クライオ

Nature Communications volume 14、記事番号: 3961 (2023) この記事を引用

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11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

フィコビリソーム (PBS) は、シアノバクテリアと紅藻類における光合成の主要な集光複合体です。 CpcL-PBS は、コア構造を持たずに光化学系 I に直接エネルギーを伝達するシアノバクテリアの小型 PBS の一種です。 今回我々は、シアノバクテリア Synechocystis sp. 由来の CpcL-PBS の低温 EM 構造を報告します。 PCC 6803、解像度 2.6 Å。 この構造はフェレドキシンの CpcD ドメインを示しています。NADP+ オキシドレダクターゼは CpcL-PBS の遠位端に位置し、PBS への結合を担っています。 超高速過渡吸収および蛍光分光法の証拠により、エネルギー移動における個々のビリンの役割が明らかになります。 光化学系 I の近くに位置するビリン 1Iβ822 は、平面性が向上しており、光化学系 I への直接エネルギー伝達を担うレッドビリンです。

シアノバクテリアは、太陽エネルギーを化学エネルギーに変換した最も初期の生物群の 1 つです1,2。 彼らは、2 つの光系 II (PSII) と光系 I (PSI) による線形電子伝達を生み出した最初の生物であり、24 億年以上前に地球上の酸素含有量の増加に関与しました 1,2,3。 シアノバクテリアおよび紅藻類で太陽エネルギーを捕捉するための主要な集光アンテナはフィコビリソーム (PBS)4、5、6、7 であり、吸収された光エネルギーを PSII または PSI に伝達して電子伝達を駆動します。 PBS は、ビリンと呼ばれる色素が共有結合したフィコビリタンパク質 (PBP) とリンカータンパク質で構成されています 4,8。 シアノバクテリアには、CpcG-PBS と CpcL-PBS の 2 種類の PBS が存在します。 CpcG-PBS は、コアとリンカータンパク質 CpcG を介してコアと結合している周辺ロッドの 2 つの部分で構成されています。 最近決定された紅藻類 9,10 およびシアノバクテリア 11,12,13 のクライオ EM PBS 構造により、リンカータンパク質と PBP がどのようにして高度に秩序だった集光構造に組織化されるのかが明らかになりました。 CpcL-PBS はサイズがはるかに小さく、アロフィコシアニン コアを持たない 1 つのロッドのみで構成されています 14、15、16。 CpcL-PBS は、リンカータンパク質 CpcL (Synechocystis 6803 では CpcG2、Anabaena 712017 では CpcG3 とも呼ばれます) を介してチラコイド膜に結合しており、PSI18 と会合しており、吸収された光エネルギーを PSI に移動させることができます 16,19。 CpcL-PBS は、環状電子伝達 (CEF) のための NAD(P)H-デヒドロゲナーゼ (NDH)-CpcL-PBS-PSI (NDH-PBS-PSI) 超複合体の形成にも関与しており 20、最近の研究では結合がCEF21にはフェレドキシン-NADP+オキシドレダクターゼ（FNR）のCpcL-PBSへの変換が必要です。 ほとんどのシアノバクテリアの FNR には、CpcD ドメイン、FAD 結合ドメイン、および NADPH 結合ドメインの 3 つのドメインが含まれており、3 つのドメイン FNR (FNR3D) はシアノバクテリアの CpcG-PBS および CpcL-PBS の末梢ロッドに結合しています 22,23,24。 しかし、最近決定された低温 EM 構造 CpcG-PBS11、12、13 では、PBS ロッドへの FNR3D の付着は観察されていません。 CpcL-PBS から PSI への直接エネルギー移動のメカニズムと、NDH-PBS-PSI 超複合体形成におけるその役割を理解するために、シネコシスティス 6803 からの FNR が結合した CpcL-PBS の低温 EM 構造を決定しました。ピコ秒分光分析と組み合わせて、証拠として、我々の研究は、ターミナルエミッターのような赤方偏移ビリンの性質を明らかにし、PBSコアの非存在下でCpcL-PBSがどのようにしてPBS内およびPSIに光エネルギーを効果的に伝達できるかを明らかにするものである。

CpcL-PBSは、apcAB24の遺伝子を欠くシネコシスティス6803株から調製され、精製されたCpcL-PBSは、その組成と機能的完全性について分光学的および生化学的に分析されました（補足図1）。 SDS-PAGE 分析とその後のタンパク質 N 末端配列決定により、精製 CpcL-PBS にはフィコシアニン (PC) と、CpcA、CpcB、CpcC1、CpcC2、CpcL などのリンカータンパク質が含まれていることが明らかになりました。 CpcL-PBS 調製物には、分子量 45 kDa の 3 ドメイン FNR も含まれています（補足図 1e）。 単離されたCpcL-PBSの吸収スペクトルは、フィコシアニン吸収の典型である620 nmに最大吸収を持ちます（補足図1g）。 室温での蛍光発光スペクトルには 2 つのピークがあり、1 つは 648 nm、もう 1 つは 668 nm であり、これは以前に報告されたものと同じです 24,25。 648 nmの発光ピークは、CpcGリンカーを備えたフィコシアニン六量体26,27に似ていますが、フィコシアニン（PC）からの668 nmの発光ピークは、他のPC三量体またはロッドでは観察されていません（補足図1g）。 77 Kでは、670 nmに1つの主要な発光ピークが観察されます（補足図1h）。 CpcL-PBS サンプルのネガティブ染色電子顕微鏡 (EM) 分析では、サンプルに棒状構造が含まれており、棒の大部分に 3 つの六量体が含まれていることが示されています。 3つを超えるαβ六量体を持ついくつかの粒子も見つかりました（補足図1f）。これは、CpcL-PBS複合体が本質的に不均一であることを示しており、これは以前の研究と一致しています24。 クライオグリッド調製中のPBS複合体の分解を最小限に抑えるために、サンプルを0.012％グルタルアルデヒドで処理し、CpcL-PBSの粒子が自動的に選択および分類されました（補足図2）。 3層の六量体を含むCpcL-PBSの2.6Åの密度マップが得られ、すべての発色団（ビリン）とタンパク質鎖の原子モデルを構築することができました（補足図3a〜d）。 特に、2D および 3D 分類では他の個体群を充実させることができなかったため、3 層構造が優勢な種でした。 この 3 層の CpcL-PBS 複合体は、長さが 160 Å、直径が 100 Å です（図 1a ～ c​​）。 この複合体には、18個のPC αβモノマー（CpcA-CpcBヘテロダイマー）と3つのリンカータンパク質、CpcL、CpcC1、およびCpcC2を含む40個のサブユニットが1：1：1の化学量論で含まれています（図1d、e）。 FNR3D の CpcD ドメインは、CpcL-PBS の遠位端で明確に識別できました（図 1d、e）。 4つのリンカーは、CpcL-CpcC1-CpcC2-CpcD（FNR3D）の順序でほぼ直線的に編成されており、CpcLはチラコイド膜に近く、FNR3Dは遠位端にあります（図1d、e）。 CpcL-PBSは、Synechocystis 680313のCpcG-PBSのロッドによく似ており、それらの間のRMSDは0.4Åです（図1f）。 これらのリンカーは、CpcL-PBS アセンブリと PSI との関連付けのサポートを提供するリンカー スケルトンを形成します (図 1g)。