解析球石藻光系统 II-FCPII 超复合物结构，揭示独特天线组织奥秘

球石藻在全球碳固定和 CaCO3生产中意义重大，但其能量转换系统未知。研究人员解析球石藻光系统 II（PSII）- 岩藻黄素叶绿素 c 结合蛋白（FCPII）超复合物结构，发现独特天线组织。该成果为其能量传递和耗散机制研究提供结构基础。

　　在浩瀚的海洋世界里，藻类扮演着至关重要的角色。其中，球石藻作为单细胞藻类的一种，别看它个体微小，却承担着全球 10% 的碳固定和海洋中高达 50% 的 CaCO₃生产任务，在海洋碳循环和全球气候变化中有着举足轻重的地位。然而，科学家们发现，尽管球石藻如此重要，但其能量转换系统却一直蒙着一层神秘的面纱，我们对它知之甚少。光合作用，作为地球上最重要的化学反应之一，就像一个神奇的魔法，能把光能转化为化学能，还能分解水产生氧气，为地球上几乎所有生命提供生存的基础。这个过程发生在蓝细菌、真核藻类和高等植物细胞的类囊体膜上，涉及多个蛋白复合物和辅因子，其中光系统 I 和光系统 II（PSII）是最为关键的参与者。PSII 在光合作用中负责早期的重要步骤，它能把两个水分子分解成一个氧气分子和四个质子。为了完成这个反应，PSII 核心周围的捕光复合物（LHCII）会捕获光能，传递给 PSII 中的叶绿素 a（Chl a）色素（P680）。不同物种的 LHCII 结构虽然有相似之处，但它们在 PSII 核心周围的组织方式、数量以及结合的色素种类都有很大差异。近年来，科学家们通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，解析了许多物种的 PSII-LHCII 超复合物结构，对植物、蓝细菌和绿藻中光能从 LHCII 亚基传递到 PSII 核心的过程有了较深入的了解。同时，硅藻（含有岩藻黄素叶绿素 c 结合蛋白，FCPII）和隐藻（含有别藻蓝素叶绿素 a/c 结合蛋白，ACPII）的 PSII-LHCII 超复合物结构也已被解析。但对于像球石藻这类物种的 PSII-LHCII 超复合物结构，却一直没有相关报道。为了填补这一知识空白，深入了解光合生物的能量转换和进化过程，日本冈山大学的研究人员展开了一项重要研究。他们成功解析了球石藻代表物种 Chyrostila roscoffensis 的 PSII-FCPII 超复合物结构，这一成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了球石藻能量转换系统的神秘面纱，意义非凡。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是细胞培养与蛋白纯化技术，他们在特定条件下培养 Chyrostila roscoffensis 细胞，经过多步处理，成功提取并纯化出 PSII-FCPII 超复合物；其次是冷冻电镜技术，利用该技术收集复合物的图像数据，并进行一系列处理，最终获得高分辨率的结构模型；此外，还运用了 RNA 测序（RNAseq）技术，用于确定 PSII 核心亚基和 FCPII 亚基的序列信息。

PSII-FCPII 的表征和整体结构

研究人员从 Chyrostila roscoffensis 细胞中提取 PSII-FCPII 超复合物，通过蔗糖密度梯度离心进行纯化。SDS-PAGE 和 Native PAGE 分析显示，该复合物包含 PSII 核心亚基和 FCPII 天线亚基，存在 PSII-12 FCPII 和 PSII-6 FCPII 两种形式。吸收光谱和低温荧光发射光谱表明，该复合物具有典型 PSII 特征，且无 PSI 污染。冷冻电镜解析得到 PSII-12 FCPII 超复合物的高分辨率结构，其分子量为 746 kDa，尺寸为 264×187×91 ?² ，由两个对称的 PSII 单体组成，每个单体周围环绕 6 个 FCPII 亚基。PSII 核心包含 14 个经典 PSII 亚基，还发现了之前未明确序列的 Psb36 亚基。FCPII 亚基的组织方式与硅藻和隐藻不同，不形成三聚体或四聚体，而是形成两个异二聚体（FCPII-1a/FCPII-4 和 FCPII-1b/FCPII-5）和两个单体（FCPII-2 和 FCPII-3）。

与红藻和硅藻共有的 Psb36 亚基

研究人员通过冷冻电镜密度图和 RNA 测序确定了 Psb36 亚基的序列。Psb36 由 N 端环和中心主螺旋组成，位于 FCPII-2/PSII 核心界面，与 CP47、PsbH 等相互作用，可能在 PSII 核心组装和能量传递中发挥重要作用。在不同物种中，Psb36 的螺旋和 N 端环位置相似，但 C 端环存在两种构象，其功能可能因物种而异。

FCPII 亚基结构和色素组织

通过多序列比对分析，FCPII 亚基可分为两组。第一组包括 FCPII-1a/FCPII-1b/FCPII-4/FCPII-5，为异二聚体形式；第二组包括 FCPII-2/FCPII-3，为单体形式且与 PSII 核心直接相互作用。所有 FCPII 亚基都由三个主要跨膜螺旋组成，不同亚基的色素组成和位置存在差异。例如，FCPII-1a 含有较多色素，其色素环绕螺旋 A 分布；FCPII-2 结合的岩藻黄素（Fx）较多，可能在能量捕获和耗散中起重要作用；FCPII-3 结合的色素最少，其独特的取向影响与其他天线亚基的相互作用。

FCPII-FCPII 相互作用

在 PSII-FCPII 超复合物中，除 FCPII-3 外，每个 FCPII 亚基都与其他 FCPII 亚基相互作用。FCPII-1a/FCPII-4 和 FCPII-1b/FCPII-5 异二聚体通过螺旋 B 之间的相互作用以及与色素的相互作用形成稳定的二聚体界面。两个异二聚体之间还通过扩展界面相互作用，有助于稳定近端色素和增强能量传递。FCPII-2 与两个异二聚体通过特定界面相连，在能量传递中起到关键作用。

FCPII-PSII 核心相互作用

只有 FCPII-2 和 FCPII-3 与 PSII 核心复合物直接相互作用。FCPII-2 的 N 端延伸区域与 PsbH、CP47 和 Psb36 相互作用，可能有助于将 FCPII-2 的色素拉近 PSII 核心，促进能量传递。FCPII-3 与 CP43 通过螺旋 - 螺旋界面相互作用，但由于其色素较少且与其他 FCPII 亚基无明显相互作用，其光捕获和能量传递作用有限，可能起到限制 CP43 侧天线复合物数量的作用。

能量传递途径

研究发现，12 个 FCPII 亚基中的色素吸收光能后，主要通过 FCPII-2 将能量传递到 PSII 核心的 CP47。FCPII-5 可直接将能量传递给 FCPII-2，FCPII-1a/FCPII-4 异二聚体也可将能量传递给 FCPII-2，然后 FCPII-2 再将能量传递给 CP47。FCPII-3 虽然参与能量传递，但效率相对较低，它可将能量传递给 CP43，也可将能量重定向到相邻 PSII 单体的 FCPII-5。通过计算 F?rster 共振能量转移（FRET）速率常数，进一步证实了主要的能量传递事件发生在 CP47 侧的天线色素之间。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次解析了球石藻 PSII-FCPII 超复合物的高分辨率结构，确定了 Psb36 亚基的序列。该结构显示出与硅藻和隐藻不同的 FCPII 组织方式和相互作用界面，揭示了独特的色素组成和能量传递途径。FCPII-2 在能量传递中起主要作用，同时可能是能量耗散的主要位点；FCPII-3 与 CP43 的相互作用限制了 CP43 侧的光捕获，但自身是向 CP43 传递能量的有效伙伴。这些结果为球石藻和定鞭藻中 PSII-LHCII 超复合物的组织和光捕获机制提供了坚实的结构基础，有助于深入理解光合生物的能量转换过程，为相关领域的进一步研究开辟了新的方向。