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            李梅課題組與合作者揭示紫細菌光合RC-LH1超分子復合物二聚體的精細結構

            發布時間:2022年04月14日

              2022年4月13日,《Nature Communications》雜志在線刊登了中國科學院生物物理研究所李梅課題組與英國利物浦大學劉魯寧課題組、日本RIKEN生物系統動力學研究中心Shirouzu課題組共同合作完成的研究論文,題為"Structural basis for the assembly and quinone transport mechanisms of the dimeric photosynthetic RC-LH1 supercomplex"。

              光合作用將太陽能轉化為化學能,為世間萬物提供賴以生存的能量和食物,被譽為"地球上最重要的化學反應"。厭氧變形菌光合紫細菌是地球上最早出現的生命之一,也是研究細菌光合作用的理想模式生物。紫細菌光化學反應首先發生在光化學反應中心(Reaction center,RC)和捕光復合物1(Light-harvesting 1,LH1)形成的超分子光合元件RC-LH1上。RC-LH1由多個αβ-異二聚體組成的LH1天線環繞在RC周圍,LH1將激發能量傳遞給RC,進一步發生光誘導的電荷分離反應,并將電子通過RC-LH1結合的醌分子向下游傳遞。

              紫細菌RC的晶體結構早在1985年即被解析,完成該項工作的三位科學家因此獲得1988年諾貝爾化學獎;然而,對RC-LH1的結構研究相對落后,且其組成和結構在不同的光合細菌物種中表現出多樣性。在大多數紅桿菌屬(Rhodobacter)中RC-LH1以二聚體形式存在,代表了非放氧光合細菌中最大的超分子機器,但由于缺乏高分辨率結構信息,其組裝過程及其光能和電子傳遞的分子機制尚不清晰。

              該研究報道了光合紫細菌Rhodobacter sphaeroides的RC-LH1超復合物的七種不同狀態的冷凍電鏡結構,包括RC-LH1單體結構(分辨率為2.79Å)、RC-LH1的兩種不同狀態的雙體結構(分辨率為2.74Å和2.90Å)、敲除突變ΔpufX和ΔpufY的單體結構(分辨率為4.20Å和2.86Å)、以及ΔpufY的兩種不同狀態的雙體結構(分辨率為3.08Å和3.45Å)(圖1)。除之前熟知的3個RC亞基、LH1的α和β亞基、PufX亞基之外,在上述結構中還鑒定出一個全新亞基,命名為PufY。該項工作中,研究人員首次全面系統地揭示了光合蛋白復合物RC-LH1的二聚體結構,通過對這些三維結構的深入分析,并結合遺傳敲除實驗和計算機模擬分析技術,闡明了PufX和PufY亞基在維持RC-LH1復合物雙體結構和功能完整性中所發揮的重要作用,鑒定出該復合物中醌分子的交換途徑,提出了二聚體RC-LH1復合物的分步組裝過程。

              該研究揭示了細菌光合復合物在結構層面上的多變性和模塊化組裝的精細過程,以及二聚體RC-LH1發揮光合作用功能的分子機理,這些特性確保了高效的捕光、激發能量轉移和電子傳遞,從而使得光合細菌在外界不斷變化的環境條件下高效地進行光合作用。

            圖1.球形紅細菌野生型和突變型RC-LH1光合復合物的冷凍電鏡結構

              在該項工作中,英國利物浦大學劉魯寧教授、中國科學院生物物理研究所李梅研究員、日本RIKEN生物系統動力學研究中心Shirouzu研究員為共同通訊作者,生物物理所曹鵬博士、利物浦大學博士研究生Laura Bracun和日本RIKEN生物系統動力學研究中心Atsushi Yamagata博士為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項和中國科學院前沿科學重點研究項目的共同資助。數據收集和樣品分析等工作得到了生物物理所生物成像中心、生物物理所蛋白質科學研究平臺等有關工作人員的大力支持和幫助。

              文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29563-3

             

            (供稿:李梅研究組)

             

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