分子植物科學卓越創新中心揭示藍藻CO2濃縮機制中HCO3-轉運蛋白BicA的結構與機理

文章来源:分子植物科学卓越创新中心/植物生理生態研究所  |  发布时间:2019-11-13  |  【打印】 【關閉

  

  20191111日, Nature Plants在线发表了中國科學院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组题为 “Structural mechanism of the active bicarbonate transporter from cyanobacteria”的研究論文。該研究解析了藍藻CO2濃縮機制中SLC26家族HCO3-轉運蛋白BicA的三維結構,揭示了其跨膜轉運HCO3-的分子機制。

  藍藻在進化中形成了獨特的CO2濃縮機制 (CO2 concentration mechanism, CCM),顯著提高了光合作用效率。CCM由五種無機碳(HCO3-/CO2)轉運蛋白和羧酶体组成。BicACCM中的關鍵蛋白,是一種高通量低親和力的HCO3-轉運蛋白(转运过程需要Na+),在分類上屬于Solute Carrier 26 SLC26)家族轉運蛋白。与多数SLC家族轉運蛋白不同,SLC26家族轉運蛋白不仅包含有跨膜通道结构域,还包含一个膜内侧的STAS結構域。人們對BicA轉運蛋白如何实现HCO3-高通量跨膜轉運,以及SLC26家族轉運蛋白的分子机制不清楚。

  在本研究中,研究人員利用晶體學手段解析了BicA蛋白跨膜結構域和膜內側STAS結構域的三維結構,並且利用冷凍電鏡方法獲得了BicA全長蛋白低分辨率的三維結構。研究發現BicA是通過STAS結構域形成同源二聚體發揮功能,單獨的跨膜結構域不具備跨膜轉運活性或生理活性。這一特點很可能存在于所有的SLC26家族轉運蛋白中,并且与大多数已知的SLC家族轉運蛋白明显不同。鉴于所获得的BicA蛋白跨膜結構域的結構處于底物HCO3-Na+結合且朝向細胞內的構象狀態(inward-facing substrate binding conformation),這使得人們清楚地看到了HCO3-Na+的結合位點。基于結構的分析揭示了決定HCO3-特異結合的關鍵氨基酸殘基,並通過生理手段得到了驗證。最後,通過與已知其他家族(SLC4HCO3-轉運蛋白的结构比较,研究人员提出了SLC26家族轉運蛋白跨膜轉運的“电梯模型”。值得一提的是,为提高C3植物的光合作用效率,科學家們近年來開始著手將藍藻CCM機制引入到綠色植物中。BicA作爲一種高通量的HCO3-轉運蛋白成为首选的靶标,该研究结果为BicA的應用與改造奠定了分子基礎。

  中國科學院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组已毕业学生王程程博士是本研究工作的第一作者,张鹏研究员为论文的通讯作者。生理功能分析工作与分子植物科学卓越创新中心米华玲研究员研究组、英国利物浦大学刘鲁宁教授研究组合作完成。该研究得到了中國科學院先导B、基金委、上海市及英國皇家學會的資助。實驗數據收集工作得到了上海光源19U1/17U1線站、張江實驗室蛋白分離制備系統、電鏡平台和中國科學技術大學孫林峰教授的支持與幫助。

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41477-019-0538-1

  

  1. BicA 跨膜轉運HCO3-的機制模型HCO3-的跨膜轉運依靠core domain垂直于膜的上下運動(elevator mechanism)實現。