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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授和陳宇星教授課題組，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了藍(lán)藻光合固碳關(guān)鍵酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）同時(shí)結(jié)合兩個(gè)分子伴侶Raf1和RbcX 的三維結(jié)構(gòu)?；诮Y(jié)構(gòu)分析和一系列生化實(shí)驗(yàn)，揭示了這兩個(gè)分子伴侶協(xié)同調(diào)控藍(lán)藻RuBisCO組裝和成熟的分子機(jī)理。相關(guān)研究成果以“Structural insights into cyanobacterial RuBisCO assembly coordinated by two chaperones Raf1 and RbcX”為題于9月20日在線發(fā)表在《CellDiscovery》上。

RuBisCO是自然界中豐度最高的酶，總質(zhì)量約為7億噸，負(fù)責(zé)光合作用暗反應(yīng)的碳同化過程，每年將地球上超過1000億噸CO2固定為有機(jī)物，是生物碳中和領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，其催化效率極低，每個(gè)RuBisCO全酶每秒鐘只能催化3~10個(gè)CO2分子的轉(zhuǎn)化，藍(lán)藻因此進(jìn)化出CO2濃縮機(jī)制（CCM）：利用羧酶體包裹RuBisCO并高度富集CO2以提高催化效率。藍(lán)藻和植物中的I型RuBisCO全酶由8個(gè)大亞基RbcL和8個(gè)小亞基RbcS組成，其組裝和成熟過程非常復(fù)雜，需要一系列分子伴侶參與，包括Raf1和RbcX。導(dǎo)入藍(lán)藻CCM系統(tǒng)是一種潛在的提高植物光合效率的方法，然而多個(gè)分子伴侶協(xié)同調(diào)控RuBisCO組裝的分子機(jī)制尚不明了，極大限制了對RuBisCO的工程改造和活性優(yōu)化。

2020年，作者通過解析Raf1與RuBisCO大亞基RbcL復(fù)合物以及一系列RuBisCO中間體的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合生化實(shí)驗(yàn)提出了Raf1調(diào)控藍(lán)藻RuBisCO組裝和成熟的分子機(jī)理（NaturePlants, 2020）。為進(jìn)一步探究多個(gè)分子伴侶協(xié)同調(diào)控RuBisCO組裝和成熟的分子機(jī)制，作者解析了雙分子伴侶Raf1和RbcX同時(shí)結(jié)合大亞基RbcL形成的32亞基組裝中間體（L8F8X16）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率為3.3 ?。結(jié)構(gòu)分析和生化實(shí)驗(yàn)表明Raf1和RbcX能夠同時(shí)結(jié)合RbcL，形成一個(gè)高度動態(tài)的中間體，更有利于小亞基RbcS替換Raf1和RbcX，進(jìn)而形成成熟的RuBisCO全酶。此外，生化實(shí)驗(yàn)表明Raf1和RbcX均能拮抗由支架蛋白CcmM35介導(dǎo)的RuBisCO聚集和相變過程，而且RbcX的拮抗效果更加明顯。基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了多分子伴侶協(xié)同精細(xì)調(diào)控藍(lán)藻RuBisCO組裝和成熟的分子機(jī)理（圖一）。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任副研究員李瓊、副教授江永亮和已畢業(yè)博士夏凌云（現(xiàn)為西湖大學(xué)博士后）為該論文的共同第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)周叢照教授和江永亮副教授為該論文的共同通訊作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心完成。該研究得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省科技廳以及中科院青促會的資助。

圖1 分子伴侶Raf1和RbcX協(xié)同調(diào)控藍(lán)藻RuBisCO組裝和成熟的分子模型

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41421-022-00436-9

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）