常文瑞院士课题组解析植物光保护蛋白PsbS的晶体结构

　　植物与太阳光的关系是爱恨交加，一方面光能对于植物进行光合作用是必需的，但另一方面过量的光能又会导致植物光合作用装置的氧化性损伤，于是植物逐渐进化出了一种保护机制。在高光照条件下，植物类囊体腔侧的pH会由正常条件下的6.5降低至5.5–5.8，从而激活嵌在类囊体膜上的光保护蛋白PsbS，并进而诱发一种非常有效的高光保护机制——能量依赖的淬灭（energy-dependent quenching，qE）。通过qE，植物可以把捕光复合物吸收的过量光能以热的形式安全地耗散掉，从而减少或避免光氧化性损伤。早在2000年已有报道表明PsbS在qE功能中发挥关键作用，但是对于PsbS是否结合色素一直存有争议，其参与光保护作用的机制也并不清楚，因而解析其三维结构成为本领域期待已久的研究课题。 

　　中国科学院生物物理研究所常文瑞院士课题组于四年前开展了PsbS的晶体结构研究。经过大量的摸索，他们建立了一个从菠菜叶片中大量纯化PsbS的方案，并在纯化和结晶的过程中一直维持酸性pH 值条件，最终解析了PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构。结构显示PsbS由四段跨膜螺旋组成，其结构紧密，单体内部没有色素结合位点，展现出与该课题组之前解析的同家族其它捕光复合物LHCII和CP29完全不同的结构特点。结合晶体结构分析和一系列的生化实验，他们证明PsbS在低pH下（活性状态）是一个紧密的二体，从而纠正了之前该领域的主流观点，即PsbS在活性状态为单体。此外，结合生化实验和PsbS与qE抑制剂DCCD复合物的结构分析，他们发现PsbS在非活性状态（中性pH）和活性状态均是二体，二者之间的转变可能是由于PsbS位于类囊体腔侧的loop感受pH改变引起的构象变化所致。有趣的是，他们还发现低pH下的PsbS二体界面处结合了一个叶绿素a，提示PsbS有可能在体内直接参与qE。这些研究结果为理解PsbS是如何被激活和抑制以及其参与qE的可能机制奠定了重要基础。 

　　该项研究成果已被国际著名期刊Nature Structural & Molecular Biology接收并于2015年8月10日在线发表，文章题为“Crystal structures of the PsbS protein essential for photoprotection in plants”。审稿专家称本工作“非常令人兴奋，并且带来很多惊喜，为研究PsbS的功能提供了新的视角”，“跨出了重要的一步”；“是优秀的、领域内长时间期待的并且迫切需要的一项研究工作”。 

　　常文瑞院士课题组的博士生范敏锐为第一作者，常文瑞院士和李梅副研究员为通讯作者。柳振峰研究员也对本项研究做出重要贡献。该研究得到了科技部973计划、中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的支持。 

　　图示：PsbS整体结构。 a. PsbS单体结构飘带示意图；b. PsbS二体结构示意图；c. PsbS二体界面处结合的叶绿素a；d. PsbS二体结合的qE抑制剂DCCD 。

　　文章链接：http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/full/nsmb.3068.html

（供稿：常文瑞课题组）