可切换客户特异性的双功能分子伴侣cpSRP43通过构象重排协调光捕获复合体生物合成与叶绿素稳态

本研究揭示了叶绿体信号识别颗粒43-kDa蛋白(cpSRP43)通过温度依赖的构象开关机制，在光捕获复合体(LHC)生物合成中协调新合成LHCPs膜蛋白运输与叶绿素(TBS)酶保护的双重功能，为光合生物应对环境温度变化提供了新型分子恒温器机制。

　　

在光合作用这个支撑地球生命活动的核心过程中，光捕获复合体(LHC)的高效组装面临着一个精密的平衡难题：核编码的光捕获叶绿素a,b结合蛋白(LHCPs)需要与叶绿素(Chl)生物合成严格同步。这种协调一旦失衡，将导致疏水性LHCPs在转运过程中发生错误折叠聚集，或游离叶绿素前体产生细胞毒性活性氧(ROS)。尽管已知叶绿体信号识别颗粒43-kDa蛋白(cpSRP43)同时参与这两个分支过程，但其如何动态调节双重功能的分子机制始终是未解之谜。

中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，通过多学科交叉方法揭示了cpSRP43作为"分子恒温器"的独特工作机制。研究人员综合利用¹⁹
F-NMR构象监测、圆二色谱(CD)分析、体外蛋白保护实验和转基因植物验证等技术，发现cpSRP43存在闭合与开放两种构象状态：闭合状态下四组锚蛋白重复基序(ARMs)紧密折叠，专一性识别LHCPs的FDPLGL基序并防止其聚集；开放状态时C端ARMs部分解折叠，暴露出与叶绿素生物合成(TBS)酶结合的界面。温度升高不仅促使cpSRP43从闭合态向开放态转变，还通过削弱其与cpSRP54亚基的相互作用，释放出更多开放构象用于保护热不稳定的TBS酶如谷氨酰tRNA还原酶(GluTR)和Mg螯合酶组分(GUN4/CHLH)。

关键研究发现包括：

1. cpSRP43构象的温度依赖性
   通过理性设计R189L突变体破坏闭合态氢键网络，以及DE3NQ/DE6NQ突变中和酸性表面电荷，成功获得开放态偏好型和超稳定闭合型变体。CD和¹⁹
   F-NMR显示野生型cpSRP43在30-40°C发生构象转变，而突变体Tm值偏移达20°C。

2. 闭合态专司LHCPs保护
   体外聚集实验显示，在25°C时闭合态稳定的DE3NQ对LHCPs的溶解常数(K_sol
   )比开放态R189L强10倍。温度升至45°C后，DE3NQ仍保持活性而野生型活性显著降低，证实闭合态是LHCPs保护的功能构象。

3. 开放态介导TBS酶热保护
   在42°C热处理中，开放态占比99%的R189L对GUN4的保护效率比野生型高3倍，而闭合态稳定的DE3NQ几乎丧失保护能力。离子强度实验进一步证明开放态群体与TBS保护活性直接相关。

4. 植物体内功能验证
   在cpSRP43缺失的拟南芥chaos突变体中，表达R189L变体显著提高了热应激下GUN4和CHLH的稳定性，而DE3NQ则与野生型cpSRP43类似，证实开放态在生理条件下的保护作用。

这项研究首次阐明了一个ATP非依赖型分子伴侣如何通过构象动力学切换其客户特异性：在常温下，cpSRP43以闭合态主导LHCPs的靶向转运；当温度升高时，构象转变为开放态并协同cpSRP54的释放，转而优先保护热不稳定的TBS酶。这种双重调控机制犹如分子恒温器，使光合生物能快速响应环境温度波动，维持LHC组装过程中蛋白质与色素的精确平衡。该发现不仅为理解光合膜蛋白生物合成的调控提供了新范式，也为设计具有环境响应能力的合成分子伴侣提供了理论框架。