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植物所科研人員與浙江大學合作成功解析綠藻光系統II-捕光天線超大復合體的三維結構

  光合作用是植物最重要的特有功能之一,是大規模利用太陽能把二氧化碳和水合成有機物并放出氧氣的過程,是幾乎一切生命生存和發展的基礎。光系統II(PSII)作為光合水氧化的場所,是位于光合生物類囊體膜上的一個重要蛋白質機器,對地球上生命具有重要意義。它由具有光能捕獲、傳遞功能的捕光天線系統(LHCII)和具有光誘導電荷分離及水裂解功能的核心復合體(PSII core complex)組成。探索光系統II的結構及其功能調控機制一直是當今世界前沿的科學問題之一,相關研究曾被Science期刊評為2011年世界十大科技突破之一。目前,在原子、分子水平上揭示光系統II光能捕獲、傳遞及轉化的精確機制仍存在巨大挑戰。經過研究攻關,中國科學院植物研究所沈建仁、匡廷云研究團隊與浙江大學張興研究團隊合作首次解析了一種C2S2M2N2型光系統II-捕光天線(C2S2M2N2-PSII-LHCII: C代表核心復合體,SMN分別代表不同結合類型的主要捕光天線復合體)超大色素蛋白復合體的三維結構,對于認識光系統II-捕光天線超大復合體中蛋白亞基的排列、色素分布及其能量捕獲、傳遞機制具有重要意義。 

  研究人員選用光合作用模式生物萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)為研究材料,在分離超大PSII-LHCII復合體的基礎上,利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術,解析了該超級復合體近原子分辨率(3.37 )的三維結構。研究發現,該蛋白復合體是由兩個PSII-LHCII單體按照C2對稱性組裝而成一個C2S2M2N2型的超分子復合體,總分子量為148萬道爾頓(1.48 MDa),是目前解析的最大光系統II-捕光天線色素蛋白復合體。 

  研究表明每個PSII-LHCII單體含有29個蛋白亞基(其中18個是PSII核心亞基,11個是捕光天線亞基)189個葉綠素分子、53個胡蘿卜素分子、2個去鎂葉綠素分子和大量的脂分子。外周天線系統包括3個主要捕光天線復合體(S-LHCIIM-LHCIIN-LHCII)2個次要捕光天線(CP26CP29)亞基,不含有高等植物具有的CP24色素蛋白亞基。N-LHCII占據了高等植物PSII-LHCIICP24的位置,通過PsbX亞基與D2蛋白亞基連接,并與CP29色素蛋白亞基有著直接的聯系;M-LHCII相對于高等植物PSII-LHCIIM-LHCII的位置旋轉了60°,這種結合方式導致了M-LHCIICP29的連接進一步加強。基于上述這些特殊的結構特點及色素分子的排列情況,研究人員在這一復合體中發現了多條光能捕獲及傳遞途徑,表明該C2S2M2N2-PSII-LHCII超分子復合體擁有更高效的光能捕獲與傳遞功能,這可能有助于綠藻在水下弱光條件進行高效的光合作用。這些研究結果對進一步揭示光合生物光能高效捕獲、傳遞及其對環境適應的分子機制具有重要意義。 

  該研究于2019930日在線發表于國際學術期刊PNAS。植物所博士研究生沈亮亮、浙江大學博士研究生黃子惠和常圣海博士為論文共同第一作者,植物所韓廣業副研究員、沈建仁研究員和浙江大學張興教授為共同通訊作者。該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃蛋白質機器與生命過程調控專項、中國科學院先導專項、中國科學院前沿科學重點研究計劃項目以及中央高校校長專項經費支持。  

  文章鏈接: 

  https://www.pnas.org/content/early/2019/09/27/1912462116 

  (光合實驗室供稿) 

   

  萊茵衣藻C2S2M2N2型光系統II-捕光天線(C2S2M2N2-PSII-LHCII)超大復合體結構:(A) C2S2M2N2-PSII-LHCII二聚體基質側俯視圖;

(B) C2S2M2N2-PSII-LHCII 色素分布及可能的能量傳遞途徑 


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