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植物所等解析綠藻光系統II-捕光天線超大複合體的三維結構

2019-10-09 植物研究所
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  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並放出氧氣的過程,是幾乎一切生命生存和發展的基礎。光系統II(PSII)作爲光合水氧化的場所,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複合體(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期刊評爲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光能捕获、传递及转化的精确机制仍存在巨大挑战。经过研究攻关,中國科學院植物研究所沈建仁、匡廷云团队與浙江大学张兴团队合作首次解析了一种C2S2M2N2型光系統II-捕光天線(C2S2M2N2-PSII-LHCII: C代表核心複合體,SMN分别代表不同结合类型的主要捕光天線复合体)超大色素蛋白複合體的三維結構,對于認識光系統II-捕光天線超大复合体中蛋白亚基的排列、色素分布及其能量捕获、传递机制具有重要意义。

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

  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個是捕光天線亚基)189個葉綠素分子、53個胡蘿蔔素分子、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个主要捕光天線复合体(S-LHCIIM-LHCIIN-LHCII)2个次要捕光天線(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,並與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,研究人員在這一複合體中發現了多條光能捕獲及傳遞途徑,表明該C2S2M2N2-PSII-LHCII超分子复合体拥有更高效的光能捕获與传递功能,这可能有助于绿藻在水下弱光条件进行高效的光合作用。这些研究结果对进一步揭示光合生物光能高效捕获、传递及其对环境适应的分子机制具有重要意义。

  該研究于930日在線發表于國際學術期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS。植物所博士研究生沈亮亮、浙江大学博士研究生黄子惠和博士常圣海为論文共同第一作者,植物所副研究员韩广业、研究员沈建仁和浙江大学教授张兴为共同通讯作者。该研究工作得到科技部国家重点研发计划蛋白质机器與生命过程调控专项、中科院先導專項、中科院前沿科学重点研究计划项目以及中央高校校长专项经费支持。

  文章鏈接

    萊茵衣藻C2S2M2N2型光系統II-捕光天線(C2S2M2N2-PSII-LHCII)超大複合體結構:(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

打印 責任編輯:葉瑞優

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