Nature Plants｜解析叶绿体光系统I二聚体结构，揭示其功能的结构基础

2022年10月13日，Nature Plants在线发表了瑞典斯德哥尔摩大学Alexey Amunts和德国明斯特大学Michael Hippler联合团队及其合作者题为“Algal photosystem I dimer and high-resolution model of PSI-plastocyanin complex”的研究论文。该研究通过解析莱哈衣藻光系统I二聚体的结构，证实了光系统I在藻类叶绿体中也可二聚化，并阐述了其二聚化的调控元素及其与质体蓝素的互作模型；揭示了叶绿体中光系统I功能的结构基础。

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01253-4

光系统I（PSI）可完成光电子转移，从而调节蓝藻（cyanobacteria）和植物叶绿体中的光合作用。在绿藻叶绿体中，PSI由一个核心复合体和三个天线模块组成：内带、外带和Lhca2-Lhca9异二聚体，共包含24个亚基。作为多亚基复合物，PSI的大分子组织可影响光合膜的动力学。已有结构研究表明，由于亚基PsaH的存在，叶绿体PSI的寡聚状态由单体组成；但蓝藻中显示，PSI可形成二聚体和三聚体结构。蓝藻PSI的寡聚化可通过PsaI和PsaL亚基之间的直接结合形成；但受叶绿体中PsaH的结构限制，一般认为叶绿体PSI不能产生类似结构。然而，植物类囊体膜的原子力显微镜（AFM）分析表明，当植物从黑暗到光明过渡时，类囊体膜结构由有序而紧密排列的PSI二聚体组成。类似地，负染色电子显微镜在植物中观察到PSI-LHCI（捕光复合体I）复合物，并在温度敏感型光系统 II突变体藻类的PSI亚群中也发现了二聚体。这些结果表明，可逆的PSI二聚体形成可能在叶绿体的类囊体膜结构维持中具有一定的生理作用。然而，由于缺乏相关的结构信息，无法确定组成、调节和介导PSI二聚化的元素，无法比较叶绿体中PSI二聚体与蓝藻中对应物有何不同。

为了解答上述问题，该研究以莱哈衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）为例，利用交联（crosslinking）和蔗糖密度梯度离心技术，检测到类囊体的两个PSI组分；表明PSI二聚体的存在。通过单粒子冷冻电镜（cryo-EM）分析，该研究建立了叶绿体PSI二聚体的结构模型；并显示除了两个核心亚基（PsaH和PsaO）和一个光捕获蛋白（Lhca2）外，所有亚基都存在于该二聚体中：共包含40个蛋白质亚基、398个叶绿素a（Chl a）、60个叶绿素b（Chl b）、56个β-胡萝卜素、54个叶黄素、2个紫黄质（violaxanthins）、2个新黄质（neoxanthins）、4个叶绿醌（phylloquinones）、6个铁硫簇和32个脂质。这些蛋白质亚基可形成118个跨膜螺旋，为568种色素提供支架（Figure 1）。

Figure 1. PSI二聚体的整体结构

在蓝藻中，PSI通过PsaL的基质区域二聚化，并在PsaI的辅助下通过PsaL腔的C末端进行三聚化。该研究发现，藻类叶绿体中PSI二聚化的结构基础与蓝藻的完全不同：在叶绿体PSI-LHCI二聚体结构中，PsaL和PsaI在相邻单元之间并没有相互作用；相反，由于PsaH和Lhca2的缺失，Lhca9及其相关的辅助因子可充当连接器，介导PSI-LHCI单体的头对头二聚化；表明光捕获蛋白Lhca9是介导这种二聚化的关键因素（Figure 2）。通过对lhca9突变体进行蔗糖密度梯度离心，该研究并没有发现PSI二聚体的对应条带，进一步证实了Lhca9对PSI二聚化的重要性。

Figure 2. PSI二聚化的结构基础

由于PsaH可在状态转换中介导LHCII与PSI核心的横向结合，该研究比较了PSI-LHCI二聚体的结构与状态转换复合物的结构。通过叠加显示，来自相邻单体的两个Lhca9位于膜上，而Lhca2位于PSI-LHCI-LHCII中，它们形成三个相互重叠的跨膜螺旋。由于Lhca2 和PsaH的缺失，理论上藻类PSI二聚体的结构会排斥LHCII在该位置的结合（Figure 3）。但有意思的是，2D-PAGE表明，LHCII多肽可与PSI二聚体共迁移；这可能与PSI二聚体的结构适应有关。

Figure 3. PSI二聚体与LHCII结合的可能性分析

在进行PSI单体结构重建过程中，该研究发现，PSI核心的分辨率可达2.1 Å，且LHCI内带的分辨率也可达2.1-2.5 Å。与之前的冷冻电镜和X射线晶体结构相比，该PSI单体结构具有更高的结构细节，可显示叶绿素、类胡萝卜素以及621个水分子在PSI结构中的细节；将有助于模拟叶绿素的协调，并允许在叶绿素协调和溶剂定位水平上比较PSI的系统发育保守性（Figure 4）。

Figure 4. PSI单体的高分辨率特征

PSI单体和二聚体可与质体蓝素（Pc）相结合，该研究进一步在~3.5 Å的局部分辨率水平上构建了PSI-Pc的互作模型。通过与植物中对应物的比较显示，莱哈衣藻的PSI-Pc的互作模型具有两个主要差异：一是由于残基P58-E59的缺失，Pc酸性贴片中的带负电残基移动了约5Å，从而使其与PsaF的K101之间的相互作用减弱；相应的，PSI-Pc的结合强度由PsaF区域的六个赖氨酸K78-K92通过增加远端的正电荷浓度进行补偿，从而与Pc的酸性残基形成额外的静电相互作用。通过对莱哈衣藻PsaF N端结构域的定点诱变，该研究进一步证实了远端赖氨酸残基的重要性。这些结果表明，藻类和植物的Pc已经调整了它们略有不同的界面，以实现与PSI的最佳互作（Figure 5）。

Figure 5. 植物和莱哈衣藻PSI-Pc互作模型的比较

综上所述，该研究解析了PSI-LHCI二聚体的结构，并解释了PsaH、Lhca2和Lhca9亚基在结构上对其二聚化的调节作用；同时，该研究提供了迄今为止对PSI单体结构的最完整描述，包括叶绿素协调和溶剂定位；揭示了PSI如何被调节以在叶绿体中发挥功能性和结构性作用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01253-4

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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