中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SM6組供稿
第50期
2020年06月24日
蛋白質動態結構分子開關:植物捕光天線實現高效捕光和光保護功能間切換的機理研究

  植物光合系统既要在多云或阴天低光照条件下保持高效捕光和传能效率,又要在正午强光持续照射下避免由此引发的氧化损伤即光保护。植物的光保护功能是将过剩的激发能以热的形式耗散掉。 在自然环境中,太阳光的辐照强度可以在短时间内呈现出十几倍的涨落。当云的阴影遮蔽住受强光辐照的叶片后,叶片还会将光保护状态持续数分钟之久,然后才切换到捕光状态。理论计算表明,由于状态开关切换的滞后效应,可以导致20%的光能损失。2016年,美国科学家通过遗传基因工程,获得开关恢复速率加快的突变株,发现其净光合效率比野生型增加约15% (Science, 2016,354,857)。

  那麽光合系統是如何調控蛋白質分子空間結構以快速響應環境光照條件的變化,實現低光照條件下高效能量傳遞及接近90%的電荷分離量子效率、並在強光照條件下快速切斷傳能通道進入光保護狀態的?這個問題困擾了科學家近半個世紀,對該問題的回答並闡明其微觀機理對于分子育種以提高農作物産量具有重大的指導意義。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心软物质物理实验室翁羽翔课题组,深圳湾实验室量子生物学、美国明尼苏达大学化学系高加力课题组和Gianlugi Veglia教授合作,应用超快时间分辨荧光光谱及脉冲升温(T-jump)-纳秒时间分辨中红外瞬态光谱结合全原子分子动力学模拟及量子化学计算,实验与理论密切配合,揭示了高等植物光系统II主要捕光天线蛋白色素复合物(Light Harvesting Complex II,LHCII)三聚体,作为蛋白质分子机器,是如何实现高效捕光和光保护功能间可逆切换的机理。该研究表明,强光照射下的局部升温和光解水导致的光合膜囊腔侧酸度的增加所产生的驱动力,在微秒时间尺度内诱导LHCII蛋白质变构运动,导致捕光色素对叶黄素-叶绿素间的距离减小,发生叶绿素激发态被叶黄素分子淬灭的能量转移过程,由此将多余的激发态能量有效地转换成热能而耗散掉,从而实现了由高效捕光到激发态能量耗散状态间的快速切换。这一分子机器的作用机理密切关联了光合系统外部环境条件(环境温度,水的蒸腾作用,光合膜的硬度)、内部分子层次动态结构变化、以及植物表观现象的因果关系,解决了光合体系如何可逆地实现由低光照条件下的高效捕光/传能功能切换到高光照条件下的光保护功能这一个核心科学问题。

  该研究揭示,聚集态的LHCII三聚体的荧光寿命和强度受温度和酸度调控,温度升高或者酸度增加都能够导致显著的荧光淬灭现象。通过荧光寿命分析表明,LHCII存在两种构像体,即长寿命的捕光构像(light-harvesting, H)和短寿命的能量淬灭构像体(Quenching, Q)。另外系统在较高的温度下通常还存在变性的蛋白构像(Denatured, D)。因而在变温过程中,系统中存在三种构像体,即H、Q 和D。结合荧光寿命和强度分析,可以严格得到三者相对含量随温度的变化关系。结果表明,淬灭态Q的含量随温度升高而增加,在55℃左右,达到最大值 (图1)。另外,蛋白的热稳定性分析表明,LHCII三聚体在55℃以下的结构变化几乎是完全可逆的。

图1. 升温促使LHCII三聚体由传能状态到激发能淬灭状态的转换示意图。

  随后应用自主研发的高精度脉冲升温—纳秒时间分辨中红外光谱仪(Rev. Sci. Instr. 2015,86,053105),结合变温傅里叶变换红外光谱,研究了LHCII三聚体在热胁迫下发生的结构变化,指认了囊腔侧处于部分亲水的310螺旋E(Helix E)的二级结构谱峰位置,并通过单点突变重组蛋白(S123G)进一步证实了对关键二级结构310螺旋結構E的光譜指認。實驗表明溫度升高與酸度增加都會促使囊體腔側一段處于松弛狀態的310螺旋E向結構更緊湊的α-螺旋轉變。熱脅迫下310螺旋E向α-螺旋转变的时间约1微秒,新生的α-螺旋向疏水内核区插入的时间约1.24微秒 (图2)。

图2. 脉冲升温—时间分辨中红外光谱及动力学(a,b)(上半图)。实验表明新生α-螺旋插膜过程的时间尺度为1.24 μs (b)。分子动力学模拟结果(下半图)。分子动力学模拟揭示升温过程中处于松弛状态的310螺旋结构(E.M1: Helix E in Mononomer 1,蓝色部分)和相邻单体中的一段无规卷曲结构(C-terminus in Mononomer 2,蓝色部分)会协同转变为α-螺旋(红色部分)。

  全原子分子動力學模擬結果表明,在升溫過程中,蛋白質部分結構單元會發生失水作用,導致結構單元間的疏水作用增強,引起310螺旋E和相鄰的LHCII單體中的一段無規卷曲結構協同轉變爲α-螺旋,並引起α-螺旋E和D向疏水核內部插入運動,從而在原子尺度上闡釋了脈沖升溫—時間分辨中紅外光譜觀察到的蛋白質二級結構的變化。α-螺旋E和D插膜運動引起的別構效應驅動一對交叉排列的跨膜螺旋A和B發生剪切運動,導致附著于跨膜螺旋對上的葉綠素分子與相鄰的葉黃素分子之間的間距隨溫度的升高或酸度的增加而變小。進一步通過量子化學計算,揭示葉黃素分子(LUT)暗態(S1態)和葉綠素a激發態電子態耦合強度在一定的溫度範圍內,也隨溫度升高而增強,導致葉綠素激發態的能量淬滅,並且能量淬滅主要發生在LUT-Chl612這一色素對上(圖3)。

图3. 不同温度下LHCII三聚体中叶黄素分子1 (Lut1)和叶绿素分子间电子态耦合强度以及叶黄素分子的构像扭曲。

  更爲詳細的圖像是(圖4),當310螺旋E转变为α-螺旋后,触发螺旋E和D在类囊体腔侧的插膜运动,并分别以螺旋D端的残基L206与螺旋B末端残基V80、L84构成剪叉内侧作用力的支点,以螺旋E端的残基W97与螺旋A在类囊体腔侧剪叉的末端残基F194、F195构成另一作用力的支点。类囊体腔侧的螺旋E与D在热能或酸度的驱动下形成一对顶杠,以螺旋A、B交叉点处的盐桥(Arg70-Glu180, Glu65-Arg185)为铰点,分别从跨膜螺旋A与B交叉面内侧将剪叉式排列的螺旋顶开,导致剪叉角度增加,带动两个剪叉式排列的叶黄素分子做相应的开叉运动,缩短了叶黄素分子与相邻的叶绿素分子之间的距离,增强了色素对间电子态的耦合,提升了叶绿素激发态能量的淬灭效率。尤其在低温条件下,位于腔侧的谷氨酸(E94)与螺旋E近端的赖氨酸K99形成氢键,随着温度的升高,螺旋E逐渐朝中心靠近,E94-K99之间的相互作用减弱,而E94与处于螺旋E中段的谷酰胺Q103形成新的氢键,这说明E94协同参与了螺旋E的插膜过程。上述模型与分子生物学中单点突变的实验结果相符合,如将E94突变成电中性甘氨酸,会导致叶绿素荧光淬灭效率降低。可见E94恰如开关中的触臂,K99及Q103分别为两个触点,当E94与K99相触的时候,系统处于高效捕光态,而当E94与Q103相触的时候,则处于光保护状态。

图4. 热能及酸度驱动LHCII三聚体分子开关剪叉式运动工作原理(左)及剪叉式升降机构(右)类比示意图。

  可见,LHCII恰如剪叉式升降机一样的分子开关 (图4),在热能或酸度诱导的疏水作用下,触发螺旋E与D向疏水内核的插膜运动,将动力分别传给剪叉的两臂螺旋A与B,引起像剪叉式升降机一样的运动,迫使叶黄素分子和相邻的叶绿素分子相互接近,从而实现叶绿素激发态的能量淬灭。从分子机器的角度可得出以下三个推论:

  (1)插膜運動速率是能量淬滅過程的速率決定步驟,時間尺度爲1.24微秒,因此光合系統能量耗散也應該在這個時間尺度。文獻報道的實驗結果表明,活體葉片能量耗散的時間尺度爲1.4微秒。

  (2)從機械的角度考慮,腔側螺旋插膜作用需要經過幾道環節的傳遞才能夠到轉變爲跨膜螺旋的剪叉升降運動,而傳遞過程中涉及的機械單元是典型的軟物質,因而光合膜剛度越大,力的傳遞效率越高,能量耗散的效果也就越好,這點也爲已知實驗事實所證實。

  (3)能量淬滅態對應的是交叉跨膜螺旋對頂角更爲張開的狀態,因而處于光保護狀態的光合膜應當變薄(圖4,左),這一點也與文獻報道實驗觀測相符。

  上述分子機制不僅與迄今報道的衆多生物學實驗觀測相符,還揭示了植物是如何應用穩態溫度和瞬態溫度來實現高效能量耗散、同時又可以避免蛋白質熱變性的。一般情況下,當環境溫度爲25℃時,葉片的溫度可達40℃。葉片對激發能的耗散馳豫時間爲10微秒量級,進一步估算10微秒內吸收的光子數全部變成熱量可以引起LHCII三體瞬態溫度上升14℃,並且該瞬態溫度持續時間遠小于100微秒的蛋白質開始變性的條件,因此不會引入額外的蛋白質變性。此時處于能量耗散狀態的瞬態溫度達到54℃,正好處于能量淬滅的最佳溫度附近,而蛋白質的穩定性則由穩態溫度40℃決定。可見自然界利用高瞬態溫度實現最優化能量淬滅,同時維持較低的葉片穩態溫度以保證蛋白質結構的完全可逆性。

  该项工作以“Dynamical and Allosteric Regulation of Photoprotection in Light Harvesting Complex II”为题在线发表于Science China Chemistry. (https://doi.org/10.1007/s11426-020-9771-2)。中科院物理所博士生李昊和深圳湾实验室副研究員王英杰为論文的并列第一作者,翁羽翔和高加力为共同通讯联系人。

  該研究得到了國家自然科學基金委重點項目(21433014)和中國科學院科研儀器設備研制項目(YZ200842,YJKYYQ20170046)的支持。分子動力學模擬工作分別得到了國家自然基金委、科技部重點研發計劃高性能計算專項和美國NIH的資助。

原文鏈接:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11426-020-9771-2
DOI:https://doi.org/10.1007/s11426-020-9771-2