清華大學發文報道首個完整藻膽體的冷凍電鏡三維結構

　　2017年10月19日，清華大學生命科學學院隋森芳教授研究組在《自然》（Nature）雜志上以長文（Research Article）形式在線發表題為《海洋紅藻藻膽體的結構》（Structure of phycobilisome from the red alga Griffithsia pacifica）的研究論文，首次報道了世界上第一個完整藻膽體的近原子分辨率的冷凍電鏡三維結構，為揭示藻膽體的組裝機制和光能傳遞途徑奠定了重要基礎。

　　光合作用是地球上的生物賴以生存的基礎。為了獲取更多的光能，生物體發展出了多種捕光蛋白系統。其中存在于藍藻和紅藻中的藻膽體是迄今已知的最大的捕光蛋白復合物，它位于膜表面，并與位于膜中的光和反應中心結合，能將吸收的太陽光以極高的效率傳遞給光合反應中心以便進一步轉化為有機物并釋放氧氣。這個巨大的超分子復合體的組裝機制和光能在其中的傳遞機制一直是光合作用研究領域的前沿熱點問題。

　　隋森芳教授研究組長期致力于利用冷凍電鏡技術研究與生物膜相關的重要蛋白質復合物的結構與功能。此前曾于2005年在FEBS Letter雜志報道了來源于藍藻發菜的完整藻膽體的電鏡結構，分辨率約為30 ?。隨后又于2015年在Cell Research雜志報道了來源于藍藻魚腥藻的完整藻膽體的負染電鏡結構，分辨率約為20 ?。

　　在此次發表的《自然》論文中，隋森芳教授研究組攻克了藻膽體在冷凍制樣時鹽濃度高、穩定性差、具有優勢取向等難題，獲得了近原子分辨率的冷凍電鏡結構，其中整體結構分辨率為3.5 ?，核心區域分辨率達到3.2 ?。這是第一個完整藻膽體的近原子分辨率的三維結構，也是迄今為止報道過的分辨率高于4 ?的最大的蛋白復合體結構，該復合體理論分子量為16.8MDa，包含862個蛋白亞基。

　　這個工作第一次解析出了所有連接蛋白在功能組裝狀態下的結構，包括4個核內連接蛋白，16個核桿連接蛋白、52個桿連接蛋白的結構，第一次觀察到這些連接蛋白有序地形成了超分子復合體的結構骨架，為色素蛋白的精密組裝及高效率的能量傳遞提供了結構基礎。還值得一提的是該工作第一次確定了藻膽體中全部2048個色素的整體排布，并推測出了多條新的能量傳遞途徑，為進一步理解藻膽體內的能量傳遞機制提供了堅實的基礎。

圖1 紅藻藻膽體的三維結構，a b分別為正面和底面兩個不同取向，c為由連接蛋白形成的結構骨架，d為色素的整體分布

　　清華大學生命科學學院隋森芳教授和孫珊副研究員為本文的共同通訊作者；生命學院已畢業博士生張君（現為英國劍橋MRC分子生物學實驗室博士后）、在讀三年級博士生馬建飛為本文的共同第一作者。生命學院博士后劉德生參與了結構模型的優化，中國科學院煙臺海岸帶研究所的秦松研究員參與了前期樣品篩選工作，北京大學生命科學學院的趙進東教授參與了生化數據的分析和撰稿。國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地冷凍電鏡平臺和計算平臺，以及清華大學高性能計算平臺為數據收集和處理提供了支持。膜生物學國家重點實驗室、北京市結構生物學高精尖創新中心、科技部、國家自然科學基金等為本研究提供了經費支持。