清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士課題組在《自然》發(fā)文報(bào)道鹽澤紅藻藻膽體2.8分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)
2月19日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士課題組在《自然》（Nature）期刊上在線發(fā)表題為“鹽澤紅藻藻膽體能量傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural basis for energy transfer in Porphyridium purpureum phycobilisome）的研究論文，報(bào)道了鹽澤紅藻藻膽體的2.8 
分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，為揭示藻膽體中的能量傳遞機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)。
光能的吸收是光合作用的第一步。不同的光合生物為適應(yīng)不同的光環(huán)境，進(jìn)化出了各自獨(dú)特的捕光系統(tǒng)。藻膽體是藍(lán)藻和紅藻中的主要捕光復(fù)合物。它是一個(gè)超大蛋白質(zhì)機(jī)器，由藻膽蛋白和連接蛋白構(gòu)成，在這些蛋白上共價(jià)結(jié)合著色素分子。光能被色素分子吸收，并進(jìn)一步在藻膽體內(nèi)傳遞，最后到達(dá)光系統(tǒng)中心進(jìn)行光-化學(xué)能量轉(zhuǎn)化。藻膽體的組裝機(jī)制和高效的能量傳遞機(jī)制一直是光合作用研究領(lǐng)域的前沿問題。
隋森芳院士課題組近年來一直致力于藻膽體結(jié)構(gòu)的研究工作。2017年底，該團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上首次報(bào)道了海洋紅藻太平洋凋毛藻藻膽體（Griffithsia pacifica）的3.5 分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，揭示了藻膽蛋白和連接蛋白的精密組裝機(jī)制。此次報(bào)道的鹽澤紅藻藻膽體的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)將分辨率進(jìn)一步提高到了2.8 ，是在該領(lǐng)域取得的又一項(xiàng)重大研究成果。通過結(jié)構(gòu)的解析，研究人員發(fā)現(xiàn)鹽澤紅藻藻膽體含有706個(gè)蛋白質(zhì)亞基，包括528個(gè)藻紅蛋白、72個(gè)藻藍(lán)蛋白、46個(gè)別藻藍(lán)蛋白和60個(gè)接頭蛋白。此外，他們還解析得到了1598個(gè)色素分子的結(jié)構(gòu)，包括1430個(gè)藻紅膽素分子、48個(gè)藻尿膽素分子和120個(gè)藻藍(lán)膽素分子。如此眾多的化學(xué)結(jié)構(gòu)上相同的色素分子是如何介導(dǎo)能量在藻膽體中的高效單向傳遞的？這個(gè)問題一直是該領(lǐng)域尚未解決的關(guān)鍵問題之一?；谠摴ぷ髦械玫降?.8 的高分辨率結(jié)構(gòu)，研究人員得以仔細(xì)分析色素分子和周圍蛋白之間的相互作用。他們發(fā)現(xiàn)連接蛋白廣泛地參與了色素分子能量狀態(tài)的調(diào)節(jié)，即一些色素分子會與周圍連接蛋白上的芳香族氨基酸相互作用，從而改變色素分子的能量狀態(tài)，以確保能量的有效單向傳遞。該研究成果為闡明藻膽體獨(dú)特的光能捕獲、傳遞和轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)，同時(shí)為人工模擬光合作用研究提供了新理論依據(jù)。
鹽澤紅藻藻膽體的整體結(jié)構(gòu)
藻膽體核中關(guān)鍵色素分子與周圍連接蛋白的相互作用
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士為本文的通訊作者；生命學(xué)院2019屆博士畢業(yè)生馬建飛（現(xiàn)為生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后、清華大學(xué)水木學(xué)者和結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者）、在讀一年級博士生游鑫和課題組副研究員孫珊為本文的共同第一作者。中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所的王肖肖參與生化樣品制備和電鏡數(shù)據(jù)采集，秦松研究員參與了前期樣品篩選。國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺和計(jì)算平臺為數(shù)據(jù)收集和處理提供了支持。膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、科技部、國家自然科學(xué)基金等為本研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2020-7
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