PsbS的晶體結構

簡介

植物與太陽光的關係是“愛恨交加”，一方面光能對於植物進行光合作用是必需的，但另一方面過量的光能又會導致植物光合作用裝置的氧化性損傷，於是植物逐漸進化出了一種保護機制。在高光照條件下，植物類囊體腔側的pH會由正常條件下的6.5降低至5.5–5.8，從而激活嵌在類囊體膜上的光保護蛋白PsbS，並進而誘發一種非常有效的高光保護機制——能量依賴的淬滅（energy-dependent quenching，qE）。通過qE，植物可以把捕光複合物吸收的過量光能以熱的形式安全地耗散掉，從而減少或避免光氧化性損傷。早在2000年，已有報導表明PsbS在qE功能中發揮關鍵作用，但是對於PsbS是否結合色素一直存有爭議，其參與光保護作用的機制也並不清楚，因而解析其三維結構成為本領域期待已久的研究課題。

研究

中國科學院生物物理研究所常文瑞院士課題組於四年前開展了PsbS的晶體結構研究。經過大量的摸索，他們建立了一個從菠菜葉片中大量純化PsbS的方案，並在純化和結晶的過程中一直維持酸性pH值條件，最終解析了PsbS活性狀態的2.35埃解析度的晶體結構。結構顯示，PsbS由四段跨膜螺旋組成，其結構緊密，單體內部沒有色素結合位點，展現出與該課題組之前解析的同家族其它捕光複合物LHCII和CP29完全不同的結構特點。結合晶體結構分析和一系列的生化實驗，他們證明PsbS在低pH下（活性狀態）是一個緊密的二體，從而糾正了之前該領域的主流觀點，即PsbS在活性狀態為單體。此外，結合生化實驗和PsbS與qE抑制劑DCCD複合物的結構分析，他們發現PsbS在非活性狀態（中性pH）和活性狀態均是二體，二者之間的轉變可能是由於PsbS位於類囊體腔側的loop感受pH改變引起的構象變化所致。有趣的是，他們還發現低pH下的PsbS二體界面處結合了一個葉綠素a，提示PsbS有可能在體內直接參與qE。這些研究結果為理解PsbS是如何被激活和抑制以及其參與qE的可能機制奠定了重要基礎。

成果

該項研究成果已被國際期刊Nature Structural & Molecular Biology接收並於2015年8月10日線上發表，文章題為Crystal structures of the PsbS protein essential for photoprotection in plants。審稿專家稱本工作“非常令人興奮，並且帶來很多驚喜，為研究PsbS的功能提供了新的視角”，“跨出了重要的一步”；“是優秀的、領域內長時間期待的並且迫切需要的一項研究工作”。

常文瑞課題組的博士生范敏銳為論文第一作者，常文瑞和副研究員李梅為通訊作者。生物物理所研究員柳振峰也對該項研究做出重要貢獻。該研究得到了科技部973計畫、中科院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金的支持。