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植物和藻類等光合生物可進行放氧型光合作用，在將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程中裂解水并放出氧氣和質(zhì)子，為地球生物圈系統(tǒng)的能量與氧氣提供主要來源。光系統(tǒng)II（PSII）是位于類囊體膜上的多亞基蛋白色素復(fù)合物，在光能的驅(qū)動下通過催化水分子的氧化和質(zhì)體醌的還原來參與光合電子傳遞過程。在植物和綠藻葉綠體中，成熟的PSII是由核心復(fù)合物和外周捕光復(fù)合物II（LHCII）形成的PSII-LHCII超復(fù)合物（PSII-SC）。在光照下，PSII的核心亞基D1易發(fā)生光損傷進而抑制PSII活性，造成光合作用效率下降。這一現(xiàn)象在高光照條件下尤為顯著。因此，光合生物演化出PSII修復(fù)循環(huán)機制。該過程包括PSII-SC解組裝、損傷D1蛋白降解、新D1蛋白合成和重新形成中間態(tài)復(fù)合物、CP43模塊與RC47重新組裝形成PSII核心復(fù)合物（PSII-C）、PSII-C單體二聚化并與外周天線復(fù)合物組裝形成PSII-SC。

前期，中國科學(xué)院生物物理研究所柳振峰研究組揭示了PSII修復(fù)過程早期階段的分子機制，而PSII修復(fù)中后期階段中復(fù)合物重新組裝過程的原理仍不明晰。既往研究發(fā)現(xiàn)，綠藻葉綠體中的TEF30是一個與PSII修復(fù)有關(guān)的蛋白因子，其在高等植物中的同源蛋白名為MET1。生化研究結(jié)果表明，TEF30可能參與PSII核心亞基CP43的重組裝與PSII-SC的形成，但其發(fā)揮功能的分子基礎(chǔ)尚不清楚。

該研究結(jié)合抗體親和純化和蔗糖密度梯度超速離心方法，制備了結(jié)合TEF30的PSII修復(fù)中間態(tài)復(fù)合物樣品，并通過單顆粒冷凍電子顯微學(xué)方法解析了四個含有TEF30的PSII中間態(tài)復(fù)合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，分別命名為TEF30-C、TEF30₂-C₂-I、TEF30₂-C₂-II和TEF30-C₂S。

分析顯示，TEF30結(jié)合在PSII-C的基質(zhì)側(cè)表面，與PSII的核心亞基D1、D2、CP43和PsbI四個亞基形成了多對極性相互作用。生物膜干涉實驗結(jié)果表明，TEF30與PSII-C之間具有較高親和力，解離常數(shù)K_D為9.4 nM，截短TEF30與CP43或RC47相互作用的結(jié)構(gòu)基序會降低TEF30與PSII-C的相互作用。在TEF30-PSII復(fù)合物中，TEF30的結(jié)合位點橫跨RC47與CP43模塊的界面，這與此前基于生化分析實驗提出的TEF30介導(dǎo)CP43重組裝功能的結(jié)論一致，并確定了與TEF30相互作用的蛋白亞基和具體結(jié)合位點。

研究發(fā)現(xiàn)，在TEF30-C₂S中，僅一側(cè)的PSII-C結(jié)合了TEF30，但未結(jié)合外周天線，而對側(cè)未結(jié)合TEF30的PSII-C旁結(jié)合了外周天線。TEF30-C₂S與成熟C₂S₂型PSII-SC結(jié)構(gòu)的疊合比較顯示，TEF30與成熟C₂S₂中同側(cè)的外周天線存在部分重疊。這種空間位阻效應(yīng)可防止外周天線在PSII修復(fù)過程中過早地結(jié)合PSII-C，以保護尚不能進行能量轉(zhuǎn)化的PSII-C免受過剩激發(fā)能的損傷。

進一步，該研究通過對TEF30₂-C₂-I、TEF30₂-C₂-II、TEF30-C₂S和成熟PSII-SC結(jié)構(gòu)進行疊合比較，發(fā)現(xiàn)多個不同中間狀態(tài)的PSII-C二聚體。結(jié)構(gòu)分析提示，在重新組裝和成熟的過程中，PSII二聚體中2個PSII-C單體的相對位置會發(fā)生滑移和重排，從而在其兩側(cè)形成能夠同時容納LHCII、CP26和CP29三個外周天線復(fù)合物的鋸齒狀表面。

基于生物化學(xué)和冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，上述研究提出了TEF30參與的PSII修復(fù)循環(huán)中后期不同模塊重新裝配形成成熟的PSII超復(fù)合物的工作機制模型。

6月27日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-植物》（Nature Plants）上。

論文鏈接

四種不同TEF30-PSII復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖

TEF30參與的PSII修復(fù)中后期分子機制模型