研究揭示绿藻光系统II修复过程不同模块重新装配原理
植物和藻类等光合生物可进行放氧型光合作用，在将光能转化为化学能的过程中裂解水并放出氧气和质子，为地球生物圈系统的能量与氧气提供主要来源。光系统II（PSII）是位于类囊体膜上的多亚基蛋白色素复合物，在光能的驱动下通过催化水分子的氧化和质体醌的还原来参与光合电子传递过程。在植物和绿藻叶绿体中，成熟的PSII是由核心复合物和外周捕光复合物II（LHCII）形成的PSII-LHCII超复合物（PSII-SC）。在光照下，PSII的核心亚基D1易发生光损伤进而抑制PSII活性，造成光合作用效率下降。这一现象在高光照条件下尤为显著。因此，光合生物演化出PSII修复循环机制。该过程包括PSII-SC解组装、损伤D1蛋白降解、新D1蛋白合成和重新形成中间态复合物、CP43模块与RC47重新组装形成PSII核心复合物（PSII-C）、PSII-C单体二聚化并与外周天线复合物组装形成PSII-SC。
前期，中国科学院生物物理研究所柳振峰研究组揭示了PSII修复过程早期阶段的分子机制，而PSII修复中后期阶段中复合物重新组装过程的原理仍不明晰。既往研究发现，绿藻叶绿体中的TEF30是一个与PSII修复有关的蛋白因子，其在高等植物中的同源蛋白名为MET1。生化研究结果表明，TEF30可能参与PSII核心亚基CP43的重组装与PSII-SC的形成，但其发挥功能的分子基础尚不清楚。
该研究结合抗体亲和纯化和蔗糖密度梯度超速离心方法，制备了结合TEF30的PSII修复中间态复合物样品，并通过单颗粒冷冻电子显微学方法解析了四个含有TEF30的PSII中间态复合物的近原子分辨率结构，分别命名为TEF30-C、TEF302-C2-I、TEF302-C2-II和TEF30-C2S。
分析显示，TEF30结合在PSII-C的基质侧表面，与PSII的核心亚基D1、D2、CP43和PsbI四个亚基形成了多对极性相互作用。生物膜干涉实验结果表明，TEF30与PSII-C之间具有较高亲和力，解离常数KD为9.4 nM，截短TEF30与CP43或RC47相互作用的结构基序会降低TEF30与PSII-C的相互作用。在TEF30-PSII复合物中，TEF30的结合位点横跨RC47与CP43模块的界面，这与此前基于生化分析实验提出的TEF30介导CP43重组装功能的结论一致，并确定了与TEF30相互作用的蛋白亚基和具体结合位点。
研究发现，在TEF30-C2S中，仅一侧的PSII-C结合了TEF30，但未结合外周天线，而对侧未结合TEF30的PSII-C旁结合了外周天线。TEF30-C2S与成熟C2S2型PSII-SC结构的叠合比较显示，TEF30与成熟C2S2中同侧的外周天线存在部分重叠。这种空间位阻效应可防止外周天线在PSII修复过程中过早地结合PSII-C，以保护尚不能进行能量转化的PSII-C免受过剩激发能的损伤。
进一步，该研究通过对TEF302-C2-I、TEF302-C2-II、TEF30-C2S和成熟PSII-SC结构进行叠合比较，发现多个不同中间状态的PSII-C二聚体。结构分析提示，在重新组装和成熟的过程中，PSII二聚体中2个PSII-C单体的相对位置会发生滑移和重排，从而在其两侧形成能够同时容纳LHCII、CP26和CP29三个外周天线复合物的锯齿状表面。
基于生物化学和冷冻电镜结构分析结果，上述研究提出了TEF30参与的PSII修复循环中后期不同模块重新装配形成成熟的PSII超复合物的工作机制模型。
6月27日，相关研究成果发表在《自然-植物》（Nature Plants）上。
论文链接
四种不同TEF30-PSII复合物的冷冻电镜密度图
TEF30参与的PSII修复中后期分子机制模型
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