2月19日，清華大學生命科學學院隋森芳院士課題組在《自然》（Nature）期刊上在線發表題為“鹽澤紅藻藻膽體能量傳遞的結構基礎”（Structural basis for energy transfer in Porphyridium purpureum phycobilisome）的研究論文，報道了鹽澤紅藻藻膽體的2.8分辨率的冷凍電鏡三維結構，為揭示藻膽體中的能量傳遞機制提供了結構生物學基礎。
       光能的吸收是光合作用的第一步。不同的光合生物為適應不同的光環境，進化出了各自獨特的捕光系統。藻膽體是藍藻和紅藻中的主要捕光復合物。它是一個超大蛋白質機器，由藻膽蛋白和連接蛋白構成，在這些蛋白上共價結合著色素分子。光能被色素分子吸收，并進一步在藻膽體內傳遞，最后到達光系統中心進行光-化學能量轉化。藻膽體的組裝機制和高效的能量傳遞機制一直是光合作用研究領域的前沿問題。
       隋森芳院士課題組近年來一直致力于藻膽體結構的研究工作。2017年底，該團隊在Nature期刊上首次報道了海洋紅藻太平洋凋毛藻藻膽體（Griffithsia pacifica）的3.5分辨率的冷凍電鏡三維結構，揭示了藻膽蛋白和連接蛋白的精密組裝機制。此次報道的鹽澤紅藻藻膽體的冷凍電鏡三維結構將分辨率進一步提高到了2.8，是在該領域取得的又一項重大研究成果。通過結構的解析，研究人員發現鹽澤紅藻藻膽體含有706個蛋白質亞基，包括528個藻紅蛋白、72個藻藍蛋白、46個別藻藍蛋白和60個接頭蛋白。此外，他們還解析得到了1598個色素分子的結構，包括1430個藻紅膽素分子、48個藻尿膽素分子和120個藻藍膽素分子。如此眾多的化學結構上相同的色素分子是如何介導能量在藻膽體中的高效單向傳遞的？這個問題一直是該領域尚未解決的關鍵問題之一。基于該工作中得到的2.8的高分辨率結構，研究人員得以仔細分析色素分子和周圍蛋白之間的相互作用。他們發現連接蛋白廣泛地參與了色素分子能量狀態的調節，即一些色素分子會與周圍連接蛋白上的芳香族氨基酸相互作用，從而改變色素分子的能量狀態，以確保能量的有效單向傳遞。該研究成果為闡明藻膽體獨特的光能捕獲、傳遞和轉化機制提供了重要基礎，同時為人工模擬光合作用研究提供了新理論依據。

                                                         鹽澤紅藻藻膽體的整體結構

                                               藻膽體核中關鍵色素分子與周圍連接蛋白的相互作用

清華大學生命科學學院隋森芳院士為本文的通訊作者；生命學院2019屆博士畢業生馬建飛（現為生命科學聯合中心博士后、清華大學水木學者和結構生物學高精尖創新中心卓越學者）、在讀一年級博士生游鑫和課題組副研究員孫珊為本文的共同第一作者。中國科學院煙臺海岸帶研究所的王肖肖參與生化樣品制備和電鏡數據采集，秦松研究員參與了前期樣品篩選。國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地冷凍電鏡平臺和計算平臺為數據收集和處理提供了支持。膜生物學國家重點實驗室、北京市結構生物學高精尖創新中心、科技部、國家自然科學基金等為本研究提供了經費支持。
       論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2020-7

原文鏈接：http://life.tsinghua.edu.cn/publish/smkx/11191/2020/20200220044719279510714/2020022004471927