亞基組成及排布方式、色素結(jié)合位置及相互取向和距離具有重要的科學(xué)意義。研究結(jié)果有助于深入理解植物高效捕獲和傳遞光能的分子機(jī)理。

　　由生物物理所三個(gè)課題組組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)解析了處于兩種不同條件下的豌豆C2S2M2超級(jí)復(fù)合物的單顆粒冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率分別達(dá)到2.7埃和3.2埃，其中2.7埃分辨率的結(jié)構(gòu)是目前世界上通過冷凍電鏡單顆粒法解析獲得的分辨率最高的膜蛋白結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)工作**展示了植物C2S2M2型超級(jí)復(fù)合物的精確三維結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物總分子量達(dá)到140萬(wàn)道爾頓，是一個(gè)同源二聚體的超分子體系。兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單體分別包含了28或27個(gè)蛋白亞基、159個(gè)葉綠素分子、44個(gè)類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子。該項(xiàng)工作**解析了CP24和M-LHCII的結(jié)構(gòu)，并指認(rèn)了M-LHCII所特有的Lhcb3亞基；展示了不同外周捕光蛋白彼此之間以及它們與核心復(fù)合物之間相互識(shí)別和裝配的位點(diǎn)和機(jī)制；在對(duì)豌豆C2S2M2超級(jí)復(fù)合物內(nèi)部高度復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，揭示了外周天線捕獲光能并向核心復(fù)合物傳遞能量的途徑。同時(shí)，兩種不同狀態(tài)的C2S2M2結(jié)構(gòu)的比較分析結(jié)果顯示，超級(jí)復(fù)合物中的外周捕光復(fù)合物M-LHCII和CP24的結(jié)合位置可變，提示高等植物光系統(tǒng)II超級(jí)復(fù)合物可對(duì)環(huán)境條件的變化做出響應(yīng)，通過整體結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)捕光過程的調(diào)節(jié)。上述研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步在分子水平深入理解高等植物光系統(tǒng)II超級(jí)復(fù)合物中的能量傳遞和光保護(hù)機(jī)理具有重要意義。《科學(xué)》雜志在同期為該項(xiàng)研究工作配發(fā)了題為The complex that conquered the land 的評(píng)述。

　　李梅、章新政和柳振峰為論文的共同通訊作者，副研究員蘇小東、助理研究員馬軍、博士魏雪鵬、副研究員曹鵬為共同**作者。這是該團(tuán)隊(duì)繼2016年在《自然》上報(bào)道菠菜C2S2型超級(jí)復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)之后的又一重要突破。該研究工作得到了中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部973重大科學(xué)問題導(dǎo)向項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家“青年千人計(jì)劃”的共同資助。數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到了生物物理所生物成像中心、蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)等的大力支持和幫助。

　　以豌豆葉片為背景的C2S2M2型PSII-LHCII超級(jí)復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)（上：俯視圖；下：側(cè)視圖）。不同亞基以不同的顏色顯示：核心跨膜大亞基，洋紅色；核心跨膜小亞基，白色；放氧中心外在蛋白PsbO（藍(lán)色），PsbP（淺橘色），PsbQ（淺綠色）；外周捕光天線蛋白S-LHCII（綠色），M-LHCII（青色），CP29（橙色），CP26（紫色），CP24（黃色）。

        綜上所述，您是不是已經(jīng)對(duì)發(fā)現(xiàn)植物光合作用中高效捕光的超分子機(jī)器結(jié)構(gòu)，有所了解。如果還有其他疑問，請(qǐng)咨詢威正翔禹/締一生物資深專家免費(fèi)熱線：400-166-8600。