首个蓝藻藻胆体-光系统II超级复合体的细胞原位3.5 Å三维结构

　　

藻胆体（phycobilisome, PBS）是蓝藻和红藻主要的捕光天线，通过共价连接的色素团（bilins）将捕获的光能以极高的效率传递至光系统II（photosystem II, PSII）和光系统I（photosystem I, PSI）的反应中心以诱导光-化学能量的转化。虽然大多数光合作用相关蛋白复合物的结构已通过体外纯化的方式得到了解析，但在细胞内的天然状态下它们之间相互作用的方式以及能量传递的途径尚未得到解释。

清华大学生命科学学院隋森芳院士课题组一直致力于光合作用相关蛋白复合物的结构生物学研究。2017年，该团队在Nature期刊上首次报道了海洋红藻Griffithsia pacifica完整藻胆体的3.5 ?分辨率的冷冻电镜结构，揭示了藻胆体的精密组装机制。2020年，该团队在Nature期刊上报道了盐泽红藻Porphyridium purpureum完整藻胆体的2.8 ?分辨率的冷冻电镜结构，揭示了藻胆体中的能量传递机制。2023年再次在Nature期刊上发文报道了盐泽红藻原位藻胆体-光系统II-光系统I-捕光复合物超大复合体的3.3 ?分辨率的结构，首次阐明细胞内天然状态下 PBS-PSII-PSI-LHC超大复合体的组装机制，以及能量从PBS 向PSII和PSI的高效转移的机制，是该领域的一项重大研究成果。为了探究原核蓝藻向真核红藻进化过程中，光合蛋白的组织架构及能量传递机制的变化，该研究团队在此前红藻原位研究的基础上，进一步探究蓝藻的原位高分辨结构。

2024年8月22日，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心隋森芳院士课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志在线发表研究论文，题目为“通过STAgSPA策略解析蓝藻PBS-PSII超级复合体的原位结构”（In situ structural determination of cyanobacterial phycobilisome–PSII supercomplex by STAgSPA strategy）。该研究成果深入分析了STAgSPA 策略的优势，细致描述了蓝藻中原位PBS和 PSII 的分布、结构和相互作用方式以及它们所构成的复杂色素网络。

图1. STAgSPA工作流程

研究者们设计与优化了“子断层平均引导的单颗粒分析（Subtomograms averaging guided singe particle analysis，STAgSPA）”这一原位结构解析策略。该策略中，研究者们首先使用冷冻离子束减薄cryo-FIB技术制备了大量细胞切片，而后使用电子断层成像技术分析了PBS-PSII在类囊体膜上的分布特征，并使用子断层平均方法获取了PBS中等分辨率的多层堆叠结构（~10 ?）。借助这些信息，研究者们进一步通过高分辨模板匹配方法（isSPA），从原位的高剂量无倾角单颗粒照片中充分地挑选出潜在的PBS颗粒并进行原位单颗粒重构。经过多轮的精细三维分类与多重的掩膜局部优化，最终不仅获得了高分辨的PBS结构，还揭示了PBS所结合的PSII高分辨结构（图1）。目前，在绝大多数原位研究中获取膜蛋白的近原子分辨率结构依然是一大挑战，该策略有效结合了子断层平均技术与单颗粒技术的优势，在获取原位蛋白三维分布信息的同时达到了高分辨结构解析的目的，为未来更多的原位结构分析工作提供了有价值的参考。

通过STAgSPA原位结构解析策略，研究者们鉴定出了3个关键的连接蛋白结构（PBloop/LCM, LPP1和LPP2），而此前通过分离纯化均难以获得其结构。这些连接蛋白位于PBS与PSII的界面，共同介导了蓝藻PBS与PSII之间的结合。该原位结构揭示了天然状态下蓝藻形成“super PBS-PSII”模式的分子机制，，以及它们所形成的复杂的色素网络，和多个PBS-PSII复合体协同式的能量传递模式（图2和3）。红藻和蓝藻PBS-光系统复合体的结构和基因差异分析表明与红藻PBS-光系统之间通过多个连接蛋白的“强结合”方式不同，蓝藻PBS与PSII之间是以少量的极性相互作用进行的“弱结合”形式。这暗示了蓝藻的PBS更容易进行调整变化，以适应其生存环境中不断变化的光照条件。综上，该研究成果揭示了蓝藻PBS与PSII之间高效能量传递的结构基础，为光合系统的进化提供了重要的参考和依据，也为人工模拟光合作用研究提供了新的启发。

图2. 原位蓝藻PBS-PSII超级复合体的结构

图3. 原位蓝藻PBS-PSII超级复合体中的色素排布

这项成果中，清华大学生命科学学院博士后张星、南方科技大学博士后肖亚男和清华大学生命科学学院博士后游鑫为论文的共同第一作者，清华大学生命科学学院隋森芳教授和张星博士为论文的共同通讯作者。清华大学副研究员孙珊参与了结构分析。国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地冷冻电镜平台、计算平台，南方科技大学分析测试中心为该工作提供了技术支持。清华大学生命科学学院王宏伟教授提供了有益的讨论与建议。该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国科协青年人才托举工程项目、中国博士后科学基金、清华-北大生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心和北京市结构生物学高精尖创新中心等方面的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51460-0