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| 中國海洋大學在碳固定細胞器羧酶體外殼組裝分子機制研究方面獲得新進展 |
| http://www.cdyszf.com 2024年12月3日 來源：華禹教育網 |
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近日，中國海洋大學海洋生命學院、海洋生物多樣性與進化教育部重點實驗室、深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心張玉忠教授團隊與劉魯寧教授合作，在Science Advances雜志發(fā)表了題為“Molecular principles of the assembly and construction of a carboxysome shell”（羧基殼組裝和構建的分子原理）的研究論文。該研究利用合成生物學技術設計、構建了包含所有外殼蛋白及關鍵連接蛋白CsoS2羧基末端結構域(CsoS2-C)的人工羧酶體外殼，解析了羧酶體外殼的結構以及各個蛋白組份之間的復雜相互作用，為研究羧酶體外殼自組裝的分子機制提供了新見解，并為羧酶體的重構和生物技術應用提供了理論基礎。
提高酶和代謝的效率是細胞維持生命的關鍵。通過細胞內的自組裝和分區(qū)來隔離生物反應，是實現這一目標的重要方式。越來越多的證據表明，原核細胞中也含有類似真核細胞的細胞器結構。這些多樣的類細胞器結構具有多種代謝和生理功能，促進了細胞對不同環(huán)境的適應，并推動了細胞復雜性的進化。
羧酶體是一種專門用于固定CO₂的微區(qū)室。其利用由六聚體、五聚體和三聚體組成的多面體蛋白質外殼封裝Rubisco酶，通過提高Rubisco周圍的CO₂濃度來增強羧化反應。利用羧酶體實現CO₂高效固定的主要類群包括藍藻和化能自養(yǎng)細菌，它們在全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。此外，羧酶體的高CO2固定效率及其蛋白質外殼的封裝特性，在作物的基因工程改造、代謝調控，以及作為納米反應器在生物能源生產等方面具有很好的應用價值。盡管羧酶體具有重要生理生態(tài)功能和應用潛力，但其外殼組裝的分子機制仍不清楚。這嚴重限制了對羧酶體整體結構的認識和改造利用。
本研究分析了人工合成的包含所有外殼蛋白和關鍵連接蛋白CsoS2羧基末端結構域(CsoS2-C)的α-羧酶體殼的結構。通過對最大尺寸54納米的殼體組裝結構進行原子分辨率的冷凍電鏡分析，揭示了促進了更大尺寸外殼的穩(wěn)定組裝的羧酶體殼蛋白之間多樣化的組裝界面以及CsoS2與殼蛋白的詳細相互作用。研究發(fā)現不同于六聚體-五聚體蛋白組件之間形成固定的傾角，六聚體與六聚體組件之間的傾角更加復雜多變。而連接蛋白的羧基末端結構域CsoS1C與外殼蛋白之間形成多點式相互作用，且采取兩種不同的構象協(xié)助外殼的組裝。不僅如此，基于生物化學和晶體結構學方法，研究還發(fā)現六聚體和五聚體單體蛋白的同源物之間可以形成異源嵌合六聚體和異源嵌合五聚體。
研究結果顯著加深了我們對羧酶體殼自組裝機制的認識，為揭示α-羧酶體殼的組裝原理及CsoS2在調控α-羧酶體組裝和功能中的作用提供了機制性見解，并為具有新生物技術功能的殼結構的設計和重新編程提供重要基礎。
本研究由中國海洋大學、英國利物浦大學、山東大學等單位合作完成，中國海洋大學王鵬副教授、李康副教授、山東大學李劍勛博士和英國利物浦大學李天佩博士為共同第一作者。劉魯寧教授、張玉忠教授為該論文的共同通訊作者，中國海洋大學為第一完成單位和通訊作者單位。本研究得到了科技部重點研發(fā)項目、國家自然科學基金的資助。
通訊員：李春陽
圖1. CsoS2介導的α-羧酶體外殼組裝及完整α-羧酶體的構建模型。
相關鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr4227
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