上海設(shè)施用戶在光合作用超級復(fù)合物結(jié)構(gòu)研究中獲重大進(jìn)展
文章來源: | 發(fā)布時(shí)間:2016-06-03 | 【打印】 【關(guān)閉】
5月18日,國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施電鏡分析系統(tǒng)用戶中國科學(xué)院生物物理所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞/李梅研究組在《自然》(Nature)期刊在線發(fā)表長篇主題論文。該研究通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù),在3.2埃分辨率下解析了高等植物(菠菜)光系統(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級膜蛋白復(fù)合體(PSII-LHCII supercomplex)的三維結(jié)構(gòu)。
光合作用為地球上幾乎所有生命體提供賴以生存的物質(zhì)和能量,基于結(jié)構(gòu)的光合作用機(jī)理研究不僅具有重要的理論意義,同時(shí)也將為解決能源、糧食、環(huán)境等問題提供具有啟示性的方案。植物光合作用的原初反應(yīng)是從光系統(tǒng)II開始的,該復(fù)合物中包含了天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心系統(tǒng)以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心。解析植物光系統(tǒng)II神秘而復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)將有助于理解該超分子機(jī)器的工作原理,也是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域中多年來一直追求的熱點(diǎn)和難點(diǎn)課題,并且是光合作用研究領(lǐng)域中眾所期盼的一個超大膜蛋白-色素復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。
該研究團(tuán)隊(duì)通過聯(lián)合三個課題組的優(yōu)勢科研力量并發(fā)揮各自的特長,團(tuán)結(jié)奮戰(zhàn),通過單顆粒冷凍電子顯微鏡技術(shù),首次揭示了菠菜PSII-LHCII超級復(fù)合物的總體結(jié)構(gòu)特征和各亞基的排布規(guī)律。研究結(jié)果解析了菠菜PSII核心復(fù)合物與其外周的主要捕光復(fù)合物L(fēng)HCII三聚體,次要捕光復(fù)合物CP29和CP26之間相互裝配和識別的機(jī)制和位點(diǎn)。并且,在對菠菜PSII-LHCII超級復(fù)合物內(nèi)部高度復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復(fù)合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時(shí),還對于在光保護(hù)過程中發(fā)揮作用的潛在能量淬滅位點(diǎn)進(jìn)行了定位。研究結(jié)果對于進(jìn)一步在分子水平理解PSII-LHCII超級復(fù)合物中的能量傳遞時(shí)間動力學(xué)和光保護(hù)機(jī)理具有重要意義。
在該項(xiàng)研究中,上海設(shè)施電鏡分析系統(tǒng)為其提供了充足的機(jī)時(shí)支持和技術(shù)支撐。由于PSII-LHCII樣品制備難度大,好的樣品難以重復(fù),且其中一個朝向的顆粒襯度差,需要做大量的前期樣品篩選工作。電鏡分析系統(tǒng)在樣品篩選和前期數(shù)據(jù)收集過程中起到重要的作用,該研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)施的電鏡上篩選了約20個PSII-LHCII樣品,并且收集到了約3500張電鏡照片,對于優(yōu)化樣品和提高分辨率增強(qiáng)了信心,為進(jìn)一步的突破奠定了基礎(chǔ)。
電鏡分析系統(tǒng)自開放運(yùn)行以來,累計(jì)服務(wù)用戶課題超過160個,為多項(xiàng)國家科技戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)、973和863項(xiàng)目等提供科研保障和技術(shù)支撐。截至2016年5月,蛋白質(zhì)設(shè)施用戶已經(jīng)在Nature、Nature子刊、PNAS等國際著名期刊上發(fā)表了超過7篇文章,為各領(lǐng)域科學(xué)研究起到重要的推動作用。電鏡分析系統(tǒng)現(xiàn)在正全面開放運(yùn)行。
菠菜PSII-LHCII復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)(側(cè)面觀)
蛋白質(zhì)亞基顯示為彩色圓柱狀卡通模型,色素分子等輔因子顯示為球棍模型。視角為沿著膜平面,腔側(cè)朝上,而基質(zhì)側(cè)朝下。
