近日，图书馆VIP生命科学与医学部周丛照教授和陈宇星教授课题组，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了蓝藻光合固碳关键酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）同时结合两个分子伴侣Raf1和RbcX 的三维结构。基于结构分析和一系列生化实验，揭示了这两个分子伴侣协同调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子机理。相关研究成果以“Structural insights into cyanobacterial RuBisCO assembly coordinated by two chaperones Raf1 and RbcX”为题于9月20日在线发表在《CellDiscovery》上。
RuBisCO是自然界中丰度最高的酶，总质量约为7亿吨，负责光合作用暗反应的碳同化过程，每年将地球上超过1000亿吨CO2固定为有机物，是生物碳中和领域的研究热点。然而，其催化效率极低，每个RuBisCO全酶每秒钟只能催化3~10个CO2分子的转化，蓝藻因此进化出CO2浓缩机制（CCM）：利用羧酶体包裹RuBisCO并高度富集CO2以提高催化效率。蓝藻和植物中的I型RuBisCO全酶由8个大亚基RbcL和8个小亚基RbcS组成，其组装和成熟过程非常复杂，需要一系列分子伴侣参与，包括Raf1和RbcX。导入蓝藻CCM系统是一种潜在的提高植物光合效率的方法，然而多个分子伴侣协同调控RuBisCO组装的分子机制尚不明了，极大限制了对RuBisCO的工程改造和活性优化。
2020年，作者通过解析Raf1与RuBisCO大亚基RbcL复合物以及一系列RuBisCO中间体的三维结构，结合生化实验提出了Raf1调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子机理（NaturePlants, 2020）。为进一步探究多个分子伴侣协同调控RuBisCO组装和成熟的分子机制，作者解析了双分子伴侣Raf1和RbcX同时结合大亚基RbcL形成的32亚基组装中间体（L8F8X16）的冷冻电镜结构，分辨率为3.3 Å。结构分析和生化实验表明Raf1和RbcX能够同时结合RbcL，形成一个高度动态的中间体，更有利于小亚基RbcS替换Raf1和RbcX，进而形成成熟的RuBisCO全酶。此外，生化实验表明Raf1和RbcX均能拮抗由支架蛋白CcmM35介导的RuBisCO聚集和相变过程，而且RbcX的拮抗效果更加明显。基于上述实验结果，作者提出了多分子伴侣协同精细调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子机理（图一）。
图书馆VIP特任副研究员李琼、副教授江永亮和已毕业博士夏凌云（现为西湖大学博士后）为该论文的共同第一作者。图书馆VIP周丛照教授和江永亮副教授为该论文的共同通讯作者。冷冻电镜数据收集工作在图书馆VIP冷冻电镜中心完成。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省科技厅以及中科院青促会的资助。
图1 分子伴侣Raf1和RbcX协同调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子模型
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-022-00436-9