Nature子刊：常文瑞院士解析关键蛋白晶体结构

　　

   植物与太阳光的关系是“爱恨交加”，一方面光能对于植物进行光合作用是必需的，但另一方面过量的光能又会导致植物光合作用装置的氧化性损伤，于是植物逐渐进化出了一种保护机制。在高光照条件下，植物类囊体腔侧的pH会由正常条件下的6.5降低至5.5–5.8，从而激活嵌在类囊体膜上的光保护蛋白PsbS，并进而诱发一种非常有效的高光保护机制——能量依赖的淬灭（energy-dependent quenching，qE）。通过qE，植物可以把捕光复合物吸收的过量光能以热的形式安全地耗散掉，从而减少或避免光氧化性损伤。早在2000年，已有报道表明PsbS在qE功能中发挥关键作用，但是对于PsbS是否结合色素一直存有争议，其参与光保护作用的机制也并不清楚，因而解析其三维结构成为本领域期待已久的研究课题。

　　中国科学院生物物理研究所常文瑞院士课题组于四年前开展了PsbS的晶体结构研究。经过大量的摸索，他们建立了一个从菠菜叶片中大量纯化PsbS的方案，并在纯化和结晶的过程中一直维持酸性pH值条件，最终解析了PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构。结构显示，PsbS由四段跨膜螺旋组成，其结构紧密，单体内部没有色素结合位点，展现出与该课题组之前解析的同家族其它捕光复合物LHCII和CP29完全不同的结构特点。结合晶体结构分析和一系列的生化实验，他们证明PsbS在低pH下（活性状态）是一个紧密的二体，从而纠正了之前该领域的主流观点，即PsbS在活性状态为单体。此外，结合生化实验和PsbS与qE抑制剂DCCD复合物的结构分析，他们发现PsbS在非活性状态（中性pH）和活性状态均是二体，二者之间的转变可能是由于PsbS位于类囊体腔侧的loop感受pH改变引起的构象变化所致。有趣的是，他们还发现低pH下的PsbS二体界面处结合了一个叶绿素a，提示PsbS有可能在体内直接参与qE。这些研究结果为理解PsbS是如何被激活和抑制以及其参与qE的可能机制奠定了重要基础。

　　该项研究成果已被国际期刊Nature Structural & Molecular Biology接收并于2015年8月10日在线发表，文章题为Crystal structures of the PsbS protein essential for photoprotection in plants。审稿专家称本工作“非常令人兴奋，并且带来很多惊喜，为研究PsbS的功能提供了新的视角”，“跨出了重要的一步”；“是优秀的、领域内长时间期待的并且迫切需要的一项研究工作”。

　　常文瑞课题组的博士生范敏锐为论文第一作者，常文瑞和副研究员李梅为通讯作者。生物物理所研究员柳振峰也对该项研究做出重要贡献。该研究得到了科技部973计划、中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的支持。

　　图示：PsbS整体结构。a. PsbS单体结构飘带示意图；b. PsbS二体结构示意图；c. PsbS二体界面处结合的叶绿素a；d. PsbS二体结合的qE抑制剂DCCD。

原文摘要：

Crystal structures of the PsbS protein essential for photoprotection in plants

The photosystem II protein PsbS has an essential role in qE-type nonphotochemical quenching, which protects plants from photodamage under excess light conditions. qE is initiated by activation of PsbS by low pH, but the mechanism of PsbS action remains elusive. Here we report the low-pH crystal structures of PsbS from spinach in its free form and in complex with the qE inhibitor N,N′-dicyclohexylcarbodiimide (DCCD), revealing that PsbS adopts a unique folding pattern, and, unlike other members of the light-harvesting-complex superfamily, it is a noncanonical pigment-binding protein. Structural and biochemical evidence shows that both active and inactive PsbS form homodimers in the thylakoid membranes, and DCCD binding disrupts the lumenal intermolecular hydrogen bonds of the active PsbS dimer. Activation of PsbS by low pH during qE may involve a conformational change associated with altered lumenal intermolecular interactions of the PsbS dimer.