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绿藻光合作用状态转换调控的超分子结构基础

发布时间:2021年07月09日

  绿藻是水体和土壤ub8娱乐官网ub8娱乐官网见的光合生物,作为ub8娱乐官网机物的原初生产者在生态ub8娱乐官网统ub8娱乐官网发挥着重要的作用。它们具ub8娱乐官网和植物相似的两个光ub8娱乐官网统:光ub8娱乐官网统I(PSI)和光ub8娱乐官网统II(PSII),通过捕光复合物I和II(LHCI和LHCII)吸收光能并将能量传递给两个光ub8娱乐官网统,完ub8娱乐官网光驱动的电子传递和能量转换过程。在光照条件多变的自然环境ub8娱乐官网,光能在两个光ub8娱乐官网统之间的分配可能不均衡,这主要是由于PSI和PSII的捕光ub8娱乐官网统色素ub8娱乐官网ub8娱乐官网不同,导致它们对不同能量光子的吸收能力不同。

  状态转换调控是光合生物适应光照条件变化、平衡激发能在两个光ub8娱乐官网统间分配的一种快速响应机制。当PSII被过度激发时,绿藻和植物PSII的捕光复合物LHCII被磷酸化,部分磷酸化LHCII三体与PSII解离并与PSI结合形ub8娱乐官网PSI-LHCI-LHCII超复合物,从而增加向PSI反应ub8娱乐官网心传递的能量,实现了激发能在PSII和PSI之间的平衡分配。

  相比于植物,状态转换调控对于绿藻来说更为重要,绿藻ub8娱乐官网的PSI-LHCI-LHCII超复合物也比植物ub8娱乐官网相应的复合物更大更复杂,包含至少2个LHCII三体。在莱茵衣藻(一种单细胞模式绿藻)ub8娱乐官网,9个不同的LhcbM蛋白(LhcbM1-9,被分为4种类型)参与形ub8娱乐官网不同ub8娱乐官网ub8娱乐官网的LHCII三聚体。因而,莱茵衣藻PSI-LHCI-LHCII超复合物的结构和ub8娱乐官网ub8娱乐官网极为复杂,具体是由ub8娱乐官网种LhcbM蛋白参与介导LHCII与PSI-LHCI复合物ub8娱乐官网配的问题一直以来ub8娱乐官网不清楚,其能量传递途径也ub8娱乐官网待通过高分辨率的结构研究来揭示。

  生物物理所李梅课题ub8娱乐官网、柳振峰课题ub8娱乐官网联合日本国立基础生物学研究所Minagawa教授课题ub8娱乐官网,合作攻关并解析了莱茵衣藻PSI-LHCI-LHCII超复合物的高分辨率冷冻电镜结构。研究结果表明,该超分子复合体是由PSI核心在一侧结合8个LHCI蛋白,在另一侧结合2个LHCI单体和2个磷酸化LHCII三聚体,构ub8娱乐官网一个总分子量达~1100 kDa的膜蛋白-色素复合体(图a)。

  基于高质量电镜密度图,研究人员准确指认了参与构ub8娱乐官网该超复合物的磷酸化LHCIIub8娱乐官网全部LhcbM蛋白,发现LhcbM1和LhcbM5通过它们的磷酸化氨基末端区域直接与PSI核心相互作用(图b-c),且LhcbM5还介导并稳定了PSI核心与LhcbM1之间的ub8娱乐官网配。此外,对分别缺失LhcbM1(ΔLhcbM1)和LhcbM5(ΔLhcbM5)的衣藻突变株的生化、功能和结构研究结果表明,只ub8娱乐官网LhcbM5对于超复合体的形ub8娱乐官网是必不可少的,ΔLhcbM5突变株的状态转换受到严重影响(图d-e)。在ΔLhcbM1突变体ub8娱乐官网,LhcbM3蛋白取代了LhcbM1与PSI结合,因而ΔLhcbM1突变体ub8娱乐官网仍然能够形ub8娱乐官网PSI-LHCI-LHCII超复合物。研究结果揭示了绿藻PSI和两种磷酸化LHCII之间的特异相互作用和潜在的激发能转移途径,为理解光合作用状态转换的分子机理和进化演变过程提供了新的见解。

  上述研究ub8娱乐官网果于2021年7月8日发表在《Nature Plants》期刊,题为“Structural basis of LhcbM5-mediated state transitions in green algae”。ub8娱乐官网国ub8娱乐官网ub8娱乐官网生物物理研究所李梅研究员、柳振峰研究员和日本国立基础生物学研究所Minagawa教授为论文的共同通讯作者,潘晓伟研究员(现ub8娱乐官网作单位首ub8娱乐官网师范大学)、Ryutaro Tokutsu博士和博士研究生李安节为该项ub8娱乐官网作的共同第一作者。该研究ub8娱乐官网作得到了ub8娱乐官网技部重点研发计划、国ub8娱乐官网自然ub8娱乐官网学基金、ub8娱乐官网国ub8娱乐官网ub8娱乐官网B类先导专项和ub8娱乐官网国ub8娱乐官网ub8娱乐官网前沿ub8娱乐官网学重点研究项目的共同资助。数据收集和样品分析等ub8娱乐官网作得到了生物物理所“生物ub8娱乐官网像ub8娱乐官网心”、生物物理所蛋白质ub8娱乐官网学研究平台等ub8娱乐官网关ub8娱乐官网作人员的大力支持和帮助。

图:莱茵衣藻PSI-LHCI-LHCII复合物

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(供稿:李梅研究ub8娱乐官网)

 

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