生命學(xué)院隋森芳、李雪明課題組合作發(fā)文 報道紅藻藻膽體-光系統(tǒng)II復(fù)合體的原位冷凍斷層三維結(jié)構(gòu)
海洋藻類為適應(yīng)海底微弱的光環(huán)境進化出不同于高等植物的捕光系統(tǒng)。藻膽體(phycobilisome, PBS)則是藍藻和紅藻位于類囊體膜上的色素-蛋白超分子捕光復(fù)合體, 具有高效捕獲傳遞光能的作用。藻膽體捕獲的光能進一步傳遞給鑲嵌于類囊體膜內(nèi)的光系統(tǒng)II（photosystem II, PSII）,在這個重要場所進行電荷分離，利用光能分解水產(chǎn)生電子、質(zhì)子和氧氣。雖然已有藻膽體和光系統(tǒng)II各自的高分辨率結(jié)構(gòu)發(fā)表，但是兩者形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)一直沒有得到很好的解析，這也限制了人們對光能從PBS傳遞到PSII的機制的認(rèn)識。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳教授和李雪明副教授課題組合作，通過冷凍聚焦離子束減薄技術(shù)（cryo-FIB milling）聯(lián)合冷凍斷層三維重構(gòu)技術(shù)（cryo-ET），首次解析得到天然狀態(tài)下的紅藻Porphyridium purpureum細胞內(nèi)的藻膽體-光系統(tǒng)II復(fù)合體結(jié)構(gòu)，為揭示藻膽體與光系統(tǒng)II之間能量傳遞機制奠定了結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)。
隋森芳課題組經(jīng)過十余年來的探索發(fā)現(xiàn)由于藻膽體和PSII二者截然不同的蛋白特性，體外純化的方式非常難以獲得穩(wěn)定的PBS-PSII復(fù)合體。李雪明課題組長期致力于冷凍電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)(cryo-ET)在生物體內(nèi)大分子復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析中的開發(fā)應(yīng)用。因此隋森芳課題組與李雪明課題組合作，通過in situ cryo-ET技術(shù)獲得細胞內(nèi)原位的PBS-PSII復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。他們通過優(yōu)化Sub-tomogram averaging計算方法，最終獲得了13.2 ?分辨率的PBS-PSII 超復(fù)合物結(jié)構(gòu)和15 ?分辨率的double PBS-PSII 超復(fù)合物結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)分析，他們發(fā)現(xiàn)：1，紅藻細胞內(nèi)的藻膽體以齒狀交互的方式，在類囊體膜上排布為規(guī)則的陣列。2, 單個PBS同時結(jié)合6個PSII單體，其中4個PSII單體來自兩對相連的PSII二聚體 (PSII dimers A, B), 并與PBS核心有直接相互作用; 另外2個PSII單體結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的藻膽體組分Lateral hexamer。3, 在結(jié)構(gòu)域水平上, PBS的能量末端受體LCM分別與PSII的CP43A1（主要）和CP47B1亞基形成相互作用界面、能量末端受體ApcD與PSII的CP43A1亞基相互作用。這些相互作用界面提供了PBS與PSII能量傳遞的可能途徑。4, 通過與PBS高分辨率單顆粒結(jié)構(gòu)及PSII晶體結(jié)構(gòu)比對，他們發(fā)現(xiàn)細胞原位PBS-PSII超復(fù)合物還存在三個未知的蛋白密度介導(dǎo)PBS的不同亞基與PSII的相互連接, 暗示它們不僅穩(wěn)定了PBS-PSII 超復(fù)合物及其組成的PBS-PSII 陣列, 也可能形成PBS與PSII能量傳遞的旁路途徑。5, 紅藻細胞內(nèi)部分區(qū)域的相鄰類囊體膜之間形成“樓梯狀（stairs）”的穿孔（perforation），從而實現(xiàn)不同膜間信息, 化學(xué)分子等的傳遞, 使整個細胞內(nèi)的類囊體膜系統(tǒng)形成一個高度連接的膜網(wǎng)絡(luò)。
該工作于9月13日在eLife期刊上在線發(fā)表，題為“紅藻藻膽體-光系統(tǒng)II復(fù)合體原位冷凍斷層三維結(jié)構(gòu)”（In situ cryo-ET structure of phycobilisome–photosystem II supercomplex from red alga）。清華大學(xué)生命學(xué)院隋森芳教授、李雪明副教授為本文的共同通訊作者；生命學(xué)院2019屆博士畢業(yè)生李美靜（現(xiàn)為馬克斯-普朗克生化研究所博士后）、生命學(xué)院2019屆博士畢業(yè)生馬建飛（現(xiàn)為生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后、清華大學(xué)水木學(xué)者和結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者）為本文的共同第一作者。國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺和計算平臺，以及清華大學(xué)高性能計算平臺為數(shù)據(jù)收集和處理提供了支持。感謝冷凍電鏡平臺李曉敏博士協(xié)助cryo-FIB樣品制備、雷建林博士協(xié)助cryo-ET數(shù)據(jù)采集；感謝耶魯大學(xué)劉駿研究員和清華大學(xué)生命學(xué)院李賽研究員在Sub-tomogram averaging計算上的建議；感謝王寅初博士在系統(tǒng)發(fā)育分析上的建議; 感謝孫珊副研究員、S K Cheppali博士、秦曉春教授、肖亞男博士等在論文修改上提供的幫助。膜生物學(xué)國家重點實驗室、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部、國家自然科學(xué)基金等為本研究提供了經(jīng)費支持。
圖：PBS-PSII 超復(fù)合物和double PBS-PSII 超復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)
(A)從2個正交視角展示15.6 ?分辨率的double PBS-PSII 超復(fù)合物結(jié)構(gòu)密度圖（閾值0.09）。2個相鄰PBS的中心之間距離大約為345 ?。黑色、紅色2個不規(guī)則圓圈標(biāo)記出了分別與2個PBS結(jié)合的6個PSII單體。PBS1結(jié)合PSII單體A1，A2，B1，B2，C1，C'2，PBS2結(jié)合PSII單體A'1，A'2，B'1，B'2，C'2，C’’1。(B)從2個正交視角展示14.3 ?分辨率的PBS-PSII 超復(fù)合物結(jié)構(gòu)密度圖（閾值0.059），以PBS單顆粒結(jié)構(gòu)（EMD-9976，PDB ID 6KGX）和PSII 晶體結(jié)構(gòu)(PDB ID 4YUU) 作模型docking。
原文鏈接：https://elifesciences.org/articles/69635
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