2020年8月13日 星期四

高宁研究组合作解析丝状蓝细菌中光系统I四聚体超高分辨结构

        2019年10月8号,高宁研究组在Nature Plants发表了题为“Structural and functional insights into the tetrameric photosystem I from heterocyst-forming cyanobacteria”的合作论文。论文利用冷冻电镜技术解析了丝状蓝细菌中光系统I四聚体的超高分辨结构,通过分子动力学模拟揭示了脂类在光系统I四聚体组装过程中的重要作用,并进一步结合生化和生理实验探索了光系统I的寡聚化在环式电子传递和类囊体膜重排过程中的重要功能。

光合作用可以将光能转换成化学能。光系统I(Photosystem I,PSI)和光系统II(Photosystem II,PSII)是执行光合作用光反应的重要的超大色素-蛋白复合体。在线性电子传递链中,光系统II,细胞色素b6f以及光系统I依次将电子从水转移到铁氧还蛋白,产生NADPH和ATP。而环式电子传递链则围绕光系统I进行,驱动ATP的生成,但是不形成NADPH。与高等植物和真核藻类不同,蓝细菌的光系统I存在三聚体和四聚体两种形式。其中四聚体的光系统I主要存在于可以形成异型胞的丝状蓝细菌中,以往的研究主要是围绕光系统I的三聚形式展开,但对于四聚体的研究甚少。Anabaena sp. PCC 7120 是一类可以形成异型胞的丝状蓝细菌,可以在缺乏化合态氮源的环境中利用空气中的氮气进行固氮生长。异型胞就是固氮发生的场所,细胞高度特化,特别是光系统II在其中被抑制或降解,其主要的能量来源是围绕光系统I的NDH-1介导的环式电子传递链产生的,所以对于光系统I四聚体的功能研究有助于对环式电子传递机制的理解。

 

通过单颗粒冷冻电镜技术解析的Anabaena sp. PCC 7120的光系统I的四聚体结构的整体分辨率达到了2.37 Å(图1)。该结构显示PSI复合物由四个单体组成,每个单体包含12个亚基,95个叶绿素,2个泛醌,3个铁硫簇和23个胡萝卜素分子。整个复合物呈现为平行四边形,组装形式为dimer of dimer,存在两个不同相互作用界面(界面I、界面II)。界面I与三聚体的单体间的作用界面类似,但是界面II则发生了很大的改变。在相互作用的界面中,作者发现脂类和PSI的单体之间存在着复杂的相互作用,结合分子动力学模拟实验结果,阐述了脂类在PSI多聚化的过程中不可或缺的作用。同时界面II中叶绿素的分布相比于界面I更加紧密,这表明四聚体PSI相比于三聚体PSI的单体之间具有更高效率的能量传递。为了研究四聚体PSI的功能,作者构建了缺失PsaL亚基的菌株,PsaL是蓝细菌光系统I寡聚化的最重要的亚基,缺失菌株表现为PSI解聚为单体。在正常培养条件下突变株与野生型无异,但在缺氮条件下,PsaL缺失突变株生长明显迟滞,固氮酶活下降,照光后荧光上升(PIRF)也表明NDH介导的环式电子传递链活性下降,证明了四聚体形式的PSI是环式电子传递高效运行所必需的。此外,与野生型的类囊体膜比较,突变株的类囊体膜的排布发生了巨大改变(图2),所以寡聚化的PSI对于类囊体膜的拓扑结构起着重要作用。

图1 四聚体光系统I复合物示意图图1 四聚体光系统I复合物示意图

图2 PCC 7120营养细胞(Veg)和异型胞(Het)的类囊体膜组织图。敲除PsaL亚基的两类细胞的类囊体膜的都变得更加规则化。

图2 PCC 7120营养细胞(Veg)和异型胞(Het)的类囊体膜组织图。敲除PsaL亚基的两类细胞的类囊体膜的都变得更加规则化。

综上,本研究解析了形成异型胞的蓝细菌中独特的四聚体PSI复合物的结构,并表明PSI的多聚化对于环式电子传递是必须的,还揭示了PSI多聚的形成和类囊体膜空间排布的关系。CpcL-PBS,PSI和NDH三者之间的相互作用的机制有待进一步阐明。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-019-0525-6