Plant Com | 杭州师范大学徐晓玲课题组与中国科学技术大学田长麟教授团队合作揭示光合玫瑰菌环式电子传递链的作用机制

光合作用是地球上最重要的化学反应，为生命活动提供物质和能量基础。光合作用起源于细菌，通过基因在不同物种之间的“旅行”而逐渐出现在藻类和高等植物中。经过长期的进化和演变，以保持高效能量传递和转化为前提，各类光合生物呈现出多种多样的光合系统。

光合玫瑰菌（Roseiflexus castenholzii）是一种嗜热的不产氧光合细菌，在进化中形成了一套独特高效的光能吸收、转化和环式电子传递（cyclic electron transport, CET）系统。此系统没有外周天线，唯一的捕光复合体（LH）由多个脱辅基蛋白的异二聚体（LHαβ）组成环状，将反应中心（rcRC）紧密包围在中间。rcRC通过特殊细菌叶绿素对接受LH捕获的光能，原初光电反应释放的电子还原甲基萘醌（MQ）为氢醌。特别的是，一种全新的电子载体蛋白复合体rcACIII取代了光合和呼吸电子传递链中都不可或缺的cyt bc₁/b₆f 复合物，氧化氢醌并将电子传给膜周质的蓝铜蛋白金色蓝素（Auracyanin, rcAc），后者被认为将电子传回rcRC而完成环式电子传递。然而，尚未有直接、完整的实验证据证实此环式电子传递过程，rcACIII内部的电子传递路径及其与下游电子受体之间的相互作用也不清楚，制约了对不产氧光合电子传递链的研究和应用。

2023年9月14日，杭州师范大学徐晓玲课题组与中国科学技术大学田长麟教授、中国科学院强磁场科学中心于璐副研究员在Plant Communications期刊上合作发表了题为“A cytochrome c₅₅₁ mediates the cyclic electron transport chain of anoxygenic phototrophic bacterium Roseiflexus castenholzii”的研究论文。该研究综合运用电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR）、光谱学、酶学和X-射线晶体学方法，首次通过实验证实了由rcRC-LH、rcACIII和rcAc组成的环式电子传递链，并发现了一种新的电子载体cyt c₅₅₁介导光合玫瑰菌环式电子传递的作用和结构基础，为研究不产氧光合细菌的电子传递和能量代谢机制奠定了基础。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100715

研究人员首先内源提取并纯化出参与环式电子传递的关键复合体（rcRC-LH、rcACIII、rcAc等），结合自行搭建的EPR系统和氧化还原调节方法，表征出各电子传递复合体在体外实验环境中的氧化还原活性。在此基础上，通过EPR、光谱学、酶学和氧化还原电势的测定，依次证实了环式电子传递通路中双组分（MQH₂ à rcACIII、rcACIII à rcAc、rcAc à rcRC-LH）、三组分（MQH₂àrcACIIIàrcAc、rcACIII à rcAc à rcRC-LH）、四组分（MQH₂à rcACIII à rcAc à rcRC-LH）之间的电子传递过程。结合光激发条件，进一步证实了由rcRC-LH à MQ/MQH₂à rcACIII à rcAc à rcRC-LH组成的完整环式电子传递通路（图1）。

图1 针对光合玫瑰菌环式电子传递通路的EPR研究

rcAc是光合玫瑰菌电子传递链中唯一已知的膜周质侧电子受体，但不排除存在其他电子受体，参与协调rcACIII在光合和呼吸电子传递链中的作用。研究人员从光合玫瑰菌中分离到一个分子量约15 kDa的可溶蛋白。经肽指纹图谱鉴定，其氨基酸序列与cyt c（Rcas_2631）有72.8%的覆盖率。光谱学研究发现，此内源提取的细胞色素蛋白在551 nm处具有特征性的还原吸收峰，因此将其命名为cyt c₅₅₁。通过光谱学、酶学、EPR和氧化还原电势的测定，作者证实了cyt c₅₅₁是rcACIII的直接电子受体，可接受rcACIII氧化MQH₂后释放的电子，并将其传回光激发的rcRC-LH，从而完成一个替代环式电子传递链。此外，作者还解析了cyt c₅₅₁血红素结合结构域3.1-Å分辨率的晶体结构，通过比较同源结构和分析表面电荷分布，发现cyt c₅₅₁与rcRC-LH之间的长程静电相互作用和短程疏水相互作用为瞬时电子传递提供了结构基础（图2）。通过对光合玫瑰菌在缺铜培养条件下cyt c₅₅₁和rcAc基因表达水平的检测，研究人员进一步发现cyt c₅₅₁很可能在缺铜条件下取代rcAc，作为膜周质侧主要的电子受体介导rcACIII和rcRC-LH之间的环式电子传递。

图2 光合玫瑰菌cyt c₅₅₁介导rcACIII和rcRC-LH之间环式电子传递的结构基础

最终，基于多种谱学、结构生物学与物理化学表征，研究人员揭示了光合玫瑰菌环式电子传递链的完整通路：rcACIII氧化MQH₂后释放的电子经内部结合的3Fe-4S和6个c-型血红素传递给蓝铜蛋白rcAc或cyt c₅₅₁，这两种电子载体在周质腔中运动并将电子传回给光激发的rcRC-LH，从而完成了电子的循环传递（图3）。此工作扩展了生物体系电子传递和能量代谢机制的多样性和分子进化，为深入研究光合和呼吸作用等生物圈能量代谢过程的电子传递机制提供了一条行之有效的研究思路。值得一提的是，该工作是徐晓玲课题组继解析光合玫瑰菌rcRC-LH、rcACIII及其下游电子受体rcAc的结构和作用机制（Nat Commun. 2018；Sci Adv. 2020；Photosynth Res. 2020；eLife, 2023）后，对其环式电子传递链作用机理的系统梳理，为不产氧光合细菌能量代谢机制的研究和应用奠定了基础。

图3 光合玫瑰菌环式电子传递通路的作用模型

中国科学院强磁场科学中心于璐副研究员、杭州师范大学已毕业硕士生闵真真为论文的共同第一作者，徐晓玲教授为论文的通讯作者。中国科学技术大学田长麟教授对本课题给予了大力支持。杭州师范大学已毕业硕士生刘梦华、副研究员辛越勇，中国科学技术大学博士生刘傲锟、邝健，华盛顿大学的Robert E. Blankenship教授等人参与了本文的研究内容。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青促会项目、浙江省自然科学基金、稳态强磁场实验装置（SHMFF）和上海同步辐射光源的共同支持。

文章链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(23)00261-4