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隋森芳、李雪明研究组合作发文报道红藻藻胆体-光系统II复合体的原位冷冻断层三维结构

日期：2021-09-24　　浏览次数：6605

来源：结构生物学高精尖创新中心

9月13日，清华大学结构生物学高精尖创新中心隋森芳教授和李雪明副教授课题组合作，在eLife期刊上在线发表题为“In situ cryo-ET structure of phycobilisome–photosystem II supercomplex from red alga”的研究论文，通过冷冻聚焦离子束减薄技术（cryo-FIB milling）联合冷冻断层三维重构技术（cryo-ET）首次解析得到天然状态下的红藻Porphyridium purpureum细胞内的藻胆体-光系统II复合体结构，为揭示藻胆体与光系统II之间能量传递机制奠定了结构生物学基础。


海洋藻类为适应海底微弱的光环境进化出不同于高等植物的捕光系统。藻胆体(phycobilisome, PBS)则是蓝藻和红藻位于类囊体膜上的色素-蛋白超分子捕光复合体, 具有高效捕获传递光能的作用。藻胆体捕获的光能进一步传递给镶嵌于类囊体膜内的光系统II（photosystem II, PSII）,在这个重要场所进行电荷分离，利用光能分解水产生电子、质子和氧气。此前隋森芳教授课题组已经通过单颗粒冷冻电镜三维重构技术解析得到了体外提取的红藻P. purpureum的藻胆体2.8 Å的高分辨率结构（Nature, 2020）。


隋森芳教授课题组经过十余年来的探索发现由于藻胆体和PSII二者截然不同的蛋白特性，体外纯化的方式非常难以获得稳定的PBS-PSII复合体。李雪明教授课题组长期致力于冷冻电子断层三维重构技术(cryo-ET)在生物体内大分子复合物结构解析中的开发应用。因此隋森芳教授课题组与李雪明教授课题组合作，通过in situ cryo-ET技术获得细胞内原位的PBS-PSII复合体的结构。他们通过优化Sub-tomogram averaging计算方法，最终获得了13.2 Å分辨率的PBS-PSII 超复合物结构和15 Å分辨率的double PBS-PSII 超复合物结构。


通过结构分析，他们发现：

1. 红藻细胞内的藻胆体以齿状交互的方式，在类囊体膜上排布为规则的阵列。

2. 单个PBS同时结合6个PSII单体，其中4个PSII单体来自两对相连的PSII二聚体 (PSII dimers A, B), 并与PBS核心有直接相互作用; 另外2个PSII单体结合新发现的藻胆体组分Lateral hexamer。

3. 在结构域水平上, PBS的能量末端受体LCM分别与PSII的CP43A1（主要）和CP47B1亚基形成相互作用界面、能量末端受体ApcD与PSII的CP43A1亚基相互作用。这些相互作用界面提供了PBS与PSII能量传递的可能途径。

4. 通过与PBS高分辨率单颗粒结构及PSII晶体结构比对，他们发现细胞原位PBS-PSII超复合物还存在三个未知的蛋白密度介导PBS的不同亚基与PSII的相互连接, 暗示它们不仅稳定了PBS-PSII 超复合物及其组成的PBS-PSII 阵列, 也可能形成PBS与PSII能量传递的旁路途径。

5. 红藻细胞内部分区域的相邻类囊体膜之间形成“楼梯状（stairs）”的穿孔（perforation），从而实现不同膜间信息, 化学分子等的传递, 使整个细胞内的类囊体膜系统形成一个高度连接的膜网络。


图：PBS-PSII 超复合物和double PBS-PSII 超复合物的整体结构


(A)从2个正交视角展示15.6 Å分辨率的double PBS-PSII 超复合物结构密度图（阈值0.09）。2个相邻PBS的中心之间距离大约为345 Å。黑色、红色2个不规则圆圈标记出了分别与2个PBS结合的6个PSII单体。PBS1结合PSII单体A1，A2，B1，B2，C1，C'2，PBS2结合PSII单体A'1，A'2，B'1，B'2，C'2，C’’1。(B)从2个正交视角展示14.3 Å分辨率的PBS-PSII 超复合物结构密度图（阈值0.059），以PBS单颗粒结构（EMD-9976，PDB ID 6KGX）和PSII 晶体结构(PDB ID 4YUU) 作模型docking。

清华大学结构生物学高精尖创新中心隋森芳教授、李雪明研究员为本文的共同通讯作者；生命学院2019届博士毕业生李美静（现为马克斯-普朗克生化研究所博士后）、生命学院2019届博士毕业生马建飞（现为生命科学联合中心博士后、清华大学水木学者和结构生物学高精尖创新中心卓越学者）为本文的共同第一作者。国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台，以及清华大学高性能计算平台为数据收集和处理提供了支持。感谢冷冻电镜平台李晓敏博士协助cryo-FIB样品制备、雷建林博士协助cryo-ET数据采集；感谢耶鲁大学刘骏研究员和清华大学结构生物学高精尖创新中心李赛研究员在Sub-tomogram averaging计算上的建议；感谢王寅初博士在系统发育分析上的建议; 感谢孙珊副研究员、S K Cheppali博士、秦晓春教授、肖亚男博士等在论文修改上提供的帮助。膜生物学国家重点实验室、北京市结构生物学高精尖创新中心、北京生物结构前沿研究中心、清华大学-北京大学生命科学联合中心、科技部、国家自然科学基金等为本研究提供了经费支持。


原文链接：https://elifesciences.org/articles/69635