来自一种球石藻的光系统I-FCPI超复合体的多种结构揭示了其天线系统的模块化组织特征

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics》：Multiple structures of photosystem I-FCPI supercomplexes from a coccolithophore alga reveal a modular antenna organization

本研究解析了另一种 coccolithophore（角藻）中五种 PSI-FCPI 超复合体结构，分辨率达1.7-2.3?，揭示其模块化天线亚基（1、4、6、8、9个FCPI）与 PSI 核心的组装及能量传递路径，并与其他物种比较，为理解 coccolithophores 能量转换机制提供新结构依据。

　　

Romain La Rocca | Pi-Cheng Tsai | Koji Kato | Yoshiki Nakajima | Fusamichi Akita | Jian-Ren Shen

日本冈山大学跨学科科学研究所及环境、生命、自然科学和技术研究生院高级研究领域，冈山，700-8530

摘要

光系统I（PSI）在光合作用中将光能转化为化学能，并与真核生物中的光捕获复合体形成超复合体，以增强能量捕获和传递。在不同的生物体中观察到PSI核心亚基和LHCI亚基的数量和组织结构各不相同。一种名为颗石藻的褐藻亚群在海洋碳循环和CaCO₃生成中起着重要作用，其光捕获天线被称为FCPs（岩藻黄质-叶绿素a/c结合蛋白），因为它们除了结合叶绿素a外，还结合岩藻黄质。最近从颗石藻Emiliania huxleyi中报道了一种包含38个FCPI亚基的大型PSI-FCPI超复合体的结构（L. Shen等人，《科学》389, eadv2132, 2025）。在这里，我们使用不同的去污剂从另一种颗石藻Chrysotila roscoffensis中获得了五个PSI–FCPI超复合体的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，分辨率范围为2.3至1.7 ?。这些结构代表了含有1、4、6、8和9个FCPI亚基的离散PSI-FCPI，FCPI以模块化方式排列。揭示了每个FCPI模块与PSI核心的结合方式，以及蛋白质亚基和色素的排列情况。计算并比较了各个天线模块对激发能量传递的贡献，并与其他种类的颗石藻和褐藻的PSI–FCPI超复合体进行了对比。这些结果指出了C. roscoffensis中稳定PSI–FCPI超复合体的组装过程，并提供了关于天线模块如何参与能量传递的见解。

引言

光系统I（PSI）是光合作用的关键组成部分，这一过程发生在蓝细菌细胞以及真核藻类和高等植物的叶绿体中，它将光能转化为化学能，并产生对地球上大多数生命形式生存至关重要的分子氧。为了收集光，PSI的核心复合体与位于类囊体膜中的光捕获复合体（LHCIs）结合，后者捕获光能并将其传递给PSI核心[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。大多数PSI核心亚基在不同物种中是保守的；然而，少数核心亚基以及LHCIs的位置、组织和色素组成在很大程度上取决于具体的生物体[6]、[7]、[8]、[9]。例如，PsaH和PsaG亚基仅存在于绿藻谱系中[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，而PsaR和PsaS仅存在于某些红藻谱系的PSI核心中[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。另一方面，来自第二次内共生事件的红藻谱系中的LHCI蛋白含有类胡萝卜素色素，如岩藻黄质、二氢岩藻黄质或叶绿素c[15]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。

在绿藻谱系中，典型的PSI-LHCI超复合体通常包含8-10个LHCI亚基[10]、[11]、[13]、[16]，而苔藓和陆地植物仅含有4个LHCI亚基[7]、[8]、[14]、[23]、[24]、[25]、[26]，在特定条件下偶尔会额外含有天线或LHCII亚基[12]。在Chlamydomonas reinhardtii和Dunaliella salina中的研究表明，存在缺乏核心（PsaG、PsaH、PsaK）或LHCI亚基的PSI超复合体，这表明核心和天线亚基可能同时丢失。这些观察结果突显了绿藻谱系中PSI-LHCI复合体的内在结构多样性和动态性。在红藻衍生的质体中，PSI核心和LHCI亚基的存在也取决于物种。例如，PsaO存在于红藻和隐藻中[17]、[19]、[21]、[27]，但在硅藻、褐藻和甲藻中不存在[15]、[20]、[22]、[28]。此外，硅藻具有一种独特的核心亚基PsaS[15]、[22]，这种亚基在其他红藻谱系中未发现。在隐藻中，已报道了两种PSI-FCPI（岩藻黄质-叶绿素a/c结合蛋白）超复合体，即PSI-11 FCPI和PSI-14 FCPI[18]、[19]，分别含有11个和14个天线。

最近，报道了两种来自褐藻的PSI-FCPI结构：一种含有22个天线[20]，另一种含有38个天线[29]。这种PSI-38 FCPI超复合体是迄今为止在颗石藻（Emiliania huxleyi）中报道的唯一PSI-FCPI结构，而颗石藻是负责全球10%的碳固定和海洋中高达50%的CaCO₃生成的褐藻亚群[30]、[31]。实际上，颗石藻是地球上最具有钙化能力的生物，它们将钙质板（称为颗石）释放到深海中[32]、[33]。因此，颗石藻对空气/水中的CO₂交换和海洋表面酸度有重要影响[34]。鉴于它们在海洋碳循环中的重要性以及不同生物体中PSI-LHCI结构的多样性，需要更多的结构数据来深入理解这一物种内的能量转换过程。

在这项研究中，我们确定了来自Chrysotila roscoffensis的五个PSI–FCPI超复合体的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，分辨率范围为1.7至2.3 ?。这些结构来自两个不同的样本，一个样本含有3个、6个和8个FCPI亚基，使用蔗糖单月桂酸酯（SML）纯化；另一个样本含有4个和9个FCPI亚基，使用n-十二烷基-α-D-麦芽糖苷（α-DDM）纯化。描述了可分离亚基（FCPI、PsaR、PsaK亚基）与PSI核心之间的界面，并计算了潜在的能量传递（EET）途径，从而突出了每个模块在能量传递到PSI核心中的作用。最后，将这些结构与其他已报道的褐藻PSI-FCPI超复合体的EET途径进行了比较。总体而言，这些结构揭示了具有不同亚基组成的稳定PSI–FCPI超复合体的组织方式，为了解褐藻中的天线模块组织和能量传递途径提供了见解。

PSI-FCPI超复合体的分离与纯化

PSI-FCPI超复合体是从C. roscoffensis的类囊体膜中提取的，采用两种不同的条件：一种是用0.5% α-DDM溶解，另一种是用5% SML溶解。所得的PSI-FCPI组分通过两次不同的蔗糖密度梯度离心分离（图1a），SDS-PAGE显示这两种PSI-FCPI α-DDM和SML组分具有典型的迁移模式（图1b），其中两个主要区域对应于PsaA/PsaB

PSI模块及其在能量传递途径中的贡献

在这项研究中，通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）从C. roscoffensis中捕获了五种不同的PSI-FCPI超复合体。尽管我们无法假设它们在生理条件下的存在，但这些复合体在冷冻电子显微镜下表现出稳定性并且分辨率很高。通过使用两种去污剂和不同的缓冲液，我们能够探索PSI-FCPI超复合体的稳定构象并识别PSI模块。因此，这些结构可能反映了某些模块在特定条件下的分离倾向

细胞培养和PSI-FCPI纯化

C. roscoffensis的细胞按照先前的方法进行培养[36]，在收集细胞之前没有进行光照限制。主要使用海水中配制的F/2培养基，在20°C下加入3% CO₂，并在4.60 μmol photons m^?2?s^?1的弱光条件下使用B3-450W Treviewer培养20天。当OD值在730 nm处达到0.3–0.4时，将细胞在4°C下以12,000 × g的离心力离心15分钟，然后取4 g的细胞悬浮在50 mL的20 mM培养基中

CRediT作者贡献声明

Romain La Rocca：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、数据管理、概念化。 Pi-Cheng Tsai：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、数据管理、概念化。 Koji Kato：撰写——审阅与编辑、研究。 Yoshiki Nakajima：撰写——审阅与编辑、研究。 Fusamichi Akita：撰写——审阅与编辑、研究。 Jian-Ren Shen：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

Chrysotila roscoffensis（NIES-8）细胞购自日本文部科学省（MEXT）的NIES收藏。本研究部分得到了冈山大学的核心设施门户（CFPOU）（RIIS-n01）的支持，我们感谢冈山大学国际结构生物学研究中心在收集冷冻电子显微镜数据方面提供的帮助。本研究得到了JSPS KAKENHI项目（编号JP22H04916，J.-R.S.）和JSPS的“打造日本顶尖研究型大学”计划（J-PEAKS）的资助