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硅藻（wikipedia.org/wiki/Diatom）

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硅藻可能起源于紅藻的二次內(nèi)共生事件，是現(xiàn)代海洋最“成功”的浮游光合生物之一，也是是海洋赤潮的主要類群之一。硅藻具有很強的適應能力，種類繁多，在海洋中從赤道到兩極都有分布，甚至在淡水、土壤和空氣中都可以生存。那么硅藻為何會如此“成功”呢？先前的研究表明，精致的硅納米結(jié)構(gòu)的細胞壁、緊密的線粒體和葉綠體能量偶聯(lián)、奇特的氮素代謝能力、強大高效的光合作用能力是硅藻能夠在海洋中繁盛的重要原因。硅藻捕光天線蛋白“巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白復合體”（Fucoxanthin chlorophyll a/c protein，F(xiàn)CP）具有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光保護能力，是硅藻細胞快速生長和繁殖的能量基礎(chǔ)【4,5】。然而，硅藻光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)長期沒有得到解析，極大限制了硅藻光合作用的研究。

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圖1：三角褐指藻類囊體膜上的 FCP 二聚體晶體結(jié)構(gòu)。A和B：FCP 蛋白和晶體；蛋白中的葉綠素a（綠色），葉綠素c（洋紅色），巖藻黃素（橙色）和硅甲藻黃素（藍色）分子結(jié)構(gòu)分別以棍狀圖顯示。

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2019年2月8日，國際著名學術(shù)期刊 Science 在線發(fā)表了中國科學院植物研究所沈建仁和匡廷云研究團隊題為Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms 的研究長文（Article），報道了硅藻捕光天線蛋白 (FCP) 捕獲藍綠光和淬滅過剩激發(fā)能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這是硅藻的第一個光合膜蛋白結(jié)構(gòu)解析研究工作（圖1和2），也是中國科學院植物研究所繼高等植物和紅藻重要光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究之后【6-8】，在海洋重要光合生物膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域取得的又一重要突破。

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硅藻的FCP復合體屬于捕光天線復合物超級蛋白家族，但其氨基酸序列與高等植物和綠藻的葉綠素a/b捕光天線蛋白（LHC蛋白）的序列同源性很低【6】，特別是在N和C末端差異很大（圖3A）。尤其是 HelixD 和一些關(guān)鍵氨基酸丟失，導致 FCP 以同質(zhì)二聚體的方式聚合，而不是多年以來預測的三聚體模型。FCP 依賴類囊體膜基質(zhì)側(cè)表面的氫鍵和膜內(nèi)的兩個葉綠素以及一對 Helices C 形成的強力疏水作用形成二聚體（圖2）。

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圖2：FCP二聚體結(jié)合方式。A：葉綠素（Chl）a406和Helices C形成的大范圍疏水作用；B和C：類囊體膜表面的R104和S100側(cè)鏈形成一對氫鍵

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FCP 結(jié)合大量巖藻黃素和葉綠素c，可捕獲藍綠光，以適應深水下弱光環(huán)境，也使得硅藻細胞呈現(xiàn)紅褐色。研究人員通過結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，每個 FCP 單體中結(jié)合7個葉綠素a，7個巖藻黃素，2個葉綠素c，1個硅甲藻黃素和一些脂類及去垢劑分子（圖1和圖3）。每個 FCP 單體結(jié)合的葉綠素數(shù)量少于 LHCII 復合體中的14個葉綠素（圖3B）。2個葉綠素c都結(jié)合在葉綠素a和巖藻黃素形成的特征性口袋結(jié)構(gòu)中，每個葉綠素c分子分別與2個葉綠素a分子成簇，并與其中1個葉綠素a分子緊密耦合；每個葉綠素簇內(nèi)的葉綠素距離都在3.5?左右（圖4），可以使能量快速高效地傳遞。 FCP 二聚體內(nèi)部的葉綠素距離都在10?之內(nèi)，使激發(fā)能達到快速的平衡和傳遞。

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圖3：FCP 和 LHCII 結(jié)構(gòu)對比。A：Lhcf4 和 Lhcb1 的二級結(jié)構(gòu)差異；B:FCP結(jié)合的葉綠素a（綠色）和葉綠素c（洋紅色），LHCII 中的葉綠素a/b分別用藍色和銀色顯示。C:類胡蘿卜素結(jié)合位點對比。硅甲藻黃素:Ddx；葉黃素:Lut；紫黃質(zhì):Vio；新黃質(zhì):Neo。

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圖4： FCP 單體中的葉綠素c和巖藻黃素結(jié)合位點。A：對稱分布的葉綠素c和巖藻黃素及其結(jié)合的氨基酸側(cè)鏈。B和C：葉綠素簇與巖藻黃素分子的空間關(guān)系。

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巖藻黃素是具有共軛羰基的類胡蘿卜素，具有很強的溶劑效應，其結(jié)合的極性的蛋白環(huán)境是捕獲綠光的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在每個 FCP 單體中，6個巖藻黃素分子插入到光合膜內(nèi)，另1個新型的巖藻黃素分子水平結(jié)合在膜表面，這拓展了類胡蘿卜素在捕光天線蛋白中的結(jié)合方式和綠光捕獲能力。其中 Fx303 和 Fx305 與高等植物的 Lutein 相似（圖3C），結(jié)合在完全疏水的膜內(nèi)蛋白環(huán)境中，以此推測其吸收光譜紅移最少，主要捕光藍綠光（460-500 nm）。結(jié)合在葉綠素c丙烯酸尾部的 Fx306 和 Fx307 的兩個末端基團都暴露在極性環(huán)境下，導致它們的吸收光譜紅移至 500-550 nm，可以幫助硅藻捕獲并利用綠光。平躺的 Fx304 也將兩個末端基團都暴露在膜表面，也是可以捕獲綠光的巖藻黃素分子。而 Fx301 和 Fx302 只有一個末端基團暴露在類囊體膜囊腔側(cè)（圖5A），捕獲綠光的能力介于前兩類之間。

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所有巖藻黃素與葉綠素距離都在 4 ?之內(nèi)，形成共軛系統(tǒng)的偶聯(lián)，使其捕獲的光能可以高效地向葉綠素傳遞，同時也可能使巖藻黃素作為光保護的有效分子（圖5 B-F）。硅甲藻黃素分子與 FCP 蛋白結(jié)合較弱，可能是與周圍的膜脂分子相關(guān)，以便于參加到硅藻的類胡蘿卜素循環(huán)中，進而使得硅藻適應從水下到水面的快速劇烈的光環(huán)境變化（圖1和圖5）。

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圖5 巖藻黃素和硅甲藻黃素在 FCP 二聚體中的蛋白結(jié)合環(huán)境（A）以及與葉綠素之間的空間關(guān)系（B-G）。

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該高分辨率的 FCP 晶體結(jié)構(gòu)首次描繪了葉綠素c和巖藻黃素在光合膜蛋白中的結(jié)合細節(jié)，闡明了葉綠素和巖藻黃素在 FCP 復合體中的空間排布，揭示了葉綠素c和巖藻黃素捕獲藍綠光并高效傳遞能量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；首次揭示了 FCP 二聚體的結(jié)合方式，對幾十年來硅藻主要捕光天線蛋白聚合狀態(tài)研究提供了第一個明確的實驗證據(jù)。這一研究工作為揭示光合作用光反應拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機理，以及硅藻超強的光保護機制提供了堅實的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；為實現(xiàn)光合作用寬幅捕獲和快速傳遞光能的理論計算提供了可能，為人工模擬光合作用機理提供了新理論依據(jù)。也為指導設(shè)計新型作物、提高植物的捕光和光保護效率提供了新思路和新策略。

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匡廷云院士與沈建仁研究員為該論文的通訊作者，王文達博士和于龍江博士為本文共同第一作者。本項目得到日本岡山大學的合作研究支持，也得到了上海光源同步輻射光源、日本 SPring8 和 KEK 同步輻射光源、以及瑞士 SLS 同步輻射光源的技術(shù)支持；中國科技部國家蛋白質(zhì)重點研發(fā)計劃、中組部人才支持項目、中國科學院先導專項、中國科學院前沿重點項目和院長基金提供了經(jīng)費資助。

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據(jù)了解，該論文最初投稿的類型為report，Science 編輯部和四位 Reviewers 都對該高分辨率的海洋硅藻捕光天線蛋白工作給予了高度評價，認為這是非常出色和有科學意義的工作，是相關(guān)研究領(lǐng)域期待已久的結(jié)構(gòu)解析工作，并建議投稿的Report版本拓展為Article形式發(fā)表。

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論文原文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/363/6427/eaav0365

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參考文獻：

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