Nature子刊 | 羧酶体蛋白外壳组装机制被揭秘，为合成生物学应用开辟了的新途径

英国利物浦大学和eBIC/牛津大学科研团队利用合成生物学和冷冻电镜技术，通过成功解析羧酶体蛋白外壳的三维结构，揭示了由连接蛋白介导的蛋白外壳自组装和包裹过程的分子机制。这项突破性研究为羧酶体的生物工程构建和生物技术应用提供了重要的理论依据和新的改造方案。相关研究成果以Intrinsically disordered CsoS2 acts as a general molecular thread for α-carboxysome shell assembly 为题于9月7日发表在Nature Communications 上。

羧酶体（carboxysome）是一种自然界中广泛存在的自组装蛋白质细胞器，在细胞内呈现为纳米级的微小组织，因而被称为一种细胞微室（bacterial microcompartment）。它们通过一个类似病毒的蛋白外壳将酶和反应途径隔离，从而提高细胞的代谢效率和生长。在蓝藻和变形菌中，羧酶体为细胞提供了利用高效二氧化碳固定进行自养生长的能力，使得这些微生物在全球的碳循环和二氧化碳固定中发挥了重要作用。

揭开羧酶体外壳蛋白结构的面纱

利物浦大学整合生物研究所刘鲁宁教授团队近几年一直将羧酶体（α-carboxysome）作为一种合成生物学的模式材料，对α-羧酶体的结构、功能以及生物工程改造进行了一系列系统深入的研究工作。通过与英国钻石光源电子生物成像中心（eBIC）主任兼牛津大学Peijun Zhang教授合作，利用合成生物学方法结合冷冻电镜技术，研究团队深入解析了α-羧酶体蛋白外壳的结构以及外壳蛋白的空间排布。

研究团队通过对外壳蛋白六聚体和五聚体以及连接蛋白CsoS2的调控，建立了一系列的蛋白异源表达体系，成功构建了不同组分、大小和组装结构的类似天然的α-羧酶体外壳。利用单颗粒冷冻电镜技术，研究团队分别以 1.86 Å、3.54 Å 和 2.79 Å 的分辨率解析了T=9、T=4 和 T=3 型蛋白外壳的结构(图1)，揭示了外壳蛋白之间如何排布和相互作用从而形成完整的三维壳结构。

图1：T=9, T=4 and T=3 蛋白外壳二十面体的Cryo-EM 冷冻电镜结构。

无序结构蛋白质介导的外壳组装机制

研究的焦点之一是CsoS2连接蛋白。虽然这个蛋白本身结构无序，但研究人员发现它在羧酶体组装中扮演着关键的角色。CsoS2蛋白肽段通过其C末端的特殊结构元件，如同“穿针引线”一样，通过蛋白质相互作用将多个外壳蛋白组件穿接起来，形成紧密的接触界面，从而实现了羧酶体外壳的组装和空间构型（图2）。这一机制的发现回答了这一领域多年来一直尚未解决的关键问题。

图2：CsoS2通过与外壳蛋白的多价相互作用，促进外壳的形成和构型。CsoS2的[IV]TG保守重复氨基酸序列在蛋白相互作用中起到关键作用。

此外，研究还发现了CsoS2蛋白的这些结合结构元件是高度保守并且是多拷贝的（图2），结构元件的氨基酸组分和数量的多少对羧酶体外壳的组装和结构起着至关重要的作用。这一发现将有助于进一步理解和调控羧酶体外壳的组装和酶包裹效率。

生物技术应用展望

深入了解细胞内微组织的形成和组装机理，有助于我们更好地理解生命的基本合成和调控过程。同时，由于羧酶体自身具有自组装、封装性、选择通透性和模块化等天然优势，使得研究人员可以通过合成生物学技术实现对羧酶体的异源表达和改造，近几年已经成为合成生物学研究和开发的模式系统之一。通过深入了解羧酶体的结构和组装机制，研究人员可以更好地设计、改造和调控其结构和功能。这项突破性研究为羧酶体在不同生物技术应用领域，比如酶封装、分子支架、药物分子递送等，开辟了广阔前景。研究将有望为碳中和、生物材料开发、可持续农业发展、精准医学和环境保护等领域提供新的思路和解决方案。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41211-y

转自：“iNature”微信公众号

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