研究揭示了绿藻光系统II修复不同模块的重新装配原理

植物和藻类等光合生物在将光能转化为化学能的过程中，可以裂化水，释放氧气和质子，为地球生物圈系统的能量和氧气提供来源。光系统II(PSII)多亚基蛋白色素复合物位于类囊体膜上，在光能的驱动下，通过催化水分子的氧化和质体醌的恢复来参与光合电子传输过程。在植物和绿藻叶绿体中，完美的PSII是核心复合物和外周捕光复合物III(LHCII)PSI-LHCII超复合物(PSII-SC)。在光照下，PSII的关键亚基D1容易发生光损伤，从而抑制PSII的活性，降低光合效率。这种现象在高光照条件下尤为明显。因此，光合生物进化出PSII修复循环机制。该过程包括PSII-SC解组装、损伤D1蛋白降解、新D1蛋白合成和中间复合物重新形成、CP43模块和RC47重新组装PSII核心复合物(PSII-C)、PSII-PSIIIII组装成单个二聚化和外周天线复合物-SC。

早期，中国科学院生物物理研究所刘振峰研究小组揭示了PSII修复初期的分子机制，而PSII修复后半段复合物再组装过程的原理仍不清楚。过去的研究表明，绿藻叶绿体中的TEF30是一种与PSII修复相关的蛋白质因素，其在高等植物中的同源蛋白被称为MET1。生化研究结果表明，TEF30可能参与PSII核心亚基CP43的重组和PSII-SC的形成，但其功能的分子基础尚不清楚。

结合抗体亲和力净化和蔗糖密度梯度超速离心方法，结合TEF30制备了PSII修复中间态复合物样品，分析了四种含有TEF30的PSII中间态复合物的近原子分辨率结构，分别命名为TEF30-C、TEF302-C2-I、TEF302-C2-II和TEF30-C2-C2S。

分析显示，TEF30结合在PSII-C的基质侧表面，以及PSII的关键亚基D1、D2、CP43和PSBI构成多对极性相互作用。生物膜干预实验结果表明，TEF30与PSII-C之间的亲和力较高，解离常数KD为9.4 nM，缩短TEF30与CP43或RC47相互作用的结构基序将减少TEF30与PSII-C之间的相互作用。在TEF30-PSII复合物中，TEF30的结合位点跨越RC47和CP43模块的页面，这与基于生化分析试验的TEF30介导CP43重组装功能的观点一致，并确定了蛋白质亚基和与TEF30相互作用的实际结合位点。

研究表明，在TEF30-C2S中，只有一侧的PSII-C集成了TEF30，但没有外周天线，而另一侧没有TEF30的PSII-C集成了外周天线。TEF30-C2S与成熟C2S2PSII-SC结构的叠加显示，TEF30与成熟C2S2中同侧的外周天线部分重叠。这种空间位阻效应可以防止外周天线在PSII修复过程中与PSII过早结合-C，为了保证PSII-C不能进行能量转化，免受过剩引起的能量损害。

此外，该研究通过TEF302-C2-I、TEF302-C2-II、TEF30-C2S与成熟的PSII-SC结构叠加比较，发现多个不同中间状态的PSII-C二聚体。结构分析提醒，在重新组装和成熟的过程中，PSII二聚体中两个PSII-C单体的位置关系会移动和重新排列，从而在两侧形成可同时容纳LHCII、三种外周天线复合物的锯齿形表面，CP26和CP29。

基于生物化学和冷冻电镜的结构分析数据，上述研究提出了TEF30在PSII修复循环后半段重新组装不同模块，形成完善的PSII超复合物工作机制模型。

6月27日，相关研究成果在《自然植物》中发表(Nature Plants)上。