高等植物PSII-LHCII超复合物的三维结构研究

Higher plant photosystem II, PSII-LHCII, is a large membrane-protein supercomplex, which is consisting of more than 20 subunits and rich in chlorophyll and carotenoid molecules. It is the unique system where water oxidation takes place in nature. It is of great significance to solve the three-dimensional structure of PSII-LHCII supercomplex for revealing the molecular mechanism of photosynthesis. The PSII-LHCII supercomplex of higher plants is composed by two main moieties: the peripheral antenna system and the core oxygen-evolving complex. The largest PSII supercomplex purified is C2S2M2, consisting of a dimer of the core oxygen-evolving complex, four copies of the major light-harvesting complex LHCII trimers, six copies of the minor light-harvesting complexes CP29, CP26 and CP24 monomers, and et al. However, the whole structure of PSII-LHCII supercomplex was solved by negative staining electron microscopy in very low resolution, only 12 angstroms. So the assembly mode of the different subunits and its pigment network remain unclear until now. This project takes the PSII-LHCII supercomplex of higher plants as the subject with the aim to study its high-resolution three-dimensional structure through the new technologies of Cryo-EM and single particle analysis, especially using the direct electron detector, combined with X-ray crystallography. On the basis of the high-resolution structures, the further assays of biological function on the PSII-LHCII supercomplex will be performed. It will help us to elucidate the molecular mechanism of the absorption, transition and conversion of light-energy of the PSII-LHCII supercomplex of higher plants.

高等植物光系统II，即PSII-LHCII，是由二十多个亚基构成的超大膜蛋白复合物，富含叶绿素和类胡萝卜素分子，也是自然界中唯一能够氧化水分子的物质。解析该超复合物三维结构对于光合作用机理研究具有重要意义。PSII-LHCII超复合物由外周捕光天线系统和核心放氧复合物两部分构成，目前人们纯化到的最大超复合物样品C2S2M2是由核心放氧复合物双体，4个主要捕光蛋白LHCII三体，和6个次要捕光蛋白CP29、CP26、CP24单体等亚基组成。但是整个超复合物仅有12埃低分辨率的负染电镜结果，其中各亚基的组装方式和色素网络排布仍未被揭示。本项目主要利用单颗粒冷冻电镜的最新技术，使用新型单电子计数探测器，并结合X射线晶体学分析，研究高等植物PSII-LHCII超复合物高分辨率的三维精细结构。在结构的基础上，深入开展生物功能分析实验，从中揭示高等植物光系统II高效吸能、传能和转能的分子机制。

光合生物捕获光能，通过光合作用将光能转变为化学能，这一过程是通过光合膜上多个超级膜蛋白复合物共同完成的。其中光系统II是自然界中唯一能够氧化水分子的天然物质，与光系统I协同发挥功能。真核光合生物的光系统II比原核生物的更复杂，在核心复合物的外周结合了多种不同种类的捕光天线膜蛋白-色素复合物，而在项目执行之前在国际上只有低分辨率的负染电镜结果。本项目以高等植物光系统II-捕光复合物II（PSII-LHCII）超复合物作为主要研究对象，利用结构生物学和生物化学等手段解析了其高分辨率的三维结构，同时将功能与结构相结合，深入揭示了光合作用的分子机制。. 本项目已圆满完成既定任务目标。项目成果包括解析了高等植物PSII-LHCII的高分辨率冷冻电镜结构（Su, et al. Science, 2017；Wei, et al. Nature, 2016）。该结构展示了由核心复合物双体（C2），主要捕光天线三体LHCII的S型（S2）、M型（M2）和次要捕光蛋白CP29、CP26、CP24共同组成的超级大型光合作用复合物的三维精细结构，在分子水平上阐述了其高度复杂的亚基组装及能量传递网络，深入揭示了外周捕光天线与核心复合物之间的装配和识别方式，以及色素分子的排布特征，并从中发现了PSII从外周天线向核心传递激发能的多条有效途径。同时精确确定了四个保护并参与水裂解催化的外周亚基与核心复合物之间的互作关系，将结构与酶活功能充分关联。该成果为深入理解光合作用的捕光、光能传递及调节机制提供了重要的数据，同时在农业生产、清洁能源开发和环境保护等领域具有应用前景。.项目组成员还应邀撰写了4篇相关综述性论文，包括PSII-LHCII的三维结构、组装和能量传递的综述等（Cao, et al. BBA-Bioenergetics, 2018；Cao, et al. Curr Opin Struc Biol, 2020；Pan,et al. BBA-Bioenergetics, 2020；Sheng,et al. Biophys Rep, 2018）。此外，本项目在已完成任务目标的基础上，在执行的后期对研究课题进行了深入扩展，完成了2项与光合生物光系统I相关的超复合物三维结构研究工作（Pan, et al. Science, 2018；Cao, et al. Nat Plants, 2020）。