蓝藻PSI-IsiA双环超复合物的组装与能量传递结构基础

《Nature Communications》：Structural basis for the assembly and energy transfer between the cyanobacterial PSI core and the double-layered IsiA proteins

铁限制是蓝藻面临的主要环境胁迫之一，为适应低铁环境，蓝藻会大量表达铁胁迫诱导蛋白A(IsiA)作为光系统I(PSI)的外周天线。然而，PSI核心与双层IsiA蛋白的组装及能量传递机制尚不明确。本研究通过冷冻电镜技术解析了来自嗜热蓝藻Thermosynechococcus elongatus BP-1的PSI3-IsiA43和PSI1-IsiA13两种超复合物的高分辨率结构，揭示了其双层IsiA环的组装模式、结构柔性以及高效的能量传递网络，为理解蓝藻在铁胁迫下的光合作用适应机制提供了重要的结构基础。

　　

在浩瀚的海洋和淡水生态系统中，铁是限制光合作用初级生产力的关键因素。作为地球上最早出现的光合放氧生物，蓝藻在漫长的演化过程中发展出了一套精密的适应机制来应对铁饥饿。当铁元素匮乏时，蓝藻会启动一个关键的应激反应：大量表达一种名为铁胁迫诱导蛋白A(IsiA)的膜蛋白。IsiA不仅能够作为光系统I(PSI)的外周天线，极大地扩展其光捕获截面积，还能在强光下起到光保护作用，是蓝藻在逆境中生存的“秘密武器”。

此前的研究已经发现，IsiA蛋白能够围绕PSI核心组装成单环结构，形成PSI₃-IsiA₁₈超复合物。然而，在自然界中，蓝藻为了最大限度地捕获光能，常常会形成更为复杂的双层甚至多层IsiA环结构。这种双层结构的组装机制、其内部精细的色素排布，以及能量如何从外层IsiA高效地传递到内层并最终抵达PSI核心，一直是该领域悬而未决的科学难题。为了回答这些问题，来自中国科学院生物物理研究所、利物浦大学和北京工业大学的研究团队联合攻关，利用先进的冷冻电镜技术，成功解析了两种不同构型的PSI-IsiA超复合物的高分辨率结构，相关成果发表在《Nature Communications》上。

为了开展这项研究，研究人员首先在实验室中培养嗜热蓝藻Thermosynechococcus elongatus BP-1，并通过调控培养基中的铁浓度，诱导其产生不同构型的PSI-IsiA超复合物。他们利用蔗糖密度梯度离心技术，从蓝藻的类囊体膜中成功分离并纯化了两种主要的超复合物：PSI₃-IsiA₄₃和PSI₁-IsiA₁₃。随后，他们利用单颗粒冷冻电镜技术，分别将这两种复合物解析至3.4埃和3.5埃的高分辨率。此外，研究团队还运用原子力显微镜(AFM)观察了从铁饥饿细胞中分离的天然类囊体膜，以验证这些超复合物在细胞内的真实存在状态和分布情况。为了深入探究复合物内部的能量传递效率，他们还基于结构数据进行了福斯特共振能量转移(FRET)理论计算。

1. 铁胁迫细胞培养与样品表征

研究人员通过调控铁浓度，成功诱导蓝藻产生了两种铁限制状态：中度铁限制(Fe- cell-1)和重度铁限制(Fe- cell-2)。电泳和吸收光谱分析表明，IsiA蛋白的表达水平与铁浓度呈负相关，且铁限制越严重，叶绿素a的Qy吸收峰蓝移越明显。蔗糖密度梯度离心和负染电镜结果显示，中度铁限制主要产生单环的PSI₃-IsiA₁₈复合物，而重度铁限制则主要形成双环的PSI₃-IsiA₄₃和单体PSI₁-IsiA₁₃复合物。这表明PSI-IsiA复合物的组装具有可逆性，其结构多样性是对铁胁迫程度的直接响应。

2. PSI₃-IsiA₄₃和PSI₁-IsiA₁₃复合物的结构

冷冻电镜结构显示，PSI₃-IsiA₄₃复合物是一个巨大的光合装置，总分子量超过3兆道尔顿。它由一个三聚体PSI核心、一个由18个IsiA亚基组成的内环和一个由25个IsiA亚基组成的外环构成，整体呈封闭的双环结构。而PSI₁-IsiA₁₃复合物则包含一个单体PSI核心，周围环绕着6个内层IsiA和7个外层IsiA。结构比对发现，PSI₁-IsiA₁₃的结构与PSI₃-IsiA₄₃中的一个PSI单元(PSI-moiety-1)高度相似，但末端IsiA亚基发生了明显的水平位移和垂直倾斜，导致其跨膜区域呈现出更显著的弯曲。

3. IsiA内环与外环之间的相互作用

结构分析表明，同一环内的相邻IsiA亚基之间通过紧密的相互作用结合，而内环与外环IsiA之间的相互作用则相对较弱，主要由疏水相互作用和少数氢键构成。在PSI₁-IsiA₁₃复合物中，由于末端IsiA亚基的位移，其与PSI核心的结合更为紧密，并形成了额外的氢键和疏水相互作用，这可能是其无法形成完整三聚体的原因之一。

4. 外环的旋转与组装

多体精修分析揭示了IsiA层的结构柔性。在PSI₃-IsiA₄₃中，外环IsiA相对于核心和内环表现出约28.2埃的水平旋转灵活性，但垂直方向相对固定。而在PSI₁-IsiA₁₃中，外环IsiA则表现出更复杂的运动模式，同时具有水平位移和垂直位移。负染电镜观察到的中间体结构表明，双环PSI-IsiA复合物的组装可能是一个逐步的过程：首先形成单环的PSI₃-IsiA₁₈，然后IsiA蛋白从一侧或两侧逐步添加到外环，最终形成封闭的双环结构。

5. PSI-IsiA复合物的膜组织

原子力显微镜观察证实，在重度铁饥饿细胞的天然类囊体膜中，确实存在PSI₃-IsiA₄₃和PSI₁-IsiA₁₃复合物。距离分析显示，相邻PSI核心之间的距离主要对应于三、四或五个IsiA层，其中四个IsiA层（即双环结构）是主要形式，表明双环PSI-IsiA复合物在天然膜中是普遍存在的。

6. 色素排布与潜在能量传递途径

结构揭示了PSI-IsiA复合物中色素的精细排布。在PSI₃-IsiA₄₃中，双层IsiA环共结合了731个叶绿素a分子，约为核心色素数量的三倍。这些色素在类囊体膜的胞质侧呈连续均匀分布，而在腔侧则形成簇状。FRET理论计算表明，在IsiA环内部以及内外环之间，存在多条高效的快速能量传递途径。尽管外环IsiA表现出较大的旋转灵活性，但参与外环到内环能量传递的关键叶绿素对是保守的，因此这种旋转并不会显著影响能量传递效率。在PSI₁-IsiA₁₃中，由于末端IsiA亚基的位移，其能量传递途径与三聚体复合物略有不同，但整体上仍能维持高效的能量传递。

本研究通过解析PSI₃-IsiA₄₃和PSI₁-IsiA₁₃的高分辨率结构，首次揭示了蓝藻在铁胁迫下形成的双层PSI-IsiA超复合物的精细组装模式。研究结果表明，PSI-IsiA复合物的组装是一个动态且可逆的过程，其结构多样性（单环或双环）直接响应于环境中的铁浓度。双层IsiA环的组装遵循一个逐步的、从单环到双环的模型，并且IsiA层本身具有显著的结构柔性，这种柔性有助于复合物适应膜环境的变化。更重要的是，尽管存在结构上的差异和动态变化，这些超复合物内部都形成了高度保守且高效的能量传递网络，确保了光能能够被快速、稳健地捕获并传递至PSI核心。这项研究不仅为理解蓝藻在铁限制环境下的光合作用适应机制提供了关键的结构基础，也展示了光合系统在分子水平上的精巧设计和强大的环境适应性。