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隋森芳研究组在《自然》发文报道首个完整藻胆体的冷冻电镜三维结构

2017年10月19日,清华大学生命科学学院隋森芳教授研究组在《自然》(Nature)杂志上以长文(Research Article)形式在线发表题为《海洋红藻藻胆体的结构》(Structure of phycobilisome from the red alga Griffithsia pacifica)的研究论文,首次报道了世界上第一个完整藻胆体的近原子分辨率的冷冻电镜三维结构,为揭示藻胆体的组装机制和光能传递途径奠定了重要基础。

光合作用是地球上的生物赖以生存的基础。为了获取更多的光能,生物体发展出了多种捕光蛋白系统。其中存在于蓝藻和红藻中的藻胆体是迄今已知的最大的捕光蛋白复合物,它位于膜表面,并与位于膜中的光和反应中心结合,能将吸收的太阳光以极高的效率传递给光合反应中心以便进一步转化为有机物并释放氧气。这个巨大的超分子复合体的组装机制和光能在其中的传递机制一直是光合作用研究领域的前沿热点问题。

隋森芳教授研究组长期致力于利用冷冻电镜技术研究与生物膜相关的重要蛋白质复合物的结构与功能。此前曾于2005年在FEBS Letter杂志报道了来源于蓝藻发菜的完整藻胆体的电镜结构,分辨率约为30 Å。随后又于2015年在Cell Research杂志报道了来源于蓝藻鱼腥藻的完整藻胆体的负染电镜结构,分辨率约为20 Å。在此次发表的《自然》论文中,隋森芳教授研究组攻克了藻胆体在冷冻制样时盐浓度高、稳定性差、具有优势取向等难题,获得了近原子分辨率的冷冻电镜结构,其中整体结构分辨率为3.5 Å,核心区域分辨率达到3.2 Å。这是第一个完整藻胆体的近原子分辨率的三维结构,也是迄今为止报道过的分辨率高于4 Å的最大的蛋白复合体结构,该复合体理论分子量为16.8MDa,包含862个蛋白亚基。这个工作第一次解析出了所有连接蛋白在功能组装状态下的结构,包括4个核内连接蛋白,16个核杆连接蛋白、52个杆连接蛋白的结构,第一次观察到这些连接蛋白有序地形成了超分子复合体的结构骨架,为色素蛋白的精密组装及高效率的能量传递提供了结构基础。还值得一提的是该工作第一次确定了藻胆体中全部2048个色素的整体排布,并推测出了多条新的能量传递途径,为进一步理解藻胆体内的能量传递机制提供了坚实的基础。

图1 红藻藻胆体的三维结构,a b分别为正面和底面两个不同取向,c为由连接蛋白形成的结构骨架,d为色素的整体分布

 

清华大学生命科学学院隋森芳教授和孙珊副研究员为本文的共同通讯作者;生命学院已毕业博士生张君(现为英国剑桥MRC分子生物学实验室博士后)、在读三年级博士生马建飞为本文的共同第一作者。生命学院博士后刘德生参与了结构模型的优化,中国科学院烟台海岸带研究所的秦松研究员参与了前期样品筛选工作,北京大学生命科学学院的赵进东教授参与了生化数据的分析和撰稿。国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台,以及清华大学高性能计算平台为数据收集和处理提供了支持。膜生物学国家重点实验室、北京市结构生物学高精尖创新中心、科技部、国家自然科学基金等为本研究提供了经费支持。

 

原文链接:http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature24278.html

 

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