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生物物理所解析出植物光保护蛋白PsbS的晶体结构

中国生物技术网 2020-01-13 14:45:24

图示:PsbS整体结构。a. PsbS单体结构飘带示意图;b. PsbS二体结构示意图;c. PsbS二体界面处结合的叶绿素a;d. PsbS二体结合的qE抑制剂DCCD。

  植物与太阳光的关系是“爱恨交加”,一方面光能对于植物进行光合作用是必需的,但另一方面过量的光能又会导致植物光合作用装置的氧化性损伤,于是植物逐渐进化出了一种保护机制。在高光照条件下,植物类囊体腔侧的pH会由正常条件下的6.5降低至5.5–5.8,从而激活嵌在类囊体膜上的光保护蛋白PsbS,并进而诱发一种非常有效的高光保护机制——能量依赖的淬灭(energy-dependent quenching,qE)。通过qE,植物可以把捕光复合物吸收的过量光能以热的形式安全地耗散掉,从而减少或避免光氧化性损伤。早在2000年,已有报道表明PsbS在qE功能中发挥关键作用,但是对于PsbS是否结合色素一直存有争议,其参与光保护作用的机制也并不清楚,因而解析其三维结构成为本领域期待已久的研究课题。

  中国科学院生物物理研究所常文瑞院士课题组于四年前开展了PsbS的晶体结构研究。经过大量的摸索,他们建立了一个从菠菜叶片中大量纯化PsbS的方案,并在纯化和结晶的过程中一直维持酸性pH值条件,最终解析了PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构。结构显示,PsbS由四段跨膜螺旋组成,其结构紧密,单体内部没有色素结合位点,展现出与该课题组之前解析的同家族其它捕光复合物LHCII和CP29完全不同的结构特点。结合晶体结构分析和一系列的生化实验,他们证明PsbS在低pH下(活性状态)是一个紧密的二体,从而纠正了之前该领域的主流观点,即PsbS在活性状态为单体。此外,结合生化实验和PsbS与qE抑制剂DCCD复合物的结构分析,他们发现PsbS在非活性状态(中性pH)和活性状态均是二体,二者之间的转变可能是由于PsbS位于类囊体腔侧的loop感受pH改变引起的构象变化所致。有趣的是,他们还发现低pH下的PsbS二体界面处结合了一个叶绿素a,提示PsbS有可能在体内直接参与qE。这些研究结果为理解PsbS是如何被激活和抑制以及其参与qE的可能机制奠定了重要基础。

  该项研究成果已被国际期刊Nature Structural & Molecular Biology接收并于2015年8月10日在线发表,文章题为Crystal structures of the PsbS protein essential for photoprotection in plants。审稿专家称本工作“非常令人兴奋,并且带来很多惊喜,为研究PsbS的功能提供了新的视角”,“跨出了重要的一步”;“是优秀的、领域内长时间期待的并且迫切需要的一项研究工作”。

  常文瑞课题组的博士生范敏锐为论文第一作者,常文瑞和副研究员李梅为通讯作者。生物物理所研究员柳振峰也对该项研究做出重要贡献。该研究得到了科技部973计划、中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的支持。

来源:生物物理研究所

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