光合作用是植物最重要的特有功能之一，是大规模利用太阳能把二氧化碳和水合成有机物并放出氧气的过程，是几乎一切生命生存和发展的基础。光系统II(pSII)作为光合水氧化的场所，是位于光合生物类囊体膜上的一个重要蛋白质机器，对地球上生命具有重要意义。它由具有光能捕获、传递功能的捕光天线系统(LHCII)和具有光诱导电荷分离及水裂解功能的核心复合体(pSII core complex)组成。探索光系统II的结构及其功能调控机制一直是当今世界前沿的科学问题之一，相关研究曾被Science期刊评为2011年世界十大科技突破之一。

目前，在原子、分子水平上揭示光系统II光能捕获、传递及转化的精确机制仍存在巨大挑战。经过研究攻关，中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云研究团队与浙江大学张兴研究团队合作首次解析了一种C2S2M2N2型光系统II-捕光天线(C2S2M2N2-pSII-LHCII: C代表核心复合体，S、M、N分别代表不同结合类型的主要捕光天线复合体)超大色素蛋白复合体的三维结构，对于认识光系统II-捕光天线超大复合体中蛋白亚基的排列、色素分布及其能量捕获、传递机制具有重要意义。

这一研究发现公布在pNAS杂志上，植物所博士研究生沈亮亮、浙江大学博士研究生黄子惠和常圣海博士为论文共同第一作者，植物所韩广业副研究员、沈建仁研究员和浙江大学张兴教授为共同通讯作者。

研究人员选用光合作用模式生物莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)为研究材料，在分离超大pSII-LHCII复合体的基础上，利用单颗粒冷冻电子显微镜技术，解析了该超级复合体近原子分辨率(3.37 )的三维结构。研究发现，该蛋白复合体是由两个pSII-LHCII单体按照C2对称性组装而成一个C2S2M2N2型的超分子复合体，总分子量为148万道尔顿(1.48 MDa)，是目前解析的最大光系统II-捕光天线色素蛋白复合体。

研究表明每个pSII-LHCII单体含有29个蛋白亚基(其中18个是pSII核心亚基，11个是捕光天线亚基)，189个叶绿素分子、53个胡萝卜素分子、2个去镁叶绿素分子和大量的脂分子。外周天线系统包括3个主要捕光天线复合体(S-LHCII、M-LHCII和N-LHCII)和2个次要捕光天线(Cp26和Cp29)亚基，不含有高等植物具有的Cp24色素蛋白亚基。N-LHCII占据了高等植物pSII-LHCII中Cp24的位置，通过psbX亚基与D2蛋白亚基连接，并与Cp29色素蛋白亚基有着直接的联系；M-LHCII相对于高等植物pSII-LHCII中M-LHCII的位置旋转了60°，这种结合方式导致了M-LHCII与Cp29的连接进一步加强。

基于上述这些特殊的结构特点及色素分子的排列情况，研究人员在这一复合体中发现了多条光能捕获及传递途径，表明该C2S2M2N2-pSII-LHCII超分子复合体拥有更高效的光能捕获与传递功能，这可能有助于绿藻在水下弱光条件进行高效的光合作用。这些研究结果对进一步揭示光合生物光能高效捕获、传递及其对环境适应的分子机制具有重要意义。

原文标题：

Structure of a C2S2M2N2-type pSII–LHCII supercomplex from the green alga Chlamydomonas reinhardtii

https://www.pnas.org/content/early/2019/09/27/1912462116