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| 中國(guó)海洋大學(xué)在碳固定細(xì)胞器羧酶體外殼組裝分子機(jī)制研究方面獲得新進(jìn)展 |
| http://www.netislanduk.com 2024年12月3日 來(lái)源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院、海洋生物多樣性與進(jìn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心張玉忠教授團(tuán)隊(duì)與劉魯寧教授合作，在Science Advances雜志發(fā)表了題為“Molecular principles of the assembly and construction of a carboxysome shell”（羧基殼組裝和構(gòu)建的分子原理）的研究論文。該研究利用合成生物學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)、構(gòu)建了包含所有外殼蛋白及關(guān)鍵連接蛋白CsoS2羧基末端結(jié)構(gòu)域(CsoS2-C)的人工羧酶體外殼，解析了羧酶體外殼的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)蛋白組份之間的復(fù)雜相互作用，為研究羧酶體外殼自組裝的分子機(jī)制提供了新見(jiàn)解，并為羧酶體的重構(gòu)和生物技術(shù)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
提高酶和代謝的效率是細(xì)胞維持生命的關(guān)鍵。通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的自組裝和分區(qū)來(lái)隔離生物反應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要方式。越來(lái)越多的證據(jù)表明，原核細(xì)胞中也含有類(lèi)似真核細(xì)胞的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)。這些多樣的類(lèi)細(xì)胞器結(jié)構(gòu)具有多種代謝和生理功能，促進(jìn)了細(xì)胞對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)，并推動(dòng)了細(xì)胞復(fù)雜性的進(jìn)化。
羧酶體是一種專(zhuān)門(mén)用于固定CO₂的微區(qū)室。其利用由六聚體、五聚體和三聚體組成的多面體蛋白質(zhì)外殼封裝Rubisco酶，通過(guò)提高Rubisco周?chē)腃O₂濃度來(lái)增強(qiáng)羧化反應(yīng)。利用羧酶體實(shí)現(xiàn)CO₂高效固定的主要類(lèi)群包括藍(lán)藻和化能自養(yǎng)細(xì)菌，它們?cè)谌蛱佳h(huán)中發(fā)揮重要作用。此外，羧酶體的高CO2固定效率及其蛋白質(zhì)外殼的封裝特性，在作物的基因工程改造、代謝調(diào)控，以及作為納米反應(yīng)器在生物能源生產(chǎn)等方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值。盡管羧酶體具有重要生理生態(tài)功能和應(yīng)用潛力，但其外殼組裝的分子機(jī)制仍不清楚。這嚴(yán)重限制了對(duì)羧酶體整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和改造利用。
本研究分析了人工合成的包含所有外殼蛋白和關(guān)鍵連接蛋白CsoS2羧基末端結(jié)構(gòu)域(CsoS2-C)的α-羧酶體殼的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)最大尺寸54納米的殼體組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子分辨率的冷凍電鏡分析，揭示了促進(jìn)了更大尺寸外殼的穩(wěn)定組裝的羧酶體殼蛋白之間多樣化的組裝界面以及CsoS2與殼蛋白的詳細(xì)相互作用。研究發(fā)現(xiàn)不同于六聚體-五聚體蛋白組件之間形成固定的傾角，六聚體與六聚體組件之間的傾角更加復(fù)雜多變。而連接蛋白的羧基末端結(jié)構(gòu)域CsoS1C與外殼蛋白之間形成多點(diǎn)式相互作用，且采取兩種不同的構(gòu)象協(xié)助外殼的組裝。不僅如此，基于生物化學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)學(xué)方法，研究還發(fā)現(xiàn)六聚體和五聚體單體蛋白的同源物之間可以形成異源嵌合六聚體和異源嵌合五聚體。
研究結(jié)果顯著加深了我們對(duì)羧酶體殼自組裝機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為揭示α-羧酶體殼的組裝原理及CsoS2在調(diào)控α-羧酶體組裝和功能中的作用提供了機(jī)制性見(jiàn)解，并為具有新生物技術(shù)功能的殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和重新編程提供重要基礎(chǔ)。
本研究由中國(guó)海洋大學(xué)、英國(guó)利物浦大學(xué)、山東大學(xué)等單位合作完成，中國(guó)海洋大學(xué)王鵬副教授、李康副教授、山東大學(xué)李劍勛博士和英國(guó)利物浦大學(xué)李天佩博士為共同第一作者。劉魯寧教授、張玉忠教授為該論文的共同通訊作者，中國(guó)海洋大學(xué)為第一完成單位和通訊作者單位。本研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
通訊員：李春陽(yáng)
圖1. CsoS2介導(dǎo)的α-羧酶體外殼組裝及完整α-羧酶體的構(gòu)建模型。
相關(guān)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr4227
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