光合作用超級復合物結構研究中獲重要進展
2016-05-23 來源：中國聚合物網
近日，中國科學院生物物理研究所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞/李梅研究組通力合作，聯合攻關，通過單顆粒冷凍電鏡技術，在3.2埃分辨率下解析了高等植物（菠菜）光系統II-捕光復合物II超級膜蛋白復合體（PSII-LHCII supercomplex）的三維結構。該項研究工作于5月18日在《自然》（Nature）期刊作為長篇主題論文（Article）在線發表。
光合作用為地球上幾乎所有生命體提供賴以生存的物質和能量，基于結構的光合作用機理研究不僅具有重要的理論意義，同時也將為解決能源、糧食、環境等問題提供具有啟示性的方案。植物光合作用的原初反應是從光系統II開始的，光系統II是由25個以上蛋白質亞基以及眾多色素和其它輔因子組成的超大膜蛋白-色素復合物。該復合物中包含了天線系統、反應中心系統以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心。解析植物光系統II神秘而復雜的精細結構將有助于理解該超分子機器的工作原理，也是結構生物學研究領域中多年來一直追求的熱點和難點課題，并且是光合作用研究領域中眾所期盼的一個超大膜蛋白-色素復合體三維結構。
在對高等植物光系統II超大膜蛋白復合物樣品的分離制備和晶體學研究方法長期探索的基礎上，該研究團隊及時引進并應用單顆粒冷凍電鏡技術，通過聯合三個課題組的優勢科研力量并發揮各自的特長，團結奮戰，協作攻關，以最高的效率在較短的時期內取得了突破性進展，高質量完成了該項具有高度挑戰性的國際前沿研究課題。
此次所解析的菠菜PSII-LHCII超級復合物的總分子量約1.1兆道爾頓（megadalton）（1,100 kDa），形成了一個同質二聚體的超分子體系。每個單體中包含了25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子。研究結果首次揭示了這一高度復雜的超分子體系的總體結構特征和各亞基的排布規律。
在每個菠菜PSII核心復合物的外周，結合了主要捕光復合物LHCII三聚體，以及分子量分別為29 kD和26 kD的次要捕光復合物CP29和CP26。該項工作首次解析了CP29的全長結構和CP26的結構，并發現了這三個不同外周捕光復合物與核心復合物之間相互裝配和識別的機制和位點。在準確指認了外周捕光復合物與核心復合物界面上的三個小亞基的基礎上，合理解釋了它們在介導二者之間裝配以及穩定超級復合物方面的作用。
外周捕光復合物為光系統II核心復合物提供激發能，而二者之間的能量傳遞途徑多年來一直未能得到精確解析。在對菠菜PSII-LHCII超級復合物內部高度復雜的色素網絡進行深入分析的基礎上，首次揭示了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時，還對在光保護過程中發揮作用的潛在能量淬滅位點進行了定位。研究結果對于進一步在分子水平理解PSII-LHCII超級復合物中的能量傳遞時間動力學和光保護機理具有重要意義。
該工作由生物物理所三個課題組共同完成，博士研究生魏雪鵬和助理研究員蘇小東為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到了中科院B類先導“生物超大分子復合體的結構、功能與調控”專項、科技部“973”重大科學問題導向項目“光合作用與‘人工葉片’ ”和自然科學基金的共同資助，研究員柳振峰和章新政得到了國家“青年千人計劃”的資助和支持。該項工作得到生物物理所生物成像中心、 國家蛋白質科學中心（上海）、生物物理所蛋白質科學研究平臺等有關工作人員的大力支持和幫助。
光合作用為地球上幾乎所有生命體提供賴以生存的物質和能量，基于結構的光合作用機理研究不僅具有重要的理論意義，同時也將為解決能源、糧食、環境等問題提供具有啟示性的方案。植物光合作用的原初反應是從光系統II開始的，光系統II是由25個以上蛋白質亞基以及眾多色素和其它輔因子組成的超大膜蛋白-色素復合物。該復合物中包含了天線系統、反應中心系統以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心。解析植物光系統II神秘而復雜的精細結構將有助于理解該超分子機器的工作原理，也是結構生物學研究領域中多年來一直追求的熱點和難點課題，并且是光合作用研究領域中眾所期盼的一個超大膜蛋白-色素復合體三維結構。
在對高等植物光系統II超大膜蛋白復合物樣品的分離制備和晶體學研究方法長期探索的基礎上，該研究團隊及時引進并應用單顆粒冷凍電鏡技術，通過聯合三個課題組的優勢科研力量并發揮各自的特長，團結奮戰，協作攻關，以最高的效率在較短的時期內取得了突破性進展，高質量完成了該項具有高度挑戰性的國際前沿研究課題。
此次所解析的菠菜PSII-LHCII超級復合物的總分子量約1.1兆道爾頓（megadalton）（1,100 kDa），形成了一個同質二聚體的超分子體系。每個單體中包含了25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子。研究結果首次揭示了這一高度復雜的超分子體系的總體結構特征和各亞基的排布規律。
在每個菠菜PSII核心復合物的外周，結合了主要捕光復合物LHCII三聚體，以及分子量分別為29 kD和26 kD的次要捕光復合物CP29和CP26。該項工作首次解析了CP29的全長結構和CP26的結構，并發現了這三個不同外周捕光復合物與核心復合物之間相互裝配和識別的機制和位點。在準確指認了外周捕光復合物與核心復合物界面上的三個小亞基的基礎上，合理解釋了它們在介導二者之間裝配以及穩定超級復合物方面的作用。
外周捕光復合物為光系統II核心復合物提供激發能，而二者之間的能量傳遞途徑多年來一直未能得到精確解析。在對菠菜PSII-LHCII超級復合物內部高度復雜的色素網絡進行深入分析的基礎上，首次揭示了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時，還對在光保護過程中發揮作用的潛在能量淬滅位點進行了定位。研究結果對于進一步在分子水平理解PSII-LHCII超級復合物中的能量傳遞時間動力學和光保護機理具有重要意義。
該工作由生物物理所三個課題組共同完成，博士研究生魏雪鵬和助理研究員蘇小東為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到了中科院B類先導“生物超大分子復合體的結構、功能與調控”專項、科技部“973”重大科學問題導向項目“光合作用與‘人工葉片’ ”和自然科學基金的共同資助，研究員柳振峰和章新政得到了國家“青年千人計劃”的資助和支持。該項工作得到生物物理所生物成像中心、 國家蛋白質科學中心（上海）、生物物理所蛋白質科學研究平臺等有關工作人員的大力支持和幫助。
菠菜PSII-LHCII復合物整體結構（頂視圖）
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（責任編輯：xu）
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