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研究揭示了绿藻光系统II修复不同模块的重新装配原理

研发家 | 2025-07-03
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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。

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