上海設施用戶在光合作用超級復合物結構研究中獲重大進展
文章來源: | 發(fā)布時間:2016-06-03 | 【打印】 【關閉】
5月18日,國家蛋白質(zhì)科學研究(上海)設施電鏡分析系統(tǒng)用戶中國科學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,在3.2埃分辨率下解析了高等植物(菠菜)光系統(tǒng)II-捕光復合物II超級膜蛋白復合體(PSII-LHCII supercomplex)的三維結構。
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,基于結構的光合作用機理研究不僅具有重要的理論意義,同時也將為解決能源、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是從光系統(tǒng)II開始的,該復合物中包含了天線系統(tǒng)、反應中心系統(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神秘而復雜的精細結構將有助于理解該超分子機器的工作原理,也是結構生物學研究領域中多年來一直追求的熱點和難點課題,并且是光合作用研究領域中眾所期盼的一個超大膜蛋白-色素復合體三維結構。
該研究團隊通過聯(lián)合三個課題組的優(yōu)勢科研力量并發(fā)揮各自的特長,團結奮戰(zhàn),通過單顆粒冷凍電子顯微鏡技術,首次揭示了菠菜PSII-LHCII超級復合物的總體結構特征和各亞基的排布規(guī)律。研究結果解析了菠菜PSII核心復合物與其外周的主要捕光復合物LHCII三聚體,次要捕光復合物CP29和CP26之間相互裝配和識別的機制和位點。并且,在對菠菜PSII-LHCII超級復合物內(nèi)部高度復雜的色素網(wǎng)絡進行深入分析的基礎上,發(fā)現(xiàn)了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時,還對于在光保護過程中發(fā)揮作用的潛在能量淬滅位點進行了定位。研究結果對于進一步在分子水平理解PSII-LHCII超級復合物中的能量傳遞時間動力學和光保護機理具有重要意義。
在該項研究中,上海設施電鏡分析系統(tǒng)為其提供了充足的機時支持和技術支撐。由于PSII-LHCII樣品制備難度大,好的樣品難以重復,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,該研究團隊在設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了信心,為進一步的突破奠定了基礎。
電鏡分析系統(tǒng)自開放運行以來,累計服務用戶課題超過160個,為多項國家科技戰(zhàn)略先導專項、973和863項目等提供科研保障和技術支撐。截至2016年5月,蛋白質(zhì)設施用戶已經(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,為各領域科學研究起到重要的推動作用。電鏡分析系統(tǒng)現(xiàn)在正全面開放運行。
菠菜PSII-LHCII復合物整體結構(側面觀)
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,腔側朝上,而基質(zhì)側朝下。
