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Nature Plants 客户文章| 济南大学、中科院植物所、清华大学合作解析潮间带大型绿藻光系统I-捕光天线I复合物结构

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下面介绍一篇使用鹿明生物LC-MS/MS质谱测序技术发表在Nature Plants上IF=13.297高分文章。

 

作者介绍

济南大学秦晓春教授、清华大学生命科学学院五年级博士生皮雄为该论文的共同第一作者,中国科学院植物研究所匡廷云院士、清华大学隋森芳院士为该论文的共同通讯作者。本项目得到了中国科技部重点研发计划、清华大学膜生物学国家重点实验室开放项目、北京市结构生物学高精尖创新中心(清华),国家自然科学基金委优青项目、济南大学高层次人才计划、山东省青年泰山学者计划的支持。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电镜平台和清华大学高性能计算平台分别为该研究的数据收集和数据处理提供了支持。质谱测序由上海鹿明生物科技有限公司协助完成。

 

 

前言

PSI 是一个极高效率的光能吸收和转化系统,几乎每一个吸收的光子都能产生一个电子,其量子转化效率超过90%。PSI 高效吸能、传能和转能的结构基础是科学研究的前沿问题。2015年,济南大学秦晓春教授在匡廷云院士、沈建仁研究员的指导下,完成了高等植物豌豆光系统I-捕光天线蛋白复合物I(PSI-light-harvestingcomplex I, PSI-LHCI)2.8Å 分辨率的晶体结构解析,以article的形式发表在 Science 期刊上,并被选为封面。

图1:封面图

 

基本信息

2019年3月8日,济南大学、中科院植物所与清华大学合作在Nature Plants发表了题为 Structure of a green algal photosystem I in complex with a large number of light-harvesting complex I subunits 的研究长文,报道了一种潮间带大型绿藻(假根羽藻,Bryopsis Corticulans(图2)PSI-LHCI 超分子复合物的3.49Å 分辨率的冷冻电镜结构这是继高等植物之后,在 PSI 结构与功能研究领域取得的又一重大突破。

图2:图片中央为生长在礁石上的一丛管藻目绿藻——假根羽藻(B. Corticulans)

 

研究背景

光合作用是绿色植物大规模地利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物并释放出氧气的过程。它提供了地球上生物圈循环的驱动力,是地球上几乎一切生命活动的能量和物质来源。光合作用研究的核心问题之一是揭示光能高效吸收、传递和转化的分子机理及其调控原理。光合作用光能的吸收、传递和转化是由光系统II(photosystemII,PSII)和光系统I(photosystemI,PSI)推动的。其中 PSII 利用太阳光在常温常压下实现水的裂解,产生氧气、质子和电子;而 PSI 则利用从水分子得到的电子,经过一系列电子传递最终将 NADP+ 还原成 NADPH(图1)。PSII 与 PSI 进行电子传递的同时形成跨膜质子梯度用于 ATP 的合成,NADPH 和 ATP 进一步用于CO2同化过程生成有机物。

(引自http:www.life.illinois.edu/govindgee/)

 

结果分析

绿藻 PSI-LHCI 超分子复合物由核心复合物和捕光天线系统两部分组成,该文解析了核心复合物的13个亚基(PsaA-PsaM),捕光天线系统的10个捕光天线复合物(命名为Lhca-a-Lhca-j)的结构(图3)。在目前已报道的 PSI 结构中不仅捕光天线数量最多,而且捕光截面最大。根据以往研究,高等植物豌豆 PSI-LHCI 复合物中结合4个捕光天线复合物,红藻 PSI-LHCR 复合物中结合3个或者5个捕光天线复合物【3】,而绿藻 PSI-LHCI 复合物中结合10个捕光天线复合物。绿藻10个捕光天线复合物的排布呈现特殊的双环形式:内环4个天线、外环4个天线、与它们相反的另一侧结合了2个天线。绿藻 PSI-LHCI 结合更多的捕光天线复合物明显反映了它们对生存于相对较弱的光强环境的适应,因为提高捕光天线色素/反应中心的比例使 PSI 可以捕获更多的光子来满足生存需要。

图3:绿藻 B. Corticulans PSI-LHCI 的结构。(a)垂直于膜平面观察,(b)沿膜平面观察。

 

虽然绿藻的 PSI-LHCI 捕光截面大,但是能量传递速率却与高等植物 PSI-LHCI 相当或更快,本结构解析的捕光天线复合物中叶绿素分子排布为解释这一特殊现象提供了有力的结构证据(图4,5)。就蛋白质结构而言,10个捕光天线复合物中的9个具有 LHC 蛋白的3个跨膜螺旋结构,跨膜螺旋与叶绿素分子的命名采用2004年中科院生物物理所与植物研究所合作解析的菠菜主要捕光复合物 LHCII 结构的命名方式;但是,另外的一个 LHC 具有4个跨膜螺旋结构,这是首次发现结合叶绿素分子的4个跨膜结构的 LHC 蛋白。就叶绿素分子的排布而言,在靠近囊腔侧,绿藻捕光天线复合物比高等植物多结合了1-3个特殊的叶绿素分子(命名为Chl20,Chl21,Chl22),这几个叶绿素分子的置入大大缩短了从外环 LHCI 向内环 LHCI,以及从内环LHCI 向 PSI 核心复合物能量传递的距离,有可能使得能量传递更快!

图4:绿藻捕光天线复合物的叶绿素分子排布及其与高等植物、红藻的对比。绿藻不同捕光天线复合物在靠近囊腔侧(a)与靠近基质侧(b)的叶绿素分子排布。蛋白质结构采用其中一个3跨膜 Lhca 和一个4跨膜的 Lhca 表示,不同捕光天线复合物中的叶绿素分子分别用不同颜色表示。对比绿藻、红藻、高等植物的捕光天线复合物在靠近囊腔侧(c)与靠近基质侧(d)的叶绿素分子排布,展示绿藻特殊的叶绿素分子(B.c.special Chl)与红藻特殊的叶绿素分子(C. m.special Chl)。

 

图5:绿藻B. Corticulans PSI-LHCI 叶绿素分子在靠近基质侧(a)与靠近囊腔侧(b)的排布与推测的能量传递路径(c)。捕光天线复合物中特殊的叶绿素分子以球形模型表示,一般叶绿素分子以球棒模型表示;PSI核心复合物中的叶绿素分子以线型模型表。

 

 从光合生物进化角度对比分析了蓝藻(原核生物)、红藻(原始的真核生物)、绿藻(绿色系植物进化的起源)、高等植物中 PSI-LHCI 复合物的结构(图6),尤其是叶绿素分子的排布,推测它们的捕光天线传递光能的速率可能是逐渐降低的。这可能与植物登陆以后需要面对更剧烈的光环境变化有关,登陆后“能量传递快”并不是植物生长的唯一需求,比如陆生植物要应对高光强进行非光化学淬灭,这迫使植物在能量传递速率上付出一定的代价。此外, PSI 中捕光天线的数量从绿藻中的10个减少到高等植物中的4个,说明高等植物在进化过程中脱掉一部分捕光天线是对陆生高光强环境适应的结果。

图6:从蓝藻到红藻、绿藻、高等植物,光系统I的结构变化的阐释。

 

 

 

尽管绿藻 B. Corticulans 不是模式植物,研究它的生物学意义在于:它是生长在潮间带的大型绿藻,涨潮时藻体生长在以蓝绿光和绿光为主的弱光环境中能够完成吸能、传能和转能过程以满足自身生长的需要;落潮时,藻体能够适应暴露的高光强环境并进行光保护,因此研究该植物材料的目的之一是揭示植物在逆境条件下光合膜蛋白利用光能和光保护的机理。该绿藻的核心复合物中结合α-胡萝卜素,而其他PSI结构中均为β-胡萝卜素;捕光天线复合物 Lhca-d、Lhca-g、Lhca-h 都具有特殊的类胡萝卜素排布,并且 Lhca-d 与核心复合物形成胡萝卜素簇(图7)。PSI 核心复合物及其捕光天线复合物上特殊的类胡萝卜素组成与排列可能与该绿藻适应高光强有关。此外,研究材料没有基因序列信息并且不同捕光天线蛋白之间的序列相似度很高,研究者通过组学测序与 PCR 扩增最终获得了 PSI 核心复合物中11个核心亚基的序列和8条 Lhca 的序列。

图7:绿藻 B. Corticulans PSI-LHCI 超分子复合物中类胡萝卜素分子的分布(a)及捕光天线复合物Lhca-a、Lhca-d、Lhca-g、Lhca-h 中类胡萝卜分子的结构对比。

 

 

 

实验结论

总之,这一研究工作填补了到目前为止未被报道的绿藻 PSI-LHCI 较高分辨率结构的空白,进一步完善了对光合生物进化过程中 PSI 结构变化趋势的理解;从进化与光环境适应的角度揭示了捕光天线复合物的捕光设计机理;为揭示绿藻光合膜蛋白 PSI-LHCI 高效吸能与传能的机理奠定了坚实的结构基础;为人工模拟光合作用机理,为指导设计作物与提高植物的光能利用效率提供了新的理论依据和新思路。

 

 

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LC-MS/MS鉴定又称为质谱鉴定:是目前使用最广泛的蛋白质组学研究手段,聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE Sodium Dodecyl Sulfate Polyacrylamide Gel Electrophoresis)分离蛋白质混合物,收集目的胶条,经胶内酶解后用于质谱分析以获得蛋白质信息。

 

目前,LC-MS/MS技术被广泛的用于做CO-IP、Pull down及做抗体的科研工作者。不少科研者因其周期短、技术成熟、高灵敏度、可用于复杂样本而选择运用此项技术,其中不少医学、植物学、动物学等科研研究者通过运用此项技术也发表了不少的高分文章。本篇文章也是用上海鹿明生物科技有限公司在质谱测序方面的技术帮助老师来研究课题,最后很荣幸鹿明生物能够帮助各位老师的科研研究,用LC-MS/MS技术助力老师在潮间带大型绿藻光系统I-捕光天线I复合物结构文章在Nature Plants上发表,同时也感谢老师的致谢。在未来,鹿明生物也会在蛋白组学的道路上继续发光发热的,感谢各位老师的信任和支持!

 

参考文献

【1】Qin, X., Suga, M., Kuang, T. & Shen, J.-R. Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex. Science 348, 989-995(2015).

【2】Qin, X. et al., Structureof a green algal PSI in complex with a large number of light-harvesting complexI subunits. Nature Plants 5, 263–272 (2019) 

【3】Pi, X. et al. Unique organization ofphotosystem I-light-harvesting supercomplex revealed by cryo-EM from a red alga. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 115, 4423-4428 (2018).

 

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