柳振峰研究组发现绿藻光系统II修复循环早期阶段发挥关键作用的分子

　　

　　植物、藻类和蓝细菌通过光合作用过程将光能转化为化学能，源源不断地为地球上的各种生命体提供能源和呼吸所需的氧气。光系统 II （photosystem II,PSII）是放氧型光合作用体系中的能量转换器，利用光能来驱动水：质体醌的氧化还原反应过程，将水分子裂解为氧气和质子，并还原质体醌生成质体醌醇。PSII催化的反应需要在光能的激发和驱动下才能发生，然而PSII中的功能基团非常容易在光照的诱导下和在光合过程中产生的副产物活性氧的作用下受到损伤而失去活性。受到损伤的PSII需要通过一个被称为PSII修复循环的复杂生物学过程来恢复功能。在绿藻和植物叶绿体中，PSII通常与捕光复合物LHCII组装形成PSII-LHCII超复合物，受到损伤的PSII-LHCII超复合物需要被逐步解组装形成一些中间态的亚复合物，并将其中损伤最为严重的D1亚基暴露给叶绿体蛋白酶进行降解。随后，一条新生的D1肽链被叶绿体核糖体合成并插入到类囊体膜内，与色素分子和其它亚基逐步组装在一起，最终形成一个完整的有功能的PSII-LHCII超复合物。

　　2024年6月18日，中国科学院生物物理研究所柳振峰研究组联合西湖大学李小波研究组和中国科学院植物研究所田利金研究组，在《Nature Communications》期刊上发表题为"Structural basis for an early stage of the photosystem II repair cycle in Chlamydomonas reinhardtii"的研究论文。该项工作综合应用生物化学、质谱分析和冷冻电镜技术，发现在高光条件下制备的PSII核心单体复合物上结合了TEF14（Thylakoid Enriched Factor 14）、PRF1（Photosystem II Repair Factor 1）和PRF2（Photosystem II Repair Factor 2）这三个蛋白因子以及一个α-生育酚醌分子（α-tocopherol quinone,α-TQ），并因此将该复合物命名为PSII-TPP复合物（图1）。

图1：PSII修复早期过程中形成的PSII-TPP复合物。PSII核心大亚基和新发现的三个蛋白因子及α-TQ分子用彩色表面模型显示，灰色表面模型为一些其它小亚基。围绕PSII-TPP复合物的类囊体膜上脂类分子用灰色棍状模型显示。注：图中的类囊体膜为预测的模型，用于展示PSII-TPP与膜之间的相对关系。

　　TEF14是一个结合在PSII核心亚基CP47囊腔侧结构域表面的可溶蛋白（图1）。该蛋白与前人在拟南芥中发现的在PSII修复中发挥重要作用的高光下光系统II维护因子2（MPH2，Maintenance of Photosystem II under High Light 2）为同源蛋白，提示TEF14可能在衣藻PSII修复过程中发挥作用。在tef14突变体中，PSII二体复合物上PsbO亚基的积累量高于野生型，分析结果显示TEF14可能参与PSII修复早期超复合物解组装过程中PsbO的解离过程。在PSII-LHCII超复合物中，PsbO的结合掩盖并稳定了D1蛋白的囊腔侧环状区。缺失TEF14导致PsbO的解离和D1蛋白的降解受阻，进而影响PSII的修复。

　　PRF1是一个单次跨膜蛋白，与CP47的基质侧表面、跨膜区侧面以及位于囊腔侧的TEF14蛋白结合（图1），其在CP47跨膜区表面的结合位点与PSII-LHCII中的外周捕光天线复合物CP29的结合位点重叠。在prf1突变体中， PSII-LHCII超复合物的积累量高于野生型，提示该蛋白可能参与促进PSII修复过程中外周天线复合物从PSII解离的过程。PRF2是位于细胞色素b₅₅₉附近的另一个单次跨膜蛋白，结合在PsbE和PsbF亚基的一侧（图1）。该蛋白的结合使得D1蛋白基质侧的一段环状区（DE-Loop，Gln261-Asn267）发生主链构象翻转，导致PSII中的质体醌扩散通道由开放状态转变为关闭状态。在高光条件下，prf1和prf2突变体藻株细胞中PSII光化学的最大量子效率都显著低于野生型，与tef14突变体的表型相似。

　　α-生育酚醌（α-TQ）是一个在植物光保护过程中发挥重要作用的小分子化合物，研究发现在PSII-TPP复合物中存在一个α-TQ的结合位点，位于PsbX和PsbF亚基之间的凹槽中。该位点靠近PSII中细胞色素b₅₅₉上结合的血红素基团，二者共轭环平面间最小距离只有13.6 ?，有利于二者之间通过电子隧穿传递电子。以往的研究表明，细胞色素b₅₅₉中的血红素可将氧气分子还原为活性氧自由基，而α-TQ具有将细胞色素b₅₅₉氧化的能力。该项工作首次发现位于细胞色素b₅₅₉附近的α-TQ结合位点，结果提示α-TQ可能通过竞争性氧化的方式来防止细胞色素b₅₅₉将电子传递给周围的氧气分子，避免活性氧的产生，从而起到保护PSII的作用。

　　基于生物化学和结构分析结果，该项研究提出了PSII修复循环中TEF14、PRF1、PRF2和α-TQ发挥功能的工作机制模型（图2）。

图2：TEF14、PRF1、PRF2和α-TQ在PSII修复的早期阶段发挥作用的工作机制模型

　　中国科学院生物物理研究所柳振峰研究员和西湖大学生命科学学院李小波研究员为该论文的共同通讯作者。生物物理研究所李安节博士和西湖大学生命科学学院尤婷婷同学为论文的共同第一作者。中国科学院植物研究所庞肖杰博士和田利金研究员、生物物理研究所王伊迪同学也参与了该项研究。该项研究得到了国家自然科学基金委员会杰出青年科学基金项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和国家重点研发计划的资助。冷冻电镜数据收集、质谱分析和等温滴定量热分析工作分别得到了中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心、蛋白质组学技术实验室、结构与功能分析技术实验室工作人员们的帮助和支持。该研究使用的pph1;pbcp突变体藻株来自于瑞士日内瓦大学Michel Goldschmidt-Clermont教授实验室。

　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49532-2

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（供稿：柳振峰研究组）

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