蛋白质分子开关：植物捕光蛋白实现高效捕光和光保护功能间的切换

中科院物理所翁羽翔课题组、美国明尼苏达大学化学系高加力课题组和Gianglugi Veglia教授通过合作研究，发现高等植物光合体系的捕光天线（LHCII）三聚体本身是一个蛋白质分子机器，通过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增加所产生的环境信号，快速诱导蛋白质的变构运动，导致叶黄素-叶绿素捕光色素对间的距离减小，将多余的激发态能量有效地转换成热能而耗散掉。

植物光合系统既要在多云阴天低光照条件下保持高效的捕光和传能效率，又要在正午强光持续照射下避免由此引发的氧化损伤。那么光合系统是如何调控蛋白质分子空间结构以快速响应环境光照条件的变化，实现低光照条件下高效能量传递及接近90%的电荷分离量子效率、并在强光照条件下快速切断传能通道进入光保护状态的呢？回答该问题并阐明其微观机理对于分子育种涉及的基因改造以提高农作物产量具有重大的指导意义。

翁羽翔研究员、高加力教授和Gianglugi  Veglia教授等通过合作研究，发现高等植物光合体系的捕光天线（LHCII）三聚体本身是一个蛋白质分子机器，通过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增加所产生的环境信号，快速诱导蛋白质的变构运动，导致叶黄素-叶绿素捕光色素对间的距离减小，将多余的激发态能量有效地转换成热能而耗散掉。这一分子机器的作用机理与光合系统外部环境条件、内部分子层次动态结构变化、以及植物表观现象密切相关，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。

作者通过超快荧光光谱及脉冲-升温时间分辨中红外光谱实验、分子动力学模拟并结合多态密度泛函理论计算，发现温度升高或者酸度增加都能够显著导致聚体条件下LHCII三聚体激发态荧光淬灭，并且证明这一现象归结于外界环境条件引发的LHCII局部二级结构变化，进而诱导一对交叉排列的跨膜蛋白螺旋夹角增加的变构效应，导致捕光色素对的间距变小。这种变构效应可以归结为机械剪叉式运动（图1），其关键是局部二级结构调控起到一个开关的双向切换作用：（1）在高光照及高酸度条件下快速形成两个螺旋结构，通过插膜运动关闭传能开关，切断能量传递通路，将多余的激发能以热的形式耗散掉，避免过量光能造成反应中心的氧化损伤，从而实现光保护功能；（2）在低光照低酸度条件下，重新打开开关，系统恢复到捕光及能量高效率传递通路。

图1 热及酸度驱动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。
 

该项工作近期发表于Sci. China Chem.。详见：Hao Li, Yingjie Wang, Manping Ye, Shanshan Li, Deyong Li, Haisheng Ren, Mohan Wang, Luchao Du, Heng Li, Gianluigi Veglia, Jiali Gao*, Yuxiang Weng*,  Dynamical and allosteric regulation of photoprotection in light harvesting complex II. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9771-2.

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通讯作者简介
翁羽翔，中国科学院物理研究所研究员，软物质物理与生物物理实验室主任。1988年于华东师范大学化学系获硕士学位，1993年于中科院物理所获光学博士学位。1994－1999年间分别在香港大学和美国Emory大学从事博士后研究，1999年回到中科院物理研究所工作，2009年获国家杰出青年科学基金支持。长期从事超快时间分辨激光光谱的方法学和应用研究，在光催化机理及光合系统原初超快传能及蛋白质动态结构等方向开展研究工作。在国内外期刊上发表论文100余篇。出版《超快激光光谱原理与技术基础》著作一部。