Крио

Nature Communications, том 14, номер статьи: 3961 (2023) Цитировать эту статью

2713 Доступов

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Фикобилисомы (PBS) являются основными светособирающими комплексами фотосинтеза у цианобактерий и красных водорослей. CpcL-PBS — это тип небольшого PBS у цианобактерий, который передает энергию непосредственно фотосистеме I без основной структуры. Здесь мы сообщаем о крио-ЭМ структуре CpcL-PBS из цианобактерии Synechocystis sp. PCC 6803 с разрешением 2,6 Å. В структуре показан домен CpcD ферредоксина: НАДФ+-оксидоредуктаза расположена на дистальном конце CpcL-PBS, ответственного за его прикрепление к PBS. С помощью данных сверхбыстрого переходного поглощения и флуоресцентной спектроскопии выявлена ​​роль отдельных билинов в переносе энергии. Билин 1Iβ822, расположенный вблизи фотосистемы I, имеет повышенную планарность и является красным билином, ответственным за прямую передачу энергии фотосистеме I.

Цианобактерии являются одной из первых групп организмов, преобразующих солнечную энергию в химическую энергию1,2. Они являются первыми организмами, которые создали линейный перенос электронов с двумя фотосистемами, фотосистемой II (PSII) и фотосистемой I (PSI), и были ответственны за повышение содержания кислорода на Земле более 2,4 миллиарда лет назад1,2,3. Основными светособирающими антеннами для улавливания солнечной энергии у цианобактерий и красных водорослей являются фикобилисомы (PBS)4,5,6,7, которые передают поглощенную световую энергию либо PSII, либо PSI для управления переносом электронов. PBS состоит из фикобилипротеинов (PBP), которые имеют ковалентно присоединенные пигменты, называемые билинами, и линкерные белки4,8. У цианобактерий существует два типа PBS: CpcG-PBS и CpcL-PBS. CpcG-PBS состоят из двух частей: ядра и периферических палочек, которые связаны с ядром через линкерные белки CpcG. Недавно определенные крио-ЭМ структуры PBS из красных водорослей9,10 и цианобактерий11,12,13 показали, как линкерные белки и PBP организованы в высокоупорядоченные светособирающие архитектуры. CpcL-PBS имеет гораздо меньшие размеры и состоит всего из одного стержня без аллофикоцианинового ядра14,15,16. CpcL-PBS, который прикреплен к тилакоидным мембранам через линкерный белок CpcL (также называемый CpcG2 у Synechocystis 6803 и CpcG3 у Anabaena 712017), связан с PSI18 и способен передавать поглощенную световую энергию на PSI16,19. CpcL-PBS также участвует в образовании суперкомплекса NAD(P)H-дегидрогеназа (NDH)-CpcL-PBS-PSI (NDH-PBS-PSI) для циклического переноса электронов (CEF)20, а недавнее исследование показывает, что прикрепление Для CEF21 требуется ферредоксин-НАДФ+ оксидоредуктаза (FNR) в CpcL-PBS. Большинство цианобактериальных FNR содержат три домена: домен CpcD, домен связывания FAD и домен связывания NADPH, а трехдоменный FNR (FNR3D) прикреплен к периферическим стержням цианобактерий CpcG-PBS и CpcL-PBS22,23,24. Однако прикрепление FNR3D к стержням PBS не наблюдалось в недавно определенных крио-ЭМ структурах CpcG-PBS11,12,13. Чтобы понять механизм прямой передачи энергии от CpcL-PBS к PSI и его роль в формировании суперкомплекса NDH-PBS-PSI, мы определили крио-ЭМ структуры CpcL-PBS с присоединенным FNR из Synechocystis 6803. В сочетании с пикосекундной спектроскопией В качестве доказательств наше исследование раскрывает природу терминального эмиттероподобного билина со смещением в красную сторону и проливает свет на то, как CpcL-PBS может эффективно передавать световую энергию внутри PBS и в PSI в отсутствие ядра PBS.

CpcL-PBS были приготовлены из штамма Synechocystis 6803, лишенного генов apcAB24, а очищенный CpcL-PBS был проанализирован спектроскопически и биохимически на предмет его состава и функциональной целостности (дополнительный рисунок 1). Анализ SDS-PAGE с последующим секвенированием N-конца белка показал, что очищенный CpcL-PBS содержал фикоцианин (PC) и линкерные белки, включая CpcA, CpcB, CpcC1, CpcC2 и CpcL. Препарат CpcL-PBS также содержит трехдоменный FNR с молекулярной массой 45 кДа (дополнительный рисунок 1e). Спектр поглощения изолированного CpcL-PBS имеет максимальное поглощение при 620 нм (дополнительный рисунок 1g), что типично для поглощения фикоцианина. Его спектр флуоресценции при комнатной температуре имеет два пика: один при 648 нм, а другой при 668 нм, как сообщалось ранее24,25. Пик эмиссии при 648 нм подобен гексамеру фикоцианина с линкером CpcG26,27, тогда как пик эмиссии при 668 нм от фикоцианина (ПК) не наблюдался в других тримерах или палочках ПК (дополнительный рисунок 1g). При 77 К наблюдается один основной пик эмиссии при 670 нм (дополнительный рисунок 1h). Анализ образца CpcL-PBS с помощью электронной микроскопии (ЭМ) с отрицательным окрашиванием показывает, что он содержит стержнеобразные структуры, а большинство стержней содержат три гексамера. Также были обнаружены некоторые частицы с более чем тремя гексамерами αβ (дополнительный рисунок 1f), что указывает на то, что комплексы CpcL-PBS имеют гетерогенную природу, что согласуется с предыдущей работой24. Чтобы свести к минимуму разборку комплекса PBS во время приготовления криорешетки, образцы обрабатывали 0,012% глутаральдегидом, а частицы CpcL-PBS автоматически отбирались и классифицировались (дополнительный рисунок 2). Была получена карта плотности 2,6 Å CpcL-PBS, содержащая трехслойные гексамеры, что позволило нам построить атомные модели для всех хромофоров (билинов) и белковых цепей (дополнительные рис. 3a – d). Примечательно, что трехуровневая архитектура была доминирующим видом, поскольку 2D- и 3D-классификации не смогли обогатить другие популяции. Этот трехслойный комплекс CpcL-PBS имеет длину 160 Å и диаметр 100 Å (рис. 1а–в). Комплекс содержит 40 субъединиц, в том числе 18 мономеров PC αβ (гетеродимер CpcA-CpcB) и три линкерных белка: CpcL, CpcC1 и CpcC2 в стехиометрии 1:1:1 (рис. 1г, д). Домен CpcD FNR3D можно четко идентифицировать на дистальном конце CpcL-PBS (рис. 1d, e). Четыре линкера организованы в порядке CpcL-CpcC1-CpcC2-CpcD (FNR3D) почти линейным образом, причем CpcL находится рядом с тилакоидной мембраной, а FNR3D - на дистальном конце (рис. 1d, e). CpcL-PBS очень похож на стержень CpcG-PBS из Synechocystis 680313 с RMSD между ними 0,4 Å (рис. 1f). Эти линкеры образуют линкерный скелет, который обеспечивает поддержку сборки CpcL-PBS и его ассоциации с PSI (рис. 1g).