生物物理所揭示光合作用狀態轉換機制

　　4月17日，Plant Cell 期刊在線發表了中國科學院生物物理研究所柳振峰課題組關于植物光合作用狀態轉換磷酸酶（TAP38/PPH1)底物識別機制的研究成果，題為Structural Mechanism Underlying the Specific Recognition between the Arabidopsis State-Transition Phosphatase TAP38/PPH1 and Phosphorylated Light-Harvesting Complex Protein Lhcb1。

　　狀態轉換（state transition）是藻類和陸生植物在弱光條件下響應外界光照質量（light quality)變化的一種巧妙的適應調控機制，對于植物在多變的光照條件下優化光合作用效率具有重要的作用。植物光合作用中需要兩個光系統（光系統I和II）的平衡運轉來實現光驅動的能量物質生成過程。在狀態轉換可逆的調控過程中，植物利用一對分別被稱為Stt7(或STN7)和TAP38（或PPH1）的葉綠體蛋白激酶和磷酸酶來調控天線復合物LHCII的磷酸化水平，實現光能在兩個光系統間的動態平衡分配。關于LHCII磷酸酶的研究始于上世紀80年代，而其具體的結構特征和作用機制三十多年來一直是個謎。2010年，植物分子遺傳學家（德國Leister組和瑞士Goldschmidt-Clermont組）分別獨立發現TAP38/PPH1對于LHCII的去磷酸化和狀態轉換的逆過程是必需的，然而其是否能直接作用于磷酸化的LHCII及其分子間的相互識別方式都還有待進一步研究闡明。

　　柳振峰課題組通過生物化學分析方法證明了狀態轉換磷酸酶TAP38/PPH1可特異性地直接作用于磷酸化LHCII并能夠高效地將其去磷酸化，而對于光系統II核心亞基磷酸化蛋白的催化活性則較弱。經過多年的努力，課題組解析了TAP38/PPH1基質側的核心結構域蛋白本身，及其與磷酸化天線蛋白Lhcb1的氨基端多肽復合物的高分辨率晶體結構（圖1）。通過對兩個結構的分析和比較，結果揭示了TAP38/PPH1得以特異性地識別磷酸化LHCII的分子機制。研究發現了TAP38/PPH1中存在兩段特有的氨基酸序列和相應的結構模（Motifs A和B，圖1黃色和紫色部分），它們參與形成兩個特異的底物結合和識別位點，在底物識別過程中發揮著關鍵的作用。此外，TAP38/PPH1與pLhcb1多肽復合物的晶體結構也是2C型蛋白磷酸酶家族中首次被報道的該類型磷酸酶與磷酸化多肽底物復合物的結構，為深入理解2C型蛋白磷酸酶的催化過程反應機制提供了高精度的分子間相互作用細節。

　　該項研究得到了“光合作用與‘人工葉片’”“973”計劃重大科學問題導向項目以及中國科學院戰略性先導科技專項（B類）的資助。課題負責人和論文通訊作者柳振峰為中組部“青年千人計劃”的首批入選者，在該計劃的支持下組織和開展研究。論文第一作者魏雪鵬（博士研究生）負責實施論文中涉及分子生物學、生物化學、衍射數據收集、結構解析和數據分析總結等一系列的工作。該項工作的順利開展得到了常文瑞課題組的李梅和郭江濤的參與和支持，晶體衍射數據收集于上海光源BL17U線站和光子工廠NW12A線站。

狀態轉換磷酸酶TAP38/PPH1與捕光天線復合物LHCII相互作用的示意圖。色彩模式：灰色，TAP38/PPH1的催化結構域及預測的一段跨膜螺旋；黃色，Motif A；紫色，Motif B；綠色柱體，捕光天線復合物LHCII的膜內部分；綠-藍-紅三色球體模型，捕光蛋白Lhcb1的N-末端磷酸化多肽；藍箭頭顯示TAP38/PPH1從無底物結合狀態到與底物pLhcb1結合的轉換過程。