New Phytologist | 中国科大揭示分子伴侣参与固碳机器羧酶体组装成熟的分子机制

　　

中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授/江永亮副教授课题组联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心米华玲研究员课题组，利用X-射线衍射技术解析了参与蓝藻固碳机器羧酶体组装的分子伴侣CcmS及其与外壳蛋白CcmK1六聚体、CcmK1-CcmK2异六聚体的复合物晶体结构。基于结构和生化分析以及生理实验，作者鉴定了CcmS在调控β-羧酶体组装和维持固碳功能方面的作用，为人工设计高效固碳系统提供新的思路。相关研究成果以“Assembly mechanism of the β-carboxysome shell mediated by the chaperone CcmS”为题于2025年03月24日在线发表于植物学知名期刊《New Phytologist》上。

光合作用是地球上最重要的生物化学反应，为几乎所有生物提供物质和能量，是维持生物圈稳态的基础。作为地球上最古老的光合自养微生物，蓝细菌每年固定CO₂的总量约占全球生物固碳的30%，是地球碳汇的主要贡献者。蓝细菌光合固碳的独特之处在于，其为应对环境中不断降低的CO₂浓度，进化出CO₂浓缩机制(CO₂ concentrating mechanism, CCM)，通过一系列的转运体将环境中的无机碳运输到细胞中，并在固碳机器羧酶体(carboxysome)内高度富集，从而提高固碳酶RuBisCO的催化效率。羧酶体是一种直径约100~300 nm的正二十面体，由外壳蛋白封装RuBisCO和碳酸酐酶有序自组装而成。根据内部被包裹的RuBisCO的种类不同，羧酶体分为α和β两种类型。其中β-羧酶体的外壳主要由BMC-H家族蛋白CcmK自组装形成，在模式蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803的β-羧酶体中，BMC-H有4个同源蛋白CcmK1-4，其中CcmK1和CcmK2为主要外壳蛋白，序列一致性超过90%，但与CcmK2相比，CcmK1具有C末端额外8个氨基酸残基。此前，中国科学院分子植物科学卓越创新中心米华玲研究员课题组发现一种新的羧酶体蛋白CcmS，其能特异性结合CcmK1的C末端，并且对β-羧酶体的组装及CCM正常功能至关重要。然而CcmS在β-羧酶体组装与功能中的具体作用机制尚不明确。

图1 CcmS-CcmK1与CcmS-CcmK1-CcmK2复合物结构

本文报道了蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803的CcmS晶体结构，单体采用α/β折叠类型。此外，CcmS与两种BMC-H六聚体（CcmK1同源六聚体和CcmK1-CcmK2异源六聚体）的复合物结构显示，CcmS以相同模式结合CcmK1的特征性C末端区域——该区域包含一个两亲性α-螺旋以及C末端的8个氨基酸残基，我们将其命名为铰链（hinge）。CcmS的结合稳定了CcmK1的铰链区域，使其从CcmK1的凹面一侧向外延伸，并且与邻近的CcmK1六聚体的铰链区域形成coiled-coil结构，从而有助于相邻的多个CcmK1六聚体组装，促进β-羧酶体外壳的精确组装（图1）。基于前期研究，我们提出了分子伴侣CcmS辅助蓝藻β-羧酶体组装的分子模型（图2）：β-羧酶体的RuBisCO与碳酸酐酶在支架蛋白驱动下交联凝聚形成核心，随后外壳蛋白CcmK1、CcmK2等自组装形成外壳包裹核心，最终BMC-P五聚体蛋白封闭顶点形成完整外壳。在组装过程中，分子伴侣CcmS稳定CcmK1的铰链区域，使其向外突出并进一步稳定相邻CcmK同/异源六聚体的互作界面，并且精准调控β-羧酶体的形态与大小。

图2 分子伴侣CcmS辅助β-羧酶体组装的分子模型

中国科大江永亮副教授、周丛照教授和中国科学院分子植物科学卓越创新中心米华玲研究员为该论文的共同通讯作者，中国科大博士生李竞、邓家鑫和中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后陈鑫为该论文的共同第一作者。蛋白质晶体数据收集工作在中国科大生命科学实验中心完成。该研究工作得到国家自然科学基金委、科技部和安徽省科技厅的资助。

原文链接：http://doi.org/10.1111/nph.70086