Nature Plants | 趙進(jìn)東院士與高寧教授課題組合作解析絲狀藍(lán)細(xì)菌中光系統(tǒng)I四聚體超高分辨結(jié)構(gòu)
2019年10月8號(hào)，北京大學(xué)趙進(jìn)東院士課題組與高寧課題組以及中科院大連化學(xué)物理研究所李國(guó)輝研究組在Nature Plants發(fā)表了題為“Structural and functional insights into the tetrameric photosystem I from heterocyst-forming cyanobacteria”的研究論文。論文利用冷凍電鏡技術(shù)解析了絲狀藍(lán)細(xì)菌中光系統(tǒng)I四聚體的超高分辨結(jié)構(gòu)，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了脂類在光系統(tǒng)I四聚體組裝過程中的重要作用，并進(jìn)一步結(jié)合生化和生理實(shí)驗(yàn)探索了光系統(tǒng)I的寡聚化在環(huán)式電子傳遞和類囊體膜重排過程中的重要功能。
光合作用可以將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。光系統(tǒng)I（Photosystem I，PSI）和光系統(tǒng)II（Photosystem II，PSII）是執(zhí)行光合作用光反應(yīng)的重要的超大色素-蛋白復(fù)合體。在線性電子傳遞鏈中，光系統(tǒng)II，細(xì)胞色素b6f以及光系統(tǒng)I依次將電子從水轉(zhuǎn)移到鐵氧還蛋白，產(chǎn)生NADPH和ATP。而環(huán)式電子傳遞鏈則圍繞光系統(tǒng)I進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)ATP的生成，但是不形成NADPH。與高等植物和真核藻類不同，藍(lán)細(xì)菌的光系統(tǒng)I存在三聚體和四聚體兩種形式。其中四聚體的光系統(tǒng)I主要存在于可以形成異型胞的絲狀藍(lán)細(xì)菌中，以往的研究主要是圍繞光系統(tǒng)I的三聚形式展開，但對(duì)于四聚體的研究甚少。Anabaena sp. PCC 7120 是一類可以形成異型胞的絲狀藍(lán)細(xì)菌，可以在缺乏化合態(tài)氮源的環(huán)境中利用空氣中的氮?dú)膺M(jìn)行固氮生長(zhǎng)。異型胞就是固氮發(fā)生的場(chǎng)所，細(xì)胞高度特化，特別是光系統(tǒng)II在其中被抑制或降解，其主要的能量來源是圍繞光系統(tǒng)I的NDH-1介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞鏈產(chǎn)生的，所以對(duì)于光系統(tǒng)I四聚體的功能研究有助于對(duì)環(huán)式電子傳遞機(jī)制的理解。
圖1 四聚體光系統(tǒng)I復(fù)合物示意圖
通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析的Anabaena sp. PCC 7120的光系統(tǒng)I的四聚體結(jié)構(gòu)的整體分辨率達(dá)到了2.37 Å（圖1）。該結(jié)構(gòu)顯示PSI復(fù)合物由四個(gè)單體組成，每個(gè)單體包含12個(gè)亞基，95個(gè)葉綠素，2個(gè)泛醌，3個(gè)鐵硫簇和23個(gè)胡蘿卜素分子。整個(gè)復(fù)合物呈現(xiàn)為平行四邊形，組裝形式為dimer of dimer，存在兩個(gè)不同相互作用界面（界面I、界面II）。界面I與三聚體的單體間的作用界面類似，但是界面II則發(fā)生了很大的改變。在相互作用的界面中，作者發(fā)現(xiàn)脂類和PSI的單體之間存在著復(fù)雜的相互作用，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，闡述了脂類在PSI多聚化的過程中不可或缺的作用。同時(shí)界面II中葉綠素的分布相比于界面I更加緊密，這表明四聚體PSI相比于三聚體PSI的單體之間具有更高效率的能量傳遞。為了研究四聚體PSI的功能，作者構(gòu)建了缺失PsaL亞基的菌株，PsaL是藍(lán)細(xì)菌光系統(tǒng)I寡聚化的最重要的亞基，缺失菌株表現(xiàn)為PSI解聚為單體。在正常培養(yǎng)條件下突變株與野生型無異，但在缺氮條件下，PsaL缺失突變株生長(zhǎng)明顯遲滯，固氮酶活下降，照光后熒光上升（PIRF）也表明NDH介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞鏈活性下降，證明了四聚體形式的PSI是環(huán)式電子傳遞高效運(yùn)行所必需的。此外，與野生型的類囊體膜比較，突變株的類囊體膜的排布發(fā)生了巨大改變（圖2），所以寡聚化的PSI對(duì)于類囊體膜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)起著重要作用。
圖2 PCC 7120營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞（Veg）和異型胞（Het）的類囊體膜組織圖。敲除PsaL亞基的兩類細(xì)胞的類囊體膜的都變得更加規(guī)則化。
綜上，本研究解析了形成異型胞的藍(lán)細(xì)菌中獨(dú)特的四聚體PSI復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，并表明PSI的多聚化對(duì)于環(huán)式電子傳遞是必須的，還揭示了PSI多聚的形成和類囊體膜空間排布的關(guān)系。CpcL-PBS，PSI和NDH三者之間的相互作用的機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。
鄭呂欽（高寧組），李雁冰（趙進(jìn)東組），李西瑩（趙進(jìn)東組）為該研究論文的共同第一作者。趙進(jìn)東院士、高寧教授和李國(guó)輝研究員為本研究論文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、生命聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及蛋白質(zhì)和植物基因工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持，以及北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、北京大學(xué)電鏡實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)高性能計(jì)算中心、北京大學(xué)生科院儀器中心的技術(shù)支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-019-0525-6
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