生命科学学院潘晓伟课题组与合作者揭示小立碗藓独特PSI超分子复合物的精细结构


2023720日,国际著名期刊《Nature Plants》(IF=18.0)在线发表了我院结构生物学实验室潘晓伟课题组与中国科学院生物物理研究所李梅课题组合作完成的研究论文Structural insights into the assembly and energy transfer of the Lhcb9-dependent photosystem I from moss Physcomitrium patens,报道了小立碗藓来源的光系统I超分子复合体的冷冻电镜结构,揭示了在不同光照条件下小立碗藓光系统I捕光天线的动态调节机制。

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绿色谱系植物从水生环境向陆生环境过渡的过程中,苔藓植物作为首次登陆的植物类群脱颖而出。苔藓植物包括苔类、藓类和角苔类,藓类中的小立碗藓(Physcomitrium patens, P. patens)作为一种重要的模式植物被广泛应用于各研究领域。


光系统I(Photosystem I, PSI)和光系统II(Photosystem II, PSII) 是光合作用光反应过程中负责光能捕获、传递和转化的两个重要光合装置,由核心复合物和外周捕光天线(Light-Harvesting Complex, LHC)两部分组成。与绿藻和高等植物相比,小立碗藓具有独特和多样的捕光天线组成以适应不同的光环境变化。近年来的研究表明,小立碗藓中至少存在三种不同天线尺寸的PSI,最大尺寸的PSI (PpPSI-L) 显示出一种在高等植物和藻类中都没有的独特组成,对其结构研究将为揭示早期植物对陆生环境的适应提供重要线索。


该项研究通过解析小立碗藓来源的PSI超分子复合体的单颗粒冷冻电镜结构,发现并定位了组成该复合体的26个蛋白亚基,包括14PSI核心蛋白亚基,一个磷酸化的LHCII三体,一个小立碗藓特有的天线蛋白Lhcb9以及两层不平行排列的天线带(每层天线带分别由四个LHCI天线蛋白组成)(图1a)。基于结构所确定的若干色素分子的位置、距离和取向,作者构建了小立碗藓PpPSI-L中潜在的能量传递途径并初步计算了传递速率(图1b)。

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                                   图1 小立碗藓PpPSI-L整体结构(a)及潜在的能量传递途径(b)。


该结构分析确定了Lhcb9和磷酸化LHCII在稳定复合物中的重要作用。此外,发现其内外层天线带的LHCI蛋白组成及排列顺序均相同,且PpPSI-L具有内部灵活性,该复合物中的LHCII三聚体和外层的LHCI天线带相对于核心复合物分别向基质侧和腔侧倾转,使该复合物在跨膜区呈现不连续的曲率。这些结构特征提示小立碗藓中不同PSI形式可能共享相同模块,使其在不同组成形式之间快速转换,这一特性有利于小立碗藓PSI在不同光照条件下的动态调节。该研究为阐明植物从水生向陆生演化过程中PSI结构的变化提供了重要线索,为光系统的动态组装过程和能量传递过程提供了重要依据,同时也为理解植物光适应和光保护机制的多样性提供了重要信息。


中国科学院生物物理所博士研究生孙海玉和首都师范大学硕士研究生商慧为该项工作的共同第一作者。中国科学院生物物理研究所李梅研究员和首都师范大学潘晓伟教授为该工作的共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项(B类)和生物大分子国家重点实验室开放基金的共同资助。小立碗藓原始材料由首都师范大学何奕騉教授团队提供。数据收集和样品分析等工作得到了中国科学院生物物理所生物成像中心,蛋白质科学研究平台以及中国科学院植物研究所光生物学重点实验室仪器平台等有关工作人员的支持和帮助。


论文链接: https://www.nature.com/articles/s41477-023-01463-4