光合作用超級復(fù)合物結(jié)構(gòu)研究中獲重要進展
2016-05-23 來源：中國聚合物網(wǎng)
近日，中國科學(xué)院生物物理研究所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞/李梅研究組通力合作，聯(lián)合攻關(guān)，通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，在3.2埃分辨率下解析了高等植物（菠菜）光系統(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級膜蛋白復(fù)合體（PSII-LHCII supercomplex）的三維結(jié)構(gòu)。該項研究工作于5月18日在《自然》（Nature）期刊作為長篇主題論文（Article）在線發(fā)表。
光合作用為地球上幾乎所有生命體提供賴以生存的物質(zhì)和能量，基于結(jié)構(gòu)的光合作用機理研究不僅具有重要的理論意義，同時也將為解決能源、糧食、環(huán)境等問題提供具有啟示性的方案。植物光合作用的原初反應(yīng)是從光系統(tǒng)II開始的，光系統(tǒng)II是由25個以上蛋白質(zhì)亞基以及眾多色素和其它輔因子組成的超大膜蛋白-色素復(fù)合物。該復(fù)合物中包含了天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心系統(tǒng)以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心。解析植物光系統(tǒng)II神秘而復(fù)雜的精細結(jié)構(gòu)將有助于理解該超分子機器的工作原理，也是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域中多年來一直追求的熱點和難點課題，并且是光合作用研究領(lǐng)域中眾所期盼的一個超大膜蛋白-色素復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。
在對高等植物光系統(tǒng)II超大膜蛋白復(fù)合物樣品的分離制備和晶體學(xué)研究方法長期探索的基礎(chǔ)上，該研究團隊及時引進并應(yīng)用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，通過聯(lián)合三個課題組的優(yōu)勢科研力量并發(fā)揮各自的特長，團結(jié)奮戰(zhàn)，協(xié)作攻關(guān)，以最高的效率在較短的時期內(nèi)取得了突破性進展，高質(zhì)量完成了該項具有高度挑戰(zhàn)性的國際前沿研究課題。
此次所解析的菠菜PSII-LHCII超級復(fù)合物的總分子量約1.1兆道爾頓（megadalton）（1,100 kDa），形成了一個同質(zhì)二聚體的超分子體系。每個單體中包含了25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子。研究結(jié)果首次揭示了這一高度復(fù)雜的超分子體系的總體結(jié)構(gòu)特征和各亞基的排布規(guī)律。
在每個菠菜PSII核心復(fù)合物的外周，結(jié)合了主要捕光復(fù)合物L(fēng)HCII三聚體，以及分子量分別為29 kD和26 kD的次要捕光復(fù)合物CP29和CP26。該項工作首次解析了CP29的全長結(jié)構(gòu)和CP26的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了這三個不同外周捕光復(fù)合物與核心復(fù)合物之間相互裝配和識別的機制和位點。在準確指認了外周捕光復(fù)合物與核心復(fù)合物界面上的三個小亞基的基礎(chǔ)上，合理解釋了它們在介導(dǎo)二者之間裝配以及穩(wěn)定超級復(fù)合物方面的作用。
外周捕光復(fù)合物為光系統(tǒng)II核心復(fù)合物提供激發(fā)能，而二者之間的能量傳遞途徑多年來一直未能得到精確解析。在對菠菜PSII-LHCII超級復(fù)合物內(nèi)部高度復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)進行深入分析的基礎(chǔ)上，首次揭示了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復(fù)合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時，還對在光保護過程中發(fā)揮作用的潛在能量淬滅位點進行了定位。研究結(jié)果對于進一步在分子水平理解PSII-LHCII超級復(fù)合物中的能量傳遞時間動力學(xué)和光保護機理具有重要意義。
該工作由生物物理所三個課題組共同完成，博士研究生魏雪鵬和助理研究員蘇小東為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到了中科院B類先導(dǎo)“生物超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控”專項、科技部“973”重大科學(xué)問題導(dǎo)向項目“光合作用與‘人工葉片’ ”和自然科學(xué)基金的共同資助，研究員柳振峰和章新政得到了國家“青年千人計劃”的資助和支持。該項工作得到生物物理所生物成像中心、 國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）、生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺等有關(guān)工作人員的大力支持和幫助。
光合作用為地球上幾乎所有生命體提供賴以生存的物質(zhì)和能量，基于結(jié)構(gòu)的光合作用機理研究不僅具有重要的理論意義，同時也將為解決能源、糧食、環(huán)境等問題提供具有啟示性的方案。植物光合作用的原初反應(yīng)是從光系統(tǒng)II開始的，光系統(tǒng)II是由25個以上蛋白質(zhì)亞基以及眾多色素和其它輔因子組成的超大膜蛋白-色素復(fù)合物。該復(fù)合物中包含了天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心系統(tǒng)以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心。解析植物光系統(tǒng)II神秘而復(fù)雜的精細結(jié)構(gòu)將有助于理解該超分子機器的工作原理，也是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域中多年來一直追求的熱點和難點課題，并且是光合作用研究領(lǐng)域中眾所期盼的一個超大膜蛋白-色素復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。
在對高等植物光系統(tǒng)II超大膜蛋白復(fù)合物樣品的分離制備和晶體學(xué)研究方法長期探索的基礎(chǔ)上，該研究團隊及時引進并應(yīng)用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，通過聯(lián)合三個課題組的優(yōu)勢科研力量并發(fā)揮各自的特長，團結(jié)奮戰(zhàn)，協(xié)作攻關(guān)，以最高的效率在較短的時期內(nèi)取得了突破性進展，高質(zhì)量完成了該項具有高度挑戰(zhàn)性的國際前沿研究課題。
此次所解析的菠菜PSII-LHCII超級復(fù)合物的總分子量約1.1兆道爾頓（megadalton）（1,100 kDa），形成了一個同質(zhì)二聚體的超分子體系。每個單體中包含了25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子。研究結(jié)果首次揭示了這一高度復(fù)雜的超分子體系的總體結(jié)構(gòu)特征和各亞基的排布規(guī)律。
在每個菠菜PSII核心復(fù)合物的外周，結(jié)合了主要捕光復(fù)合物L(fēng)HCII三聚體，以及分子量分別為29 kD和26 kD的次要捕光復(fù)合物CP29和CP26。該項工作首次解析了CP29的全長結(jié)構(gòu)和CP26的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了這三個不同外周捕光復(fù)合物與核心復(fù)合物之間相互裝配和識別的機制和位點。在準確指認了外周捕光復(fù)合物與核心復(fù)合物界面上的三個小亞基的基礎(chǔ)上，合理解釋了它們在介導(dǎo)二者之間裝配以及穩(wěn)定超級復(fù)合物方面的作用。
外周捕光復(fù)合物為光系統(tǒng)II核心復(fù)合物提供激發(fā)能，而二者之間的能量傳遞途徑多年來一直未能得到精確解析。在對菠菜PSII-LHCII超級復(fù)合物內(nèi)部高度復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)進行深入分析的基礎(chǔ)上，首次揭示了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復(fù)合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時，還對在光保護過程中發(fā)揮作用的潛在能量淬滅位點進行了定位。研究結(jié)果對于進一步在分子水平理解PSII-LHCII超級復(fù)合物中的能量傳遞時間動力學(xué)和光保護機理具有重要意義。
該工作由生物物理所三個課題組共同完成，博士研究生魏雪鵬和助理研究員蘇小東為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到了中科院B類先導(dǎo)“生物超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控”專項、科技部“973”重大科學(xué)問題導(dǎo)向項目“光合作用與‘人工葉片’ ”和自然科學(xué)基金的共同資助，研究員柳振峰和章新政得到了國家“青年千人計劃”的資助和支持。該項工作得到生物物理所生物成像中心、 國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）、生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺等有關(guān)工作人員的大力支持和幫助。
菠菜PSII-LHCII復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)（頂視圖）
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（責任編輯：xu）
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