清華新聞網(wǎng)8月26日電 藻膽體（phycobilisome, PBS）是藍(lán)藻和紅藻主要的捕光天線，通過(guò)共價(jià)連接的色素團(tuán)（bilins）將捕獲的光能以極高的效率傳遞至光系統(tǒng)II（photosystem II, PSII）和光系統(tǒng)I（photosystem I, PSI）的反應(yīng)中心以誘導(dǎo)光-化學(xué)能量的轉(zhuǎn)化。雖然大多數(shù)光合作用相關(guān)蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)已通過(guò)體外純化的方式得到了解析，但在細(xì)胞內(nèi)的天然狀態(tài)下它們之間相互作用的方式以及能量傳遞的途徑尚未得到解釋。
8月22日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心隋森芳院士課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為“通過(guò)STAgSPA策略解析藍(lán)藻PBS-PSII超級(jí)復(fù)合體的原位結(jié)構(gòu)”（In situ structural determination of cyanobacterial phycobilisome–PSII supercomplex by STAgSPA strategy）的論文。研究成果深入分析了STAgSPA策略的優(yōu)勢(shì)，細(xì)致描述了藍(lán)藻中原位PBS和PSII的分布、結(jié)構(gòu)和相互作用方式以及它們所構(gòu)成的復(fù)雜色素網(wǎng)絡(luò)。
圖1.STAgSPA工作流程
研究者們?cè)O(shè)計(jì)與優(yōu)化了“子斷層平均引導(dǎo)的單顆粒分析（Subtomograms averaging guided singe particle analysis，STAgSPA）”這一原位結(jié)構(gòu)解析策略。該策略中，研究者們首先使用冷凍離子束減薄cryo-FIB技術(shù)制備了大量細(xì)胞切片，而后使用電子斷層成像技術(shù)分析了PBS-PSII在類囊體膜上的分布特征，并使用子斷層平均方法獲取了PBS中等分辨率的多層堆疊結(jié)構(gòu)（~10?）。借助這些信息，研究者們進(jìn)一步通過(guò)高分辨模板匹配方法（isSPA），從原位的高劑量無(wú)傾角單顆粒照片中充分地挑選出潛在的PBS顆粒并進(jìn)行原位單顆粒重構(gòu)。經(jīng)過(guò)多輪的精細(xì)三維分類與多重的掩膜局部?jī)?yōu)化，最終不僅獲得了高分辨的PBS結(jié)構(gòu)，還揭示了PBS所結(jié)合的PSII高分辨結(jié)構(gòu)（圖1）。目前，在絕大多數(shù)原位研究中獲取膜蛋白的近原子分辨率結(jié)構(gòu)依然是一大挑戰(zhàn)，該策略有效結(jié)合了子斷層平均技術(shù)與單顆粒技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在獲取原位蛋白三維分布信息的同時(shí)達(dá)到了高分辨結(jié)構(gòu)解析的目的，為未來(lái)更多的原位結(jié)構(gòu)分析工作提供了有價(jià)值的參考。
通過(guò)STAgSPA原位結(jié)構(gòu)解析策略，研究者們鑒定出了三個(gè)關(guān)鍵的連接蛋白結(jié)構(gòu)（PBloop/LCM, LPP1和LPP2），而此前通過(guò)分離純化均難以獲得其結(jié)構(gòu)。這些連接蛋白位于PBS與PSII的界面，共同介導(dǎo)了藍(lán)藻PBS與PSII之間的結(jié)合。該原位結(jié)構(gòu)揭示了天然狀態(tài)下藍(lán)藻形成“super PBS-PSII”模式的分子機(jī)制，以及它們所形成的復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)，和多個(gè)PBS-PSII復(fù)合體協(xié)同式的能量傳遞模式（圖2和圖3）。紅藻和藍(lán)藻PBS-光系統(tǒng)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)和基因差異分析表明與紅藻PBS-光系統(tǒng)之間通過(guò)多個(gè)連接蛋白的“強(qiáng)結(jié)合”方式不同，藍(lán)藻PBS與PSII之間是以少量的極性相互作用進(jìn)行的“弱結(jié)合”形式。這暗示了藍(lán)藻的PBS更容易進(jìn)行調(diào)整變化，以適應(yīng)其生存環(huán)境中不斷變化的光照條件。綜上，該研究成果揭示了藍(lán)藻PBS與PSII之間高效能量傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為光合系統(tǒng)的進(jìn)化提供了重要的參考和依據(jù)，也為人工模擬光合作用研究提供了新的啟發(fā)。
圖2.原位藍(lán)藻PBS-PSII超級(jí)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)
圖3.原位藍(lán)藻PBS-PSII超級(jí)復(fù)合體中的色素排布
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后張星、南方科技大學(xué)博士后肖亞男和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后游鑫為論文共同第一作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士和張星為論文共同通訊作者。清華大學(xué)副研究員孫珊參與了結(jié)構(gòu)分析。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)、計(jì)算平臺(tái)，南方科技大學(xué)分析測(cè)試中心為該工作提供了技術(shù)支持。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授王宏偉提供了有益的討論與建議。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51460-0
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
