作为地球上古老的初级生产者，蓝藻光合作用所产生的氧气，为复杂生命的出现提供了不可或缺的条件1。作为蓝藻的捕光蛋白，藻胆体 (phycobilisome, PBS) 能够迅速捕获太阳光，将能量通过PBS内部色素形成的网络传递到光合反应中心2 (图1)。
图1. 藻胆体的大致结构3 (PC: phycocyanin; APC: allophycocyanin; TE: terminal emitter; RC: photosynthetic reaction center)
在PBS中，藻胆素和藻胆蛋白呈共价结合，藻胆蛋白进一步形成圆盘状的三聚体 (αβ)3 或六聚体 (αβ)6，在连接蛋白的作用下，这些圆盘状结构可以组装成PBS的核心 (core) 和杆 (rod)，最终形成完整的PBS4。
对于PBS而言，向光合反应中心 (photosynthetic reaction center, RC) 传递能量的反应级联是快速而高效的。但光的过度吸收，会对蓝藻造成致命的损伤，为了避免这种损伤的出现，细胞内进化出了相应的光保护机制，称非光化学淬灭 (non-photochemical quenching, NPQ)。静息态的类胡萝卜素分子OCPO吸收蓝绿光后，会转变为OCPR，结合PBS，导致NPQ的发生5 (图2)。虽然NPQ对生物体本身具有重要的保护意义，但会导致细胞对光能的利用效率极大下降。理解OCPR致PBS能量耗散的机制，对于蓝藻等生物的工业化利用具有重要的意义。
图2. PBS结合OCPR后发生淬灭6
2022年8月31日，密歇根州立大学的Cheryl A. Kerfeld和加利福尼亚大学伯克利分校的Paul V. Sauer在Nature上共同在线发表题为Structures of a phycobilisome in light-harvesting and photoprotected states的科研论文，报道了Synechocystis sp. PCC 6803中6.2 MDa的PBS 3种不同的构象状态 (图3)，同时解析了PBS结合OCPR的结构。本文的结构首次提供了PBS处于淬灭与非淬灭状态的结构，同时并结合光谱学研究，提出了PBS可能的能量转移途径，为理解蓝藻中光捕获与光保护机制的理解提供了更多的信息。
图3. PBS的3种构象状态
研究人员将PBS生物素化后，利用链霉素化的电镜载网进行冷冻样品制备，通过这种方法，可以较好的减少样品的优势取向，并增加蛋白的稳定性。PBS核心由3个圆柱状结构组成，即位于上方的T柱 (top cylinder) 和位于基部的B柱 (basal cylinder，分为B1和B2)。其中，T柱结合4个杆，每个B柱各结合1个杆。PBS核心由80多条多肽链和72个藻胆色素 (phycocyanobilins, PCBs) 组成，每个杆则包含40个蛋白亚基和54个PCBs。完整的PBS共含320个蛋白和396个PCBs。
在文章所报道的3种PBS构象中，有2种是之前未知的，这些构象的主要区别在于与T柱结合的4根杆。在这4根杆中，有2根位置可变，称为可动杆，有2根位置固定，称为静态杆。3种构象整体上可以定义为上-上构象、上-下构象和下-下构象。在典型的、此前已知的上-上构象中，2根可动杆均朝向上方；在上-下构象中，可动杆1根向上，一根向下；而在下-下构象种，2根可动杆均朝向下方，这种状态使得PSB的整体高度下降了100 Å以上。
除PBS本身的结构外，文章还解析了PBS-OCPR整体2.7 Å的结构 (图4)。在该复合物中，PBS本身为上-上构象。过去的研究倾向于认为PBS有1-2个OCP结合位点7，但本文的结构发现共有4个OCPR与PBS核心结合。4个OCPR可形成2个二聚体，二聚体中的2个OCPR分别结合T柱和B柱。OCPR的结合位点位PBS核心与可动杆作用位点下方，此时可动杆无法向下摆动，因而PBS本身处于上-上构象。
图4. PBS-OCPR复合物结构
此外，本文的结构较完整地揭示了PBS中连接蛋白的组成，这些连接蛋白位于核心与杆的腔隙中，作为骨架存在，同时确保色素的取向和间隔合理 (图5)。
图5. PBS连接蛋白整体组成
结合密度图和质谱结果，研究人员确定了一种此前未知的连接蛋白组分，依据已建立的命名规则，将其命名为ApcG。结构中的2个ApcG分别结合2个B柱，其C端短螺旋嵌于连接蛋白ApcA的沟槽内 (图6)。由于ApcG的位置十分靠近发射终端 (terminal emitter, TE, 见图1)，研究人员猜测其可能在PBS的定位以及能量转移中发挥关键作用，但仍有待未来进一步探究。CpcG1从每个PBS杆的中央腔隙中发出，锚定在核心柱状结构的表面，介导杆与核心之间的连接。
图6. 鉴定一种新的连接蛋白ApcG
OCP由N-端结构域 (N-terminal domain, NTD) 和C-端结构域 (C-terminal domain, CTD) 共同组成，二者之间以柔性的氨基酸链相连。在OCPR结合PBS之后，NTD与CTD分离，结合的类胡萝卜素分子完全易位到NTD中，CTD围绕NTD旋转约220°。对比本文OCPR的结构与OCP的晶体结构，发现NTD与CTD柔性氨基酸链上的E174导致类胡萝卜素周围静电分布出现明显的不对称性，这种特点或许能够稳定OCPR在其结合位点上的结合。
图7. OCP结合PBS以及不结合PBS的结构
在文章的最后，依据已经获得的结构信息，作者对PBS内部可能的能量转移机制进行了推测。在本文所提出的模型中 (图8)，任何色素的激发都会迅速地传递到TE，而能量转移的瓶颈位于核心与杆之间。
图8. 上-上和上-下构象中的色素分布以及色素间能量转移情况
综上，减少NPQ过程中的能量损耗，是实现蓝藻作为太阳能细胞工厂的关键。本文所报道的不同构象的PBS结构以及PBS-OCPR淬灭复合物的结构对于蓝藻光利用和光保护的机制具有重要意义。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05156-4
转自：“北京生物结构前沿研究中心”微信公众号
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