第一作者：辛吉瑀、师扬、张鑫
通讯作者：徐晓玲
发表期刊：eLife
期刊5-Year Impact Factor：7.57
通讯单位：杭州师范大学 基础医学院
论文DOI：https://doi.org/10.7554/eLife.88951
（一）成果简介
2023年9月22日，杭州师范大学徐晓玲教授课题组在eLife杂志（中科院一区TOP期刊）上发表了题为“Carotenoid assembly regulates quinone diffusion and the Roseiflexus castenholzii reaction center-light harvesting complex architecture”的研究论文。文章解析了光合玫瑰菌Native RC-LH（nRC-LH）在三种不同光照强度下的高分辨率（2.8~3.1埃）冷冻电镜结构，以及类胡萝卜素缺陷型RC-LH（dRC-LH）3.1埃分辨率的结构，结合生物化学和光谱学方法揭示了类胡萝卜素组装调控RC-LH复合体结构和醌交换的分子机制。
图1 elife杂志上online发表的稿件。
（二）引言
光合作用是地球上最重要的化学反应，它高效转换太阳能为化学能，将二氧化碳和水（或硫化氢）转化为有机物，并释放出氧气（或氢气），为几乎所有的生命活动提供能量。光合作用最早起源于细菌，通过基因在不同物种间的“旅行”而逐渐出现在藻类和高等植物中。
尽管各类光合生物具有不同的光系统，但所有的光合反应都起始于光能的捕获。此过程通过光合反应中心-捕光天线（Reaction Center-Light Harvesting，RC-LH）复合体中结合的天然色素——叶绿素或细菌叶绿素（(Bacterio)chlorophyll，(B)Chl）和类胡萝卜素（Caroteniod，Car）来完成。与叶绿素吸收蓝紫光和红光（390-700nm）不同，Car主要作为辅助色素捕获蓝绿光（450-550nm），在捕光、光保护和功能性RC-LH复合体的组装中发挥着重要作用。研究显示，Car合成基因crtB突变的紫色光合细菌Rhodobacter sphaeroides无法形成稳定的外周天线LH2；而突变核心天线LH1结合Car的氨基酸以降低LH1的Car含量后，进一步敲除形成RC-LH1醌交换通道的PufX亚基可促进突变菌株的光合生长。这些研究结果表明，Car在维持RC-LH的结构稳定和光反应效率方面具有重要作用，但Car与RC-LH复合体结构和光化学功能之间的关联尚不清楚。对此问题的解答，对理解光合作用机理和利用合成生物学方法提高光合效率至关重要。
（三）图文导读
光合玫瑰菌（Roseiflexus castenholzii）是一种嗜热的丝状不产氧光合细菌，它没有外周天线，唯一的捕光复合体LH融合了紫色光合细菌LH1和LH2的优势，其亚基组成和装配与LH1相似，而光谱学特征却与LH2相仿。2018年，杭州师范大学徐晓玲课题组报道了光合玫瑰菌RC-LH复合体4.1埃分辨率的冷冻电镜结构，发现其LH由15个LHαβ形成一个开放的椭圆环，紧密围绕着由L、M和细胞色素（cytochrome，cyt）c亚基组成的RC。特别的是，cyt c亚基通过一条独特的跨膜（transmembrane，TM）螺旋c-TM锚定在膜上，在LH环的开口处与新发现的X亚基共同形成一个醌交换通道。氢醌从RC-LH逃逸到质膜的醌池进行醌的交换是维持循环电子传递链所必需的。尽管已有的色素分析显示RC-LH中Car : BChl的摩尔比为2:3，冷冻电镜结构中每个LHαβ只结合着1个Car和3个BChl a（2个B880和1个B800）。因此，光合玫瑰菌RC-LH复合体中Car的数目，以及这些 Car在维持光合玫瑰菌RC-LH结构和功能方面的作用仍不清楚。
为了明确光合玫瑰菌RC-LH中Car的分布，研究人员在不同的光照强度（180、32和2 μmol m-2 s-1）下培养光合玫瑰菌，内源提取并分别解析了高、中、低三种光强下Native RC-LH（nRC-LH）在2.8、3.1和2.9埃分辨率的电镜结构。有趣的是，光强并不影响nRC-LH的结构和结合的Car数目，每个LHαβ在LH环的外侧（KγCext）和异二聚体之间（KγCint）各结合着1个酮基γ胡萝卜素分子（keto-γ-carotene，KγC），并在LH环开口处结合着1个额外的KγC，从而使得LH环上形成内、外两圈KγC分子（图2A，B），这与Car : BChl摩尔比为2:3的色素分析结果相吻合。更重要的是，新发现的KγCext和位于细胞质一侧的B800共同占据了LHαβ 亚基之间的醌穿梭通道，形成一种密闭的LH环构象（图2C）。此外，研究人员还首次确定了LH环开口处X亚基的氨基酸序列，发现X亚基通过与c-TM 和LHαβ通过疏水和弱氢键作用相互稳定（图2D，E）。
图2 光合玫瑰菌Native RC-LH（nRC-LH）复合体的结构。
除了新鉴定的X亚基，研究人员在RC中解析出了另外两个TM螺旋，并命名为蛋白Y和Z。其中，蛋白Y位于RC的L亚基和c-TM附近，与开口处额外的KγC存在氢键相互作用；在细胞质一侧，蛋白Y则与L亚基的TM5通过氢键相互作用而稳定（图3A，B）。与紫色光合细菌不同，光合玫瑰菌的RC缺少H亚基，但研究人员在LHα11和RC的M亚基之间发现了一个单独的TM螺旋，即蛋白Z，其通过氢键和疏水作用力与周围的氨基酸残基相互稳定（图3C，D）。这些结构分析显示蛋白Y和Z在醌通道的形成和稳定RC-LH结构中发挥了一定的作用。
图3 Native RC-LH（nRC-LH）复合体中新鉴定的蛋白Y和Z与各亚基的相互作用。
为了探究Car在RC-LH组装过程中的作用，研究人员用Car的生物合成抑制剂二苯胺（Diphenylamine，DPA）处理光合玫瑰菌，天然提取并解析了Car缺陷型dRC-LH复合体在3.1埃分辨率的冷冻电镜结构（图4A-C）。结果显示，LH环仅结合5个KγCint分子。更特别的是，LH环开口处的X亚基也随之消失，使得LHαβ之间的空隙变大，同时明显增大了LH环开口的尺寸（图4D，E）。通过检测上游电子受体Auracyanin（Ac）被RC-LH氧化的活性，作者分析了两种构象RC-LH复合体中醌交换的速率，发现dRC-LH中更加开放的醌通道加快了甲基萘醌-4（MK-4）的交换速率（图4F，G）。然而，由于dRC-LH中BChl和Car与LHαβ的相互作用并没有发生变化，此构象的改变并不影响Car—BChl之间的能量传递效率（图4H）。
图4 Car缺陷型RC-LH（dRC-LH）复合体的结构及其光化学功能。
基于上述分析，研究人员发现nRC-LH中外圈Car（KγCext）的存在阻断了LHαβ之间的醌穿梭通道，此时X亚基和c-TM在LH环上造成的开口成为醌交换的通道。dRC-LH中，外圈和内圈大部分Car分子的缺失暴露出LHαβ之间的空隙，而X亚基的缺失进一步增大了LH环的开口，两者共同作用下加快了dRC-LH的醌交换速率（图5）。此研究揭示了类胡萝卜素的组装在光合细菌RC-LH复合体结构和醌交换中的作用机制，扩展了原核生物光系统的多样性和分子进化理论，研究成果对推进光合反应分子机理的研究和新型光学器件的研发具有重要的指导意义。
图5 类胡萝卜素组装与光合玫瑰菌RC-LH复合体结构的动态关联。
杭州师范大学基础医学院讲师辛吉瑀、浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心研究员师扬和杭州师范大学博士研究生张鑫为共同第一作者，徐晓玲教授为通讯作者。杭州师范大学副研究员辛越勇、讲师沈洁洁、博士生苑欣怡、硕士生何慧敏，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、浙江省自然科学基金杰出青年项目、张江实验室国家蛋白质科学研究（上海）设施的共同支持。
（四）作者简介
第一作者：杭州师范大学基础医学院讲师辛吉瑀（前排右一）、浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心研究员师扬和杭州师范大学基础医学院博士研究生张鑫（后排左二）为共同第一作者。通讯作者：徐晓玲（前排左二）。
徐晓玲，教授，博士生导师，清华大学博士，美国Scripps研究所博士后，2013年入职杭州师范大学，建立“蛋白质结构与分子设计”课题组（http://bms.hznu.edu.cn/xuxllab/）。综合运用结构生物学、生物化学、生物物理学方法，系统研究不产氧光合细菌循环电子传递链和“3-羟基丙酸循环”固碳途径的作用机理，及其在绿色化工、生物固碳和新型光学器件制备中的应用。近年来在Science Advances、Nature Communications、mBio等期刊发表研究论文30余篇，其中第一或通讯作者文章22篇；主持国家自然科学基金项目4项，浙江省自然科学基金杰出青年项目等多项课题；参与获得国家科技进步二等奖1项；入选浙江省特殊支持计划青年拔尖人才、“院士结对培养青年英才”、杭州市首届“西湖学者”等。
文章链接：https://elifesciences.org/articles/88951
