光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）是光合作用中執(zhí)行光能轉(zhuǎn)化的重要超分子色素膜蛋白復(fù)合體。光合生物為了適應(yīng)不同的光環(huán)境，進(jìn)化出了多種多樣的光能捕獲機(jī)制。藍(lán)藻是最早的光合放氧生物，對地球表面大氣環(huán)境從無氧變?yōu)橛醒踹^程中發(fā)揮了巨大作用。藻膽體（PBS）作為藍(lán)藻的主要捕光天線，捕獲光能并傳遞激發(fā)能至PSI或者PSII。根據(jù)PBS與光合膜連接類型及結(jié)構(gòu)組成的不同，藍(lán)藻PBS主要分為CpcG-PBS和CpcL-PBS兩種類型，其中CpcG-PBS由藻膽體核心和外圍桿狀結(jié)構(gòu)組成，而CpcL-PBS僅由一條桿狀結(jié)構(gòu)組成，能夠特異性地與PSI結(jié)合形成PSI-CpcL-PBS復(fù)合體。然而，長期以來關(guān)于這一復(fù)合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)、CpcL-PBS與PSI的結(jié)合方式和其能量傳遞路徑一直缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。

研究人員選取絲狀固氮藍(lán)藻Anabaena sp. PCC 7120為研究材料，在分離超大復(fù)合體的基礎(chǔ)上，利用冷凍電鏡技術(shù)首次解析了PSI-CpcL-PBS和CpcL-PBS超分子復(fù)合體高分辨率結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，CpcL-PBS位于PSI四聚體的基質(zhì)側(cè)，是一個(gè)由18對藻藍(lán)蛋白αβ單體以及4個(gè)連接蛋白CpcL、CpcC1、CpcC2和PecC組成的三層桿狀復(fù)合體，共包含40個(gè)亞基和54個(gè)藻膽色素分子。其中，CpcL、CpcC1、CpcC2和PecC依次排列，構(gòu)成支撐整條桿狀藻膽體組裝的骨架。進(jìn)一步分析表明，CpcL介導(dǎo)PBS與PSI的結(jié)合，CpcL的C端跨膜螺旋插入PSI四聚體2個(gè)單體之間的交界面處，與PsaA、PsaB和PsaM發(fā)生相互作用，與此同時(shí)，PSI中的脂質(zhì)分子SQD801通過與CpcL的疏水相互作用調(diào)控CpcL與PSI的結(jié)合。在能量傳遞過程中，位于CpcL-PBS近膜端的3個(gè)關(guān)鍵藻膽素1Iβ821、1Iβ822和1Iβ823均處于可向PSI葉綠素傳遞能量的有效位置范圍內(nèi)，可作為PBS向PSI能量傳遞的末端供體。

該研究首次從原子和近原子水平揭示了藍(lán)藻PSI-CpcL-PBS超級復(fù)合體整體在光合膜上的組裝方式，闡明了CpcL介導(dǎo)PBS與PSI結(jié)合的分子機(jī)制，為理解藍(lán)藻PSI特異性捕光天線的組裝和光能傳遞提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

該研究成果于3月25日在線發(fā)表在《PNAS》期刊上。中科院植物所已畢業(yè)博士研究生毛志遠(yuǎn)、特別研究助理李振華和已畢業(yè)博士研究生李星玥為論文共同第一作者，韓廣業(yè)研究員和王文達(dá)研究員為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2530459123

藍(lán)藻Anabaena sp. PCC 7120的PSI-CpcL-PBS及CpcL-PBS的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。