Nature | 藻胆体光捕获和光保护的结构基础

藻胆体（PBS，phycobilisome）是蓝藻和红藻产氧光合作用的捕光天线系统，作为类囊体膜基质侧的大型蛋白复合体，藻胆体能够通过色素团（bilins）将捕获的光能传递至光合作用的反应中心。然而，光捕获过程必然伴随着与光损伤风险的平衡，目前已知一种由橙色类胡萝卜素（OCP，orange carotenoid protein）介导的光保护模式，在光强较高时OCP与PBS结合介导光保护性非光化学淬灭（NPQ，non-photochemical quenching）。

2022年8月31日，Nature发表了密歇根州立大学María Domínguez-Martín和加州大学Paul Sauer等题为“Structures of a phycobilisome in light-harvesting and photoprotected states”的研究论文，通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）解析了集胞藻PCC 6803（Synechocystis sp. PCC 6803）大小为6.2 MDa的PBS在有无OCP结合状态下的4种结构，其中包含一个此前未被描述的结合于PBS面向膜一侧的连接蛋白。此外，这些结构还揭示了未发生淬灭的PBS天线蛋白的3种不同构象，其中两种是此前未知的，且仅有一种能够与OCP结合。本研究的发现进一步揭示了蓝藻光捕获过程的结构生物学基础，并为自然和人工捕光系统的生物工程提供了重要支持。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05156-4

蓝藻（cyanobacteria）是地球上最丰富且生理生态多样性较高的初级生产者，它通过产氧光合作用为地球上其他复杂生命体的出现提供了基础。目前，随着基因编辑与合成生物学的发展，蓝藻在绿色生物技术的发展中具有极大的应用潜力。蓝藻的PBS是大量色素-蛋白质的复合物，含量可达细胞可溶性蛋白质总量的一半。藻胆素与相应脱辅基蛋白共价结合，组装成盘状三聚体 (αβ)3或六聚体 (αβ)6，多聚体再通过连接蛋白组形成PBS的两个主要亚结构——核（core）与杆（rod），进而组装为完整的PBS。PBS在光合作用中起吸收和传递光能的作用，这一能量传递过程的效率极高，但会在吸收的光能过多时受到损伤。所有光合生物均进化出了光保护机制，即在过剩的激发能造成损伤之前将其快速转化为热能，但这一过程会损失较多能量，蓝藻捕获的光能中60-80%因NPQ而耗散。多数蓝藻的NPQ由一种与OCP结合的水溶性光感受器触发，未结合PBS的橙色OCPO在淬灭发生时转变为红色OCPR。然而，OCPR的结构及其与PBS结合机制尚不明确，导致了关于OCP诱导能量耗散机制的持续争论。

研究确定了分辨率2.7-3.5 Å的3种PBS结构（图1），分别代表杆的up-up、up-down和down-down构象，还确定了一个分辨率2.7 Å的淬灭OCP-PBS复合体的完整结构，值得注意的是，先前研究预测PBS中仅有一个或两个OCP结合位点，但本研究结果显示有4个OCPR分子以二聚体形式排列，在完全淬灭状态下与捕光天线的核相结合。PBS核与杆的中心腔中均含有连接蛋白，以提供支架并组织Apc和Cpc亚基的排列，从而确保色素分子处于正确的方向与间距。杆中有4种连接蛋白，其中CpcG1位于靠近核的一侧，它通过60个残基的C端延伸部分与PBS的核心相连接。研究还发现了一个未知的连接蛋白ApcG，包含一个约15残基的N端保守基序和两个C端保守基序，其中高度保守的残基R100直接与底柱中ApcA的PCB连接。由于PBS可与磷脂头部基团相互作用，因此，ApcG可能通过其所带正电荷的连接区介导这种相互作用。

研究解析的OCP-PBS复合物结构表明，与之前的预测相反，4个OCPR分子排列成两个二聚体，结合在淬灭的OCP-PBS复合物的核心，结合位点位于PBS顶柱与底柱上（图2）。OCPR主要与顶柱中最外层的ApcA和ApcB盘状体相互作用，两个顶端结合位点（Ta和Tb）仅侧链构象存在微小差异，底柱中OCPR与两个ApcA和ApcB三聚体结合，仅与一个ApcB存在较弱的相互作用。此外，OCPR还与CpcG1的杆状连接体相互作用，以使结合表面积增加。

基于结构信息对PBS内的能量传递进行模拟，在up-up构象中任何色素的激发都能够将激发能量迅速传递，而能量转移的瓶颈是由杆至核的传递过程（图3）。在不同构象的PBS中，仅up-up构象与不结合OCPR的光捕获状态和结合OCPR的淬灭状态模型相符合。因此，PBS可能发生解体以重新平衡PSⅡ的激发能压力，考虑到up-down和down-down构象不符合OCPR结合的模型，PBS的构象变化可能通过PBS形成的终止或中断来使其解体。此外，与OCPR引发的淬灭一起，PBS构象改变可能调节光捕获与光保护之间的平衡。激活的OCP结合在PBS核的一侧，但当杆处于向下位置时该结合位点被完全阻断，因此，构象的变化控制着OCP与PBS核心的结合，进而影响淬灭的发生。

综上所述，本研究报道了集胞藻PCC 6803藻胆体的3种不同排列构象的cryo-EM结构，并基于结构和光谱性质阐明了可能的能量传递过程。进一步，研究报道了OCP-PBS复合体的结构信息，表明OCP在PBS中核的两个不同位点上引发淬灭，而OCPR的C端结构域在光激活过程中会发生较大位移。通过能量传递，6.2 MDa的PBS及其396个色素分子被4个34 kDa的OCPs有效淬灭。本研究首次揭示了淬灭和非淬灭状态下捕光天线蛋白的结构信息，并且为理解光合生物的光捕获与光保护过程以及人工光合作用的发展提供了支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05156-4

本文转载自Mol Plant植物科学

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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