蘇小東，李梅

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所 生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

光合作用通常指綠色植物、藻類(lèi)及光合細(xì)菌等吸收光能，利用二氧化碳合成有機(jī)物的過(guò)程，其中放氧光合生物同時(shí)還釋放氧氣。光合作用是地球上規(guī)模最大的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換過(guò)程，為幾乎一切生命的生存和發(fā)展提供基礎(chǔ)，被譽(yù)為地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。光合作用的過(guò)程分為光反應(yīng)和卡爾文循環(huán)(也稱(chēng)暗反應(yīng))兩個(gè)階段。高等植物的光反應(yīng)主要是由位于葉綠體中類(lèi)囊體膜上的光系統(tǒng)II (photosystem II, PSII)、細(xì)胞色素b6f、光系統(tǒng)I (photosystem I, PSI)和ATP合酶等多個(gè)膜蛋白復(fù)合物協(xié)同作用完成的，其中PSI和PSII都是包含多個(gè)亞基、結(jié)合大量色素的膜蛋白-色素復(fù)合物，并分別由各自的核心復(fù)合物(core complex)和外周捕光天線(xiàn)(light harvesting complex, LHC)組成。PSI主要位于單層的基質(zhì)類(lèi)囊體膜上，其核心結(jié)合捕光天線(xiàn)I(LHCI)，形成PSI-LHCI復(fù)合物。PSII則主要位于垛疊的基粒類(lèi)囊體膜上，結(jié)合捕光天線(xiàn)復(fù)合物II(LHCII)，形成PSII-LHCII復(fù)合物[1]。植物中PSI-LHCI相對(duì)穩(wěn)定，形式均一，而PSII-LHCII則由于其主要捕光天線(xiàn)LHCII與核心復(fù)合物結(jié)合強(qiáng)度差異，形成包括C2S2型、C2S2M2型和C2S2M2L2型等(C指代核心復(fù)合物(Core)，S、M、L分別表示與核心緊密結(jié)合(strongly-bound)、中等強(qiáng)度結(jié)合(moderatelybound)和松散結(jié)合(loosely-bound)的LHCII)多種形式的復(fù)合物[2]。

在自然環(huán)境中，光照強(qiáng)度是時(shí)常變化的。在弱光條件下，植物需要最大限度地捕獲光能；而在強(qiáng)光條件下，吸收過(guò)多的光能會(huì)對(duì)植物造成光損傷。光損傷的主要部位在PSII[3]，因而植物通過(guò)改變PSII-LHCII捕光天線(xiàn)的大小來(lái)調(diào)控其對(duì)光能的吸收。適應(yīng)強(qiáng)光照的植物，類(lèi)囊體膜上PSII-LHCII復(fù)合物主要為C2S2型，這種類(lèi)型的PSII-LHCII結(jié)合較少的捕光天線(xiàn)，減少了對(duì)光能的吸收，從而有效避免過(guò)多的光能造成的光損傷；而適應(yīng)弱光照的植物，類(lèi)囊體膜上主要存在的則是C2S2M2型的PSII-LHCII，PSII-LHCII以增大捕光天線(xiàn)的方式來(lái)增加對(duì)光能的吸收，從而更大限度地提高光能捕獲效率[4]。

自然界中除了光照強(qiáng)度變化之外，還存在光照波長(zhǎng)的變化，不同波長(zhǎng)的光優(yōu)先激發(fā)不同的光系統(tǒng)。為了避免兩個(gè)光系統(tǒng)的不平衡激發(fā)，植物和真核綠藻進(jìn)化出一種調(diào)節(jié)機(jī)制，稱(chēng)為狀態(tài)轉(zhuǎn)換(state transitions)[5]。狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，PSIILHCII復(fù)合物中的主要捕光天線(xiàn)LHCII發(fā)生可逆磷酸化，并在兩個(gè)光系統(tǒng)之間遷移。在某些光照條件下，PSII-LHCII相對(duì)于PSI-LHCI被過(guò)度激發(fā)(狀態(tài)2)，此時(shí)部分LHCII 被磷酸化，從PSIILHCII上解離下來(lái)并結(jié)合到PSI-LHCI上，形成PSI-LHCI-LHCII 型復(fù)合物，并將其捕獲的光能向PSI核心傳遞；反之，LHCII被去磷酸化，離開(kāi)PSI-LHCI，重新結(jié)合到PSII上(狀態(tài)1)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換是植物適應(yīng)光環(huán)境變化、平衡激發(fā)能在兩個(gè)光系統(tǒng)間重新分配的一種快速調(diào)節(jié)機(jī)制。

光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換等過(guò)程都是在這兩個(gè)光系統(tǒng)中進(jìn)行的。PSII可以在常溫常壓下裂解水，釋放氧氣及質(zhì)子，并向下游傳遞電子。PSI是自然界中效率最高的光電轉(zhuǎn)換器，它利用太陽(yáng)光進(jìn)行電子傳遞的量子效率接近100%[6]。此外，PSI還參與光合作用的多種調(diào)控過(guò)程，包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換[5]以及環(huán)式電子傳遞[7]等。這些功能的執(zhí)行都取決于光系統(tǒng)復(fù)合物的正確組裝、不同蛋白質(zhì)亞基的相互作用和眾多輔因子的精確空間排布，因此，若想在分子水平上理解這些機(jī)制就需要了解這些復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。本文將就高等植物C2S2和C2S2M2型PSIILHCII、PSI-LHCI及狀態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)蛋白復(fù)合物PSI-LHCI-LHCII的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

1 C2S2型PSII-LHCII復(fù)合物

高等植物PSII由核心復(fù)合物和外周捕光天線(xiàn)組成，其中核心復(fù)合物包括約20個(gè)蛋白亞基，外周捕光天線(xiàn)由Lhcb1～Lhcb6基因編碼。Lhcb1～Lhcb3編碼主要捕光蛋白，形成同源或異源三聚體LHCII；Lhcb4～Lhcb6依次編碼CP29、CP26和CP24三個(gè)次要捕光蛋白，它們均以單體形式存在[8]。高等植物PSII超大復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究已經(jīng)有二十多年的歷史。早在1995年，菠菜C2S2型PSII-LHCII復(fù)合物低分辨率(25?)的電鏡二維投影模型就被報(bào)道?？茖W(xué)家推測(cè)PSII-LHCII以二體形式存在，其核心復(fù)合物二體通過(guò)次要捕光天線(xiàn)與兩個(gè)主要捕光天線(xiàn)LHCII相連[9]。2000年，英國(guó)科學(xué)家又報(bào)道了該復(fù)合物分辨率為24 ?的三維模型[10]，并于2006年將該復(fù)合物模型分辨率進(jìn)一步優(yōu)化到17 ?[11]。雖然該模型分辨率有所提高，但仍不足以提供任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。在此期間，來(lái)源于原核藍(lán)細(xì)菌的PSII分辨率為3.8 ?的晶體結(jié)構(gòu)被報(bào)道[12]，并于2011年獲得了1.9 ?的高分辨率結(jié)構(gòu)[13]，提供了大量PSII核心亞基組裝及能量傳遞的信息，但是來(lái)源于植物的PSII-LHCII高分辨率結(jié)構(gòu)一直未被解析。由于藍(lán)細(xì)菌PSII不結(jié)合跨膜的捕光蛋白LHCII，因而LHCII和PSII核心間的裝配細(xì)節(jié)和機(jī)制仍不清楚。正是由于植物PSII核心結(jié)合多個(gè)LHCII，并且數(shù)量不均一，導(dǎo)致植物PSII更為復(fù)雜多樣，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究難度極高。

直到2016年，高等植物PSII-LHCII復(fù)合物第一個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)才被報(bào)道[14]，這是菠菜來(lái)源的C2S2型PSII-LHCII復(fù)合物3.2 ?分辨率的單顆粒冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為同源二聚體，每個(gè)單體中構(gòu)建了25個(gè)蛋白亞基、105個(gè)葉綠素、28個(gè)類(lèi)胡蘿卜素(Car)以及一些其他輔因子。核心復(fù)合物包含內(nèi)在大亞基D1、D2和內(nèi)周捕光天線(xiàn)CP43、CP47，在它們周?chē)Y(jié)合有12個(gè)跨膜的小亞基(PsbE、PsbF、PsbH～PsbM、PsbTc、PsbW、PsbX和PsbZ) (圖1(a))。另外，還有結(jié)合在類(lèi)囊體腔側(cè)的4個(gè)放氧中心外在蛋白(PsbO、PsbP、PsbQ和PsbTn) (圖1(b))。核心復(fù)合物中只有D1、D2、CP43、CP47結(jié)合多個(gè)色素分子，其他蛋白亞基基本不結(jié)合色素分子。此外，每個(gè)PSIILHCII單體結(jié)合3個(gè)外周天線(xiàn)蛋白，其中S-LHCII和CP26結(jié)合在PSII核心靠近CP43的一側(cè)，CP29結(jié)合在靠近CP47的一側(cè)。

圖1 菠菜C2S2型PSII-LHCII復(fù)合物的結(jié)構(gòu)(PDB: 3jcu)：(a)從基質(zhì)側(cè)觀(guān)察，一個(gè)單體用表面圖顯示，另一個(gè)單體的12個(gè)小亞基用卡通模式(用單字母標(biāo)注)，其余亞基用灰色飄帶模式顯示(黑色虛線(xiàn)表示兩個(gè)PSII單體的分界線(xiàn)，圖中黑色橢圓圈出的部分是CP29的N端與核心亞基相互作用區(qū)域)；(b)從類(lèi)囊體腔側(cè)方向觀(guān)察，外周蛋白PsbO、PsbP和PsbQ形成一個(gè)近似的三角形，一個(gè)單體用表面圖顯示，另一個(gè)單體除PsbO、PsbP和PsbQ用卡通模式外，其余亞基用灰色飄帶模式顯示；(c)復(fù)合物中的LHCII單體與CP26結(jié)構(gòu)比較(圖中只展示了LHCII的色素，其中LHCII比CP26多的2個(gè)色素用粗棍狀模式顯示且進(jìn)行了標(biāo)注，其余色素用細(xì)線(xiàn)狀模式顯示)；(d)復(fù)合物中CP29與單獨(dú)CP29的結(jié)構(gòu)(PDB: 3pl9)比較(其N(xiāo)端結(jié)合的兩個(gè)色素用粗棍狀模式顯示并進(jìn)行了標(biāo)注，其余色素用細(xì)線(xiàn)狀模式顯示)。圖中色素的顏色設(shè)置為：葉綠素a，綠色；葉綠素b，藍(lán)色；類(lèi)胡蘿卜素，品紅色

高等植物PSII核心相對(duì)于藍(lán)細(xì)菌比較保守，絕大部分亞基的位置、功能均相同，如PsbTc、PsbL和PsbM介導(dǎo)PSII二聚體化，PsbE和PsbF共同結(jié)合一個(gè)血紅素組成細(xì)胞色素b559(Cyt b559)，保護(hù)反應(yīng)中心，避免光損傷[15]。但是PsbW是植物、真核藻類(lèi)所特有的一個(gè)亞基。之前有研究發(fā)現(xiàn)，在PsbW表達(dá)缺失的情況下檢測(cè)不到PSIILHCII復(fù)合物的存在[16]，在結(jié)構(gòu)中PsbW位于S-LHCII和核心復(fù)合物之間，介導(dǎo)了它們之間的相互作用，從而解釋了之前的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。PSII腔側(cè)亞基可以穩(wěn)定錳簇(Mn4CaO5)結(jié)合蛋白，對(duì)優(yōu)化放氧有重要作用，在不同光合生物中有一定差別。植物中PsbO、PsbP和PsbQ形成一個(gè)三角形(圖1(b))，圍繞在D1和CP43結(jié)合錳簇的腔側(cè)結(jié)構(gòu)域外部，其中PsbO與藍(lán)細(xì)菌的PsbO在復(fù)合物中的位置基本一致，但PsbP和PsbQ結(jié)合位置與藍(lán)細(xì)菌PSII腔側(cè)亞基PsbU和PsbV的結(jié)合位置明顯不同[13]。

該結(jié)構(gòu)中LHCII、CP29和CP26三種捕光天線(xiàn)結(jié)合的位置、精確朝向及與核心的裝配細(xì)節(jié)均得到了闡明，其中主要捕光天線(xiàn)S-LHCII與之前報(bào)道的LHCII晶體結(jié)構(gòu)[17]基本一樣，每個(gè)單體結(jié)合14個(gè)葉綠素(8個(gè)葉綠素a和6個(gè)葉綠素b)和4個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子(圖1(c))。菠菜C2S2型PSII-LHCII復(fù)合物結(jié)構(gòu)首次展示了次要捕光蛋白CP26的完整結(jié)構(gòu)。CP26是所有次要捕光復(fù)合物中與LHCII單體序列同源度最高的，其蛋白結(jié)構(gòu)也與LHCII的單體相似(圖1(c))。早期基于生化和光譜數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)CP26共結(jié)合9個(gè)葉綠素(6個(gè)葉綠素a和3個(gè)葉綠素b)和2～3個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子[18]，而結(jié)構(gòu)解析后發(fā)現(xiàn)CP26共結(jié)合13個(gè)葉綠素(9個(gè)葉綠素a和4個(gè)葉綠素b)和3個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子。相比于LHCII，CP26只缺少605位的葉綠素和V1位置的類(lèi)胡蘿卜素(圖1(c))，其余色素結(jié)合位點(diǎn)完全一致[17]。之前有研究發(fā)現(xiàn)Lhcb1/Lhcb2基因表達(dá)缺失后，CP26被大量表達(dá)，并與Lhcb3蛋白形成異源三聚體，取代LHCII三體發(fā)揮作用[19]，而其他次要捕光天線(xiàn)蛋白均沒(méi)有這個(gè)功能。這個(gè)現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)信息一致，表明CP26與LHCII高度相似。CP29是植物PSII中最大的外周捕光天線(xiàn)蛋白，其晶體結(jié)構(gòu)早在2011年就被報(bào)道[20]，但晶體結(jié)構(gòu)中CP29的N端87個(gè)氨基酸殘基未被構(gòu)建，完整的帶有N端結(jié)構(gòu)域的CP29結(jié)構(gòu)是在菠菜PSII-LHCII復(fù)合物結(jié)構(gòu)中獲得的(圖1(d))。CP29的N端結(jié)構(gòu)域是一個(gè)以loop為主的靈活區(qū)域，在復(fù)合物中與PSII核心復(fù)合物緊密結(jié)合在一起(圖1(a))，從而被穩(wěn)定。從結(jié)構(gòu)分析，單獨(dú)CP29蛋白的N端是不穩(wěn)定的，這解釋了其N(xiāo)端在CP29晶體結(jié)構(gòu)中缺失的現(xiàn)象，CP29全長(zhǎng)蛋白結(jié)構(gòu)可能只有在復(fù)合物中才能被解析。結(jié)構(gòu)顯示CP29的N端結(jié)構(gòu)域還結(jié)合兩個(gè)葉綠素分子(圖1(d))，這在以前報(bào)道的晶體結(jié)構(gòu)中也是沒(méi)有的。綜合CP29的結(jié)構(gòu)信息，可知CP29結(jié)合14個(gè)葉綠素(10個(gè)葉綠素a和4個(gè)葉綠素b)和3個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子。在植物PSII-LHCII復(fù)合物中，CP26和CP29分別與核心亞基CP43和CP47直接結(jié)合。此外，2個(gè)跨膜小亞基PsbH和PsbZ進(jìn)一步穩(wěn)定了二者與核心的相互作用。

2 C2S2M2型PSII-LHCII復(fù)合物

C2S2M2型PSII-LHCII低分辨率模型早在2001年就被報(bào)道[21]。2009年，法國(guó)和荷蘭研究團(tuán)隊(duì)從擬南芥中分離純化到一系列不同類(lèi)型的PSIILHCII復(fù)合物[22]，通過(guò)生化和單顆粒電子顯微鏡的方法首次鑒定了復(fù)合物的蛋白組成，并得到了C2S2M2型PSII-LHCII分辨率為12 ?的二維投影模型，通過(guò)這個(gè)模型可以大致確定捕光天線(xiàn)的位置和朝向。2017年，來(lái)自歐洲的研究團(tuán)隊(duì)和來(lái)自中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的團(tuán)隊(duì)分別報(bào)道了植物C2S2M2型PSII-LHCII的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)：歐洲團(tuán)隊(duì)解析了擬南芥PSII-LHCII的結(jié)構(gòu)，但分辨率較低，僅為5.3 ?[23]；中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了分別在酸性和中性pH條件下純化得到的豌豆C2S2M2型PSII-LHCII的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，分辨率分別為2.7 ?和3.2 ?[24]，其中2.7 ?是當(dāng)時(shí)所有通過(guò)單顆粒冷凍電鏡解析的膜蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)中分辨率最高的。

在高分辨率豌豆PSII-LHCII結(jié)構(gòu)中，幾乎所有PSII-LHCII蛋白亞基和輔因子的位置、取向、相互作用均被準(zhǔn)確揭示(圖2(a)和(b))。兩種C2S2M2型PSII-LHCII的結(jié)構(gòu)非常相似，并且其C2S2部分與菠菜C2S2型PSII-LHCII結(jié)構(gòu)高度一致。酸性及中性條件提取的復(fù)合物中每個(gè)單體分別構(gòu)建了28和27個(gè)蛋白亞基、157個(gè)葉綠素分子、44個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子及其他一些輔因子。相比于C2S2型PSII-LHCII，每個(gè)C2S2M2型PSIILHCII單體在CP29一側(cè)額外結(jié)合1個(gè)M-LHCII和1個(gè)CP24?；诟哔|(zhì)量電鏡密度和序列分析，發(fā)現(xiàn)在M-LHCII中與CP24相互作用的亞基為L(zhǎng)hcb3(圖2(a))，這是首次通過(guò)結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法區(qū)分組成LHCII三體中的不同亞基。CP24是PSII中最小的捕光天線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)也是在該復(fù)合物中首次被解析(圖2(c))，其脫輔基蛋白與其他LHC蛋白相似，包含3段跨膜螺旋(從N 端到C端依次命名為B、C、A)，但C末端更短。此外，CP24的AC loop(A和C兩個(gè)跨膜螺旋之間的連接區(qū)域)比其他所有PSII捕光天線(xiàn)蛋白的AC loop都要長(zhǎng)。CP24共結(jié)合11個(gè)葉綠素分子，其中8個(gè)靠近基質(zhì)側(cè)，形成橢圓環(huán)形，另外3個(gè)呈簇狀靠近類(lèi)囊體腔側(cè)。CP24還結(jié)合3個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子。之前的研究一直認(rèn)為CP24只結(jié)合2個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子[25]，結(jié)構(gòu)解析后發(fā)現(xiàn)CP24中N1位點(diǎn)的類(lèi)胡蘿卜素位于CP24和CP29界面處，與CP29的兩個(gè)葉綠素分子相互作用并被穩(wěn)定，因而單獨(dú)提純CP24時(shí)這個(gè)類(lèi)胡蘿卜素很可能丟失而未被鑒定出來(lái)。

在C2S2M2型P S I I-L H C I I復(fù)合物中，S-LHCII、CP26及CP29彼此之間以及與核心之間均有大量相互作用，但M-LHCII和CP24與其他亞基的相互作用較少，且不與核心直接接觸。M-LHCII僅通過(guò)Lhcb3與CP24直接相連，除了Lhcb3外，CP24也僅與CP29緊密相互作用(圖2(d))。這些相互作用均有CP24的AC loop參與，說(shuō)明CP24中較長(zhǎng)的AC loop對(duì)于復(fù)合物的組裝非常重要。M-LHCII和CP24與核心相對(duì)較弱的相互作用可能與其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)相關(guān)，確保了這兩種捕光天線(xiàn)在不同光照條件下與C2S2的快速結(jié)合和解離。另外，結(jié)構(gòu)還顯示在CP24與核心復(fù)合物之間有一個(gè)55 ?×30 ?的縫隙(圖2(a))，推測(cè)該區(qū)域有可能是光保護(hù)蛋白PsbS的結(jié)合位點(diǎn)，在強(qiáng)光下PsbS的結(jié)合可能誘導(dǎo)該區(qū)域的局部構(gòu)象變化，使M-LHCII和CP24從PSII上解離，從而減少捕光。

兩種C2S2M2型PSII-LHCII復(fù)合物結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在類(lèi)囊體腔側(cè)的放氧中心外在蛋白。酸性條件下PSII穩(wěn)定結(jié)合PsbO、PsbP和PsbQ三個(gè)亞基，而中性條件的PSII只穩(wěn)定結(jié)合PsbO和PsbTn兩個(gè)亞基，且PsbO的結(jié)構(gòu)在酸性條件下提取的PSII復(fù)合物中更為完整，從而更好地穩(wěn)定錳簇，因此酸性條件下的PSII中錳簇結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，而且其放氧活性明顯高于中性條件獲得的PSII，這也與生理?xiàng)l件下植物類(lèi)囊體腔側(cè)的pH值偏酸性是一致的。

豌豆C2S2M2型PSII-LHCII高分辨率結(jié)構(gòu)展示了不同外周捕光蛋白彼此之間以及它們與核心復(fù)合物之間相互識(shí)別和裝配的位點(diǎn)和機(jī)制，基于復(fù)合物內(nèi)部高度復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)提供了外周天線(xiàn)捕獲光能并向核心傳遞能量的可能途徑(圖2(e))。此外，該結(jié)構(gòu)還揭示了復(fù)合物中外周捕光天線(xiàn)M-LHCII和CP24與C2S2的結(jié)合相對(duì)靈活，從而使得PSII復(fù)合物可對(duì)環(huán)境條件的變化做出響應(yīng)，通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)捕光過(guò)程調(diào)節(jié)。

圖2 豌豆C2S2M2型PSII-LHCII復(fù)合物的結(jié)構(gòu)(PDB: 5xnl)：(a)從基質(zhì)側(cè)觀(guān)察，一個(gè)單體用卡通模式，另一個(gè)單體用表面圖展示(黑色虛線(xiàn)表示兩個(gè)PSII單體的分界線(xiàn))；(b)從與類(lèi)囊體膜平行的方向觀(guān)察；(c)次要捕光蛋白CP24結(jié)構(gòu)；(d)表面圖展示S-LHCII’、M-LHCII、CP29與CP24幾個(gè)蛋白彼此之間的相互作用；(e)復(fù)合物的葉綠素分布及潛在的能量傳遞途徑。圖中標(biāo)注’表示另一個(gè)單體中的亞基。色素顏色設(shè)置為：葉綠素a，綠色；葉綠素b，藍(lán)色；類(lèi)胡蘿卜素，品紅色

3 PSI-LHCI復(fù)合物

高等植物的PSI-LHCI相比于PSII-LHCII更加穩(wěn)定。早在2003年，以色列科學(xué)家就解析了豌豆PSI-LHCI分辨率為4.4 ?的晶體結(jié)構(gòu)[26]，后來(lái)又將該結(jié)構(gòu)的分辨率推進(jìn)到3.4 ?[27]。PSI-LHCI整體結(jié)構(gòu)像一個(gè)扇形，4個(gè)捕光天線(xiàn)Lhca1～Lhca4以?xún)蓚€(gè)異源二聚體的形式(Lhca1-a4和Lhca2-a3)結(jié)合在PSI核心一側(cè)，形成LHCI帶(LHCI belt)，但是限于分辨率，該結(jié)構(gòu)還不能準(zhǔn)確區(qū)分色素分子。2015年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院植物研究所和日本岡山大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)與上述的以色列團(tuán)隊(duì)分別報(bào)道了豌豆PSI-LHCI 2.8 ?分辨率的晶體結(jié)構(gòu)[28-29]。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)解析的結(jié)構(gòu)非常相似，均包含12個(gè)核心亞基(只缺少PsaN和PsaO)和4個(gè)外周天線(xiàn)(圖3(a)和(b))，構(gòu)建的輔因子也基本一致，但有一定的差別，前者定位了155個(gè)葉綠素(143個(gè)葉綠素a和12個(gè)葉綠素b)和35個(gè)類(lèi)胡蘿卜素，而后者構(gòu)建的輔因子為156個(gè)葉綠素(147個(gè)葉綠素a和9個(gè)葉綠素b)和32個(gè)類(lèi)胡蘿卜素。后來(lái)，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)又分別將該復(fù)合物的分辨率提高到了2.4 ?和2.6 ?[30-31]，但輔因子仍略有差異。

圖3 豌豆PSI-LHCI復(fù)合物的結(jié)構(gòu)(PDB: 4xk8)：(a)從基質(zhì)側(cè)觀(guān)察；(b)從與類(lèi)囊體膜平行方向觀(guān)察(LHCI和基質(zhì)側(cè)三個(gè)亞基PsaC～PsaE用卡通模式展示，其余用表面圖展示，色素僅展示參與LHCI相互作用601、611、N1位點(diǎn)的色素及Lhca1-a4與核心之間的Car)；(c)4個(gè)Lhca脫輔基蛋白結(jié)構(gòu)比較；(d) PSI-LHCI中色素分布及可能的能量傳遞途徑。圖中所有色素的顏色除LHCI中紅葉綠素設(shè)置為紅色外，其余均與其所在亞基的顏色一致

結(jié)構(gòu)中構(gòu)建的12個(gè)核心亞基包括9個(gè)膜蛋白(PsaA、PsaB和PsaF～PsaL)和3個(gè)位于類(lèi)囊體基質(zhì)側(cè)的水溶蛋白(PsaC～PsaE)。與PSII不同，PSI中所有跨膜蛋白亞基，包括跨膜小亞基，均結(jié)合色素分子。此外，PsaA和PsaC還分別結(jié)合1個(gè)和2個(gè)鐵硫簇，參與電子傳遞。復(fù)合物中4個(gè)LHCI(Lhca1-a4-a2-a3)結(jié)合在核心PsaG-PsaFPsaJ-PsaK一側(cè)，并分別與這些亞基相互作用。

PSI捕光天線(xiàn)Lhca1～Lhca4脫輔基蛋白與其他捕光天線(xiàn)LHC結(jié)構(gòu)相似，且4個(gè)Lhca蛋白的3段主要跨膜螺旋能夠很好地疊合，其結(jié)構(gòu)差異主要在A(yíng)C loop、BC loop(B和C兩個(gè)跨膜螺旋之間的連接區(qū)域)以及兩個(gè)末端(圖3(b)和(c))，這些區(qū)域在序列上也是最不保守的部分。4個(gè)Lhca蛋白結(jié)合的色素?cái)?shù)量和位置也基本相似，并有各自獨(dú)特的特征，每個(gè)Lhca蛋白結(jié)合14～15個(gè)葉綠素和3個(gè)類(lèi)胡蘿卜素。此外，在Lhca1-a4二體與核心之間還額外結(jié)合1個(gè)類(lèi)胡蘿卜素，這些蛋白亞基和色素分子的差異與不同天線(xiàn)蛋白的相互作用以及能量傳遞密切相關(guān)。

在LHCI帶內(nèi)部，一個(gè)Lhca的AC loop與相鄰的另一個(gè)Lhca相互作用，此外，N1位點(diǎn)的類(lèi)胡蘿卜素與相鄰亞基的葉綠素對(duì)(601-611)相互作用(圖3(b))，這些相互作用穩(wěn)定了LHCI帶。Lhca1的AC loop比其他三個(gè)Lhca的AC loop短得多(圖3(c))，這可能決定了Lhca1位于LHCI帶末端的位置，不需要AC loop與其他天線(xiàn)蛋白相互作用；而Lhca3沒(méi)有葉綠素601(圖3(b))，這與其位于LHCI帶另一個(gè)末端一致，沒(méi)有相鄰亞基的N1位點(diǎn)的類(lèi)胡蘿卜素與之相互作用。另外，Lhca3的N末端較長(zhǎng)，而Lhca1的BC loop較長(zhǎng)(圖3(c))，分別參與它們與核心亞基PsaA、PsaG的結(jié)合。與此相應(yīng)，在LHCI帶中，位于兩側(cè)的Lhca1、Lhca3與核心結(jié)合緊密，位于中間的Lhca2、Lhca4與核心結(jié)合相對(duì)松散。之前的研究發(fā)現(xiàn)PSI的4個(gè)天線(xiàn)蛋白不能彼此替代[32]，結(jié)構(gòu)顯示，正是由于這些LHCI蛋白結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了不同天線(xiàn)蛋白彼此之間，以及與核心復(fù)合物之間相互作用的獨(dú)特性。此外，在Lhca1-a4二體與核心之間結(jié)合的類(lèi)胡蘿卜素分子參與穩(wěn)定Lhca1-a4二體，這可以解釋之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)的Lhca1-a4二體比Lhca2-a3二體更穩(wěn)定[33]。

與Lhca1、Lhca3與核心緊密結(jié)合相應(yīng)，位于LHCI帶兩側(cè)的Lhca1、Lhca3向核心傳遞能量也更為高效，而位于中部的Lhca2、Lhca4與核心的葉綠素距離較遠(yuǎn)，向PSI核心傳遞能量效率較低，而且很可能需要通過(guò)Lhca1、Lhca3的介導(dǎo)將能量向核心傳遞。根據(jù)結(jié)構(gòu)中色素分布信息，科研人員提出了LHCI向PSI核心能量傳遞的潛在途徑(圖3(d))。

與LHCII不同的是，每個(gè)LHCI均結(jié)合有一對(duì)紅葉綠素，推測(cè)是a603-a609葉綠素對(duì)，結(jié)構(gòu)顯示這兩個(gè)葉綠素的卟啉環(huán)彼此靠近，近乎平行，確實(shí)具有紅葉綠素對(duì)的特征。4對(duì)a603-a609均位于LHCI與核心復(fù)合物的界面處(圖3(d))。由于紅葉綠素能級(jí)更低，因而其向核心的能量傳遞被稱(chēng)為“爬坡”(up-hill)[34]?！芭榔隆钡臋C(jī)制還有待闡明，但紅葉綠素的存在被認(rèn)為有以下意義：首先，紅葉綠素能夠吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，從而擴(kuò)展了LHCI的捕光范圍[35]；其次，雖然PSI相對(duì)于PSII更加穩(wěn)定，但是在電子受體不足的情況下仍然會(huì)發(fā)生損傷[36]，而紅葉綠素的存在在一定范圍內(nèi)減慢了光能從天線(xiàn)蛋白向核心的傳遞速率，因而與PSI的光保護(hù)相關(guān)。

4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)合物PSI-LHCI-LHCII

狀態(tài)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象早在1969年就被Murata等人發(fā)現(xiàn)[37]，該過(guò)程是受葉綠體激酶STN7和磷酸酶PPH1/TAP38調(diào)控的[38-39]。在狀態(tài)1時(shí)，LHCII主要結(jié)合在PSII上；狀態(tài)2時(shí)，LHCII會(huì)被磷酸化，并有部分磷酸化的LHCII遷移到PSI上，與之形成PSI-LHCI-LHCII復(fù)合物。2005年，Kouril等人通過(guò)對(duì)類(lèi)囊體膜增溶、負(fù)染的方法得到了該復(fù)合物分辨率為16 ?的二維投影模型[40]。2012年，Galka等人通過(guò)蔗糖密度梯度離心分離純化到了PSI-LHCI-LHCII復(fù)合物[41]，并通過(guò)生化實(shí)驗(yàn)等揭示在狀態(tài)1時(shí)與PSII松散結(jié)合的LHCII(LLHCII)是主要參與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的LHCII類(lèi)型，在狀態(tài)2時(shí)可以與PSI緊密結(jié)合在一起。

2018年，同樣是來(lái)自中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的團(tuán)隊(duì)通過(guò)單顆粒冷凍電鏡的方法解析了玉米來(lái)源的PSI-LHCI-LHCII分辨率為3.3 ?的結(jié)構(gòu)[42](圖4(a))。該復(fù)合物是一個(gè)分子量約700 kDa的膜蛋白-色素復(fù)合物，結(jié)構(gòu)中精確指認(rèn)了21個(gè)蛋白亞基，定位了202個(gè)葉綠素分子、47個(gè)類(lèi)胡蘿卜素分子以及眾多的其他輔因子。結(jié)構(gòu)顯示1個(gè)LHCII結(jié)合在PSI的LHCI帶對(duì)面PsaA亞基一側(cè)，與PsaL、PsaH、PsaO和PsaK相互靠近。有意思的是，從類(lèi)囊體膜側(cè)面觀(guān)察，該復(fù)合物并不在一個(gè)平面內(nèi)，LHCII與PSI之間形成一個(gè)大約10°的夾角(圖4(b))，而且電子斷層成像結(jié)果也顯示植物類(lèi)囊體膜是彎曲的，在某些位置形成一定的角度[43]，這表明天然膜和嵌在其中的膜蛋白可能影響彼此的結(jié)構(gòu)。

圖4 玉米PSI-LHCI-LHCII復(fù)合物的結(jié)構(gòu)(PDB: 5zji)：(a)從基質(zhì)側(cè)觀(guān)察；(b)從與類(lèi)囊體膜平行方向觀(guān)察(該圖為了清晰省略了色素)；(c)PsaN的結(jié)構(gòu)；(d)PsaO的結(jié)構(gòu)；(e)Lhcb2 磷酸化的N末端與PSI核心形成的口袋的相互作用，口袋部分用表面電勢(shì)圖顯示(紅色表示負(fù)電勢(shì)，藍(lán)色表示正電勢(shì))。圖中色素的顏色設(shè)置為：葉綠素a，綠色；葉綠素b，藍(lán)色；紅葉綠素，紅色；類(lèi)胡蘿卜素，品紅色

在已經(jīng)解析的植物高分辨率PSI-LHCI晶體結(jié)構(gòu)中[28-31]，沒(méi)有PsaN和PsaO兩個(gè)核心亞基，而在PSI-LHCI-LHCII結(jié)構(gòu)中則構(gòu)建了包括PsaN和PsaO在內(nèi)的PSI的全部亞基。PsaN是真核綠藻和植物PSI特有的，是PSI唯一位于類(lèi)囊體腔側(cè)的膜外在亞基，有三段α螺旋并結(jié)合兩個(gè)葉綠素分子(圖4(c))。PsaN位于PsaA和Lhca2中間(圖4(a))，其結(jié)合的葉綠素介導(dǎo)了Lhca2向PsaA快速的激發(fā)能傳遞，很好地印證了之前報(bào)道的熒光光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果[44]，表明激發(fā)能可以直接從Lhca2傳遞到PSI核心。PsaO有兩段跨膜螺旋，并結(jié)合有兩個(gè)葉綠素(圖4(d))，位于LHCII與PsaA之間，介導(dǎo)了LHCII與PSI的結(jié)合及激發(fā)能的傳遞。此外，除了介導(dǎo)LHCII與PsaA結(jié)合，PsaO同時(shí)也被LHCII與PsaA的結(jié)合所穩(wěn)定。由于PsaO位于PSI外側(cè)，單獨(dú)純化PSI時(shí)PsaO容易脫落，而LHCII與PSI其他亞基的相互作用也進(jìn)一步穩(wěn)定了PsaO。

與PSI結(jié)合的LHCII三體中有一個(gè)單體與PSI核心直接相互作用，根據(jù)電鏡密度和氨基酸序列可以判斷該亞基是Lhcb2，其N(xiāo)端第三個(gè)氨基酸是被磷酸化的蘇氨酸(pThr)，前兩個(gè)氨基酸都是堿性的精氨酸(Arg)。該結(jié)構(gòu)中Lhcb2的N端形成繩索樣結(jié)構(gòu)，繩索末端搭在PSI表面的一個(gè)淺的口袋中。這個(gè)口袋主要由酸性氨基酸組成，口袋內(nèi)部帶有很強(qiáng)的負(fù)電，從而與2個(gè)Arg相互吸引，口袋另一側(cè)帶有正電，與蘇氨酸的磷酸基團(tuán)相互作用(圖4(e))。Lhcb2只通過(guò)這3個(gè)氨基酸與PSI 核心形成直接氫鍵作用。結(jié)構(gòu)顯示pThr對(duì)于PSI與LHCII之間的識(shí)別以及復(fù)合物的形成非常關(guān)鍵，這解釋了磷酸化的LHCII能夠與PSI結(jié)合，而去磷酸化的LHCII會(huì)離開(kāi)PSI的現(xiàn)象。該結(jié)構(gòu)不僅完善了LHCI向PSI核心傳遞激發(fā)能的途徑，也全新構(gòu)建了磷酸化LHCII向PSI核心傳遞激發(fā)能的途徑，為理解狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

5 展望

雖然高等植物PSI和PSII的結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)取得一系列重要進(jìn)展，為深入理解其組裝、光能吸收及能量傳遞等分子機(jī)制提供了最基本的信息，仍存在很多未解決的問(wèn)題。例如，PSI-LHCILHCII雖然已經(jīng)有高分辨率結(jié)構(gòu)報(bào)道，但還有文獻(xiàn)報(bào)道植物中可能有更大更復(fù)雜的PSI-LHCILHCII復(fù)合物[45-47]，解析這些復(fù)合物的結(jié)構(gòu)可以使人們更加全面地理解狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制。高等植物C2S2M2L2型PSII-LHCII[2]、兩個(gè)或多個(gè)PSII結(jié)合在一起的超級(jí)復(fù)合物形式目前都還只有低分辨率的二維模型報(bào)道[48-49]，這些復(fù)合物都有待高分辨率結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提供其裝配細(xì)節(jié)，揭示其能量傳遞途徑。此外，植物光保護(hù)的分子機(jī)制是光合作用研究領(lǐng)域最受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題之一，參與光保護(hù)的蛋白PsbS雖然已有晶體結(jié)構(gòu)[50]，但其在PSII中的具體結(jié)合位置還只是推測(cè)，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證據(jù)，對(duì)于PsbS如何作用于PSII發(fā)揮其光保護(hù)的機(jī)制也有待進(jìn)一步揭示。另外，PSII中錳簇催化水裂解并釋放氧氣的具體過(guò)程及機(jī)制也有待闡明。

對(duì)于光合作用的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究不僅有助于深入理解其作用機(jī)理和調(diào)節(jié)機(jī)制，而且可以為相關(guān)的應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)和信息。目前在基于天然PSII錳簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工仿生模擬方面已經(jīng)取得一定的進(jìn)展[51]，未來(lái)有望發(fā)展出催化水裂解放H2的催化劑。最近在對(duì)光保護(hù)研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)改變植物中非光化學(xué)淬滅(NPQ)的弛豫(relax)時(shí)間[52]，構(gòu)建光呼吸支路[53-54]，能夠提高作物生物量。相信隨著更多光系統(tǒng)復(fù)合物高分辨率結(jié)構(gòu)的解析，我們能夠更加深入理解光合作用及光保護(hù)的分子機(jī)制，并為解決作物增產(chǎn)、綠色能源開(kāi)發(fā)等提供更多的思路和線(xiàn)索。