크라이오

Nature Communications 14권, 기사 번호: 3961(2023) 이 기사 인용

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Phycobilisomes(PBS)는 시아노박테리아와 홍조류에서 광합성을 하는 주요 광 수확 복합체입니다. CpcL-PBS는 핵심 구조 없이 광계 I에 직접 에너지를 전달하는 시아노박테리아의 작은 PBS 유형입니다. 여기서 우리는 시아노박테리움 Synechocystis sp.의 CpcL-PBS의 저온-EM 구조를 보고합니다. 2.6Å 해상도의 PCC 6803. 구조는 페레독신의 CpcD 도메인을 보여줍니다. NADP+ 산화환원효소는 CpcL-PBS의 원위 말단에 위치하며 PBS에 대한 부착을 담당합니다. 초고속 과도 흡수 및 형광 분광학의 증거를 통해 에너지 전달에서 개별 빌린의 역할이 밝혀졌습니다. 광계 I 근처에 위치한 빌린 1Iβ822는 향상된 평면성을 가지며 광계 I로 직접 에너지 전달을 담당하는 레드 빌린입니다.

시아노박테리아는 태양 에너지를 화학 에너지로 전환하는 최초의 유기체 그룹 중 하나입니다1,2. 그들은 두 개의 광계, 즉 광계 II(PSII)와 광계 I(PSI)을 사용하여 선형 전자 이동을 생성한 최초의 유기체이며, 24억년 전에 지구상의 산소 함량 증가를 담당했습니다1,2,3. 시아노박테리아와 홍조류에서 태양 에너지를 포착하기 위한 주요 광 수확 안테나는 피코빌리솜(PBS)4,5,6,7이며, 이는 흡수된 빛 에너지를 PSII 또는 PSI로 전달하여 전자 전달을 유도합니다. PBS는 빌린이라고 불리는 색소가 공유 결합된 피코빌리단백질(PBP)과 링커 단백질로 구성됩니다4,8. 시아노박테리아에는 CpcG-PBS와 CpcL-PBS라는 두 가지 유형의 PBS가 존재합니다. CpcG-PBS는 링커 단백질 CpcG를 통해 코어와 연결된 코어와 주변 막대의 두 부분으로 구성됩니다. 최근 홍조류9,10 및 시아노박테리아11,12,13에서 확인된 저온-EM PBS 구조는 링커 단백질과 PBP가 고도로 정렬된 광 수확 아키텍처로 구성되는 방식을 보여줍니다. CpcL-PBS는 크기가 훨씬 작으며 알로피코시아닌 코어가 없는 단 하나의 막대로 구성됩니다. 링커 단백질 CpcL(Senechocystis 6803에서는 CpcG2, Anabaena 712017에서는 CpcG3이라고도 함)을 통해 틸라코이드 막에 부착된 CpcL-PBS는 PSI18과 연결되어 흡수된 빛 에너지를 PSI16,19로 전달할 수 있습니다. CpcL-PBS는 순환 전자 전달(CEF)을 위한 NAD(P)H-탈수소효소(NDH)-CpcL-PBS-PSI(NDH-PBS-PSI) 수퍼복합체의 형성에도 관여하며 최근 연구에 따르면 부착 CEF21에는 페레독신-NADP+ 산화환원효소(FNR)를 CpcL-PBS로 전환하는 것이 필요합니다. 대부분의 시아노박테리아 FNR은 CpcD 도메인, FAD 결합 도메인 및 NADPH 결합 도메인의 세 가지 도메인을 포함하며, 3개 도메인 FNR(FNR3D)은 시아노박테리아 CpcG-PBS 및 CpcL-PBS의 말초 막대에 부착됩니다22,23,24. 그러나 FNR3D의 PBS 막대에 대한 부착은 최근 결정된 저온 EM 구조 CpcG-PBS11,12,13에서는 관찰되지 않았습니다. CpcL-PBS에서 PSI로의 직접적인 에너지 전달 메커니즘과 NDH-PBS-PSI 초복합체 형성에서의 역할을 이해하기 위해 Synechocystis 6803의 FNR이 부착된 CpcL-PBS의 저온-EM 구조를 결정합니다. 피코초 분광기와 결합 증거를 통해 우리의 연구는 말단 방사체와 같은 적색 편이 빌린의 특성을 밝히고 PBS 코어가 없을 때 CpcL-PBS가 PBS 내에서 빛 에너지를 PSI로 효과적으로 전달할 수 있는 방법을 밝힙니다.

CpcL-PBS는 apcAB24의 유전자가 결여된 Synechocystis 6803 균주로부터 제조되었으며, 정제된 CpcL-PBS는 그 구성 및 기능적 무결성에 대해 분광학적 및 생화학적으로 분석되었습니다(보충 그림 1). SDS-PAGE 분석에 이어 단백질 N-말단 시퀀싱을 통해 정제된 CpcL-PBS에 피코시아닌(PC)과 CpcA, CpcB, CpcC1, CpcC2 및 CpcL을 포함한 링커 단백질이 포함되어 있음이 밝혀졌습니다. CpcL-PBS 제제에는 분자 질량이 45 kDa인 3개 도메인 FNR도 포함되어 있습니다(보충 그림 1e). 분리된 CpcL-PBS의 흡수 스펙트럼은 전형적인 피코시아닌 흡수인 620nm에서 최대 흡수를 나타냅니다(보조 그림 1g). 실온에서의 형광 방출 스펙트럼은 이전에 보고된 것과 동일하게 648 nm에서 하나와 668 nm에서 다른 하나의 두 개의 피크를 가지고 있습니다. 648 nm의 방출 피크는 CpcG 링커가 있는 피코시아닌 육량체와 유사하지만 피코시아닌(PC)의 668 nm의 방출 피크는 다른 PC 삼량체 또는 막대에서는 관찰되지 않았습니다(보충 그림 1g). 77K에서는 670nm에서 하나의 주요 방출 피크가 관찰됩니다(보조 그림 1h). CpcL-PBS 샘플의 음성 염색 전자 현미경(EM) 분석은 막대형 구조를 포함하고 막대의 대부분이 3개의 육량체를 포함한다는 것을 보여줍니다. 3개 이상의 αβ 6량체를 가진 일부 입자도 발견되었으며(보충 그림 1f), 이는 CpcL-PBS 복합체가 본질적으로 이질적임을 나타내며 이는 이전 연구와 일치합니다. 극저온 그리드 준비 중 PBS 복합체 분해를 최소화하기 위해 샘플을 0.012% 글루타르알데히드로 처리하고 CpcL-PBS 입자를 자동으로 선택하고 분류했습니다(보충 그림 2). 3개 층의 6량체를 포함하는 CpcL-PBS의 2.6Å 밀도 맵이 얻어졌으며 이를 통해 모든 발색단(빌린) 및 단백질 사슬에 대한 원자 모델을 구축할 수 있었습니다(보충 그림 3a-d). 특히 2D 및 3D 분류가 다른 개체군을 풍부하게 만드는 데 실패했기 때문에 3층 아키텍처가 지배적인 종이었습니다. 이 3층 CpcL-PBS 복합체는 길이가 160Å, 직경이 100Å입니다(그림 1a-c). 복합체는 18개의 PC αβ 단량체(CpcA-CpcB 이종이량체)와 3개의 링커 단백질인 CpcL, CpcC1 및 CpcC2를 1:1:1 화학량론으로 포함하는 40개의 하위 단위를 포함합니다(그림 1d, e). FNR3D의 CpcD 도메인은 CpcL-PBS의 원위 끝에서 명확하게 식별될 수 있습니다(그림 1d, e). 4개의 링커는 CpcL-CpcC1-CpcC2-CpcD(FNR3D) 순서로 거의 선형 방식으로 구성되어 있으며 CpcL은 틸라코이드 막에 가깝고 FNR3D는 원위 말단에 있습니다(그림 1d, e). CpcL-PBS는 Synechocystis 680313의 CpcG-PBS 막대와 매우 유사하며 그 사이의 RMSD는 0.4Å입니다(그림 1f). 이러한 링커는 CpcL-PBS 어셈블리 및 PSI와의 연결을 지원하는 링커 골격을 형성합니다(그림 1g).